基于STC单片机的GPRS数据传输控制系统的设计

1、目 录1前言.12系统功能分析及设计要求.13系统总体设计方案.23.1 系统结构.23.2 GPRS 模块与系统的连接.34主要应用器件及技术原理.44.1 微处理器介绍 .44.2 AT89C51 单片机串行通信原理.54.3 GPRS 通信原理.75系统硬件电路设计.85.1 主机 PCB 原理图 .85.2 GPRS 模块 PCB 原理图.105.3 晶振及系统复位电路 .105.4 报警显示电路 .115.5 液晶显示电路 .126系统软件设计.126.1 系统软件流程图 .126.2 系统软件设计 .137程序烧录与仿真.168总结与展望.179致谢.1810参考文献.19基于单片

2、机的基于单片机的 GPRSGPRS 数据传输控制系统设计数据传输控制系统设计1前言随着信息技术和近代工业的发展，需要对很多数据进行实时采集、分析处理。如何及时准确地获取信息显得越来越重要，然而对于一些设备设施分布地域广或是环境恶劣的场所，数据的采集、传输和控制相当复杂，不便于用传统方法实现集中控制和实时监测并且有线网络的架设受到种种限制，不利于现场处理信息。传统的数据采集和传输设备既耗费大量的人力物力，又无法避免手工抄写和计算带来的差错，现有的一些数据传输方法如利用电话线、电力载波等存在着诸多的问题，如覆盖范围小，线路维护量大，电力载波上噪声污染致使通信不可靠等。于是便要求将采集的数据通过GP

3、RSR 的无线网络通信传到远程的计算机上，远程监控终端仪器通过网络与计算机通信，以实现对现场数据的实时监控。这样大大减少了数据采集、分析和处理的难度。本课题基于 STC 单片机的 GPRS 数据传输系统的设计，是利用 GPRS 这种经济高效的分组数据技术实现即时数据的传输，他不但具有网络覆盖范围广，抗干扰能力强，通信速度快，误码率低等优点，而且用户只需在传输数据时按照流量进行付费，无需像电路交换方式那样对整个链路占用期间都付费，这样就大大降低了用户的使用费用，具有很大的发展前景。因此，本课题是非常有意义的。2系统功能分析及设计要求一个很好的呼叫系统，它的功能设计首先要符合用户的习惯，同时操作方

4、便，易学，易用。本系统应包括数据处理，存储，传输，控制，人机界面显示等功能。对于一些设备设施分布地域广或是环境恶劣的场所，数据的采集、传输和控制相当复杂，不便于现场处理信息。本系统的远程监控终端仪器可以通过 GPRS 无线网络与计算机通信，以实现对现场数据的实时监控。这样大大减少了数据采集、分析和处理的难度。考虑到相关工作人员可能有特殊的情况离开监控中心，设计时候要求若发生异常情况应通过短信报警通知相关负责人。同时要求主机能够存储报警记录、即有历史报警记录。考虑到同时采集不同类型的数据，例如现场浓度或温度，设计时要尽量配置多个通道以监控不同类型的数据。整个电路要求以 STC 系列单片机为控制核

5、心，以 GPRS 通信方式传输数据。要求所设计方案可以用硬件实现，具有很高的应用价值，同时准确、可靠、简便可行、利于推广，可以将安装现场的情况实时快速的传递给监控平台，并在监控中心记录信息。从而可以有效提高数据采集、分析和处理的效率，适应现代社会需求。3系统总体设计方案3.1 系统结构UART0GPRS 模块UART1外部传感器SDRAMFLASHLCD 显示USBJTAG 接口AT89C51监测中心图 3.1 系统结构图系统结构图如图 3.1 所示，设计采用 AT89C51 单片机智能控制，此系列单片机具有1 个时钟/机器周期 8051，超强加密，高速高可靠，低功耗，价钱超低，并且强抗静电，

6、强抗干扰等多项优点。单片机是系统的核心，要完成数据处理，存储，传输，人机界面显示等功能。这此功能的实现可用 AT89C51 系列单片机。该单片机中包含中央处理器（CPU）,程序存储器（FLASH） ，数据存储器（SRAM） ，定时/计数器，UART0/1 串口，I/O 接口，高速 AD转换，SPI 接口，PCA，看门狗及片内 R/C 振荡器和外部晶体振荡电路等模块。STC12C5A60S2 系列单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所在单元模块，可称上一个片上系统。设计采用 MAX232 芯片实现系统电路的电平转换。MAX232 芯片是美信公司专门为电脑的 RS-232 标准串口设计的单电源电

7、平转换芯片，使用+5V 单电源供电。MAX232 符合所有的 RS-232 技术标准，片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V 和-10V 电压，典型供电电流 5mA，功耗低，同时内部集成了 2 个 RS-232C 驱动器，高度集成片外只需 4 个电容即可工作。其引脚主要分三个部分，第一部分是电荷泵电路，第二部分是数据转换通道，MAX232 有两个数据转换通道，TTL/CMOS 数据从 T1IN、T2IN输入转换成 RS-232 数据从 T1OUT、T2OUT 送到电脑 DB9 插头；DB9 插头的 RS-232 数据从 R1IN、R2IN 输入转换成 TTL/CMOS 数据后从

8、 R1OUT、R2OUT 输出。第三部分是供电。 3.2 GPRS 模块与系统的连接AT89C51GPRS模块SIM 卡座3.3VRS232RWRST图 3.2 GPRS 模块连接图GPRS 模块连接图如图 3.2 所示，GPRS 模块选用 SIM300 模块，它是一款GSM/GPRS 无线模块。模块接口简单、使用方便且功能强大。它支持标准的 AT 命令及增强 AT 命令。SIM300 能够提供 GPRS 多信道类型多达 10 个，并支持四种 GPRS编码方案。模块与移动应用设备 SIM300 内部功能模块有：键盘和 SPI 类型的 LCD 接口，方便用户开发自己应用设备；具有调试和数据输出两

9、个串口；双音频通信，包含两个麦克风输入和两个话筒输出，由 AT 指令配置其工作模式。GPRS 模块采用 3.3V 电源供电，通过 RS232 串行接口与单片机实现通信连接。4主要应用器件及技术原理4.1 微处理器介绍4.1.1 AT89C51 单片机的特点（1）在系统可编程，可远程升级且小巧灵活、成本低、易于产品化。能组装成各种智能式测控设备及智能仪器仪表。（2）高速高可靠，超强加密，应用范围广。单片机芯片本身强抗静电，强抗干扰，能适应各种恶劣的环境，功耗低。这是其他系列单片机无法比拟的。（3）易扩展，很容易构成各种规模的应用系统，控制功能强。单片机的逻辑控制功能很强，指令系统有各种控制功能指

10、令，可以对逻辑功能比较复杂的系统进行控制。（4）具有通讯功能，可以很方便地实现多机和分布式控制，形成控制网络和远程控制。正是由于 STC 系列单片机具有以上优点，所以成为本次毕业设计所选用的处理器。4.1.2 AT89C51 单片机的结构从工作原理上讲，单片机就是一种微型计算机，是一种“程序存储式”计算机。它是在一块硅片上集成了中央处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、程序存储器（ROM或 EPROM）、定时/计数器以及各种 I/O 接口，也就是集成在一块芯片上的计算机。STC12C5A60S2 系列单片机是宏晶科技的单时钟/机器周期(1t)的单片机。STC12C5A60S2系列单片机是宏晶

11、科技的单时钟/机器周期(1t)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代 8051 单片机，指令代码完全兼容传统 8051,但速度快 8-12 倍。内部集成MAX810 专用复位电路,2 路 PWM,8 路高速 10 位 A/D 转换(250k/s),针对电机控制，强干扰场合。同时，此系列单片机支持 ISP（在系统可编程）和 ICP（在应用可编程） ，无需专用编程器，无需专用仿真器。可通过串口（P3.1/P3.2）直接下载用户程序，数秒即可完成硬件电路的程序烧录，高效可靠，且可反复烧写擦除多次，大大减少研究成本。单片机的内部结构如下图所示：图 4.1 AT89C51 单片机的内部结构4.2

12、AT89C51 单片机串行通信原理4.2.1 AT89C51 单片机串行通信AT89C51 系列单片机是具有 2 个采用 UART（Universal Asynchronous Receiver /Transmitter）工作方式的全双工串行通信接口（串口 1 和串口 2） 。每个串行口由 2 个数据缓冲器、一个移位寄存器、一个串行控制寄存器和一个波特率发生器等组成。每个串行口的数据缓冲器由 2 个相互独立的接收、发送缓冲器构成，可以同时发送和接收数据。发送缓冲器只能写入而不能读出，接收缓冲器只能读出而不能写入，因而两个缓冲器可以共用一个地址码。STC 系列单片机串行口 1 对应的硬件部分是

13、RxD/P3.0(串行数据接收端)和TxD/P3.1(串行数据发送端)引脚，串行口 2 对应的硬件部分是 RxD2 和 TxD2。此系列单片机的串行通信口除了用作数据通信外，还可以构成一个或多个并行 I/O 口，或作串-并转换，或用于扩展串行外设。本设计串行口采用工作方式一，用定时器一工作在方式 2 做为波特率发生器，为可变的 10 位异步通信接口方式。发送或接收一帧信息，包括 1 个起始位 0，8 个数据位，1 个奇偶校验位和 1 个停止位 1。图 4.2 是异步通信的字符帧格式：DDDDDDDD012345670/1 10100/1nn-1n+18 DD01.(a)DDDDDDDD0123

14、45670/1 11101nn+18 DD01.(b)110图 4.2 异步通信字符帧格式输出当 CPU 执行一条指令将数据写入发送缓冲 SBUF 时，就启动发送。串行数据从TxD 管脚输出，发送完一帧数据后，就由硬件置位 TI。 输入 在（REN）=1 时，串行口采样 RxD 管脚，当采样到 1 至 0 的跳变时，确认是开始位 0，就开始接收一帧数据。只有当（RI）=0 且停止位为 1 或者（SM2）=0 时，停止位才进入 RB8，8 位数据才能进入接收寄存器，并由硬件置位中断标志 RI；不然信息丢失。所以在方式 1 接收时，应先用软件清零 RI 和 SM2 标志。4.2.2 单片机通信连接

15、本系统设计采用的是 GPRS 通信连接方式，GPRS 是基于 GMS 提供的通用分组无线业务。采用基于分组传输模式的无线 IP 技术，以一种有效的方式高速传送数据。GPRS 支持 Internet 上应用最广泛的 TCP/IP 协议和 X.25 协议，为网络终端分配动态的 IP 地址，通过 GGSN 接入 Internet，用户可以直接访问 Internet 站点。数据传输通过 PDCH信道，具有很高的传输速率和更少的费用。传输速率理论上最高达 171.2kbit/s,具有永远在线和收费低廉的优点。数据采集模块AT89C51监测中心GPRS 模块GPRS 网络InternetRS232SPI图

16、 4.3 单片机的通信连接原理图4.3 GPRS 通信原理4.3.1 GPRS 介绍GPRS 是通用分组无线业务(General Packet Radio Service)的英文简称，是在现有 GSM 系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为 GSM 用户提供分组形式的数据业务。GPRS 采用与 GSM 同样的无线调制标准、同样的频带、同样的突发结构、同样的跳频规则以及同样的 TDMA 帧结构，这种新的分组数据信道与当前的电路交换的话音业务信道极其相似。因此，现有的基站子系统(BSS)从一开始就可提供全面的 GPRS 覆盖。GPRS 允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用

17、电路交换模式的网络资源。从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。GPRS 理论带宽可达 171.2Kbit/s，实际应用带宽大约在 40-100Kbit/s，在此信道上提供 TCP/IP 连接，可以用于 Internet 连接、数据传输等应用2。 GPRS 是一种新的移动数据通信业务，在移动用户和数据网络之间提供一种连接，给移动用户提供高速无线 IP 或 X.25 服务。GPRS 采用分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可以由多个用户共享，资源被有效的利用，数据传输速率高达 160Kb

18、ps。使用 GPRS 技术实现数据分组发送和接收，用户永远在线且按流量计费，迅速降低了服务成本。4.3.2 串行通信总线标准及其接口连接在单片机应用系统中，数据通信主要采用异步串行通信6。在设计通信接口时，必须根据需要选择标准接口，并考虑传输介质、电平转换等问题。采用标准接口后，能够方便地把单片机和外设、测量仪器等有机地连接起来，从而构成一个测控系统。同样当我们需要单片机和 PC 机通信时，通常采用 RS-232 接口进行电平转换。图 4.4 AT89C51 单片机串口通信电路图RS-232C 是使用最早、应用最多的一种异步串行通信总线标准。它是美国电子工业协会（EIA）1962 年公布、19

19、69 年最后修定而成的。其中 RS 表示 Recommended Standard，232 是该标准的标识号，C 表示最后一次修定。RS-232C 主要用来定义计算机系统的一些数据终端设备（DTE）和数据电路终接设备（DCE）之间的电气性能。由于 STC 系列单片机本身有一个全双工的串行接口，因此该系列单片机用 RS-232C 串行接口总线非常方便。RS-232C 不能和 TTL 电平直接相连，使用时必须进行电平转换。否则将使 TTL 电路烧坏，实际应用时必须注意。4.3.3 AT89C51 单片机与 GPRS 通信单片机将采集到的数据写入 SBUF 寄存器，经过 MAX232 电平转换后，将

20、信号串行传输给 GPRS 模块 SIM3004。数据经 SGSN 封装后，SGSN 通过 GPRS 骨干网与网关支持接点 GGSN 进行通信。GGSN 对分组数据进行相应的处理，再发送到监测中心。监测中心帧听到呼叫信息后，将呼叫记录录入管理系统，它记录呼叫时间，次数以及是否处理、处理结果。图 4.4 为单片机的串口通信电路图。5系统硬件电路设计5.1 主机原理图主机以 AT89C51 为控制核心。主机原理图如图 5.1 所示。图 5.1 主机原理图5.2 GPRS 模块部分原理图 设计采用 SIM300 作为 GPRS 传输模块。GPRS 模块部分原理图如图 5.2 所示。 图 5.2 GPR

21、S 模块部分原理图5.3 晶振及系统复位电路晶振电路如图 5.3 所示，XTAL1 是片内振荡器的反相放大器输入端，XTAL2 则是输出端，使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到 XTAL1，而 XTAL2 悬空。内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频，如晶振为 12MHz，时钟频率就为 6MHz。晶振的频率可以在 1MHz-24MHz 内选择。电容取 30PF 左右。本系统采用内部方式，串行通信采用波特率 9600，晶振选用 22.1184MHz。复位电路如图 5.4 所示，在振荡器运行时，有两个机器周期（24 个振荡周期）以上的高电平出现在此引脚时，将使单片机复位，只要这个脚保持高电平，

22、芯片便循环复位。复位后 P0P3 口均置 1 引脚表现为高电平，程序计数器和特殊功能寄存器 SFR全部清零。当复位脚由高电平变为低电平时，芯片为 ROM 的 00H 处开始运行程序。 图 5.3 晶振内部方式 图 5.4 复位电路5.4 报警显示电路报警显示电路如图 5.5，此时单片机可以查询到该芯片的序列号，然后经计算得到相应的报警信息，然后通过无线通信传回给数据中心。同样记录复位和查询电路设计是一样的原理。图 5.5 报警显示电路5.5 液晶显示电路随着单片机应用系统的复杂化及液晶显示技术的发展，LCD 显示逐步代替了 LED显示成为当前单片机应用系统中最常见的一种显示方式。设计中显示模块

23、采用带中文字库的 HS12864-15 液晶显示模块。该模块是一种具有 4 位/8 位并行、2 线或 3 线串口多种接口方式工作，内部含有国家一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块：其显示分辩率为 12864，内置 8192 个 16*16 点和 128 个 16*8 点 ASCII 字符集。利用该模块灵活的接口方式和简单方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。4*8行 16*16 点阵的汉字或 16*4 行 16*8 点阵的 ASCII 码字符，还可完成图形显示。为保证单片机与 LCD 显示器能正常通信，LCD 的数据线直接与单片机的 P0 口连接，采集外部数据信号用 P1。液晶

24、显示模块串口接线图如下图所示：图中 BLK 与 BLA 之间10K 可调电阻，用于调节液晶显示亮度。 图 5.6 单片机控制液晶显示电路图6系统软件设计6.1 系统软件流程图系统软件程序流程图如图 6.1 所示，首先系统对 PPP 连接所使用的物理串口进行初始化，然后， GPRS 模块直接使用 AT 指令请求 GPRS 服务，拨号到中国移动的 GPRS节点服务器（GGSN）。若拨号成功，就与网络协商 PPP 协议，包括确定用于 PPP 连接的串行端口号以及通信波特率等相关问题。若协商成功就建立数传链路开始传输数据。反之，则返回上一步，重新开始拨号任务并建立数传链路。如此循环直至数据成功传送。开

25、始系统初始化向 GPRS 模块发送 AT 指令请求 GPRS 服务进行 PPP 协议传输数据拨号成功？协商成功？结束NONOYESYES图 6.1 系统软件程序流程图6.2 系统软件设计 系统软件设计即在开发环境准备好的基础上进行应用程序的编写，包括完成上位机监控中心的程序设计，GPRS 无线网络连接，界面显示程序等。6.2.1 上位机监控中心的设计 监控中心的功能是 GPRS 信息的接收和保存。设计语言采用 Microsoft 公司的Visual C 编程语言。Visual C 语言应用灵活，功能强大，对网络编程和数据库有强大的支持。通过 GPRS，监控平台可以直接访问互联网，所以监控平台并

26、不需要设置 GPRS 模块。中心只需要通过中心软件帧听网络，接收 GPRS 无线模块传来的 UDP 协议的 IP 数据包和发送上位机控制信息，以实现与 GPRS 终端的 IP 协议通信。接收到信息要保存到中心数据库中，以备查询历史记录。数据库采用 Access, VC 编制的界面窗口通过 AD0 访问 Access 中的数据。6.2.2 GPRS 网络连接 GPRS 网络连接1任务主要是完成通过 GPRS 网络建立与上位机的数据传输链路的过程。启动 SIM300 后，首先，需对 PPP 连接所使用的物理串口进行初始化，包括确定用于 PPP 连接的串行端口号以及通信波特率。然后，直接使用 AT

27、指令，拨号到中国移动的 GPRS 节点服务器（GGSN）。使用以下几条灯指令使 SIM300 进入数据通讯状态：“AT+CGATT?”用于查询 SIM300 是否已附着于中国移动的 GPRS 网络，SIM300 将返回当前状态；“AT+CGATT=1”用于设置 SIM300 附着于中国移动的 GPRS 网络，操作成功 SIM300将返回 OK； “AT，+CGDCONT=1”，“IP”，“CMNET”用于设置中国移动的 GPRS 节点服务器的名称和属性，操作成功则返回 OK；“AT%ETCPIP”用于实现 PDA 激活和 TCP/IP 的初始化，使模块进入 TCP/IP 功能，操作成功则返回

28、OK； “AT%IOMODE=0，2，0”设置数据传输模式，操作成功则返回 OK； “AT%IPOPEN=1，TCP，115.24.116.19,5000,1026”打开一条 TCP/IP 链路，选择 TCP 传输，115.24.116.19 是上位机的 IP 地址，5000 为上位机接受程序端口号，成功与上位机连接返回 CONNECT。另外模块还具有数据透传功能，数据透明传输功能将实现 TCP/IP 上直接数据传输，进入透传模式的 AT 指令是：“AT%TPS=1,1,3000,1024”,进入透传模式后模块将不会相应其它 AT 指令，直接通过串口写入数据便可实现与上位机之间的数据传输。以上

29、使模块附着在 GPRS 网络的过程封装在 gprsConnect()函数中。PPP 配置，认证通过以后，即应用程序就已经通过 SIM300 成功进入了 Internet 网络。最后，通过变量 GPRSOK=1 指示 GPRS 拨号成功并建立数传状态。在 run()程序中隔一段时间判断当前网络连接状态，若网络断开则变量 GPRSOK=0,并调用 gprsConnect()函数开始拨号任务重新建立数传链路。6.2.3 界面显示模块 界面显示由两部分组成，一是实时显示各模块的采集数据及一定时间以内的历史数据；二是显示 GPRS 模块设置界面，通过这个界面设置串口参数、设置数据采集时间间隔、设置主机

30、IP 地址及端口号、发送 AT 指令、回显模块返回信息等。编写界面设计文件，其中串口参数设置、网络连接和 GPRS 数据传输封装成相应的子函数。当捕捉到相应的信号来便执行对应的函数。SPI 模块接收底层数据采集模块的各种数据，显示到界面并编码通过 GPRS 通道传输到上位机，GPRS 返回的一些重要信息也需显示到 LCD界面上。6.2.4 报警信息void baojing( ) /报警程序 uint i,j; for(j=0;j12;j+) for(i=0;i10;i+) P22=1; delay_ms(1.2); P22=0; delay_ms(1.2); for(i=0;i10;i+) P

31、22=1; delay_ms(2); P22=0; delay_ms(2); 当出现异常情况时，单片机提取不同的输入信号，进行相应的软件操作，发送报警短信，并记录报警事件。系统允许查询已发生过任意时间段的报警信息，通过设置开始和结束日期来确定时间段，能准确反映出报警时间、所属站点、报警值、实际值等信息，方便对异常站点的追踪和维护。报警信息反应输出在发光二极管上。在无报警事件时，响应上位机的数据召唤。也可以通过控制循环的次数来控制报警提示的次数和长短。6.2.5 历史记录存储 在监测平台的上位机主程序中定义一个 store 数组，存储空间大小为 N 个存储单元，数组初值都是液晶管显示数据“0”。

32、上位机中只要接到呼叫信号就存储起来，数组采取循环存储，最多一次可以存储呼叫记录可以自己设置，超过部分将依次覆盖前面的历史记录。系统允许查询任意点的历史数据，让用户能轻松了解历史状态。当有异常发生过可以根据历史数据找到异常发生的准确时间和可能原因，使监测点的维护变的更简单方便。历史数据查询可以选择起始、截至时间和每两个数据之间的时差（步长） ，并可以精确到一天中的几点，让你能准确查询到任意一时间段的历史数据。7程序烧录与仿真仿真调试首先需要在电脑上安装虚拟串口软件，然后用串口辅助仿真工具进行仿真，具体可以用串口软件向终端发送呼叫信号，查看终端的接受情况，以此来检查终端的系统性能。以下是具体的程序

33、烧录步骤10：1.选择你的使用的单片机型号，如此系统用的就是 AT89C51；2.打开文件，要烧录用户程序，必须调入用户的程序代码（*.hex,*.bin）; 3.选择串行口，你所使用的电脑串行口，如串行口 1-COM1，串行口 2-COM2，4.选择“Download/下载”按钮下载用户的程序进单片机内部，可重复执行。 下载时注意看提示，主要看是否要给单片机上电或复位，下载速度比一般通用编程器快。一定要先选择“Download/下载”按钮，然后再给单片机上电复位（先彻底断电），而不要先上电，先上电，检测不到合法的下载命令流，单片机就直接跑用户程序了。 图 7.1 AT89C51 单片机的在系统编程 关于硬件连接：1.MCU/单片机 RXD(P3.0)-RS-232 转换器-PC/电脑 TXD(COM Port Pin3)2.MCU/单片机 TXD(P3.1)-RS-232 转换器-PC/电脑 RXD(COM Port Pin2)3.MCU/单片机 GND -RS-232 转换器-PC/电脑 GN