测控技术与仪器 毕业论文范文——智能环保仪器远传系统的研究和探索.doc

1、 第 1 页 共 44 页智能环保仪器远传系统的研究和探索摘要本文是基于环境监测仪器开发的数据远传系统，随着通讯技术日新月异的发展，数据无线远传技术已在很多领域得到了广泛应用，尤其在远程监测和数据采集方面已成为不可或缺的一部分。本文所设计的数据远传系统中采用TC35i 无线通讯模块，基于现代无线通讯广泛使用的GSM 网络，以短消息业务为载体实现无线数据传输，是数据采集技术与现代通讯技术相结合的产物。论文首先从国内外了解现代环保监测技术的发展现状，分析发展环境监测仪器的必要性和紧迫性，进而提出本课题的设计方案，并论述方案的可行性。接下来，根据系统的设计方案和要实现的设计任务，对整个系统进行了具体

2、的硬件搭建和各功能模块的软件实现。硬件设计是本设计的基础，而软件设计是本设计中难点。本课题的每部分研究内容都分为两部分讨论，即硬件部分和软件部分。硬件部分包括各器件的选型、特性研究和具体电路设计，软件部分包括所使用编程语言的学习和各部分软件设计的思路及实现。具体内容包括：1根据各器件的电源要求，对整个系统进行了电源设计。2根据系统的功能要求以及体积、成本、设计方案等综合性考虑，对系统的微处理器进行了选型和学习，本设计选用C8051F020 单片机，并对其外围电路进行了设计。3认真研究无线通讯模块TC35i 的工作原理，对其与单片机的数据接口电路和其他外围电路进行了认真设计。4根据显示的需要，选

3、用液晶显示模块并对其电路进行设计。5针对上位机数据传输的速度和现代仪器的发展趋势，对上位机进行了USB 接口的扩展。6学习汇编语言、C 语言以及 TC35i 专用指令集 AT 指令，并对各功能模块进行了软件设计。文章最后对全文作了理论性总结并指出了系统设计的不足和改进意见，提出了要对系统软件部分做进一步的调试和完善。第 2 页 共 44 页实验证明，该系统的设计思路和方案是可行的，该设计很适用于环境监测、水质监测等监测系统中，有着广阔的市场前景。关键词：数据远传，C8051F020 ，TC35i，AT 指令， USB 接口第 3 页 共 44 页1 绪论1.1 引言随着我国的高速发展，社会的稳

4、步进步，环境和生态的恶化情况日益加重。环境问题与资源、人口问题己经被国际社会公认为是影响本世纪可持续发展的三大关键问题，环境的变化及其对生态和全球气候的影响等已成为全球十分关注的研究领域，解决环境问题是包括我国在内的世界各国在21 世纪发展中的首要问题1。尽管我国仍是一个发展中国家，但在环境问题上，已呈现出后工业化国家特征，城市与流域、区域性环境问题加剧。环境污染按环境要素可分为大气污染、水体污染、土壤污染、生物污染等；按污染物的性质分化污染、物理污染、生物污染等 2。日趋严重的环境污染成为科学家们所面临的难题。它不仅关系到人类健康问题，而且关系到维护人类繁衍发展的资源问题。环境监测是伴随着环

5、境污染的产生而发展起来的，至今已有半个多世纪的历史。在工业发达的国家，环境监测发展大体经历了以典型污染事故调查监测为主、以污染源监督性监测为主和以环境质量监测为主的阶段。自20世纪70年代中期以来，由于环境问题认识的不断深化，发达国家把环境监测焦点从对污染源监测转移到环境质量监控上来。使环境监测范围发展到面源污染及区域性环境质量方面。环境监测技术就是在这种背景下产生并发展起来的 3。环境监测技术是运用现代科学技术方法测取、运用环境质量数据资料的科学活动，是用科学的方法监视和检测反映环境质量及其变化趋势的各种数据的过程。用监测数据表征环境质量变化趋势及污染的来龙去脉为目的，它是环境保护的基础。环

6、境监测技术所涉及的技术体系非常的广泛，它不仅包括测试技术、还包括了布点技术、采样技术、数理技术和综合评价技术。但从监测对象的特点可以看出，环境监测数据采集点大多都在野外，距离环境监控中心较远，为了使监测全面、可靠、有效，一般要采取多处设置采集点，这很不利于工作人员的值守，因此，采取无线数据传输方式很适合当前环境监测第 4 页 共 44 页的要求。1.2 环境监测的目的、任务1.2.1 环境监测的目的环境监测的目的是及时、准确、全面地反映环境质量和污染源现状及发展趋势，为环境管理、环境规划和污染防治提供依据。（1）评价环境质量，预测环境质量变化趋势。（2）为制定环境法规、标准、环境规划、环境污染

7、综合防治对策提供科学依据。（3）收集环境本底值及其变化趋势数据，积累长期监测资料，为保护人类健康和合理使用自然资源，以及为确切掌握环境容量提供科学依据。（4）揭示新的环境问题，确定新的污染因素，为环境科学研究提供方向。1.2.2 环境监测的任务（1）评价环境质量，预测、预报环境质量发展趋势。（2）加强污染源监测，揭示污染危害，探明污染程度和趋势，进行环境监控管理、实现环境监测新突破。（3）积累各类环境数据，掌握环境容量，为实现环境污染总量控制及实施目标管理提供依据。（4）及时分析处理监测数据和资料，建立监测数据及污染源分类技术档案，为制订及执行环保法规、标准及环境污染防治。1.3. 我国环境监

8、测及其监测仪器发展的新趋势随着数据采集技术、通信技术和数据处理技术的不断进步，随着对监测系统的自动化、网络化、信息化的要求，实时性能好、自动化程度高的以自动测量为主、系统功能为主的环境自动监测方式成为环境监测发展方向，具体体现在 4：（1）以目前人工采样和实验室分析为主，向自动化、智能化和网络化为主的监测方向发展；（2）由劳动密集型向技术密集型方向发展；（3）由较窄领域监测向全方位领域监测的方向发展； （4）由单纯的地面环境监测向与遥感环境监测相结合的方向发展； （5）环境监测仪器将向高质量、多功能、集成化、自动化、系统化和智能化第 5 页 共 44 页的方面发展； （6）环境监测仪器向物理、

9、化学、生物、电子、光学等技术综合应用的高技术领域发展。1.4 论文的主要研究工作及安排1.4.1 论文的主要研究工作（1）根据本人对国内外远程监控技术的调研和学习，搭建数据远传系统的整体框架，并对其进行可行性分析，最终确定系统的结构方案。（2） 对系统硬件的选型，主要包括微处理器、数据远传模块、液晶显示屏、数据传输接口芯片和电源等。（3） 上位机和下位机的电气结构及外围各单元的电路设计和电路板制作、加工。（4） 分别对上、下位机的软件设计，主要包括上、下位机的微控制器的控制软件设计、通讯模块的AT 命令的编制和上位机管理界面的设计。（5）为适应现代智能仪器的发展趋势，在上位机上扩展 USB 接

10、口，以提高数据的传输速度和方便与PC 机的通讯。（6） 参加样机的硬、软件的调试工作，总结正反两方面经验，以便后续工作的改进 5。1.4.2 论文安排（1）第一章讲述环境监测的来源、目的、任务和我国的发展的趋势以及本论文研究的主要内容。（2）第二章提出了总体的方案、对数据传输方式进行了选择并给出了系统设计的功能和技术指标，最后提出了系统工作原理的具体实现。（3）第三章对所设计的系统的硬件部分进行了具体的设计。（4）第四章对所设计的系统的软件部分进行了具体的设计。（5）结论对本论文进行了总体的总结。第 6 页 共 44 页2 方案的提出和总体设计2.1 方案的提出随着科技的发展和环境的不断恶化，

11、传统的以人工为主的环境监测方法已不能满足发展的需要，众所周知，人工监测存在以下问题：（1）连续性差，不能长期评价某地区或企业的污染情况；（2）对于突发性污染事故，不能及时发现并处理；（3）不利于环境管理部门宏观掌握总体环境污染水平；（4）实时性差，不利于及时掌握污染情况。环境自动监测系统是集现代传感器技术、自动测量技术、通信、网络和计算机应用技术为一体的综合性自动化系统。自动监测技术和远程数据传输技术是环境自动监测系统中最关键的两部分。随着计算机技术的逐渐普及，使得远程数据采集检测已成为日益重要的检测技术。无线通讯技术已成为现代电子技术的一个重要的组成部分因此，本文提出了一种环境监测的方案，就

12、是要研究利用无线通讯技术具体实现环境监测仪器的远程控制和远程数据采集传输系统的架构。整个系统分为上位机和下位机。下位机是环境监测系统的前线设备，它具体实现监测数据的采集工作并负责把采集数据实时传输给上位机，它主要由传感器、微处理器和无线传输模块组成。上位机主要由 PC 机和无线传输模块组成，它主要负责数据的接收和处理，并对整个监测系统进行总体数据分析。图 2.1 给出了本方案的系统组成结构图：第 7 页 共 44 页GSM 网络传感器 单片机 系统 通讯模块 通讯模块 PC计算机图 2.1 系统的组成结构图2.2 数据远程传输方式的选择传统技术中对于远程自动化系统的监控多采用有线方式。主要存在

13、着以下问题，一方面，在偏远监测地区，控制单元的监控点分散，相距监控中心较远，环境恶劣，难以实现有线网络的远程监控。另一方面，现有的一些有线数据传输方法如利用电话线等存在着覆盖范围小，线路维护量大，扩展不便，信号噪声污染致使通信不可靠等弊端。所以在这种情况下，我们选择无线数据网络作为数据传输的媒介，利用无线通信网络技术进行数据的无线传输，通过远程监控可以实现现场运行数据的实时采集和快速集中，获得现场监控数据，为远程故障诊断技术提供了物质基础。对于分散、无人值守的测控仪器，适于建立分散的监测站与集中的控制中心。随着无线通信数字网络的发展，采用GSM 无线通信网作为通信方式已为上述问题提供了一个新的

14、解决方案，为解决远程系统数据远传问题提供了新的可靠的途径 5。GSM网络是一个集网络技术、数字程控交换技术、各种传输技术和无线技术等领域的综合性系统 6。GSM(Global System for Mobile communication)无线数字蜂窝通讯网络在我国得到了高速的发展，不但拥有较高的覆盖率，而且相继开放了SMS（ Short Message Service 短消息）、FAX（传真）、DATA（数据）等业务。无线远传系统已成为数据传输系统未来发展的必然趋势。使用GSM 数字无线连接，有健全的协议保护传输的数据。要求低误码率的自动化系统可以规定无线接口重发不正确的数据块协议直至这些数

15、据块无差错，这种机理可应付干扰和衰减的问题。使用GSM 提供的无线数据传输业务，可以方便对位置偏远或布局分散的测控系统实施监控，能够对各种事件进行较为及时地处理。这种数据传输模式具备以下特点：第 8 页 共 44 页（1） 网络覆盖面广、用户投资小、运营费用少。对于监控采集点分散、覆盖面广、监控点不固定的监控采集系统具有无可比拟的优势。（2） GSM 信道可靠，短信传送队列由短信服务中心自动编排，采用信令信道传送，信道安全、可靠。（3） 实时性较好。短信息在服务中心的滞留时间一般在 1 分钟以内（通常为几秒到几十秒）。（4） 数据安全。数据发送到服务中心有确认信号，可以有效地控制数据的安全送达

16、。同时，即使遥测中心站关闭，数据也可以在短信息服务中心保留，只要遥测中心站一开启，滞留在服务中心的数据即可送往遥测中心站。（5） 良好的防雷性能。（6） 网络可靠性高。电信部门的各基站、网络建设标准高，运行的各种设备技术支持力强，工艺先进，有完善的网络监视系统及较强的管理、维护力量。2.3 系统功能及技术指标2.3.1 系统功能该课题主要针对环境监测仪器研制一整套自动化环境监测系统，该系统的设计功能模块框图如图2.2 所示：GSM网络数据采集 模块数据传输 模块PC 机数据传输 模块图2.2 系统功能模块框图该系统有以下几个功能：（1）系统采集与处理功能：（2）管理功能：（3）控制功能：（4）

17、监督功能：（5）数据无线传输功能。本系统利用网络通信技术、数据采集技术及面向对象等软件技术实现了整个系统的系统管理、用户管理、设备监控、数据显示及报警模块，其优点是充分利用了现有的网络资源，以最高的性能价格比，以信息的实时获取和实时控制为中心，实现信息、资源及任务的综合共享和全局一体化的管理。第 9 页 共 44 页2.3.2 系统技术指标（1）模拟输入信号：010mA、420mA、05V 、010V ；（2）数字接口：RS232， USB1.0 接口；（3）永久保存各采集口的年、月、日、时数据；（4）模拟信号转换精度：1%；（5）供电电源：AC220V20，50Hz；（6）环境温度：-25

18、至+60C ；（7）相对湿度：85；（8）通讯距离：8；（9）工作电源：3.312V DC，2A；2.4 系统工作原理的具体实现本系统的主要目的就是要把前端不同监测仪器的各种模拟信号通过下位机进行A/D 变换，或者是仪器直接输出的RS-232 标准数字信号通过串口输入下位机，并将所得数字信号经过处理器的预处理，再由无线通讯模块上传到监控中心，也可以由监控中心通过无线通讯模块向下位机发送控制指令。针对这一目的，微处理芯片采用C8051F 系列单片机，这是一款典型的高性能单片机，无线通讯模块采用TC35i 模块，它是800/1900M 双频GSM 引擎模块，主要为语音传输、短消息发送和数据业务提供

19、无线接口。采用串口实现与微控制器的数据通讯，使用专用指令集AT 指令 7。系统整体结构框图如图2.3所示：第 10 页 共 44 页PH 值流量 COD 流速 温度 压力 电导 浊度信 号 转 换 电 路 单 片 机 C8051F020液晶显示 JTAG 接口双频模块 TC35i SIM 卡GSM网络双 频 模 块 T C 3 5 i单 片 机U S B 接 口P C 机 （监 控 中 心）SIM 卡MAX232（电平转换）图2.3 系统整体结构框图3 系统硬件设计3.1 引言硬件系统分为上位机和下位机两部分。在本章将重点详细设计硬件部分的每个电路单元，以实现整机的正常运作。上位机和下位机的核心芯片相同，包括微处理器件C8051F020 单片机和无线通讯模块TC35i 。另外，还有电源部分、显示部分和数据接口部分等辅助电路。只有对每一单元都认真、完整的进行设计，实现本身功能才能为实现系统的整体成功奠定基础 8。本章将对上位机和下位机分别设计其各部分电路，对于上位机和下位机的一些相同电路，为了简要起见，将只在其中一部分中作详细介绍。