碩士學(xué)位論文之基于單片機和GSM的農(nóng)村污水處理嵌入式系統(tǒng)設(shè)計

i式、自動模式和GSM管理模式下運行。計和軟件設(shè)計兩部分。為了在惡劣的工業(yè)環(huán)境下可靠運行，本文主要需要解決的硬件和軟件的可靠性問題。為了在控制系統(tǒng)和指定的手機用戶之間實現(xiàn)控制、查詢和變更流程，本文還需要探索本文按照模塊化設(shè)計思想，把主控制器和鍵盤顯示控制器分成了若干單元電路，完成了主控制器和鍵盤顯示控制器的電路原理圖和PCB圖的設(shè)計。同時，根據(jù)本控制器的工作環(huán)境的要求，對原理圖和PCB圖進行可靠性設(shè)計，實現(xiàn)了控制器可以在工業(yè)環(huán)本文按照分層設(shè)計思想，把主控制器和鍵盤顯示控制軟件分為三層結(jié)構(gòu)。本文重點實現(xiàn)主控制器的軟件的可靠性設(shè)計和單片Designandimplementationofruralsewagetreatmenttwomajortechnologies.ItconsistsofMCUcontroltechnologyandGSMremotemonitoringtechnology.Itcanruninmanualmode,automaticmodeDesignandimplementationofindustrialenvironmentthereliabilityproblemofthehardwareandtheprocessbetweenthephoneusers,weneedtoexplorethemethodofMCUdynamicAccordingtotheideaofmodulardesign,thintoanumberofunitcircuit,completedthemaincontrolleraccordingtothecontrollerrequirementsoftheworkingenvironment,thereliabilitydesigntheimplementationofthemethodoflearningShortMessage浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文I目錄 i 1 1 2 2 31.5本章小結(jié) 3 42.1可靠性的定義 4 4 4 6 72.4本章小結(jié) 8目錄浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文目錄Ⅱ3.1任務(wù)概述 93.2需求的具體指標(biāo) 9 9 3.3系統(tǒng)需求分析 3.4本章小結(jié) 4.1硬件總體結(jié)構(gòu) 4.2總體設(shè)計階段的硬件可靠性設(shè)計 4.3軟件總體結(jié)構(gòu) 4.3.4鍵盤顯示控制器應(yīng)用層功能描述 4.3.5鍵盤顯示控制器二級驅(qū)動層功能描述 4.4總體設(shè)計階段的軟件可靠性設(shè)計 4.5本章小結(jié) 5.1主控制器電路設(shè)計 5.2鍵盤顯示控制器電路設(shè)計 5.2.1鍵盤顯示控制器RS485通信電路和可靠性設(shè)計 5.4主控制器和鍵盤顯示控制器PCB圖設(shè)計 5.5本章小結(jié) 6.1主控制器應(yīng)用層程序設(shè)計 目錄浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文目錄 6.1.3軟件監(jiān)控應(yīng)用層程序 6.2主控制器二級驅(qū)動層程序 6.2.2主控制器和鍵盤顯示控制器通信二級驅(qū)動層程序 6.3主控制器一級驅(qū)動層程序設(shè)計 目錄浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文目錄V6.3.4主控制器和鍵盤顯示控制器通信一級驅(qū)動層程序 6.4本章小結(jié) 7.1數(shù)據(jù)保護和恢復(fù)應(yīng)用層程序?qū)崿F(xiàn) 7.2數(shù)據(jù)保護和恢復(fù)應(yīng)用層程序運行效果 錯誤!未定義書簽。 錯誤!未定義書簽。浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文圖目錄圖3.1人機界面圖 圖3.2系統(tǒng)流程圖 圖4.2電源分布圖 圖4.3軟件總體結(jié)構(gòu)圖 圖5.1主控制器單片機最小系統(tǒng)圖 圖5.2主控制器DC-DC電源電路原理圖 圖5.3主控制器RS232通信接口電路原理圖 圖5.4主控制器輸入和顯示電路原理圖 圖5.7鍵盤顯示控制器鍵盤輸入電路原理圖 圖5.8鍵盤顯示控制器晶體管輸出電路圖 圖5.9主控制器PCB圖 圖5.10鍵盤顯示控制器PCB圖 圖6.2數(shù)據(jù)保存應(yīng)用層程序流程圖 圖6.3數(shù)據(jù)恢復(fù)應(yīng)用層程序流程圖 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文圖目錄 圖6.7原水泵自動控制應(yīng)用層程序流程圖 圖6.8排泥自動控制應(yīng)用層程序流程圖 圖6.12短消息學(xué)習(xí)電腦軟件控制界面圖 圖6.13輸入信號數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換二級驅(qū)動層程序流程圖 圖6.16讀EEPROM一級驅(qū)動層程序流程圖 圖7.2遠程短消息變更的效果圖 圖7.3遠程短消息查詢的效果圖 圖7.4遠程短消息主動報警的效果圖 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文表目錄表4.1主控制器應(yīng)用層程序表 表4.2主控制器二級驅(qū)動層程序表 表4.3主控制器一級驅(qū)動層程序表 表4.4鍵盤顯示控制器應(yīng)用層程序表 表4.5鍵盤顯示控制器一級驅(qū)動層程序表 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文1第1章緒論1.1課題背景“十二五”期間，農(nóng)村環(huán)境保護的重點內(nèi)容之一是農(nóng)村生活污水的處理和防治1。政府對農(nóng)村生活污水處理越來越重視，吸收了國外先進的處理工藝和經(jīng)驗，采用的工藝與國外發(fā)達國家的差距也是越來越小。然而，目前農(nóng)村污水處理控制系統(tǒng)不能比較第一、目前農(nóng)村污水處理控制系統(tǒng)自動化和可靠性差。城市污水處理工程控制系統(tǒng)自動化程度高，往往采用PLC、工控機、以太網(wǎng)、DCS控制系統(tǒng)，可靠性高，但價格昂貴2。然而，農(nóng)村污水處理控制系統(tǒng)由于受價格因素的影響，采用傳統(tǒng)的旋鈕開關(guān)和繼電器控制，由于沒有CPU參與，實現(xiàn)復(fù)雜的自動控制電路比第二、目前農(nóng)村污水處理控制系統(tǒng)不能及時把設(shè)備故障信息通知給管理員。首先，農(nóng)村污水處理控制系統(tǒng)放置的地理位置偏遠，管理員很難做到每天去照看設(shè)備。其次，農(nóng)村污水處理設(shè)備配備的管理員知識水平低，即使發(fā)現(xiàn)設(shè)備停機，也不知道哪個部件出現(xiàn)了故障。由于設(shè)備故障不能及時通知給設(shè)備管理員，設(shè)備就不能及時得到維護，這樣就會影響設(shè)備的使用壽命和污水的處理效果。浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第1章緒論21.2研究的動機和目標(biāo)通過對目前農(nóng)村污水處理控制系統(tǒng)的分析，目前農(nóng)村污水處理控制系統(tǒng)存在本身自動化程度低和對設(shè)備維護困難的問題。這些已經(jīng)不適越來越復(fù)雜的組合工藝控制的需求和人們對設(shè)備遠程管理的需求。為此，設(shè)計出一種適合中國農(nóng)村發(fā)展的污水處理1.3基于單片機和GSM的農(nóng)村污水處理控制器提出自動控制方面，單片機本身就是為控制而設(shè)計的，是嵌入式系統(tǒng)獨立發(fā)展的分支3。單片機的可靠性越來越高，而且單片機性價便宜，適合于批量生產(chǎn)。在工業(yè)控制自動化、小家電、汽車、網(wǎng)絡(luò)通信等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。也非常適合在農(nóng)村污水處理控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。單片機在線下載程序功能和仿真功能的出現(xiàn)，大大節(jié)約了程序的調(diào)試的時間，非常適合現(xiàn)場程序調(diào)試4。GSM(GlobalSystemforMobileCommunications)應(yīng)用技基站的建設(shè)，到2008年9月，已達30.7萬個，GSM的信號覆蓋華為等短消息模塊，而且價格便宜，可靠性高，使用通用的國際標(biāo)準(zhǔn)，只要發(fā)送AT指令就可以給手機發(fā)送短消息。利用GSM技浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第1章緒論31.4主要完成的工作第一、硬件部分，利用Prote199設(shè)計軟件對主控制器、鍵盤顯示控制器的原理和PCB板進行設(shè)計和制作。和鍵盤顯示控制器的單片機程序輸入和編譯。用Delphi軟件完1.5本章小結(jié)針對目前農(nóng)村污水處理控制系統(tǒng)存在的兩大問題，提出了基于單片機和GSM的農(nóng)村污水處理控制器(本控制器)。首先提出了技術(shù)上需要解決的兩大問題：軟硬件的可靠性問題和如何讓單片機動態(tài)學(xué)習(xí)Unicode碼形式的短消息問題。然后，提出了需要4第2章基于單片機和GSM的農(nóng)村污水處理控制器關(guān)鍵技術(shù)綜述2.1可靠性的定義所謂可靠性就是產(chǎn)品在限定的時間和條件下來實現(xiàn)規(guī)定功能的一種能力。系統(tǒng)的可靠性由硬件和軟件可靠性兩部分組成。硬件可靠性就是按照用戶的要求，完成硬件系統(tǒng)的預(yù)計目標(biāo)，實現(xiàn)硬件功能的正確性；軟件可靠性就是按照用戶的要求，完成軟件系統(tǒng)的預(yù)計目標(biāo)，實現(xiàn)軟件功能的正確性。2.2提高可靠性的方法為了提高基于單片機系統(tǒng)的可靠性，要從硬件和軟件兩方面來考慮，來提高整個系統(tǒng)的抗干擾能力?；趩纹瑱C系統(tǒng)在可靠性設(shè)計時，要從軟件和硬件能否適應(yīng)工作環(huán)境的角度去分析和設(shè)2.2.1提高硬件可靠性的方法如何提高硬件的可靠性呢?第一、要找到干擾源，我們要分要選擇元件，單片機盡量選用集成度高的芯片，最好是一塊單片機和少量外圍元件就可以構(gòu)成最小系統(tǒng)；系統(tǒng)工作在極限溫度環(huán)境，要選用工業(yè)級的集成電路，對各電子元件要做老化試驗，合浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第2章基于單片機和GSM的農(nóng)村污水處理控制器關(guān)鍵技術(shù)綜述5格后，方可使用。第三、降低單片機系統(tǒng)的頻率，在滿足系統(tǒng)執(zhí)行速度的前提下，可以適當(dāng)降低系統(tǒng)時鐘，通信的波特率，還可以讓單片機進入睡眠狀態(tài)。第四、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，好的系其他還有接地設(shè)計，屏蔽與去耦設(shè)計等6。控制系統(tǒng)硬件的電源部分對提高系統(tǒng)的可靠性非常重要。許多單片機系統(tǒng)的干擾來自于耦合的電源干擾。為了抑制來自電源流電源進線要經(jīng)過π型低通濾波器，對于高頻干擾的抑制效果非常好；由于從交流220V變到低壓交流電，一般采用變壓器變壓的方式，來自交流220V的高頻干擾可以從變壓器的初級通過變壓器初次級間的寄生電容耦合到變壓器次級，這種情況可以采用變壓器初次間加屏蔽接地方式抑制，并在輸出端加高頻濾波電容0可減少線電阻，提高抗干擾能力；易發(fā)熱的元件，需留PCB板散的元器件布置要合理，一般可按單元電路，把外圍器件盡量放在如系統(tǒng)的晶振，復(fù)位電路，電壓監(jiān)控電路要與單片機放在一起。按電路功率的大小布置電路單元，一般可以按電源電路，大電流浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第2章基于單片機和GSM的農(nóng)村污水處理控制器關(guān)鍵技術(shù)綜述6的電路，小電流電路分布，易受干擾的電路不要放在PCB邊緣9。綜上所述，提高系統(tǒng)硬件的可靠性可以采用抑制干擾源、元件的選擇、地線處理、電源布置、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、PCB布局等措施。2.2.2提高軟件可靠性的方法如何提高軟件的可靠性呢?數(shù)字濾波技術(shù)是常用的用來提高可靠性的方法，它是通過分析干擾源和有效信號的不同點，找到干擾源發(fā)生的規(guī)律，用軟件的方法過濾干擾信號，來提高軟件的可靠性。還可以通過指令冗余方法，軟件陷阱方法，睡眠喚醒法等提高軟件的可靠性6。由于指令冗余方法，軟件陷阱方法對于因程序指針PC異常而隨機構(gòu)成的死循環(huán)無能為力，“看門狗(Watchdog)”技術(shù)能夠監(jiān)視這種死循環(huán)，當(dāng)“看門狗”時間溢出，程序指針PC就能跳到程序開始地址，程序就能再次正常運程序指針PC有可能非正常地跳到子程序或程序塊內(nèi)，改變了子程序內(nèi)變量的內(nèi)容，得到錯誤的結(jié)果。對于這種情況，我們可以采用“軟件鎖”的方法。為了保護重要的數(shù)據(jù)或操作，提高數(shù)據(jù)訪問的安全性，我們先在子程序或程序塊調(diào)用之前設(shè)置“軟件以在最后一字節(jié)設(shè)為校驗字節(jié)，然后在訪問重要數(shù)據(jù)或操作之浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第2章基于單片機和GSM的農(nóng)村污水處理控制器關(guān)鍵技術(shù)綜述7件鎖”,我們才能對重要數(shù)據(jù)訪問或操作，否則，作相應(yīng)的處理后，讓程序正常返回7。綜上所述，提高軟件的可靠性可以采用數(shù)字濾波、指令冗余我們把這種編碼稱為“GB2312-80”,這種編碼規(guī)范與ASCII碼兼容，它是用2個字節(jié)來表示一個中文字符1。Unicode碼是通過二個字節(jié)來統(tǒng)一表示一個字符或符號，是一種通用的國際標(biāo)準(zhǔn)，我們稱它為ISO/IEC10646編碼。Unicode碼采用256行×256列的平面來表示的編碼空間。Unicode碼和GB碼都用兩個字節(jié)來表示一個漢字，但是GB碼與Unicode碼之間的互換并無規(guī)律、也無算法，通常只能通過查表實現(xiàn)。利用兩張表，一張放GB碼，一張放Unicode碼，每張表大小為14K字節(jié)，我們可以通過對分查表的方法來實現(xiàn)1]。是一款標(biāo)準(zhǔn)漢字字庫芯片，它的內(nèi)部含有11×12點陣漢字庫和15×16點陣漢字庫，還包含GB2312國標(biāo)字集表、ASCII字符集表、Unicode碼字符集表。我們可以利用此芯片浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第2章基于單片機和GSM的農(nóng)村污水處理控制器關(guān)鍵技術(shù)綜述8ROM內(nèi)的內(nèi)碼轉(zhuǎn)換表，實現(xiàn)Unicode碼字符和GB碼字符的相互轉(zhuǎn)換[1。綜上所述，實現(xiàn)GB碼和Unicode碼轉(zhuǎn)換的方法有兩種，一2.4本章小結(jié)浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文9第3章基于單片機和GSM的農(nóng)村污水處理控制器需求分析3.1任務(wù)概述本控制器的控制方式分為手動控制、自動控制和GSM管理三種模式。手動控制模式是一種開環(huán)控制模式，主要完成調(diào)試和人工跟蹤部件故障功能，需要人工干預(yù)；自動控制模式是一種閉環(huán)控制模式，本嵌入式系統(tǒng)完全按照農(nóng)村污水處理工藝控制要求，采集現(xiàn)場的輸入信號，控制現(xiàn)場的執(zhí)行部件，定位故障的種類；GSM管理模式是在插入手機SIM卡并注冊成功后，本控制器會主動加入GSM控制方式，能夠把故障及時通知管理員、售后技術(shù)工程師和監(jiān)控電腦。3.2需求的具體指標(biāo)3.2.1工藝控制指標(biāo)本控制器的工藝控制由人機界面和控制部分以及遠程GSM模塊組成?？刂破靼惭b和更換方便，采用標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌，體積??；硬件擴展方便。控制分為手動控制、自動控制和GSM管理三種模式。手動控制主要通過按鈕和指示燈顯示方式實現(xiàn)對電機、水泵、閥門等動力的開環(huán)控制。自動控制主要通過檢測液位、限位、故障等信號實現(xiàn)對電機、水泵、閥門、風(fēng)機、紫外線等動力的聯(lián)合動浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第3章基于單片機和GSM的農(nóng)村污水處理控制器需求分析作。GSM管理主要通過GSM技術(shù)實現(xiàn)對設(shè)備的遠程管理。人機界面的定義如圖3.1。控控電故手動自動功能轉(zhuǎn)盤電機原水系嘴外線除臭圖3.1人機界面圖3.2.2硬件指標(biāo)本控制器的硬件部分主要由主制器、鍵盤顯示控制器、GSM通信模塊、用戶手機、電腦和動力驅(qū)動器件等組成。GSM通信模塊采用西門子TC35通信模塊，可以和單片機一起實現(xiàn)雙向短消息通信12。需要設(shè)計的部分包括主制器、鍵盤顯示控制器。為了安裝和維修方便，主控制器需要用導(dǎo)軌安裝，嵌入到控制箱內(nèi)；鍵盤顯示控制器可以通過插件，直接更換；TC35通信模塊和主控制組合放在同一個控制盒內(nèi)。主控制器是核心部分，需要設(shè)計兩路RS232通信接口，第一浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第3章基于單片機和GSM的農(nóng)村污水處理控制器需求分析其中第二路接口兼作為與電腦的通信接口。同時，主控制器可以采集8路開關(guān)量輸入和5路繼電器開關(guān)量輸出，輸入輸出都有信鍵盤顯示控制器是人機界面部分，需要設(shè)計一路RS232通信接口和一路RS485通信接口，16路鍵盤輸入和16路晶體管輸出。其中232通信接口可以與主控制器通信，RS485通信接口為備用接口，可以和外部流量計、超聲波液位計、污泥界面儀，以太網(wǎng)在硬件設(shè)計時，需要結(jié)合本控制器的工作環(huán)境設(shè)計硬件電路及可靠性。從全局看，要注意電路的結(jié)構(gòu)，按單元設(shè)計電路，特別是單片機電源的分布情況。從細節(jié)看，要注意元器件的選擇，PCB板上元件整體布局和走線，光電隔離、保護等抗干擾措施的3.2.3軟件指標(biāo)本控制器的軟件分為單片機軟件和電腦軟件。其中單片機軟件由主控制器程序和鍵盤顯示控制器程序組成。本控制器采用前后臺系統(tǒng)。應(yīng)用層軟件要按照工藝控制要求編制。系統(tǒng)軟件分為一級驅(qū)動層和二級驅(qū)動層。一級驅(qū)動層是針對硬件資源的操作；二級驅(qū)動層是對一級驅(qū)動層的變量作進一步處理，方便應(yīng)用層使用。浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第3章基于單片機和GSM的農(nóng)村污水處理控制器需求分析主控制器、鍵盤顯示控制器和GSM通信模塊之間的通信程序需要自動斷線檢測和恢復(fù)功能。主控制器可以通過GSM通信模塊分別向3個手機發(fā)送短消息和接收短消息，短消息的接收時間控制在1分鐘內(nèi)。電腦軟件和主控制器程序配合，使主控制器具備就地短消息批量學(xué)習(xí)功能。手機和主控制器軟件配合，使主控制器具備遠程短消息逐個學(xué)習(xí)功能及監(jiān)控功能。在硬件的基礎(chǔ)上設(shè)計程序時，要對程序進行可靠性設(shè)計。從全局看，要注意程序的結(jié)構(gòu)，需要采用分層模塊化設(shè)計，來提高程序的可讀性，可移植性，分清需要經(jīng)常修改的程序和固定的程序。從細節(jié)看，要注意通信程序的協(xié)議可靠性，通程序受干擾后的處理；程序復(fù)位后的恢復(fù)；關(guān)鍵參數(shù)的可靠保存；單片機內(nèi)部定時器中斷、通信中斷等失效后的處理等。3.3系統(tǒng)需求分析3.3.1業(yè)務(wù)流程本控制器對時間的要求。主控制器通過GSM模塊向3個手機發(fā)送短消息，總時間控制在60秒內(nèi)；主控制器和鍵盤顯示控制器完成一次的通信時間控制在50毫秒內(nèi)。輸入信號的響應(yīng)時間20毫秒內(nèi)。本控制器對故障處理要求。當(dāng)主控制器和鍵盤顯示控制器出浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第3章基于單片機和GSM的農(nóng)村污水處理控制器需求分析現(xiàn)通信異常時，如果5次通信不成功，主控制器和鍵盤顯示控制器分別“看門狗”復(fù)位，從復(fù)位地址開始重新執(zhí)行程序，控制輸位信號，使GSM通信模塊從軟件故障中恢復(fù)；當(dāng)系統(tǒng)檢測到外部售后技術(shù)工程師、監(jiān)控電腦的手機或終端發(fā)送短消息，以中文方式提示故障產(chǎn)生的原因，同時，主控制器通知鍵盤顯示控制器進本控制器對環(huán)境的要求。本控制器工作的工業(yè)環(huán)境，感性動力負載多，工作溫度-40℃到75℃之間，濕度高。本控制器對信號控制的要求。主控制器可以檢測8路開關(guān)量信號和控制5路繼電器開關(guān)量輸出；鍵盤顯示控制器可以檢測16路按鍵信號和控制16路晶體管開關(guān)量輸出。本控制器對數(shù)據(jù)管理的要求。按關(guān)鍵信息記錄的個數(shù)，主控本控制器對安全的要求。如果需要遠程修改主控制器存儲的短消息等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，那么主控制器必須要收短消息中包含的權(quán)限段才可以修改。如果修改成功，主控制器需要給操作的手機返回“成功”的提示。浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第3章基于單片機和GSM的農(nóng)村污水處理控制器需求分析本控制器對可靠性的要求。本控制器的關(guān)鍵元件能夠承受工業(yè)環(huán)境-40℃到75℃的溫度，部分元件能承受-40℃到105℃的溫度，還要承受電源進線二級防雷后，浪涌的沖擊。在工業(yè)環(huán)境下3.3.2功能性需求手動控制模式主要包括DE濾池電機正反轉(zhuǎn)控制、自吸泵的啟?？刂?、轉(zhuǎn)盤電機的開關(guān)控制、原水泵的啟停控制、除臭風(fēng)機行程開關(guān)安全保護的限制。先將“控制電源”按鈕按下，電源指示燈亮，控制器的面板可以操作。按下“手動/自動”按鈕，指示燈滅，控制器切換到手動狀態(tài)；再按“手動/自動”按鈕，指示燈亮，控制器切換到自動狀態(tài)，并能夠保持停電前的手動/自再按“自吸泵”按鈕，自吸泵指示燈滅，自吸泵停止。按下“轉(zhuǎn)盤電機”按鈕，轉(zhuǎn)盤電機指示燈亮，轉(zhuǎn)盤電機啟動；再按“轉(zhuǎn)盤電機”按鈕，轉(zhuǎn)盤電機指示燈滅，轉(zhuǎn)盤電機停止。按下“原水泵”按鈕，原水泵指示燈亮，原水泵啟動；再按“原水泵”按鈕，原水泵指示燈滅，原水泵停止。按下“紫外線”按鈕，紫外線指示燈亮，紫外燈打開；再按“紫外線”按鈕，紫外線指示燈滅，紫外燈關(guān)閉。按下“除臭”按鈕，除臭指示燈亮，除臭啟動；再按“除臭”按鈕，除臭指示燈滅，除臭停止。按下“排泥”按鈕，浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第3章基于單片機和GSM的農(nóng)村污水處理控制器需求分析排泥停止。自動控制模式主要包括原水泵的自動控制、線消毒自動控制、超濾自動控制等。自動控制模式時當(dāng)原水的液位處于高的液位時原水泵啟動；當(dāng)原水的液位處于低的液位時原位時，通過電機正反轉(zhuǎn)，帶動自吸泵，對濾布進行清洗，電機正反轉(zhuǎn)一次，為一個周期，由限位開關(guān)改變運行方向，清洗2個周期后等待下次清洗。排泥按24小時排泥1次，排泥時間為2分鐘。上電時額外排泥1次。要變更時，管理員可以通過遠程短消息學(xué)習(xí)方式，更改短消息的控制設(shè)備的開關(guān)機；當(dāng)需要對本控制器內(nèi)的短消息內(nèi)容查詢時，管理員也可以通過GSM管理監(jiān)控方式，查到已經(jīng)設(shè)置好的短消息3.3.3系統(tǒng)的流程浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第3章基于單片機和GSM的農(nóng)村污水處理控制器需求分析電腦之間的數(shù)據(jù)交換通過232通信接口實現(xiàn)；主控制器與管理者主控制器負責(zé)控制和數(shù)據(jù)處理。當(dāng)主控制器驅(qū)動層以中斷方式接收到完整的數(shù)據(jù)段時，再處理和判斷數(shù)據(jù)并執(zhí)行相應(yīng)的操作。當(dāng)需要把應(yīng)急情況通知設(shè)備管理員、售后技術(shù)工程師、監(jiān)控電腦等時，主控制器通過GSM通信模塊發(fā)送短消息實如圖3.2。開始主控制器上電接收到完整數(shù)據(jù)段了嗎?判斷數(shù)據(jù)來自鍵盤顯示控制塊，并處理數(shù)據(jù)，執(zhí)行相應(yīng)NO執(zhí)行控制過程需要應(yīng)急情況通知嗎?等發(fā)送短消息圖3.2系統(tǒng)流程圖浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第3章基于單片機和GSM的農(nóng)村污水處理控制器需求分析3.4本章小結(jié)本章按照系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)，首先從本控制器的工藝控制指特別要注意可靠性的要求。接著，提出本控制器的業(yè)務(wù)流程、功能性需求和系統(tǒng)流程圖。浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第4章基于單片機和GSM的農(nóng)村污水處理控制器總體設(shè)計4.1硬件總體結(jié)構(gòu)本控制器的硬件總體結(jié)構(gòu)如圖4.1,它們是主控制器、鍵盤繼電器輸出和顯示電路、晶體管輸出和顯示電路、接觸器和大功率繼電器等?？陔娐返冉M成?？娐方M成。主控制器與鍵盤顯示控制器的數(shù)據(jù)交換，與電腦的數(shù)據(jù)交換，與GSM模塊的數(shù)據(jù)交換，都是通過RS232接口實現(xiàn)。浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第4章基于單片機和GSM的農(nóng)村污水處理控制器總體設(shè)計用戶手機3用戶手機3繼電器輸出和顯示晶體管輸出和顯示用戶手機2GSM模塊TC35GSM模塊接口電路RS232通信接口IRS232通信接口介鍵盤顯示控制器單介RS485接口用戶手機1DC-DC電源DC-DC電源輸入鍵盤電路圖4.1硬件總體結(jié)構(gòu)圖4.1.1主控制器硬件功能描述示電路，可以采集8路光電隔離的開關(guān)量信號，以及對輸入信號的狀態(tài)指示；通過繼電器輸出和顯示電路，可以為接觸器等提供浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第4章基于單片機和GSM的農(nóng)村污水處理控制器總體設(shè)計5路繼電器輸出類型的控制信號，以及對輸出信號的狀態(tài)指示；通過RS232通信接口，可以與GSM模塊、鍵盤顯示控制器和電腦進行數(shù)據(jù)交換或在線下載程序，以及對通信狀態(tài)的指示；通過單片機內(nèi)部的EEPROM,可以長期保存關(guān)鍵參數(shù)，如：短消息內(nèi)容、4.1.2鍵盤顯示控制器硬件功能描述鍵盤顯示控制器的單片機也是STC12C5A32S2,通過輸入鍵盤電路，可以采集16路獨立按鍵信號；通過晶體管輸出和顯示電路，可以為大功率繼電器提供16路晶體管輸出類型的控制信號和輸出狀態(tài)指示；通過DC-DC電路，可以為鍵盤顯示控制器自己提供電源；通過RS232通信接口，可以與主控制器進行數(shù)據(jù)交換4.2總體設(shè)計階段的硬件可靠性設(shè)計可靠性在系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計時就需要重點注意。在設(shè)計初浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第4章基于單片機和GSM的農(nóng)村污水處理控制器總體設(shè)計期，電源的分布關(guān)系到本系統(tǒng)整體的可靠性。在農(nóng)村的工業(yè)環(huán)境下，有些農(nóng)村的380V電源進線容易受到感應(yīng)雷的影響，所以在進線的初級需要做二級防雷處理。在開關(guān)電源的輸出端，如果電壓瞬間超過40V,就會超過DC-DC電源電路的最高允許電壓，所以在進入DC-DC電源之前需要做了浪涌吸收處理。接著，開關(guān)電源的24V輸出端通過DC-DC轉(zhuǎn)換電路，把變壓以后的不同電壓值后，24V開關(guān)電源輸出端單點接地，這樣可以抑制主控制器、鍵體穩(wěn)定性打好基礎(chǔ)。本控制器的電源分布如圖4.2。浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第4章基于單片機和GSM的農(nóng)村污水處理控制器總體設(shè)計主控制器主控制器工業(yè)交流工業(yè)交流電源ww開關(guān)電源主控制器繼電器線圈主控制器繼電器線圈模塊鍵盤顯示二級防雷模塊二級防雷模塊瞬變浪涌抑制DC-DC電源圖4.2電源分布圖4.3軟件總體結(jié)構(gòu)本控制器的軟件總體結(jié)構(gòu)如圖4.3,它們是主控制器單片機程序、鍵盤顯示控制器單片機程序和電腦軟件。主控制器單片機程序包括三層，分別是主控制器應(yīng)用層、主控制器一級驅(qū)動層、分別是鍵盤顯示控制器應(yīng)用層、鍵盤顯示控制器一級驅(qū)動層、鍵浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第4章基于單片機和GSM的農(nóng)村污水處理控制器總體設(shè)計盤顯示控制器二級驅(qū)動層。主控制器應(yīng)用層主控制器應(yīng)用層電腦軟件級驅(qū)動層鍵盤顯示控制器應(yīng)用層動層驅(qū)動層圖4.3軟件總體結(jié)構(gòu)圖主控制器應(yīng)用層主要按工藝的控制要求實現(xiàn)本控制器手動控制模式、自動控制模式和GSM管理模式。同時，與一級驅(qū)動層、定時器等資源失效的可靠性。主控制器應(yīng)用層程序如表4.1。表4.1主控制器應(yīng)用層程序表手動控制模式應(yīng)用層程序自動控制模式應(yīng)用層程序浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第4章基于單片機和GSM的農(nóng)村污水處理控制器總體設(shè)計GSM管理模式應(yīng)用層程序故障報警處理應(yīng)用層程序數(shù)據(jù)保護和恢復(fù)應(yīng)用層程序軟件監(jiān)控應(yīng)用層程序4.3.2主控制器二級驅(qū)動層功能描述主控制器二級驅(qū)動層的主要功能是：進一步處理來自一級驅(qū)同時提高程序的移植性和可讀性；完成主控制器和鍵盤顯示控制通信異常處理程序可以判斷通信數(shù)據(jù)異常，通信線路異常，從而提高軟件的可靠性。主控制器二級驅(qū)動層程序如表4.2。表4.2主控制器二級驅(qū)動層程序表輸入輸出信號數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換二級驅(qū)動層程序主控制器和鍵盤顯示控制器通信二級驅(qū)動層程序主控制器和GSM模塊通信二級驅(qū)動層程序通信異常處理二級驅(qū)動層程序4.3.3主控制器一級驅(qū)動層功能描述主控制器一級驅(qū)動層接收到來自應(yīng)用層和二級驅(qū)動層的數(shù)據(jù)后，可以直接操作單片機的硬件寄存器資源和外部接口電路，同時，把處理好的硬件資源和接口電路的數(shù)據(jù)供二級驅(qū)動層進一浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第4章基于單片機和GSM的農(nóng)村污水處理控制器總體設(shè)計表4.3主控制器一級驅(qū)動層程序表信號輸入驅(qū)動一級驅(qū)動層程序控制輸出驅(qū)動一級驅(qū)動層程序EEPROM讀寫一級驅(qū)動層程序主控制器和電腦通信一級驅(qū)動層程序主控制器和鍵盤顯示控制器通信一級驅(qū)動層程序主控制器和GSM模塊通信一級驅(qū)動層程序系統(tǒng)定時一級驅(qū)動層程序4.3.4鍵盤顯示控制器應(yīng)用層功能描述鍵盤顯示控制器主要完成設(shè)備運行狀態(tài)的指示和來自主控制器的通信數(shù)據(jù)處理，其中通信數(shù)據(jù)處理程序包括通信異常時的可靠性設(shè)計和軟件監(jiān)控程序。鍵盤顯示控制器應(yīng)用層程序如表表4.4鍵盤顯示控制器應(yīng)用層程序表設(shè)備運行狀態(tài)指示應(yīng)用層程序通信數(shù)據(jù)處理應(yīng)用層程序軟件監(jiān)控應(yīng)用層程序浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第4章基于單片機和GSM的農(nóng)村污水處理控制器總體設(shè)計4.3.5鍵盤顯示控制器二級驅(qū)動層功能描述由于鍵盤顯示控制器完成的功能不復(fù)雜，無需對來自一級驅(qū)動層的數(shù)據(jù)進一步處理，所以二級驅(qū)動層為預(yù)留功能，供以后增加程序用。4.3.6鍵盤顯示控制器一級驅(qū)動層功能描述鍵盤顯示控制器一級驅(qū)動層主要完成對鍵盤的檢測，控制狀態(tài)指示輸出，串口1通信和系統(tǒng)定時產(chǎn)生等。鍵盤顯示控制器一級驅(qū)動層程序如表4.5。表4.5鍵盤顯示控制器一級驅(qū)動層程序表鍵值讀取一級驅(qū)動層程序控制狀態(tài)指示輸出一級驅(qū)動層程序串口1通信一級驅(qū)動層程序系統(tǒng)定時一級驅(qū)動層程序4.3.7電腦軟件功能描述電腦軟件主要把文本框中的文字，如項目名稱、接收短消息內(nèi)容、控制命令等的GB碼轉(zhuǎn)化成Unicode碼，以及把ASCII碼形式的接收手機號碼，通過串口發(fā)送給主控制器，并存儲在單片浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第4章基于單片機和GSM的農(nóng)村污水處理控制器總體設(shè)計4.4總體設(shè)計階段的軟件可靠性設(shè)計總體設(shè)計階段的軟件可靠性設(shè)計主要體現(xiàn)如下：分層結(jié)構(gòu)使程序結(jié)構(gòu)清晰，整個軟件分為三層，它們是一級驅(qū)動層、二級驅(qū)動層和應(yīng)用層，一級驅(qū)動層程序由不用修改的程序組成，二級驅(qū)動層程序和二級驅(qū)動層程序基本不用維護，只需要維護應(yīng)用層程序，這樣有利于提高程序的可維護性、可讀性，從而在總體設(shè)計階段提高程序的可靠性。4.5本章小結(jié)本控制器的總體結(jié)構(gòu)由硬件總體結(jié)構(gòu)和軟件總體結(jié)構(gòu)組成。本章首先描述了本控制器硬件具備的主要功能，接著描述本控制器軟件所具備的主要功能，其中軟件部分包括單片機程序和電腦程序。在軟硬件總體設(shè)計階段，也考慮了總體的可靠性設(shè)計。浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第5章硬件詳細設(shè)計5.1主控制器電路設(shè)計RS232通信接口電路、開關(guān)量輸入和顯示電路、繼電器輸出和顯示電路等的設(shè)計。對這些電路的設(shè)計包括典型的電路設(shè)計和可靠性設(shè)計。5.1.1主控制器單片機最小系統(tǒng)和可靠性設(shè)計主控制器的最小系統(tǒng)具備高的集成度，外圍只需要幾個元件。硬件方面，單片機內(nèi)部集成了專用復(fù)位電路，獨立時鐘的看門狗電路，8路10位高速度AD轉(zhuǎn)換電路，32K字節(jié)的程序空間，28K字節(jié)的EEPROM,1024個字節(jié)的外部RAM和256字節(jié)的內(nèi)部RAM,40個I/0端口，2個全雙工串口等。軟件方面，單片機內(nèi)已固化在線可編程系統(tǒng)程序，無需專用編程器就可以在線下載以前，單片機最小系統(tǒng)中單片機集成化低，為了滿足可靠性需要，還需在外圍增加看門狗、復(fù)位、電壓監(jiān)控等電路，現(xiàn)在的浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第5章硬件詳細設(shè)計單片機內(nèi)都已經(jīng)集成了這些和可靠性有關(guān)的電路，單片機本身就可以構(gòu)成最小系統(tǒng)，大大縮小了占用PCB板的空間，比以前的單片機最小系統(tǒng)可靠性更高。在單片機電源端加入去耦電容，減少對其他電路的干擾。晶振XT1盡可能靠近單片機，金屬外殼接地。由于單片機最小系統(tǒng)用敷銅網(wǎng)格屏蔽，這樣可以吸收來自空間的高頻干擾，使單片機最小系統(tǒng)運行更可靠。在拔插電源的瞬間或外部220V交流電的擾動，普通的RC復(fù)位電路很難保證單片機的可靠復(fù)位，會出現(xiàn)單片機“死機”的情況。為了避免這種情況的發(fā)生，以前往往額外加上具備電壓檢測的復(fù)位電路或?qū)Ｓ脧?fù)位集成電路如MAX810、X25045,現(xiàn)在的單片機內(nèi)部已經(jīng)集成了MAX810專用復(fù)位電路，體積小，更能保證單在選擇元器件時，為了適應(yīng)工業(yè)環(huán)境，單片機選擇了工業(yè)級的系列，能夠保證單片機最小系統(tǒng)在-40℃到85℃環(huán)境下可靠運從數(shù)據(jù)保存的安全性考慮，偏低的電壓會影響讀取數(shù)據(jù)的可靠性。P4.6端口的第二功能是低電壓檢測端，可以檢測到數(shù)據(jù)在讀寫前，電壓是否偏低。獨立時鐘的硬件“看門狗”電路，可以保證程序跳飛時，不出現(xiàn)“死機”現(xiàn)象。浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第5章硬件詳細設(shè)計3十品品品VCCSTC12C5A32S2-35I-RXD2XTAL2寸=P2.4P2.3圖5.1主控制器單片機最小系統(tǒng)圖5.1.2主控制器DC-DC電源電路和可靠性設(shè)計赫茲，最大的輸入電壓值為40伏，最大的輸出電流值為3安培，并具備有降頻限流、過壓等保護電路15。浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第5章硬件詳細設(shè)計電壓+24V通過D3二極管接入，C1為濾波電容，電解電容C1的耐壓值一般取輸入電壓的1.5倍，經(jīng)估算電解電容C1的耐壓值為36V,工程上，取標(biāo)準(zhǔn)的耐壓值50V。2腳輸出與肖特基二極管D1和屏蔽磁芯電感L1和C3構(gòu)成典型的降壓型電路，D1為續(xù)流電解電容C3為濾波電容，一般容量取82uF到820uF之間，耐壓值至少為輸出電壓的1.5倍，電壓越高輸出紋波越小，取470uF/50V的電解電容。3腳為接地端。4腳為電壓比較采集端，使輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)計值。5腳為輸出使能端，高電平時輸出關(guān)單片機最小系統(tǒng)的可靠性設(shè)計很重要，外圍電路的設(shè)計也非的4腳電壓比較采集端與電感L1,L2的連線需要遠離電感，并用地線平行圍住屏蔽，外圍元件盡可能靠近LM2596,使輸出電壓更穩(wěn)定，從而提高了電路的可靠性。壓比較采集端的影響?？紤]到電路的工作環(huán)境，電解電容選用溫浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第5章硬件詳細設(shè)計度值為-40℃到105℃,特別是，電容要采用低阻抗型的，如果采為了使輸入瞬態(tài)電壓不超過LM2596的最大輸入電壓，電壓在接線時，由于不小心，將24V的輸入電源接反而燒壞主控制器內(nèi)的集成電路。為了防止這種情況發(fā)生，加入了二極管D3,N40072_4F2言F4浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第5章硬件詳細設(shè)計圖5.2主控制器DC-DC電源電路原理圖5.1.3主控制器RS232通信接口電路和可靠性設(shè)計過此集成電路完成TTL電平到RS232電平的相互轉(zhuǎn)換。當(dāng)TTL電雖然集成電路典型應(yīng)用電路非常重要，但是有些具體應(yīng)用的可靠性，還要用試驗來得到可靠的電路。在典型的MAX232應(yīng)用電路中是看不到R1,R2,R3,R4四個電阻的。在實際應(yīng)用過程中，我們通過RS232接口下載程序，不小心的熱拔插有可能燒壞于串口熱拔插時，有時接地線先斷開，在RS232電平端會出現(xiàn)過個560歐的限流電阻，這種現(xiàn)象再也沒發(fā)生。小小的四個電阻使136V5478GSM模塊接口電路發(fā)送端C2-圖5.3主控制器RS232通信接口電路原理圖5.1.4主控制器開關(guān)量輸入電路和可靠性設(shè)計為了提高長距離開關(guān)信號傳輸?shù)目煽啃?，我采用三方面措施。輸入開關(guān)信號經(jīng)TIL521光電隔離以后，供給單片機引腳讀提高輸入信號的抗干擾能力。所謂負邏輯是指當(dāng)輸入信號開關(guān)合上時，單片機的輸入引腳能檢測到低電平，此時的電平為輸入有效信號；當(dāng)輸入信號開關(guān)打開時，單片機的輸入引腳能檢測到高電平，此時的電平為無效信號。一般負邏輯的傳輸方式與正邏輯濾傳輸線路上的尖脈沖。指示燈電路為主控器提供軟件無關(guān)的輸入信號指示，有利于調(diào)試硬件。主控制器輸入和顯示電路原理如圖5.4。浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第5章硬件詳細設(shè)計輸入無源信號+24V221+5V單片機輸入端口圖5.4主控制器輸入和顯示電路原理圖5.1.5主控制器繼電器輸出電路和可靠性設(shè)計單片機輸出引腳經(jīng)TIL521光電隔離和集成電路UL2003功率放大后，驅(qū)動12V的繼電器工作，再通過繼電器去控制接觸器。經(jīng)過三級隔離措施，大大減少外部動力設(shè)備對單片機系統(tǒng)的影響，提高電路的可靠性。光偶TIL521起到光電隔離和避免單片機上電瞬間，繼電器浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第5章硬件詳細設(shè)計內(nèi)部集成7個NPN型的三極管和7個續(xù)流二極管。續(xù)流二極管可以保護三極管關(guān)斷時被繼電器如圖5.5。一一+12V接接觸器線圈+5V石含巖茗含巖臺。單片機輸出端口VK+12V>~圖5.5主控制器繼電器輸出和顯示電路原理圖5.2鍵盤顯示控制器電路設(shè)計鍵盤顯示控制器電路設(shè)計包括單片機最小系統(tǒng)、DC-DC電源路、晶體管輸出電路等的設(shè)計。5.2.1鍵盤顯示控制器RS485通信電路和可靠性設(shè)計鍵盤顯示控制器RS485通信電路原理如圖5.6。集成電路浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第5章硬件詳細設(shè)計送驅(qū)動器起作用，通信處于發(fā)送狀態(tài)；當(dāng)SN75176的/RE腳為低電平時，接收器起作用，通信處于接收狀態(tài)?？偩€A與B為差分當(dāng)本控制器與其他外設(shè)長距離通信時，特別是與液位傳感器、流量傳感器等通信，需要提供可靠的RS485接口。由于上電復(fù)位和“死機”時，單片機收發(fā)控制端DE處于高信無法繼續(xù)，所以在設(shè)計時加入了下拉電阻R3,這樣能夠保證單由于總線上所有SN75176處于接收狀態(tài)，總線就會浮空，鍵盤顯示控制器單片機接收端出現(xiàn)低電平，則會誤觸發(fā)單片機接收當(dāng)總線出現(xiàn)浮空狀態(tài)時，R5和R4就會使A從而在鍵盤顯示控制器單片機接收端出現(xiàn)高電平，解決了誤觸問題，提高了RS485通信的可靠性。通信線采用雙絞線可以抑制共模干擾，提高通信的可靠性。浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第5章硬件詳細設(shè)計三三AD樓485總線12842367圖5.6鍵盤顯示控制器RS485通信電路原理圖5.2.2鍵盤顯示控制器鍵盤輸入電路設(shè)計本控制器的鍵盤為16路獨立鍵盤。按鍵信號經(jīng)電阻R9和電容C5濾波后，供單片機內(nèi)部的斯密特電路整型。濾波電路的作用是可以衰減尖脈沖，防止單片機內(nèi)部的斯密特電路誤觸發(fā)，提端口，燒壞單片機輸入端口。其中一路鍵盤顯示控制器鍵盤輸入電路原理如圖5.7。浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第5章硬件詳細設(shè)計+5V221圖5.7鍵盤顯示控制器鍵盤輸入電路原理圖5.2.3鍵盤顯示控制器晶體管輸出電路設(shè)計鍵盤顯示控制器晶體管輸出共有16路。每路晶體管都可以帶動大功率24V繼電器線圈和面板上24V信號燈。為了防止單片機上電瞬間繼電器誤動作，單片機經(jīng)R11電阻和下拉電阻R13,再驅(qū)動三極管Q1。當(dāng)單片機上電復(fù)位時，單片機的默認(rèn)輸出為弱上拉狀態(tài)，由于下拉了R13電阻，單片機輸出電流有限，輸出變把單片機的控制引腳設(shè)置成強推挽輸出時，單片機就可以控制晶D4可以保護三極管Q1被反向電壓擊穿。鍵盤顯示控制器晶體管輸出電路原理如圖5.8。浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第5章硬件詳細設(shè)計+24V圖5.8鍵盤顯示控制器晶體管輸出電路圖相對位置較近時，天線對SIM卡的干擾非常大，嚴(yán)重時候還會使有些SIM卡注冊不能成功。為此，我把調(diào)整天線與SIM卡的距離控制在10厘米以上，SIM卡不能注冊成功的問題就得到解決。5.4主控制器和鍵盤顯示控制器PCB圖設(shè)計開發(fā)集成環(huán)境完成PCB的設(shè)計。設(shè)計時，從可靠性出發(fā)，要注意浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第5章硬件詳細設(shè)計元件的布局，模擬地和數(shù)字地的處理，強弱電之間爬電距離的處理，旁路電容的正確布線，元件的引腳的工藝處理等，主控制器PCB如圖5.9,鍵盤顯示控制器PCB如圖5.10。浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第5章硬件詳細設(shè)計圖5.9主控制器PCB圖圖5.10鍵盤顯示控制器PCB圖5.5本章小結(jié)本章按照模塊化設(shè)計思想，把主控制器和鍵盤顯示控制器分成了若干單元電路，再對單元電路分別設(shè)計，完成了主控制器和鍵盤顯示控制器的電路原理圖設(shè)計和PCB圖的設(shè)計。同時，根據(jù)本控制器的工作環(huán)境和其他要求，對原理圖和PCB圖進行可靠性浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第5章硬件詳細設(shè)計浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第6章軟件詳細設(shè)計6.1主控制器應(yīng)用層程序設(shè)計主控制器應(yīng)用層由主程序和子程序組成。子程序包括手動控模式和自動控制模式通過“手/自動”按鈕切換。如果檢測到有注冊成功的SIM卡存在，就自動轉(zhuǎn)入到GSM管理模式。6.1.1主程序可靠性設(shè)計硬件抗干擾是一種主動式的措施，而軟件抗干擾就是一種被水泵、電磁閥等感性負載。在電機啟動和停止的瞬間，串入電源和空間輻射的干擾就會串入到本控制器。這種干擾嚴(yán)重時會使單片機程序計數(shù)器PC值發(fā)生改變，造成控制不按預(yù)想的步驟執(zhí)行，還會使單片機“死機”。嚴(yán)重的干擾還會使單片機內(nèi)部定時器中的可靠執(zhí)行和滿足工藝工序控制的需要，在控制器的主程序中添加了針對性的抗干擾程序如：數(shù)據(jù)恢復(fù)程序，數(shù)據(jù)保存程序，軟浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第6章軟件詳細設(shè)計喂“看門狗”只能在主程序中喂一次。主控制器主程序的控制流程如圖6.1。浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第6章軟件詳細設(shè)計浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第6章軟件詳細設(shè)計開始開始NOGSM管理模式數(shù)據(jù)保護程序監(jiān)控程序喂看門狗NOP軟件陷阱返回圖6.1主控制器主程序控制流程圖6.1.2數(shù)據(jù)保存和恢復(fù)應(yīng)用層程序管理模式的控制程序就會從程序的0000H地址開始執(zhí)行，這種情浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第6章軟件詳細設(shè)計況在工藝工序的控制過程中是不允許的。為了保證工序的連續(xù)性，必須采取數(shù)據(jù)保存和恢復(fù)措施。在非上電復(fù)位時，單片機RAM中的數(shù)據(jù)能保持復(fù)位前的狀態(tài)。利用這個特性，數(shù)據(jù)保存程序，在一個循環(huán)周期內(nèi)，保存一次關(guān)鍵的數(shù)據(jù)如輸入輸出信號變量、工序執(zhí)行的狀態(tài)步驟等。當(dāng)單片機受到干擾復(fù)位后，數(shù)據(jù)恢復(fù)程序就可以恢復(fù)對應(yīng)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)?？尚拍?我采取了三個措施，在保存數(shù)據(jù)時，我采用3塊數(shù)據(jù)塊保存，在恢復(fù)數(shù)據(jù)時，只有連續(xù)的兩塊或兩塊以上的數(shù)據(jù)完全相同時，數(shù)據(jù)才是可信的；在保存數(shù)據(jù)時，每塊數(shù)據(jù)都采用校驗方式，對數(shù)據(jù)進行異或運算后再加0xa0,放入最后一個字節(jié)作為校驗字節(jié)，在恢復(fù)數(shù)據(jù)時，只有校驗通過，數(shù)據(jù)才是可信的；數(shù)據(jù)塊的地址間隔要盡量遠。數(shù)據(jù)保存應(yīng)用層程序流程如圖6.2。數(shù)據(jù)恢復(fù)應(yīng)用層程序流程如圖6.3。浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第6章軟件詳細設(shè)計開始開始關(guān)鍵變量值存數(shù)據(jù)塊1,2,3返回圖6.2數(shù)據(jù)保存應(yīng)用層程序流程圖浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第6章軟件詳細設(shè)計開始NO連續(xù)兩個數(shù)據(jù)塊NO返回值賦為0x00返回值賦為0xff返回圖6.3數(shù)據(jù)恢復(fù)應(yīng)用層程序流程圖6.1.3軟件監(jiān)控應(yīng)用層程序包含了大量的時間等待，所以時間片的發(fā)生都由定時器TO中斷來完成，定時器受到干擾，有可能會關(guān)閉中斷，導(dǎo)致工序的步驟如何避免這種情況的發(fā)生呢?我采用主程序中加入軟件監(jiān)控程序，實現(xiàn)主程序和定時器TO中斷相互監(jiān)控。軟件監(jiān)控程序中，每100毫秒設(shè)置主程序運行標(biāo)志Mmon為0xeb,每500毫秒浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第6章軟件詳細設(shè)計為0,認(rèn)同樣，定時器TO中斷程序中，每5毫秒設(shè)置定時器TO運行標(biāo)志浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第6章軟件詳細設(shè)計開始開始主程序運行標(biāo)志Mmon=0xeb計數(shù)主程序循環(huán)次數(shù)，約100毫秒定時器0運行標(biāo)志返回位NO圖6.4軟件監(jiān)控應(yīng)用層程序流程圖6.1.4原水泵手動控制應(yīng)用層程序在手動模式下，當(dāng)“原水泵”按鈕按下，原水泵啟動，再按“原水泵”按鈕，原水泵停止。原水泵手動控制應(yīng)用層程序流程如圖6.5。開始在手動控制模式嗎?原水泵按鍵按下嗎?原水泵啟動了停止原水泵，鍵值清0NONONO啟動原水泵，鍵值清0圖6.5原水泵手動控制應(yīng)用層程序流程圖6.1.5DE濾池清洗手動控制應(yīng)用層程序在手動模式下，按下“減速電機正轉(zhuǎn)”按鈕，當(dāng)電機處于停止?fàn)顟B(tài)并且正轉(zhuǎn)限位無效時，電機正轉(zhuǎn)啟動；當(dāng)電機處于正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)狀態(tài)，電機停止。當(dāng)正轉(zhuǎn)限位有效時，電機停止。按下“減速電機反轉(zhuǎn)”按鈕，當(dāng)電機處于停止?fàn)顟B(tài)并且反轉(zhuǎn)限位無效時，浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第6章軟件詳細設(shè)計電機反轉(zhuǎn)啟動；當(dāng)電機處于正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)狀態(tài)，電機停止。當(dāng)反轉(zhuǎn)限位有效時，電機停止。DE濾池清洗手動控制應(yīng)用層程序流程如圖6.6。開始在手動控制模式嗎?電機正轉(zhuǎn)按鈕按下了嗎?電機處于停止?fàn)顟B(tài)并且限位無效嗎?返回NONO電機停止NO浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第6章軟件詳細設(shè)計圖6.6DE濾池清洗手動控制應(yīng)用層程序流程圖6.1.6原水泵自動控制應(yīng)用層程序當(dāng)原水池的液位處于高液位時原水泵啟動；當(dāng)原水池的液位處于低的液位時原水泵停止。原水泵自動控制應(yīng)用層程序流程如圖6.7。嗎?原水泵跳閘報液位處于低的液位嗎?NONONO浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第6章軟件詳細設(shè)計浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第6章軟件詳細設(shè)計圖6.7原水泵自動控制應(yīng)用層程序流程圖6.1.7排泥自動控制應(yīng)用層程序排泥按24小時排泥1次，排泥時間為2分鐘。上電時額外排泥1次。排泥自動控制應(yīng)用層程序流程如圖6.8。開始0排泥閥打開，排泥時間賦2分，排泥步驟賦2在自動模式嗎?1NO24小時到9時間賦2分，排泥步驟值加19NO2到了嗎?止時間賦24小時，排泥步驟賦1返回浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第6章軟件詳細設(shè)計圖6.8排泥自動控制應(yīng)用層程序流程圖設(shè)備管理人員的手機號碼有時候需要更換，需要對設(shè)備進行遠程手機號碼設(shè)置，有時侯分時間段需要通過手機遠程關(guān)機和開機設(shè)備，這會出現(xiàn)查詢、變更和控制三方面業(yè)務(wù)的問題。如何實現(xiàn)這三方面的業(yè)務(wù)呢?就是要在技術(shù)上實現(xiàn)手機與本控制器的對話。讓單片機學(xué)習(xí)簡單的對話，也就是讓單片機動用GB碼和Unicode碼轉(zhuǎn)換的查表方法，表格容量大，文字代碼無重復(fù)，但犧牲了速度，對控制系統(tǒng)的實時性不利。浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第6章軟件詳細設(shè)計在實際短消息應(yīng)用中，用到的文字很少，一種方案是按用到的文字去除重復(fù)的文字，通過編制電腦軟件，生成兩張縮微版的Unicode碼的轉(zhuǎn)換，這種方法查表時間大大縮短，但在遠程手機操作中，缺乏靈活性，實現(xiàn)有一定的難度，不能解決業(yè)務(wù)上的問另一種方案就是讓主控制器動態(tài)學(xué)習(xí)短消息，也是本文采用的方案，通過編制電腦軟件將需要學(xué)習(xí)的短消息內(nèi)容翻譯成短消息內(nèi)容進行對話，與方案一相比，雖然會出現(xiàn)重復(fù)字符的情況，但編碼提取的速度大大提高。同時，由于手機發(fā)送中文短消息，以PDU方式發(fā)送方式，收到短消息的內(nèi)容直接就是Unicode非常方便。主控制器動態(tài)學(xué)習(xí)短消息分為兩個過程，先讓控制器從電腦上批量學(xué)習(xí)短消息，如果后期設(shè)備管理員需要變更、查詢、控制所謂就地短消息學(xué)習(xí)就是通過電腦，讓主控制器單片機學(xué)習(xí)為了存儲更多的短消息內(nèi)容，我把項目名稱作為共用字段單獨存儲。學(xué)習(xí)短消息的內(nèi)容包括：項目名稱Unicode編碼、反饋信號Unicode編碼、控制信號Unicode編碼、接收短消息的手機號ASCII碼等。主控制器應(yīng)用層讀取來自一級驅(qū)動層已解碼好的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)段中包含命令和短消息內(nèi)容或手機號。如果是寫入命令，那么將息內(nèi)容或手機號，再通過一級驅(qū)動層的串口1驅(qū)動程序，按固定編碼格式發(fā)送給電腦，在電腦應(yīng)用軟件的文本框中顯示。來自一級驅(qū)動層的第一種數(shù)據(jù)格式為：第一字節(jié)和第二字節(jié)為ASCII碼形式的命令，第三字節(jié)開始是Unicode碼，每個Unicode碼由4字節(jié)ASCII碼組成，也就是要學(xué)習(xí)的Unicode碼形式的短消息內(nèi)容，最后一個是字符串結(jié)束符“\0”。寫入項目名稱的命令為“a0”,寫入5個反饋信號的命令為“al"到“a5”,寫入3個控制命令為"a6"到“a8";讀取項目名稱的命令為"b0”,讀取5個反饋信號的命令為“bl”到“b5”,讀取3個控制命令來自一級驅(qū)動層的第二種數(shù)據(jù)格式為：第一字節(jié)和第二字節(jié)浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第6章軟件詳細設(shè)計為ASCII碼形式的命令，第三字節(jié)開始也是ASCII碼，也就是要學(xué)習(xí)的用戶接收手機號碼，最后一個是字符串結(jié)束符“\0”。寫入3個用戶手機號的命令為“a9”到"ab";讀取3個用戶手機號的命令為“b9”到"bb"。例如主控制器應(yīng)用層接收到來自一級驅(qū)動層的字符串為“a06D4B8BD5987976EE0031”,代表電腦向主控制器項目名稱對應(yīng)的EEPROM地址中寫入短消息“測試項目1”。又如主控制器應(yīng)用層接收到來自一級驅(qū)動層的字符串為“b0”,代表電腦從主控制器的EEPROM中讀取項目名稱對應(yīng)的短消息Unicode碼。GSM管理模式就地短消息學(xué)習(xí)應(yīng)用程序流程如圖6.9。接收電腦數(shù)據(jù)成功嗎?NO判斷命令有效嗎?NO對應(yīng)命令的短消息學(xué)習(xí)內(nèi)容寫入到EEPROM,讀取EPROM數(shù)據(jù)，通過一級驅(qū)動層編碼，發(fā)送給電腦驗證浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第6章軟件詳細設(shè)計圖6.9GSM管理模式就地短消息學(xué)習(xí)應(yīng)用層程序流程圖所謂遠程短消息學(xué)習(xí)就是通過指定的用戶手機和GSM模塊TC35,讓主控制器單片機學(xué)習(xí)短消息的編碼，方便項目名稱改變學(xué)習(xí)短消息的內(nèi)容包括：項目名稱Unicode編碼、反饋信號Unicode編碼、控制信號Unicode編碼、接收手機號等。主控制器應(yīng)用層讀取來自二級驅(qū)動層已解碼好的數(shù)據(jù)，如果是寫入命令，那么將短消息數(shù)據(jù)存入單片機內(nèi)部指定地址的如果是讀取命令，那么將讀取單片機內(nèi)部指定地址的來自二級驅(qū)動層的數(shù)據(jù)格式為：第一字節(jié)到第十二字節(jié)是命令，由12個ASCII碼組成，代表3個Unicode碼，第十三字節(jié)開始是要學(xué)習(xí)的短消息內(nèi)容，字節(jié)個數(shù)為4的倍數(shù)，最后一個是字符串結(jié)束符“\0”。寫入項目名稱的命令字符串為浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第6章軟件詳細設(shè)計“006100305199”,這個字符串表示3個Unicode碼，可在手機上顯示“a0寫”;按手機上顯示的形式，寫5個反饋信號的命令為“a1寫”到“a5寫”,寫3個控制的命令為“a6寫”到“a8寫",寫3個手機號碼的命令為“a9寫”到“ab寫"。同樣，讀命令只要把"a"改為“b"。例如通過手機號主控制器發(fā)送“a0寫順昌動層解碼，就會從二級驅(qū)動層得到短信內(nèi)容的Unicode碼為“006100305199987A660C4EOA57D467510042004F0058”,以及手機號的ASCII碼"8613566345647"。經(jīng)學(xué)習(xí)好的短消息控制命令，實現(xiàn)遠程控制和短消息的查詢服管理模式遠程監(jiān)控應(yīng)用層程序的流程如圖6.10。浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第6章軟件詳細設(shè)計開始開始NO返回NO圖6.10GSM管理模式遠程監(jiān)控應(yīng)用層程序流程圖6.1.12GSM管理模式遠程主動報警應(yīng)用層程序所謂遠程GSM報錯就是當(dāng)主控制器檢測到故障等緊急情況可以及時向已設(shè)置的用戶手機發(fā)送報警信息，提醒用戶及時處理。緊急情況如原水泵過載報警、轉(zhuǎn)盤電機過載報警、防盜報警等。GSM管理模式遠程主動報警應(yīng)用層程序流程如圖6.11。浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第6章軟件詳細設(shè)計開始NO讀取EEPROM中的用戶手機號，讀取EEPROM中與信號返回短消息學(xué)習(xí)電腦程序主要完成向文本框輸入短消息文本，把文字GB碼解析成Unicode碼，按通信格式傳輸給主控制器，供主控制器學(xué)習(xí)；從主控制器一級驅(qū)動層讀取Unicode碼，并把Unicode碼解析成GB碼，在文本框中顯示。GSM管理模式短消息學(xué)習(xí)電腦軟件控制界面如圖6.12。浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第6章軟件詳細設(shè)計電腦與德安PLC連接8BF78F935165987976EE540079F0F8BF78F935165987976EE540079F0F10.0啶義10.1定義10.2定義10.3定義10.4定義10.0信號10.1信號10.2信號10.3信號10.4信號開機開機圖6.12短消息學(xué)習(xí)電腦軟件控制界面圖6.2主控制器二級驅(qū)動層程序6.2.1輸入信號數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換二級驅(qū)動層程序一級驅(qū)動層的數(shù)據(jù)有來自主控制器本身輸入信號和輸出控制信號，也有來自鍵盤顯示控制器的按鍵信號等。對于不同的輸入信號，有些能直接給應(yīng)用層使用，有些還要經(jīng)過二級驅(qū)動層的進一步處理，否則會影響應(yīng)用層的程序可讀性，比如空氣開關(guān)報警信號是輸入值為"1"時有效，防盜報警器的信號是“0”時有浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第6章軟件詳細設(shè)計二級驅(qū)動層主要把應(yīng)用層不能直接使用的一級驅(qū)動層信號進一步處理后，和不用做處理的信號同時映射到預(yù)定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，方便應(yīng)用層調(diào)用，提高程序的可移植性。輸入信號數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換二級驅(qū)動程序流程如圖6.13。開始一級驅(qū)動層的數(shù)據(jù)需要處理嗎?NO數(shù)據(jù)賦值給應(yīng)用層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)返回圖6.13輸入信號數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換二級驅(qū)動層程序流程圖6.2.2主控制器和鍵盤顯示控制器通信二級驅(qū)動層程序主控制器和鍵盤顯示控制器通信二級驅(qū)動層收到一級驅(qū)動層的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式為：第一字節(jié)為“P”,代表數(shù)據(jù)來源地址是浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第6章軟件詳細設(shè)計鍵盤顯示控制器；第二字節(jié)到第三字節(jié)為傳輸數(shù)據(jù)段，第二字節(jié)數(shù)據(jù)代表按鍵值，第三字節(jié)數(shù)據(jù)代表超生波的液位值。同時，把按鍵值做按下有效處理。主控制器和鍵盤顯示控制器通信二級驅(qū)動層，把來自應(yīng)用層的數(shù)據(jù)經(jīng)過“1”有效處理，返回給一級驅(qū)動層，返回數(shù)據(jù)的格式為：第一字節(jié)到第八字節(jié)依次為手自動指示、自吸泵指示、轉(zhuǎn)盤電機指示、原水泵指示、紫外線指示、除臭指示、排泥閥指示和報警指示。6.2.3主控制器和GSM模塊通信二級驅(qū)動層程序數(shù)據(jù)、通信握手、設(shè)置PDU模式、選擇消息業(yè)務(wù)、設(shè)置短消息輸出模式、設(shè)置字符集、短消息觸發(fā)、讀取短消息、發(fā)送短消息和刪除短消息等過程18]。當(dāng)收到來自一級驅(qū)動層的接收標(biāo)志時，二級驅(qū)動層先讀出短消息位置索引，然后讀取對應(yīng)索引位置的短消息的編碼串，解出短消息內(nèi)容和手機號提供給應(yīng)用層使用，接著，刪除SIM卡中的短消息。當(dāng)收到來自應(yīng)用層的發(fā)送標(biāo)志時，二級驅(qū)動層對來自應(yīng)用層的短消息內(nèi)容和手機號進一步編碼，再通過一級驅(qū)動層發(fā)送。主控制器和GSM模塊通信二級驅(qū)動層程序流程如圖6.14。浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第6章軟件詳細設(shè)計GSM模塊初始化一級驅(qū)動層接NO應(yīng)用層發(fā)送標(biāo)NO解出短消息內(nèi)容用層發(fā)解碼成功對來自應(yīng)用層的短消息內(nèi)容和手機號進一步編返回6.3主控制器一級驅(qū)動層程序設(shè)計一級驅(qū)動層主要負責(zé)主控制器輸入開關(guān)量信號的檢測和輸塊TC35的數(shù)據(jù)底層通信；完成與電腦的數(shù)據(jù)底層通信；完成浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第6章軟件詳細設(shè)計6.3.1開關(guān)量輸入一級驅(qū)動層程序開關(guān)信號的干擾源往往來自信號線上的尖脈沖，大部份經(jīng)過硬件電路的光耦隔離以后去除。為了使本控制器更可靠，還加入了軟件抗干擾程序。在5毫秒內(nèi)，兩次檢測到的信號相同，代表有效信號，否則無效。5毫秒時間由定時器TO中斷產(chǎn)生。開關(guān)量輸入一級驅(qū)動層程序流程如圖6.15。開始開始NO5毫秒到嗎?其他0步驟清0返回讀入8個輸入信號并緩存，步驟加1嗎?NO浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第6章軟件詳細設(shè)計壓正常，如果讀出數(shù)據(jù)為0xeb,那么第二次向開始)的數(shù)據(jù)，如果讀出數(shù)據(jù)不是0x90,那么電壓正常，如果讀出數(shù)據(jù)還是0x90,那么判定電壓偏讀取EEPROM數(shù)據(jù)IAP-DATA=0xeb嗎?NO電壓正常且程序正常入口進浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第6章軟件詳細設(shè)計程序如圖6.16:浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第6章軟件詳細設(shè)計6.3.3主控制器和電腦通信一級驅(qū)動層程序主控制器和電腦通信采用自由通信協(xié)議，通信波特率為9600,完成電腦向主控制器下載數(shù)據(jù)和讀取數(shù)據(jù)的過程。電腦向主控制器下載數(shù)據(jù)的格式為：第一字節(jié)為“>”,代表主控制器和電腦通信的數(shù)據(jù)頭；第二字節(jié)和第三字節(jié)為命令，第四字節(jié)開始為數(shù)據(jù)段，代表Unicode碼形式的短消息內(nèi)容或用戶手機號碼，最后是字符串結(jié)束符號“\0”。如果主控制器一級驅(qū)動層接收數(shù)據(jù)成功，那么會直接給應(yīng)用層程序提供命令和數(shù)據(jù)段參數(shù)。同時，一級驅(qū)動層返回命令和數(shù)據(jù)段給電腦，供電腦軟“>a06D4B8BD5987976EE0031”,一級驅(qū)動層可以給應(yīng)用層提供電腦向主控制器讀取數(shù)據(jù)的格式為：第一字節(jié)為“>”,代表主控制器和電腦通信的數(shù)據(jù)頭；第二字節(jié)和第三字節(jié)為命令，最后是字符串結(jié)束符號“\0”。如果主控制器一級驅(qū)動層接收成功，再由一級驅(qū)動層發(fā)送。6.3.4主控制器和鍵盤顯示控制器通信一級驅(qū)動層程序主控制器和鍵盤顯示控制器通信波特率為9600bit/s,數(shù)據(jù)通信的完整數(shù)據(jù)由包頭、數(shù)據(jù)、校驗組成，數(shù)據(jù)類型為ASCII碼浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第6章軟件詳細設(shè)計主控制器和鍵盤顯示控制器通信主要完成主控制器與鍵盤控制器的底層數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)接收采用串口1