长沙学院毕业设计
第二章 系统要求及硬件组成
2.1 设计要求
实现基本的温度检测，同时通过TCP通信或RS485通信方式将温度数据传输到PC应用软件进行实时显示，PC应用软件对温度进行处理和实时记录。系统提供TC35模块接口作为实现GSM应急通信功能。并在保证系统实现的基础上，保证成本的最低性。
2.1.1 功能要求
通过PC上位机应用控制软件，设定温度的上下限值，当温度超过上下限值进行自动智能进行调节控制。而不需要人工实时干预操作。当出现意外通信故障或系统故障时，通过GSM短信功能告知控制者，并且系统会自动停止。
2.1.2 成本要求
为了尽量减低成本，同时保证系统的稳定性，在这里采用模块化的设计，可以应需要选择通信方式，不需要的通信方式，相关的芯片和模块可以直接从系统中移除，且不会影响系统的其它模块功能。
2.2 系统硬件组成
系统的硬件组成主要由温度采集部分，模数转换部分，TCP网络通信部分，RS网络通信部分，GSM通信部分。
2.2.1 温度采集部分
温度采集部分主要包括PT100的电桥设计，和差分信号的一级放大设计。为保证精度，首先需要保证电源的稳定，同时电桥采用1K和100?精密电阻，配合微调电阻，保证电桥的平衡，来达到调零的准确性。PT100的连接是采用双线制。当环境温度变化时，PT100的电阻值发生变化，电桥的平衡被破坏，电桥臂产生差分电压差，因为这个电压差很弱小，所以要将这个电压差经过INA118差分信号放大器放大再给模数转换芯片ADS1115进行采样。下面的图2.1为温度采集部分电路原理图。
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图2.1 温度采集部分电路图
2.2.2 模数转换部分
为保证对温度原始电压差信号的模数转换精度，在这里使用TI公司的16位A/D转换芯片ADS1115，ADS1115具有很宽的工作电压范围，在2.0V到5.5V都可以正常工作，标准的I2C接口，可编程的AD转换速度，低功耗，内部低漂移基准电压，4个软件可设置的单端输入或2个差分采样输入方式，因此抗干扰能力强[4]。ADS1115的外围电路相对简单，而且为MSOP-10小型封装，便于集成。在原始温度电压差信号经过INA118放大后就通过一个电阻直接接到ADS1115的模拟电压采样输入脚。下面图2.2为模数转换部分电路原理图。
图2.2 模数转换部分电路图
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2.2.3 RS485通信部分
RS485串口通信方式，在这里采用MAX485芯片来作为硬件层。RS485采用差分电压方式传送数据，逻辑“1”以两线间的电压差为+(2~6)V表示，逻辑“0”以两线间的电压差为-(2~6)V表示，所以它的抗干扰性能优于RS232，传输距离也远大于RS232[5]。更重要的是，RS485可以组成一个通信局域网络，这样多个温控系统可以共用两根数据线就能与上位机应用软件进行通信，这极大的降低了传输成本。在本系统中因为RS485是下位机与PC通信，而通常的PC机不具有RS485接口，在这里需要使用USB转RS232串口，然后将RS232串口转为RS485串口，在这里PC端使用现成的RS232转RS485设备。下面图2.3为RS485通信部分电路原理图。
图2.3 RS485通信部分电路图
2.2.4 TCP通信部分
本系统网络通信采用TCP协议，以太网控制芯片采用ENC28J60，ENC28J60具有SPI接口的，最高传输速度10MHz。ENC28J60符合IEEE802.3的全部规范，采用了相关包过滤机制对传入的数据包进行限制。内部具有DMA模块，这样加强了它的数据吞吐量，而且支持硬件IP校验和计算。ENC28J60内部主要由7个模块组成，SPI接口充当主控制器和ENC28J60之间的通讯通道，控制寄存器用于控制和监视ENC28J60，双端口RAM缓冲器用于接收和发送数据包，具有内部判优器，当DMA发送和接收同时发出请求是对RAM缓冲器的访问进行控制，通过SPI总线接口接收数据和命令，MAC模块实现符合IEEE802.3标准的MAC逻辑，PHY物理层模块对双绞线的模拟数据进行编码和译码。而且该芯片可以直接接受5V的IO引脚电压，这样它的适用性也变强了。ECN28J60的外围电路相对简单，控制方式也简单。ENC28J60的网路包数据来自集成变
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压器RJ45网络接口，在这里采用HR911105A网络插座变压器。下面图2.4为TCP通信部分电路原理图。
图2.4 TCP通信部分电路图
2.2.5 GSM通信部分
GSM为系统预留的接口，但是在软件里都进行了相关功能实现。一般场所不需要用到GSM功能，可以根据需要进行定制。本系统采用Siemens公司的TC35模块，该模块是一款双频段的GSM模块，对它的操作只需要简单的AT命令即可实现GSM短信发送，而且模块与微控制器的通信方式是标准的串口通信，可选择的硬件流控制，TC35的外围电路简单，在本系统中因为只是使用TC35的GSM短信功能，对于音频通信并不涉及使用，所以在电路设计中并未涉及相关电路，但相关的引脚接口都会引出，以便以后升级扩展使用。TC35的硬件电路主要是电源部分，电源部分是GSM模块正常工作的最基础保障，因为GSM模块工作在发送状态时发射功率很高，电流最高值瞬间可能高达2A，我们系统的提供的GSM电压是直流5V，电流是2A。在整个系统中将GSM的供电和主系统供电进行了分开，以保证主系统供电的稳定性。TC35与微控制器最少只需要两根数据线TXD，RXD和一根地线即可。TC35模块使用已定型的模块，下面图2.5为TC35的相关电路原理图。
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