2022年毕业设计方案单片机多机通讯在家居系统中的应用.docx

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1、毕业设计题系专目 单片机多机通讯在家居系统中的应用别业班姓级名学号指导教师日期设计任务书设计题目：单片机多机通讯在家居系统中的应用设计要求：1. 在四个居室中分别设有温度传感器模块和湿度传感器模块，利用主从式多机 通讯结构，采纳一片主机 上位机）和四个从机 下位机），以上位机对下位机进行相互掌握，可以对灯光的掌握，而且下位机能做到本地掌握；2. 设置四组数码管显示各个居室的湿度和温度环境数值，以及灯光的开、关， 兼微调的显示；3. 当四个居室中环境参数值超出系统设定的值时，系统就会报警；否就，系统复原原设定值，连续正常运行；设计进度要求：第十一周：查阅资料，与指导老师进行沟通，确定毕业设计题目

2、和内容； 第十二周：进行资料查阅 去图书馆借相关资料书和上网下载有关资料）；第十三周：依据资料设计运算；第十四周：依据资料写程序以及画框图，找指导老师检查、指导，保证设计内容的正确性；第十五周：整理完善设计内容、依据毕业设计规范进行设计报告的撰写；第十六周：最终确定设计论文，打印装订，预备毕业答辩和指导老师评阅等；指 导教 师；系统采纳一片 AT89C51作为上位机 , 向下传送位机发送掌握命令和数据及接收下位机传送过来的数据, 并采纳 4 位数码管显示各居室的温度值和相对湿度值，以及居室内灯的显示；该系统共设有5 个按键 包括复位键、进入键、返回键、上调键和下调键；另外数码管仍兼有帮助显示功

3、能, 以节约键盘；下位机采纳 AT89C2051单片机检测各居室的温度和湿度, 并对这些参数进行调剂掌握；采纳 MICROCHIP公司的 PIC12C508A掌握各居室的日光灯和白炽灯的亮度； 4 片 AT89C2051单片机与主机之间采纳 RS-485 总线标准进行通讯 , 分别安装在各个居室, 与主机的通讯地址为 01H、02H、03H、04H；1.1 主要性能参数1. 工作电压： AC220V10%2. 测量范畴： 温度0-+50 相对湿度+25%RH-+75%RH3. 测量精度：温度0.5 相对湿度 5RH4. 掌握精度：相对湿度 ；当数码管显示“ D”“ S ”分别表示对下位机传来的

4、数据进行显示、对下位机进行设定掌握目标值操作；当2 / 40目标操作完成后显示“ GOO”D , 表示操作已胜利； 2下位机不仅能接受上位机对其灯光的掌握，而且能够做到本地掌握；3. 对灯光的掌握 特殊是对白炽灯）具有记忆性；4. 上位机可对下位机设定相对湿度掌握目标；在上电复位后，如上位机不对下位机进行人工干扰，下位机自动把各室环境湿度参量设定为默认值：45%R；H5. 当采集环境参量数据超过上、下限值时系统报警，说明环境已不适合居住，提示主人实行相应的措施；2系统设计方案的挑选及论证2.1 设计思想设计时，考虑到由于要检测各居室的环境参量，传感器就必需安装在各居室， 为了缩短从传感器到单片

5、机的信号传输距离，以防止远距离传输，可采纳主从式多 机通讯系统设计；信号在主从机之间传输时，为了提高抗共模干扰才能、提高传输 距离，可采纳 RS-485 总线标准，同时以便与其他设备接口；为了降低设计难度，可采纳模块化设计思想；2.2 系统结构框图依据上述设计思想，设计系统结构如图2.1 所示：温传器度感放大湿 度传器感线性化/转换器下位机放大总线驱动控制键盘温传器度感线性化放大控制总线驱动上位机控制湿传器度感/转换器灯下位机总线驱动放大光掌握图 2. 1 系统结构框图2.3 灯光掌握模块2.3.1 灯光掌握方案目前市场上的白炽灯普遍存在调光成效差，寿命短，不简洁实现集中、智能掌握等缺点；随着

6、数字化技术的迅猛进展，针对这种现状，我们完全可以利用软件延时来调剂双向可控硅触发角来达到平滑调光的目的；这种方案的优点是：调光平 滑，操作简洁，寿命长，由于采纳了微掌握芯片易于实现集中掌握和智能掌握；2.3.2微控指芯片的挑选欲实现上述掌握方案，需要一个I/O引脚少， RAM及程序储备空间不大，牢靠性高的小型微掌握芯片；如采纳 40 脚功能强大的 51 单片机或 20 引脚的 2051 单片机，使用起来不便利；而 MICROCHIP公司的 PIC12C5XX系列单片机 2 仅有 8 个引脚，是目前最小的单片机，价格相当廉价 引脚少，占用空间小，简洁做到超小型掌握，使用起来便利；2内部采纳数据线

7、和指令线分别的哈拂结构，取指令和执行指令可同时进行，执行效率更高，速度更快；因采纳了精简指令集RISC）与传统的采纳集中指令集 因其引脚具有抗瞬态变化的才能，通过限流电阻可以接到220V 的沟通电源获得 50HZ 的同步波，从而可省去过零同步脉冲变压器，而51 系列单片机不答应这样接；4 内置 4MHZ的 RC型振荡器，可省接外部振荡器； 5 内置上电复位电路 大驱动电流，每个I/O引脚最大控电流为25mA，每个引脚最发灌电流为20mA；基于以上优点，可采纳 PIC12C508A作为微掌握芯片；2.3.3 键盘的设计一片 PIC12508A可掌握一路白炽灯和一路日光灯，只需3 个按键就可满意上

8、述掌握要求；本系统设计 1X3 独立式键盘，利用GP3，GP4，GP5口来实现键盘扫描；其工作原理是 PIC12C508A扫描这三位，确定某一按键开关均采纳了上拉电阻，这是为了保证在按键断开时，每个 I/O 口有确定的高电平；电路原理图如图2. 2 所示： 按键功能： S-01：白炽灯开及调亮键S-02 ：白炽灯断及调暗键S-03 ：日光灯开关键S-01、S-02 键：短时间按下起开关功能，按下超过10mS 后就起调光功能；4 / 405 / 402.3.4 同步波图 2.2灯光掌握模块键盘电路图可支配引脚 GP2经 4.7M热电偶温度传感器 4 ：热电偶检测的温度信号有如下特点：能用到高温的

9、热电偶，信号都较小；即使是信号较大的K 偶，在 1300时，也只有 52.398mV；这就意味着对检测到的信号要进行放大；热电偶分度表中给出的数据是以0为参考点；实际应用时，环境常常不是0；为热电偶冷端制造一个 0环境，通常的作法是进行冷端补偿；热电偶的温度信号非线性很大，特殊B 偶；并且，各种热电偶随温度的上升，在某一温度下，热电势的增加量变小；这就使线性化变得困难；由于上述缘由，热电偶的温度信号调理电路就比较复杂，常常用在高温环境测量，并不适用室温这样一个环境参量的测量，故本系统不采纳；2热电阻温度传感器 4 ：热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器；它的主要特点是测量精度高，性能稳固；其

10、中铂热电阻的测量精确度是高的；测量范畴- 200+500，应用时一般需要线性化，一般要采纳三线制或四线制来排除引出线电阻的影响，硬件电路复杂，故本系统也未采纳；3热敏电阻温度传感器 5 ：测量范畴为 -100 +300，一般为负温度系数且精度较底，所以本系统也未采纳；6 / 4044 集成温度传感器：最常用的电流型集成温度传感器AD590 的测量范畴为 - 55 +150几乎为恒流源，线性度比较高，不需要外围温度补偿和线性化处理电路，测温线性度为 0.5 ，精度高，灵敏度为 1A/1，信号简洁处理，而且价格廉价，特别适合本系统；经过以上比较，最终选用 AD590作为本系统的温度传感器；2.4.

11、2 温度传感器信号处理模块因传感器 AD590 输出电流信号，不能被单片机处理，需要转化为电压信号， 可对电阻进行取样；取样电压不满意A/D 转换器的转换电压，故需要放大；考虑设计精度，可采纳外表放大器；但由于集成外表放大器AD521 价格昂贵，相对于本系统来说成本太高，不经济，故采纳最一般的运算放大器LM324 自行搭接外表放大器；62.5 湿度检测模块2.5.1 湿度传感器的挑选5湿度传感器的核心元件是湿敏元件；湿敏元件主要分电容式、电阻式两大类；湿敏电容是用高分子薄膜电容制成的；当环境湿度发生转变时，湿敏电容的介电常数发生变化，从而电容值；一般湿敏电容精度比湿敏电阻要低一些；湿敏电阻的特

12、点是在基片上掩盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度；湿敏电阻的优点是灵敏度高，线性度和产品的互换性较好；本设计可采纳电阻式传感器，详细可选用广州奥松电子有限公司生产的 HR202电阻型湿度传感器 7 ；它具有感湿范畴宽，响应快速，抗污染才能强，无需加热清洗及长期使用性能稳固牢靠等诸多优点；HR202技术参考：定额电压1. 5V ACMAX，正弦波）定额功率0. 2mW MA，X正弦波）工作频率500Hz2KHz使用温度0607 / 40使用湿度95%RH以下HR202相对湿度 - 阻抗特性如图 2. 4 所示：10

13、0001000100108 / 40RH RHRHRH RHRH RHRH RHRH RHRHRH RHH20% 5%30% 35% 40%45% 0%55%60%65% 0%5% 80% 5% 0%R257789图 2.4电气阻抗值 RK）2.5.2 湿度传感器信号处理模块1. 工作电源的设计8因 HR202需要在定额电压1.5V ACMAX，正弦波）、工作频率 500Hz 2KHz 工作，故需设计 1.5V 、1KHz的沟通信号源；采纳移相式正弦波振荡电路如图 2. 5 所示：图 2. 5 移相式正弦波振荡电路由 RC 高通电路的幅频及相频响应知，图中每节 RC电路都是相位超前电路，相位小

14、于 90 度；3 阶 RC移相网络，其最大相移可接近 270 度，因此，在某特定的频率下可以移相 180 度；只要适当调剂 RP9的值，使增益 AV适当，就可为了确保上述震荡电路在输出要求1KHz频率时幅值满意要求，在输出端接一个由运算放大器组成的比例放大电路来调整幅值使之达到1.5V ；如图 2. 6 所示：9 / 402. 线性化处理图 2.6正弦波振幅调整电路4由 HR202 相对湿度 - 阻抗特性图可知，它的电阻的对数值与相对湿度呈线性关系；由于二极管的正向压降与电流存在对数特性，可以利用该特性来补偿湿度传 感器的非线性，达到线性化处理的目的；详细如图2. 7 所示，同时因二极管具有

15、- 2mV/的温度特性，所以可以对湿度传感器起到肯定的温度补偿作用；3. 沟通信号全波整流电路图 2.7 线性化处理电路传感器信号经线性化处理后仍为沟通信号需整流，以便能够被其后的A/D 转换器处理；如图 2. 8 所示，电容 C 起滤波作用 8 ；经 C 滤波后，得到一个与环境相对湿度一一对应的电压值；10 / 404. 信号放大环节图 2.8全波整流电路在相对湿度为25%RH时，湿度信号整流后输出电压并不为零，故需对其调零， 可通过调剂 RP8 的分压来实现；同时通过 D7、R27、RP8、R57 也能得到抱负的温度补偿；在相对湿度为75%RH时，要求输出电压为5V即 A/D 转换的满量程

16、转换电压），可通过调剂放大器的增益来实现；原理图如图2. 9 所示：图 2.9信号放大电路2.6 A/D转换模块为了降低成本温度和湿度两个环境参量可共用一片A/D 转换器；同时为了节约9下位机的 I/O 引脚，可采纳 TI 公司生产的八位逐次靠近串行 AD转换器 TLC0834 ，它价格也比较适中；2.6.1 TLC0834 的主要特点TLC0834 是 TI 公司生产的 8 位逐次靠近模数转换器具有输入可配置的多通道多路器和串形输入输出方式；其多路器可由软件配置为单端或差分输入，也可以配置为伪差分输入；另外，其输入基准电压大小可以调整；在全8 位辨论率下，它答应任意小的模拟电压编码间隔；由于

17、TCL0834 采纳的是串行输入结构，因此封装体积小，可节约 51 系列单片机 I/O 资源，价格也较适中；其主要特点如下：（1） ） 8 位辨论率；（2） ） 易于和微处理器接口或独立使用；（3） ） 可满量工作；（4） ） 可用地址规律多路器选通 4 输入通道；（5） ） 单 5V 供电，输入范畴为 05V；（6） ） 输入和输出 TTL、CMOS电平兼容；（7） ） 时钟频率为 250KHz时，其转换时间为 32S；（8） ） 可以和美国国家半导体公司的ADC0834和 ADC0838进行更换，但它内部不带齐纳稳压器网络；（9） ） 总调整误差为 1LSB；2.6.2 TLC0834 工

18、作特点TLC0834可通过和掌握处理器相连的串行数据链路来传送掌握命令, 因而可用软件对通道进行挑选和输入端进行配置 , 其掌握规律表如表 2.1 所列：表 2.1 TLC0834多路器的掌握规律表多路器地址通道号SGL/DIFODD/EVENSELECT BIT1CH0 CH1 CH2 CH3LLL+-LHH+HLL-HHH+-+11 / 40HLL+HLH+HHL+HHH+输入配置可在多路器寻址时序中进行；多路器地址可通过DI 端移入转换器；多路器地址挑选模拟输入通道可打算输入是单端输入仍是差分输入；当输入是差分时, 应安排输入通道的极性 , 并应将差分输入安排到相邻的输入通道对中；例如通

19、道0 和通道1 可被选为一对差分输入；另外 , 在挑选差分输入方式时 , 极性也可以挑选；一对输入通道的两个输入端的任何一个都可以作为正极或负极；通常 TLC0834在输出以最高位 MSB）开头的数据流后 , 会以最低位 LSB）开头重输出一遍前面的数据流）；2.6.3 TLC0834 引脚功能TLC0834的引脚排列如图 2. 10 所示，其中 CH0CH3为模拟输入端； CS为片选端； DI 为串形数据输入，该端仅在多路器寻址时MUX SETTING TIM）E才被检测； DO为 A/D 转换结果的三态串行输出端； CLK为时钟； SARS为转换状态输出端，该端为高电平常，表示转换正在进行

20、，为低电平就表示转换完成；REF为参考电压输入端； VCC为电源；DGTL GND为数字地； ANGL GND为模拟地；12 / 402.6.4 TLC0834 工作时序图 2.10 TLC0834管脚图TLC0834工作时序如图 2. 11 所示：图 2.11 TLC0834工作时序图2.6.5 TLC0834 与下位机 AT89C2051单片机的接口TLC0834与 AT89C2051单片机的硬件接口电路的电路原理如图 2. 12 所示；图中，单片机的 P1. 7 接 TLC0834的片选信号， P1. 6 用于产生 A/D 转换的时钟， P1. 5 为一个双向 I/O 口位，可用于对模拟

21、输入进行培植及输出转换所得的数据；在这里，模拟信号以单端方式输入，参考电压为 5V，即 A/D 模拟量的输入范畴为 0 5V；13 / 40图 2.12TLC0834 与 AT89C2051接口电路图2.7 通讯模块AT89C2051单片机和 AT89C51 单片机本身都有现成的串行接口，利用这些资源就能组成一个简洁的多机通讯系统； 51 系列单片机实现多机通讯时必需工作于方式2 或 3，作为主机的 51 单片机的 SM2位应设定为 0，作为从机的 SM2应设定为 110 ；为了使不同的设备可以便利地连接起来进行通讯，一般采纳RS-232 和 RS-485 标准总线传输； RS-485 总线标

22、准与 RS-232 总线标准相比较，具有如下优点6 ：1. 接口信号电平比 RS-232-C 降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与 TTL电平兼容，可便利与 TTL电路连接；2. RS-485 接口是采纳平稳驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰才能增强，即抗噪声干扰性好；3. RS-485 接口的最大传输距离标准值为 4000 英尺，实际上可达 3000M，另外RS-232-C 接口在总线上只答应连接 1 个收发器，即单站才能；而 RS-485 接口在总线上是答应连接多达 128 个收发器；即具有多站才能，这样用户可以利用单一的RS-485 接口便利地建立起设备网络；因此考虑到抗共模干

23、扰才能、答应一对双绞线上一个发送器驱动多个负载设14 / 40Vid 0.2V-0.2VVid 键、减 1 下调键和复位键；在独立式按键的电路中 , 各案键开关均采纳了上拉电阻, 这是为了保证在按键断开时 , 每个 I/O 口线有确定的高电平；键盘的功能： S0：加 1 调整键S1：减 1 调整键S2：进入键 确定键 S3：返回键 S4：复位键由于按键采纳独立按键来掌握的 , 它在断开闭合时 , 输入电压波形会产生上下波动, 即断开闭合瞬时有抖动过程，时间长短与键盘开关的机械特性有关, 一般为 5- 10ms；由于抖动会造成查询的开关状态无法精确读出；例如：一次按键产生的正确 开关状态由于键的

24、抖动 CPU多次采集到低电平信号会被误认为按键被多次按下，就会多次进行键输入操作，这是不答应的；为了保证CPU对键的一次闭合仅在按键稳定时做一次键输入处理，采纳软件消抖方法，即：在检测到有键按下时执行一个10ms左右的延时程序，而后再确认该键电平是否仍保持闭合状态电平，如仍保持为闭合状态电平，就确认为该键处于闭合状态，这就躲开了按键按下时的抖动时间；同理，在检测到该键释放后也应采纳相同的步骤进行确认, 从而排除抖动的影响；目前, MCS51 单片机应用系统上的按键常采纳机械触点式按键, 它在断开、闭合时输入电 压波形如图 2.18 所示：图 2.18 按键掌握过程19 / 402.10系统电源

25、的设计在进行系统设计时 , 依据尽量削减系统电源的种类的原就 , 运算放大器 LM324可实行用单端供电工作方式； 4 个下位机及主机分别安装在不同的居室, 因此它们需要各自的独立电源；为了降低生产成本 , 削减电源体积 , 防止使用变压器 , 我们可以通过RLC串联分压的方式得到所需的直流电源；详细设计如图2. 19 所示：图 2.19下位机电源原理图图中 0.68 f/400V的独立电容沟通阻抗相当大, 大部分沟通电压都降落在其上；+5V、+12V 的电源是通过三端固定正输出集成稳压器78 系列来实现的； 470 f/25V 的电解电容起滤波作用 ,102 瓷介电容起滤高频的作用 , 减小

26、高频噪声；主机电源与其类似；此电源的最大优点是可省去变压器, 体积小；此方案已由上海索博智能电子有限公司的生产实践验证；3 系统设计的部分运算3.1 温度模块放大倍数运算3.1.1 放大倍数的确定AD590灵敏度 1 A/ 取样电阻 1K, 就取样电压 1mv/；0时为 273.2mv, 故调零电位器为 560；测量范畴 0 50, 就电压 050mv；对应 A/D 转换器输入端为 0 5V；放大倍数 Av=5v/50mv=1003.1.2 外表放大器参数的确定第一放大增益： AV1 = 式 3.120 / 40其次放大增益： AV2=式 3.2 ）总增益： AV=式 3.3 ）取 R19=1

27、0K,R17=11K,R18=27K,RP1=560实际增益： AV1=通过调剂电位器 RP1能达到 100 倍的放大要求；3.2湿度检测模块的运算3.2.1正弦振荡器振荡频率的运算取 C=0. 01 f依据振荡频率公式7=运算振荡频率的电阻阻值R=6.497KV/10mA=330 ,取标准值 470 ；3.4 蜂鸣器限流电阻运算蜂鸣器挑选型号为 PB2130VL100A其, 参数为：额定工作电压为 12V；操作电压为0 15V；最大电流损耗为20mA；直流电阻未300 ；所以其限流电阻阻值为12V/20mA30Ma=570, 取标准值为 560 ；21 / 404系统软件的设计4.1 灯光的

28、设计采纳 PIC12C508A掌握各居室的白炽灯和日光灯的亮度，其微调过程利用调剂双向可控硅触发角来产生脉冲信号，主程序框图如图4. 1 所示：图 4.1 灯光掌握主程序框图22 / 404.2 上位机程序设计1. 主机发送的信息可传送到各个从机，而各从机发送的信息只能被主机接收；其主机向各个从机发送数据和掌握命令以及接受下位机传送过来的数据，串行接口工作于方式 3， 第 9 位 TB8用于齐偶效验）， T1 工作在方式 1, 使全部的从机的 SM2 位置“ 1”，处于只接受地址掌握字的状态；制定主机发送掌握命令的代码，代码按01H,02H,03H, 次序设置；其主机程序框图 4.2 所示：图 4.2主机主程序框图2. 主机收到从机发回的应答地址后，确认地址是否相符；假如地址相符，就清TB8，开头发送命令，通知从机是进行数据接收仍是进行数据发送；假如地址不符23 / 40，就发复位信号 数据掌握字中 TB8=1）；其主机通讯中断程序框图 4. 3所示：图4. 3主机通讯中断程序框图24 / 404.3 下位机程序设计1. 各个从机接收主机发送的数据和掌握命令字时，对其所接收的数据进行转换和运算以及储存；其从机主程序框图如图4. 4 所示：图 4.4 从机主程序框图25 / 402. 各个从机接收地址掌握状态字后，各自将所接收到的地址与本从机的地址比 较；对于地址相符的那个从机，使