基于RS-485的单片机通信系统设计(共36页).doc
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1、精选优质文档-倾情为你奉上 专业 课程设计任务书20132014 学年 第 2 学期第 16 周 19 周 题目基于RS-485的单片机通信系统设计内容及要求1.利用RS485实现单片机的双向通讯;2.通过键盘实现从机的选择、发送数据的输入;3.主机显示发送的数据及从机编号。4提高要求:通过键盘实现循环工作模式、指定从机这2种工作方式的切换。进度安排 16周:查找资料,进行系统硬件设计、软件方案设计; 17周:硬件制作、软件的分模块调试; 19周:系统联调; 19周:设计结果验收,报告初稿的撰写。学生姓名:万娇 赵佳慧指导时间:周一、周三、周五指导地点:E楼 610 室任务下达2014年 6
2、月 3 日任务完成2014年 6月 27 日考核方式1.评阅 2.答辩 3.实际操作 4.其它指导教师张小林系(部)主任注:1、此表一组一表二份,课程设计小组组长一份;任课教师授课时自带一份备查。2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。专心-专注-专业摘要串口通信是一种广泛应用于各个领域的通信方式,在远距离数据传输和控制系统中,可以根据RS-485协议实现远距离传输。此次课设即利用MAX485芯片实现半双工串行通信的双向通信系统。系统主要由主机控制模块、通信模块、数据输入模块、数据显示模块和模数转换模块五个部分组成,实现了 利用RS-485实现单片机的双向通信,通
3、过键盘实现从机的选择、发送数据,主机显示发送的数据及从机编号,通过键盘实现循环工作模式、指定从机这两种工作方式的切换。此系统具有使用方便、操作简单、便于实现、成本低、可靠性高、可拓展性强、易于维护等特点,具有较广泛的应用前景。关键字:单片机;RS-485总线;串行通信;数模转换目录前言单片机是一种集成电路芯片,是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的CPU、RAM、多种I/O口和、/计数器等功能(可能还包括显示驱动电路、电路、模拟多路、等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的。而在以单片机为基础的数据采集和实时控制中,通过计算机中的RS-232接口进行计算机与单片机之间的命令和数据传
4、送,就可以对现场进行监测和控制。由于计算机上的RS-232所传送的距离不超过30m,所以在远距离数据传送和控制时,可以利用MAX485的接口芯片将RS232协议转换成RS-485协议进行远距离传送。RS-485是双向、半双工通信协议,允许多个驱动器和接收器挂接在总线上,其中每个驱动器都能够脱离总线。接收器输入灵敏度为200mV,这就意味着若要识别符号或者间隔状态,接收端电压必须高于+200mV或者低于-200mV。最小接收器输入阻抗为12K,驱动器输出电压为1.5V(最小值)、5V(最大值)。第一章 设计内容及要求1.1设计内容设计一个基于RS-485的单片机通信系统。1.2设计要求1.通过键
5、盘输入数据和显示要传输的数据;2通过串口利用RS-485总线,将数据发给单片机主机,并显示。 单片机1 RS-485 RS-485 单片机2 图1.1 系统设计方案图 第二章 系统组成及工作原理2.1系统组成系统主要由主机控制模块、通信模块、数据输入模块、数据显示模块和数模转换模块五个部分组成。其系统框图如下: 通信从机 通信主机 数据显示 数据显示通信模块数据输入数模转换键盘图2.1 系统框图在本系统中,通信主机是核心部分,主要完成对数据的处理、操作和运算;数据输入模块主要完成数据的输入,所有人机交换的数据都从该模块中输入;数据显示模块完成了通信双方的数据显示;通信模块即完成数据的接受和发送
6、,实现数据远距离传输。2.2 工作原理基于RS-485的单片机通信系统设计的原理是:利用数模转换模块或者键盘输入模块通过P3口或者P1口将数据输入到C51单片机主机里,C51单片机主机通过程序来控制共阴数码管显示数据并利用MAX485芯片将数据传输到C51单片机从机中,C51单片机从机再通过程序控制另一个共阴数码管显示传输过来的数据。第三章 硬件电路方案设计3.1 主机控制模块图3.1 主机控制模块89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除(FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压、高性能CMOS8位,俗称。的可擦除
7、可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁组合在单个芯片中,ATMEL的89C51是一种高效微控制器。 a.数据存储器片内为128个字节,片外最多可外扩至64k字节,用来存储程序在运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等,所以称为数据存储器。b.程序存储器由于受集成度限制,片内只读存储器一般容量较小,如果片内的只读存储器的容量不够,则需用扩展片外的只读存储器,片外最多可外扩至64k字节。c.中断系统具有5个中断源,2级中断优先权。d.定时器/计数器片内有2个16位的定
8、时器/计数器, 具有四种工作方式。e. 串行口1个全双工的串行口,具有四种工作方式。可用来进行串行通讯,扩展并行I/O口,甚至与多个单片机相连构成多机系统,从而使单片机的功能更强且应用更广。P1口、P2口、P3口、P4口为4个并行8位I/O口。f.特殊功能寄存器共有21个,用于对片内的个功能的部件进行管理、控制、监视。实际上是一些控制寄存器和状态寄存器,是一个具有特殊功能的RAM区。g.微处理器该单片机中有一个8位的微处理器,与通用的微处理器基本相同,同样包括了运算器和控制器两大部分,只是增加了面向控制的处理功能,不仅可处理数据,还可以进行位变量的处理。由于集成度的限制,最小应用系统只能用作一
9、些小型的控制单元。其应用特点:(1) 有可供用户使用的大量I/O口线。(2) 内部存储器容量有限。(3) 应用系统开发具有特殊性。3.2 数据显示模块本次课设采用八段共阴极数码管显示,利用51单片机程序来控制数码管的显示。图3.2 数据显示模块3.3 模数转换模块本次课设利用ADC0832来实现数模转换。图3.3 模数转换模块ADC0832 是美国国家半导体公司是生产的一种 8 位分辨率、双通道 A/D 转换芯片。其分辨率可达256级,芯片转换时间仅为32S,转换速度快且稳定性强,其芯片如下图所示:图3.4 ADC0832芯片其中各管脚功能为:片选使能,低电平芯片使能。CH0 模拟输入通道0,
10、或作为IN+/-使用。 CH1 模拟输入通道1,或作为IN+/-使用。GND 芯片参考0 电位(地)。DI 数据信号输入,选择通道控制。DO 数据信号输出,转换数据输出。 CLK 芯片时钟输入。Vcc/REF 电源输入及参考电压输入(复用)。3.4 键盘输入模块图3.5 键盘输入模块本次课设采用矩阵式键盘,其突出优点是I/O端口利用率高,可循环操作,而且扫描键盘时占用CPU时间少,操作灵活,矩阵键盘控制状态多,编写程序较方便,故此模块采用矩阵式键盘。3.5 通信模块图3.6 通信模块MAX485接口芯片是Maxim公司的一种RS-485芯片。MAX485是用于RS-485与RS-422通信的低
11、功耗收发器,器件中都具有一个驱动器和一个接收器。其驱动器摆率不受限制,可以实现最高2.5Mbps的传输速率。采用单一电源+5 V工作,额定电流为300 A,采用半双工通讯方式。它完成将TTL电平转换为RS485电平的功能。MAX485芯片的结构和引脚都非常简单,内部含有一个驱动器和接收器。RO和DI端分别为接收器的输出和驱动器的输入端,与单片机连接时只需分别与单片机的RXD和TXD相连即可;和DE端分别为接收和发送的使能端,当为逻辑0时,器件处于接收状态;当DE为逻辑1时,器件处于发送状态,因为MAX485工作在半双工状态,所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚即可;A端和B端分别为接收和发
12、送的差分信号端,当A引脚的电平高于B时,代表发送的数据为1;当A的电平低于B端时,代表发送的数据为0。在与单片机连接时接线非常简单。只需要一个信号控制MAX485的接收和发送即可。同时将A和B端之间加匹配电阻,一般可选100的电阻。两个RS485的1脚和4脚接在对应的单片机上以实现功能。3.5.1 RS485通信协议由于RS485通讯是一种半双工通讯,发送和接收共用同一物理信道。在任意时刻只允许一台单机处于发送状态。因此要求应答的单机必须在侦听到总线上呼叫信号已经发送完毕,并且没有其它单机发出应答信号的情况下,才能应答。半双工通讯对主机和从机的发送和接收时序有严格的要求。如果在时序上配合不好,
13、就会发生总线冲突,使整个系统的通讯瘫痪,无法正常工作。要做到总线上的设备在时序上的严格配合,必须要遵从以下几项原则;1) 复位时,主从机都应该处于接收状态。SN75176芯片的发送和接收功能转换是由芯片的 RET,DE端控制的。RET=1,DE=1时,SN75176发送状态;RET=0,DE=0时,SN75176处于接收状态。一般使用单片机的一根口线连接RET,DE端。在上电复位时,由于硬件电路稳定需要一定的时间,并且单片机各端口复位后处于高电平状态,这样就会使总线上各个分机处于发送状态,加上上电时各电路的不稳定,可能向总线发送信息。因此,如果用一根口线作发送和接收控制信号,应该将口线反向后接
14、入SN75176的控制端,使上电时SN75176处于接收状态。另外,在主从机软件上也应附加若干处理措施,如:上电时或正式通讯之前,对串行口做几次空操作,清除端口的非法数据和命令。2) 控制端RET,DE的信号的有效脉宽应该大于发送或接收一帧信号的宽度。在RS232,RS422等全双工通讯过程中,发送和接收信号分别在不同的物理链路上传输,发送端始终为发送端,接收端始终为接收端,不存在发送、接收控制信号切换问题。在RS485半双工通讯中,由于SN75176的发送和接收都由同一器件完成,并且发送和接收使用同一物理链路,必须对控制信号进行切换。控制信号何时为高电平,何时为低电平,一般以单片机的TI,R
15、I信号作参考。发送时,检测TI是否建立起来,当TI为高电平后关闭发送功能转为接收功能;接收时,检测RI是否建立起来,当RI为高电平后,接收完毕,又可以转为发送。3.5.2 RS485通信格式RSS485协议的信息格式如下:(1) 编码格式;二进制代码。(2) 波特率:9600 bs。(3) 通信方式:半双工。(4) 每个字符由u 位组成;1位:起始位(0);8位:数据位;l位:停止位(1)。(5)主机询问的一般格式如下:从机地址码命令码 数据个数数据 校验和 表3.1 主机询问的一般格式(6)从机应答的一般格式如下:返回地址码命令码 数据个数数据校验和 表3.2 从机应答的一般格式按照要求,只
16、需要实现双机通信即可,并无要求主从机特定地位,但是原理是相同的。3.6从机控制模块3.6.1 单片机最小系统图3.7 单片机最小系统单片机最小系统主要包括电源、复位电路和时钟电路等。单片机复位电路原理是在单片机的复位引脚RST上外接电阻和电容,实现上电复位。当复位电平持续两个机器周期以上时复位有效。复位电平的持续时间必须大于单片机的两个机器周期。具体数值可以由RC电路计算出时间常数。复位电路由按键复位和上电复位两部分组成。(1)上电复位:STC89系列单片及为高电平复位,通常在复位引脚RST上连接一个电容到VCC,再连接一个电阻到GND,由此形成一个RC充放电回路保证单片机在上电时RST脚上有
17、足够时间的高电平进行复位,随后回归到低电平进入正常工作状态,这个电阻和电容的典型值为10K和10uF。(2)按键复位:按键复位就是在复位电容上并联一个开关,当开关按下时电容被放电、RST也被拉到高电平,而且由于电容的充电,会保持一段时间的高电平来使单片机复位。单片机时钟电路是由方向放大器构成。XTAL1为时钟电路的输入端,XTAL2为时钟电路的输出端。3.6.2 显示模块从机的显示模块与主机原理一致,这里就不再次叙述。 第四章 软件设计4.1 通信协议 4.1.1串行通信协议的比较RS232 RS422 RS485RS-232、RS-422与RS-485标准只对接口的电气特性做出规定,而不涉及
18、接插件、电缆或协议,在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议。例如:视频服务器都带有多个RS422串行通讯接口,每个接口均可通过RS422通讯线由外部计算机控制实现记录与播放。视频服务器除提供各种控制硬件接口外,还提供协议接口,如RS422接口除支持RS422的Profile协议外,还支持Louth、Odetics、BVW等通过RS422控制的协议。RS-232、RS-422与RS-485都是串行数据接口标准,都是由电子工业协会(EIA)制订并发布的,RS-232在1962年发布。RS-422由RS-232发展而来,为改进RS-232通信距离短、速率低的缺点,RS-422定义了一种平衡通信接口
19、,将传输速率提高到10Mbps,传输距离延长到4000英尺(速率低于100Kbps时),并允许在一条平衡总线上连接最多10个接收器。RS-422是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范,被命名为TIA/EIA-422-A标准。为扩展应用范围,EIA又于1983年在RS-422基础上制定了RS-485标准,增加了多点、双向通信能力,即允许多个发送器连接到同一条总线上,同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性,扩展了总线共模范围,后命名为TIA/EIA-485-A标准。1. RS-232串行接口标准目前RS-232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。RS-232被定义为一种在低速率串
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