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、精选学习资料 - - - - - - - - - 毕业设计题目单片机多机通讯在家居系统中的应用名师归纳总结 系别第 1 页,共 40 页专业班级姓名学号指 导 教师日期- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 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

2、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

3、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节掌握；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： AC220V 10% 2. 测量范畴：温度 0-+50

4、 相对湿度 +25%RH-+75%RH 3. 测量精度：温度 0.5 相对湿度 5RH 4. 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数据进行显示、对下位机进行设定掌握目标值操作；当1 / 40 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 40 页精选学习资料 - - - - - - - - - 目标操作完成后显示“GOOD” , 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

5、动把各室环境湿度参量设定为默认值：45%RH；5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：2 / 40 名师归纳总结 -

6、- - - - - -第 6 页,共 40 页精选学习资料 - - - - - - - - - 温度放/下总线键传感大器转湿度线放位换机器驱动传感 器性 化控大制盘温度线放/控总线总线上控位制机驱动传感性制大灯器化湿度放下光转位控换驱动机制器传感大器图 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、智能控制等缺点；随着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.

7、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

8、源获得 50HZ 的同步波,从而可省去过零同步脉冲变压器,而 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 2.3.3键盘的设计PIC12C508A作为微掌握芯片；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

9、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10mS后就起调光功 S-03：日光灯开关键S-01、S-02 键：短时间按下起开关功能,按下超过能；4 / 40 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 40 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 2.2 灯光掌握模块键盘电路图2.3.4同步波可支配引脚 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

10、；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

11、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 / 40 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 40 页精选学习资料 - - - - - - - - - 4 集成温度传感器4 ：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1 A/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 2.4.2温度传感器信号处理模块AD590作

12、为本系统的温度传感器；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 6 ；2.5湿度检测模块2.5.1湿度传感器的挑选LM324 自行搭接外表放大器湿度传感器的核心元件是湿敏元件 5 ；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

13、的特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 MAX,正弦波）工作频率 500Hz2KHz 使用温度 0607 / 40 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页

14、,共 40 页精选学习资料 - - - - - - - - - 使用湿度 95%RH 以下HR202相对湿度 - 阻抗特性如图 2. 4 所示：1000010001001020%RH 25%RH 30%RH 35%RH 40%RH 45%RH 50%RH 55%RH 60%RH 65%RH 70%RH 75%RH 80%RH 85%RH 90%RH图 2.4 电气阻抗值 RK ）2.5.2湿度传感器信号处理模块1. 工作电源的设计因 HR202需要在定额电压 1.5V ACMAX,正弦波）、工作频率 500Hz2KHz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 8

15、 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 位小于 90 度； 3 阶 RC移相网络,其最大相移可接近RC电路都是相位超前电路,相 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8 / 40 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 40 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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：图 2.6 正弦波振

16、幅调整电路2. 线性化处理由 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4 ,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-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；图 2.7 线性化处理电路 3. 沟通信号全波整流电路 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；9 / 40 名师归纳总结 - -

17、 - - - - -第 13 页,共 40 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 2.8 全波整流电路4. 信号放大环节在相对湿度为 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2.6A/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；同时为了节约下位机的 I/O 引脚,可采纳 TI

18、 公司生产的八位逐次靠近串行 AD转换器 TLC0834 9 ,10 / 40 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页,共 40 页精选学习资料 - - - - - - - - - 它价格也比较适中；2.6.1TLC0834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,它允许任意小的模拟电压编码间隔；由于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

19、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 32 S；（8） 可以和美国国家半导体公司的 不带齐纳稳压器网络；（9） 总调整误差为1LSB；2.6.2TLC0834工作特点ADC0834和 ADC0838进行更换,但它内部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

20、握规律表如表 2.1 所列：表 2.1 TLC0834 多路器的掌握规律表L SGL/DIF多路器地址SELECT BIT1 - 通道号ODD/EVENCH0 CH1 CH2 CH3L L + - L HH H + H L L + - HH- +11 / 40 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页,共 40 页精选学习资料 - - - - - - - - - H L L + H HL HH H+ + +H H L 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 , 应分配输入通道的

21、极性 , 并应将差分输入安排到相邻的输入通道对中；例如通道 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）；2.6.3TLC0834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 TIME）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

22、为转换状态输出端,该端为高电平常,表示转换正在进行,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；图 2.10 TLC0834 管脚图2.6.4TLC0834工作时序TLC0834工作时序如图 2. 11 所示：12 / 40 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页,共 40 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 2.11 TLC0834 工作时序图 2.6.5TLC0834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.

23、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05V；13 / 40 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页,共 40 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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

24、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 1 10 ；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

25、 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扰才能、答应一对双绞线上一个发送器驱动多个负载设14 / 40 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页,共 40 页精选学习资料 - - - - - - - - - 备、长距离传输等要求,本系统采纳 2.7.1RS-485总线驱动RS-485标准总线传输；常用的 RS-485 总线驱动芯片 11 有 SN7517

26、4,SN75175,SN75176等；SN75176芯片有一个发送器和一个接受器,特别适合为RS-485总线驱动芯片,其价格与单片机相差不多； SN75176管脚图12 如图 2. 13 所示,其规律如表2. 2 所示：输出R H . L Z . 表 2.2 SN75176规律关系表差分输入使能端A-B Vid 0.2V L -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

27、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；

28、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 压波形如图 2.18 所示：图 2.18 按键掌握过程19 / 40 , 它在断开、闭合时输入电名师归纳总结 - - - - - - -第 23 页,共 40 页精选学习资料 - - - - - - - - - 2.10系统电源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