基于单片机的远程数据采集系统的设计

基于单片机的远程数据采集系统的设计内容摘要：

端必须保持低电平（接地）。 需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。 如EA端为高电平（接Vcc端），CPU 则执行内部程序存储器中的指令。 Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。 XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。 XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。 中断：AT89C52共有6个中断向量：两个外中断（INT0 和INT1），3个定时器中断（定时器0、2）和串行口中断。 这些中断源可通过分别设置专用寄存器IE的置位或清0来控制每一个中断的允许或禁止。 IE也有一个总禁止位EA，它能控制所有中断的允许或禁止。 LED显示模块整体设计LED数码管显示电路采用动态扫描显示方法，将各个数码管的8个笔画段（a、b、c、d、e、f、g、h）同名端并联在一起，由一个8位I/O口控制，形成段选线合用；而每一位数码管的公共端（位选线）是各自独立地受I/O口控制，实现各位的分时选通[9]。 单片机向字段输出字形码时，所有显示器都接收到相同的字表码，但究竟是哪个数码管亮，则取决于公共端，可通过控制公共端来决定哪一位数码管发亮显示。 动态扫描是采用分时的方法，轮流控制各位数码管的公共端，使各个数码轮流点亮。 在轮流点亮的过程中，每位显示器的点亮时间极为短暂（约1ms），由于人类眼睛的视觉暂留及发光二极管的余辉效应，只要在轮流点亮各位二极管时，扫描的频率合适时就不会有闪烁感[10]。 其中段选线占用一个8位I/O口，可用单片机的P1口作为段选线控制，位选线占用4位I/O口，~，74HC245为总线驱动器驱动数码管显示。 数码管显示模块电路原理图 RS485总线及其与单片机、PC机的接口电路的设计RS485是一个电气接口规范，属于7层开放系统互连（Open System Interconnection，OSI）模型物理层的协议标准。 它只规定了平衡驱动器和接受器的电特性，没有规定接插件、传输电缆和通信协议。 支持半双工或全双工模式，网络拓扑结构通常采用终端匹配的总线型结构，不支持环型或星型网络[11]。 由于RS485是从RS422基础上发站而来的，RS485 采用平衡传输方式，需要在传输线上接匹配电阻。 RS485 可以采用二线与四线方式，二线制，可实现真正的多点双向半双工通信。 采用四线连接时，只能实现点对多点的全双工通信，即只能有一个主(Master) 设备，其余为从设备。 无论是四线还是二线连接方式总线上最多只能接32个设备。 RS485的共模输出电压在7~+12V之间，RS485接收器最小输入阻抗为12kΩ。 RS485的最大传输距离约为1219m，最大传输速率为10Mb/s。 平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。 只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。 一般100m长双绞线最大传输速率仅为1Mb/s。 RS485需要2个匹配电阻，其阻值要求等于传输电缆的特性阻抗。 在短距离传输时可不需要匹配电阻，一般情况下在300m以下不需匹配电阻,匹配电阻接在传输总线的两端（一般接120Ω的匹配电阻即可）。 RS485常采用平衡发送和差分接收方式来实现通信。 两条传输线采用通常使用双绞线，故具有较强的抗共模干扰能力。 接受灵敏度也相当高，能检测低达200mV的电压，某些芯片已经能检测到低达50mV 的电压（如MAX3080等）,同时，最大传输速率和最大传输距离也大大提高。 RS485总线以双绞线为物理介质，通常工作在半双工通信状态，即在同一时刻总线上只能有1个节点为主节点且处于发送状态，其它所有节点必须处于接收状态。 如果同一时刻有2个以上的节点处于发送状态将导致所有发送方的数据发送失败，即所谓总线冲突[12]。 为了避免总线冲突，RS485总线一般工作在主从模式下。 整个通信总线系统由1个主节点、若干个从节点组成，按照轮循的方式，主节点依次和从节点通信，这样就解决了RS485总线的冲突。 本系统中的主机，即上位PC机和从机，即下位单片机之间的通信也工作在主从模式下的。 在本系统中，除了一个PC机作为主机外，只有一个单片机作为从机。 MAX485简介为了构建满足本系统远程数据传输的RS485总线，本设计采用了一款专门的电平转换芯片，即MAX485接口芯片[13]。 它是Maxim公司的一种RS485芯片。 采用单一电源+5V工作，额定电流为300μA，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的内部结构图从MAX485的内部结构图中可以看出，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端和驱动器的输入端，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，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120Ω的电阻。 MAX232介绍Max232产品是由德州仪器公司（TI）推出的一款兼容RS232标准的芯片。 该器件包含2驱动器、2接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA232F电平。 该器件符合TIA/EIA232F标准，每一个接收器将TIA/EIA232F电平转换成5VTTL/CMOS电平。 每一个发送器将5VTTL/CMOS电平转换成TIA/EIA232F电平。 MAX232引脚图MAX232芯片为电脑的RS232标准串口设计的接口电路,使用+5V单电源供电。 内部结构基本可分三个部分：第一部分是电荷泵电路。 由6脚和4只电容构成。 功能是产生+12v和12v两个电源，提供给RS232串口电平的需要。 第二部分是数据转换通道。 由11114脚构成两个数据通道。 其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。 8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。 TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。 第三部分是供电。 15脚GND、16脚VCC（+5V）。 PC机和单片机之间远程通信的RS485原理方案PC机的串行接口为RS232或USB总线，然而RS232标准的传送距离最大约为15m，最高速率为20kb/s，并且RS232是为点对点（即只用一对收、发设备）通讯而设计的，可见RS232只适合于本地通讯使用。 而使用USB总线的话，系统的成本和设计难度将大增加。 为了降低成本和设计难度，本系统采用的是将RS232接口转换成RS485接口，再在单片机和PC机之间加入RS485总线，采用RS485进行长距离、高速的串行异步通信。 PC机和单片机之间远程通信的RS485原理方案。 单片机和上位PC机间的RS485通信方案单片机采用RS485进行串行通信，只需要将TTL电平的串行接口通过芯片转换为RS485串行接口[14]。 这种转换比较简单，本系统采用MAX485芯片来完成这种转换。 对于PC机现有的RS232 接口，系统中利用一片MAX485芯片和MAX232芯片组成的转换电路来实现RS485电平与RS232之间的转换。 此转换电路一边与RS232 标准9针接口相连，另一边与RS485总线相连。 RS485总线和单片机接口硬件的设计，数据通信在硬件上采用3线制，将单片机和PC机串口（RS232C）的3个引脚（TXD、RXD、GND）分别连在一起，即将PC机和单片机的发送数据线TXD和接收数据线RXD交叉连接，两者的地线相连，而其它信号线如握手信号线均不用，采用软件握手的方式。 只不过为了达到数据能远程传输，在下位单片机和上位PC机之间加入了RS485总线，在单片机系统中使用MAX485芯片，完成单片机TTL电平到RS485电平之间的转换，在总线末端接一个匹配电阻,吸收总线上的反射信号,使得正常传输信号无毛刺。 匹配电阻的取值应该与总线的特性阻抗相当。 MAX485构成的RS485总线及其和单片机的接口电路由于MAX485工作在半双工状态，可只用单片机的一个引脚控制它的接收使能端和发送使能端DE，以决定MAX485是工作在接收还是发送状态[15]。 ，和DE两个引脚连在一起，即单片机的第9个引脚对它们进行控制，MAX485处于接收状态，MAX485处于发送状态。 单片机的第11脚是串口接收引脚RXD，和MAX485的接收器输出端RO相连接，从上位机发过来的控制信号将从这个端输入到单片机内，使单片机进行相应的控制操作；单片机的第12脚为串口发送引脚TXD，和MAX485的驱动器输入端DI相连，单片机的温度数据将通过这个引脚传输到MAX485总线，经过长距离传输后最终送到远程上位PC机上进行显示和处理。 RS485总线和PC机接口硬件的设计在PC机端用MAX485和MAX232组成的电平转换电路完成TTL电平到PC机的RS232串口电平的转换[16][17]。 在总线上没有信号传输时，总线处于悬浮状态，容易受干扰信号的影响。 将总线上的差分信号的正端A+和负端B之间接一个10kΩ的电阻；负端B和地间接一个10kΩ的电阻，形成一个电阻网路。 当总线上没有信号传输时，正端A+，即使有干扰信号，也很难产生串行通信的起始信号0，从而增加了总线抗干扰的能力。 MAX485采用的串行通信波特率选为4800bit/s，AT89C52的晶振相选用12MHz），可满足系统对波特率误差的要求。 单片机和上位PC机之间的RS485通信原理图3 远程数据采集系统的软件设计 单片机的数据采集模块的程序设计此系统数据采集模块包含两个方面的内容，一方面是利用单片机控制DS18B20工作，进行温度数据的采集；另一方面是利用单片机将DS18B20温度传感器采集到的数据传输到显示器进行显示[18]。 下面将讨论这两方面的内容。 单片机的数据采集部分的主要程序DS18B20操作流程DS18B20的一线制总线要求的操作流程：（1）初始化；（2）ROM操作命令；（3）存储器和控制操作命令； （4）处理/数据。 主控MCU对DS18B20的每一次完整的操作都应遵循上述的流程进行操作。 初始化一线制总线上的所有处理都从初始化开始，初始化包括主控MCU发出的总线复位信号（Reset Plus），以及从器件（本文指DS18B20）发出存在应答信号（Presence Plus）。 存在应答信号让主控MCU知道总线上存在DS18B20器件，并且从器件已准备好接受主控MCU的操作。 ROM操作指令及流程一旦完成初始化后，主控MCU便可以发出对DS18B20的6个ROM 操作命令之一，所有ROM 操作命令均为8 位长。 ROM操作命令的操作流程请参考前面的图 ，这些命令的描述如下：Read ROM（读ROM）[33h] 此命令允许总线的主控MCU读DS18B20 的8 位产品系列编码、唯一的48 位序列号以及8 位的CRC；此命令只能在总线上仅有一个DS18B20 的情况下可以使用，如果总线上存在多于一个的从属器件，那么当所有从片企图同时发送时将发生数据冲突的现象，漏极开路会产生线与的结果。 Match ROM（匹配ROM）[55h]匹配ROM 命令，即以64 位的ROM 数据序列与总线上的多个DS18B20器件进行匹配（当然只可能有一个器件与主控MCU发出的匹配ROM数据相匹配），相当于总线主控MCU对多点总线上特定的DS18B20寻址，只有与64 位ROM 序列严格相符的DS18B20 才能对后继的存储器操作命令做出响应，所有与64位ROM 序列不符的从片将等待复位脉冲。 此命令在总线上有单个或多个器件的情况下均可使用。 Skip ROM（跳过ROM）[CCh]在单点总线系统中，通过此命令允许总线上的主控MCU不提供64 位ROM 编码而访问存储器操作，以此来节省时间；如果在总线上存在多于一个的从属器件，而且在Skip ROM 命令之后发出读命令，那么由于多个从片同时发送数据会在总线上发生数据冲突，漏极开路下拉会产生线与的效果。 Search ROM（搜索ROM）[F0h] 当系统开始工作时总线上的主控MCU可能不知道总线上的从器件个数或者不知道其64 位ROM 编码，搜索ROM 命令允许总线主机使用一种排除查询的方法来识别总线上所有从片的64 位ROM 编码；有关搜索ROM的具体操作流程，可以参考DS18B20器件的数据手册，从该手册可以获取详细的操作说明。 Alarm Search（告警搜索）[ECh] 此命令的流程与搜索ROM 命令相同，但是仅在最近一次温度测量出现告警的情况下DS18B20才对此命令做出响应。 告警的条件定义为温度高于TH 或低于TL，只要DS18B20 一上电，告警条件就保持在设置状态，直到另一次温度测量显示出非告警值或者改变TH 或TL 的设置，使得测量值再一次位于允许的范围之内，贮存在EEPROM 内的触发器值用于告警。 在总线上的主控MCU完成ROM操作命令后，主控MCU便可以。