基于单片机的多机通信在一体化控制系统的应用

基于单片机的多机通信在一体化控制系统的应用内容摘要：

DSP 是不经济的方案。 在单片机能够满足系统对数据处理速度要求的情况下，单片机无异是首选的信息处理单元。 167。 传感器方案 传统的模拟式传感器具有测量转换速度快，温度测量范围宽的优点。 但是模拟传感器的模拟信号需要先经过取样、放大和模数转换电路处理，再将本科毕业设计（论文） 7 转换得到的表示温湿度值的数字信号交由微处理器或 DSP 处理。 被测信号从敏感元 件接收的非电物理量开始，到转换为微处理器可处理的数字信号之间，设计者须考虑的线路环节较多，相应测试装置中元器件数量难以下降，随之影响产品的可靠性及小型化。 而且模拟信号在长距离传输过程中，容易受到电磁干扰而导致误差产生。 在多点温湿度检测的场合，各被测点到测试装置之间引线距离往往不同，各敏感元件参数的不一致性，都将会导致误差的产生，并且难以完全清除。 另外，模数转换系统的精度也不可能很高，存在一定非线性，互换性较差。 采用具有直接数字量输出的传感器能够避免上述问题。 数字式传感器能把被测模拟量直接换成数字量输出，可 以直接与数字设备（计算机，计数器，数字显示系统等）相联，用微控制器、 DSP 或计算机进行信号的处理、滤波、压缩。 它的信号原则上不受放大器和信号处理系统的温度漂移的影响，具有极高的抗干扰能力。 数字式传感器具有高的测量精度和分辨率，稳定性好，信号易于处理、传送和自动控制，便于动态及多路测量，读数直观，安装方便，维护简单，工作可靠性高。 虽然存在反应速度较慢，温度测量的范围不宽的缺点，数字式传感器技术的发展仍受到人们越来越多的重视。 考虑系统的经济性和温湿度传感器的优缺点及发展状况，确定温度传感器采用数字式。 167。 短 距离无线通信模块方案 蓝牙技术作为一种近距离无线连接的全球性开放规范，已经得到了全球众多大企业的支持。 蓝牙技术同时支持语音和数据传输，使用跳频扩频技术，本身包括纠错机制，可靠性高，蓝牙规范的核心部分协议允许多个设备进行相互定位、连接和交换数据，并能实现互操作和交互式应用。 但是蓝牙设备价格昂贵，通讯距离近，蓝牙 RF 定义了三种功率等级（ 100mw、 25mw 和 1 mw），当蓝牙设备功率为 1 mw 时，其发射范围一般为 10m[20]。 红外线传输是使用红外线波段的电磁波来进行较近距离的传输。 IrDA 具有 技术成熟、体积小、功率低、传输速率高、连接方便、简单易用、数据传输干扰少、保密性强、成本低廉等优点。 也存在着只能视距传输、移动时不本科毕业设计（论文） 8 能传输、 LED 易磨损等缺点。 随着大规模集成电路技术的发展，世界上主要的芯片厂商都推出了无线收发芯片。 短距离无线通信系统的大部分功能都集成到一块芯片内部，一般使用单片数字信号射频收发芯片，加上微控制器和少量外围器件构成专用或通用无线通信模块。 所有高频元件包括电感、振荡器等已经全部集成在芯片内部，一致性良好，性能稳定且不受外界干扰。 射频芯片一般采用 FSK 调制方式，工作于 ISM 频段，通信模块一般包含简单透明的数据传输协议或使用简单的加密协议，发射功率、工作频率等所有工作参数全部通过软件设置完成，用户不用对无线通信原理和工作机制有较深的了解，只要依据命令字进行操作即可实现基本的数据无线传输功能。 新一代短距离无线数据通信系统具有体积小、功耗低、稳定性好、抗干扰能力强等优点，而且开发简单快速，可以方便地嵌入到各种设备中，实现设备间的无线连接，因此，较适合搭建小型网络，在工业、民用领域得到较为广泛的应用。 考虑系统的经济性、传输距离，确定该部分电路设计使用无线收发芯片。 无线收发芯片的可 靠性高、稳定性好、抗干扰能力强，通讯协议简单透明，技术成熟。 使用该种方案无线通讯接口与数据采集系统接口电路设计简单。 167。 器件的选用 167。 数字式温度传感器的选择 随着温度传感器智能化、集成化技术的进步，数字式温度传感器也得到了快速发展，世界上许多公司推出了新型的数字温度传感器系列。 这些产品的出现极大的丰富了设计工程师的选择对象。 在如此众多的产品中选择出合适的器件，应该把握以下几点：外围电路应该尽量简单；测温的精度、分辨率要合适，以便减少不必要的电路和软件开发成本；温度传感器采用的总线负载能力如何，能否满足多 点测温的需要；占用 MCU 的 I/O 引脚数情况如何，因为 MCU 的系统资源非常宝贵，输入通道有限，多点温度测量时，如果测量的点数超过了输入通道时，就要添加多路复用器，这将增加成本和开发时间，应尽量节约；与 MCU 的通信协议应尽量简单，温度测量的软件开本科毕业设计（论文） 9 发难度、成本要尽量小 [13]。 由于 DS18B20 独特的单总线接口方式在多点测温时有明显的优势，占用 MCU 的 I/O 引脚资源少，和 MCU 的通信协议比较简单，成本较低，传输距离远，所以，选用 DS18B20 做为温度测量的传感器。 167。 无线收发 芯片的选择 无线收发芯片的种类和数量比较多，在设计中选择合适芯片可以提高产品开发周期、节约成本。 nRF24E1 是挪威 Nordic VLSI ASA 公司最近开发的一种嵌入了高性能单片机内核的高速单片无线收发芯片 [15]。 采用先进的 CMOS 工艺、6mm6mm 的 36 引脚 QFN 封装；以 nRF2401 芯片结构为基础，将射频、8051MCU、 9 输入 12 位 ADC、 125 频道、 UART、 SPI、 PWM、 RTC、 WDT 全部集成到单芯片中；内部有电压调节器（工作电压 ~）和 VDD 电压监视，通常开关时间小于 200μs，数据速率 1Mbps，输出功率 0dBm；不需要外接 SAW 滤波器，极少的外围电路，发射功率、工作频率等所有工作参数全部通过软件设置完成，所有高频元件包括电感、振荡器等已经全部集成在芯片内部，一致性良好，性能稳定且不受外界影响；工作在全球开放的 频段、勿需申请通信许可证 [20]。 基于 nRF401 成本低、可靠性高、外围设计简单的优点， 本系统将 nRF401 做为无线收发芯片的首选。 167。 键盘显示模块的选择 显示单元是人机交互的窗口， 是传递仪表工作状态和检测数据的关键性设备，通常的显示器件有液晶显示器（ LCD）和数码管显示器（ LED）。 液晶显示器在使用中有许多注意事项：不能对它长期施加直流电，否则易造成显示器的老化；必须注意防潮；防止施加过大的压力；对于使用的环境温度要特别注意，温度不能太高也不能太低；防止紫外线的直接照射；要特别注意防静电，焊接显示器时烙铁要接地。 本科毕业设计（论文） 10 可见液晶显示器在使用中有众多的限制条件，但它同时也有一定的优势，其中最明显的就是低功耗，消耗电流一般是 pA 级的。 数码管显示器不同与液晶显示器，它对电源没有特殊要求， 受环境温度的影响不大，不怕阳光的照射，也没有严格的防静电要求，而且它的显示亮度要比液晶显示器亮许多，适于安装在室内、室外、黑暗和光线强的各种环境中，但它的耗电量明显高于液晶显示器。 本系统由于要适合在不同环境条件下使用，所以选用数码管显示器。 本系统采用五位数码管，两位用来显示当前温度，两位用来显示欲设定的温度，一位用来显示当前状态。 在本系统中，键盘由四个键组成，即温度增加键、温度减小键、确认键和取消键。 因按键很少，所以采用独立式键盘。 167。 温度控制模块的选择 温度控制单元是系统的执行器件，是系统的最后一个环 节，也是系统中最重要的一部分。 目前制冷系统主要包括空气循环制冷系统、蒸汽压缩制冷系统、使用氨水的吸收式制冷系统和近几年发展起来的半导体制冷系统。 目前制热技术主要有太阳能吸收热量、煤炭燃烧制造热量、热泵和近几年发展起来的半导体制热系统。 其中半导体制冷制热是利用特种半导体材料通过直流电时产生低温高温的一种制冷制热方式，由于它弥补了其它制冷制热方式的不足，在当今世界的人下制冷制热技术中占有独特的地位。 所以本系统选择半导体制冷制热器件。 本科毕业设计（论文） 11 第 3章 电路的硬件设计 167。 总体设计方案 167。 多机通信一体化原理 多机通信是指 2 台以上计算机之间数据传输的协调工作 .主从式多机通信是多机通信中应用最广的一种 .主机可以是 PC 机或单片机 ,从机一般采用单片机。 将一机设为主机，其他设为从机，将从机编号，并存起来，通信时，主机若要对所有机器通信，刚发出一个自己设定好的信号，若要对某一特定机器通信，则发出该机器的编号，各机收到通信请求命令后，将命令与自己存的编号对比，看主机是不是要与本机通信，是，接收后边的信号，不是，则不接收。 其工作系统如图 31 所示： 主 机 T X D R X DT X D R X D 从 机T X D R X D 从 机T X D R X D 从 机 图 31 多机通信原理图 167。 系统总体结构设计 根据上一章所选的系统方案构想，下面进行系统硬件电路的具体设计，系统的总体结构框图如图 32 所示。 本科毕业设计（论文） 12 图 32 系统结构框图 系统由温湿度数据采集模块、键盘显示模块、无线数据收发模块、温度控制模块等部分组成。 温度采集部分工作原理是由数字温度传感器测温并把数据传到 CPU，由 CPU 处理通过无线收发电路向外发送信号，接收端收到信号经 CPU 处理在数码管上显示出来。 温度控制部分工作原理是由键盘输入欲设定的温度。 温度数据信号送入 CPU 处理，通过无线收发电路发射出去，接受端收到 信号经 CPU 处理控制半导体温控装置达到欲设定的温度。 167。 温度采集部分电路设计 167。 温度数据采集硬件接口电路 针对 8051 单片机 I/O 口线较少的特点，用一只 DS18B20 型单线数字式集成温度传感器组成温度采集网络。 其温度采集网络框图如下图 33 所示： 数字温度传感器DS18B20 中央 控 制单元 8051 无 线 收发电路nRF401 半导体制冷制热器件 中央 控 制单元 8051 无线收发电路 nRF401 键盘显示模块 本科毕业设计（论文） 13 图 33 温度采集网络框图 167。 数字式温度传感器 DS18B20 单总线是美国 DALLAS 半导体公司近年推出的新技术，它只定义了一根信号线，总线上的每个器件都能够在适当的时间驱动它，相当于把单片机的地址 nRF401 线、数据线、 控制线合为一根信号线对外进行数据交换。 为了区分这些芯片，厂家在生产芯片时，为每个芯片编制了惟一的序列号，通过寻址就能把芯片识别出来。 从而能使这些器件挂在一根信号线上进行串行分时数据交换，大大简化了硬件电路。 DS18B20 是美国 DALLAS 半导体公司推出的应用单总线技术的数字温度传感器 [ 18]。 它的主要技术特性如下： （ 1）具有独特的单线接口方式，即微处理器与其接口时仅需占用 1 位I/O 端口； （ 2）支持多节点，使分布式多点测温系统的线路结构设计和硬件开销大为简化； （ 3）测温时无需任何外部元件： （ 4）可以通过数据线供电，具有超低功耗工作方式： （ 5）测温范围为 55~+125℃ ，测温精度为 177。 ℃ ： （ 6）温度转换精度 912 位可编程，能够直接将温度转换值以 16 位二进制数码的方式串行输出。 12 位精度转换的最大时间为 750ms[18]。 VCC GND 8051 DS18B20 本科毕业设计（论文） 14 因为它是数字输出，而且只占用一个 I/O 端口，所以它特别适合于微处理器控制的各种温度测控系统，避免了模拟温度传感器与微处理器接口时需要的 A/D 转换和较复杂的外围电路。 缩小了系统的体积，提高了系统的可靠性。 1． DS18B20 的结构 DS18B20 主要由四部分组成。 （ 1） 64 位光刻 ROM 数据存储器 （ 2）温度传感器 （ 3）非易失性电可擦写温度报警触发器 TH 和 TL （ 4）非易失性电可擦写设置寄存器 如图 33 所示，器件只有 3 根外部引脚，其中 VDD 和 GND 为电源引脚，另一根 DQ 线则用作 I/O 总线，因此称为一线式数据总线。 与单片机接口的每个 I/O 口可挂接多个 DS18B20 器件。 每片 DS18B20 含有一个唯一的 64 位 ROM 编码。 头八位是产品系列编码，表示产品的分类编号；接着的 48 位是一个惟一的 产品序列号，序列号是一个 15 位的十进制编码，每个芯片惟一的编码可以通过寻址将其识别出来，最后 8 位是前 56 位的循环冗余 (CRC)校验码，是数据通信中校验数据传输是否正确的一种方法。 所以多片 DS18B20 能够连接在同一条数据线上而不会造成混乱。 这为温度的多点测量带来了极。