(精品论文)耐火材料配料计算机监控系统毕业论文

毕业设计论文 摘要 1 摘要摘要 耐火材料配料计算机监控系统是一个基于 MCS51 系列单片机的全自动配料 系统。该系统由上位机和下位机两部分组成。其中上位机主要由一台工控机和 与系统匹配的软件构成。工控机主要通过 RS-485 串行通讯口控制下位机的运行 以及通过继电器输出板控制料仓的阀门，系统软件提供了简洁的操作界面。下 位机的主芯片是一个称重专用电脑，称重电脑由中央处理模块、通讯模块、称 重模块、显示模块、键盘模块、电源模块以及 I/O 扩展模块等组成。其中中央 处理模块是称重电脑的核心（主芯片选用 AT89C52 单片机，静态数据储存单元 选用 8K 的 6264RAM） ，中央处理模块主要负责读取称重模块的数据以及判断计 量车的当前位置和状态，并对这些数据进行处理后通过通讯模块实时传送给上 位机；同时中央处理模块也对上位机通过通讯模块传来的数据或命令进行识别 和处理，并负责对计量车的控制。通讯模块主要负责上位机和下位机之间数据 的传送。称重模块负责采集配料的重量信息并把数据传送给中央处理模块。显 示模块主要用来实时显示计量车的状态以及重量信息。键盘模块在计量车处于 手动状态下才起作用，负责对计量车进行手动控制。电源模块提供系统运行必 须的电压。 关键词：关键词： 1、单片机 2、配料 3、RS-485 串行通讯 4、称重电脑 5、上位机 6、下位机 毕业设计论文 Abstract 2 Abstract Fireproof material computer commanding system is a completely automatic burden system based on MCS51 monolithic microcontroller. The system is composed of an epigynous machine and a hypogynous machine. The epigynous machine is mainly formed by a Compact Embedded Controller and a matching software. The mostly dominates the function of the hypogynous machine via RS-485 and the valve of the output controlling relay. The system software offers succinct operating interface. The main chip of the hypogynous machine is a special-purpose computer. The computer is constituted by a center disposal mode, a communication mode ,a weigh mode, a display mode, a keyboard mode , power mode and an I/O expanding mode. The center disposal mode is the core of the computer . (the main chip chooses AT89C52 monolithic microcontroller static data deposited unit chooses 8K 6264RAM), The center disposal mode mainly takes charge for reading data of the computer and judge the current position and state of measure machine. After it deals with the data , it carry the data to the epigynous machine by the communication mode. At the same time, the center disposal mode will judge and transact the data and order from the communication mode and see to the controlling of the machine. The communication mode presides over the transmission of the data between the epigynous machine and the hypogynous machine. The mode gathers the weight data of the mixed material and carries this data to the center disposal mode. The display mode is used to show the state of the machine and weight. The keyboard mode is worked when the machine is in manual state. Its work is to control the machine manually. The power mode provides the pressure for the system. Keyword: 1、Mnolithic microcontroller 2、Atomatic burden system 3、RS-485 4、Weighing computer 5、Eigynous 6、Hpogynous 毕业设计论文 目录 1 目录目录 目录目录1 前言前言2 第一章第一章 系统配料流程的介绍系统配料流程的介绍3 第二章第二章 系统整体设计方案的确定系统整体设计方案的确定.4 第三章第三章 MCS-51MCS-51 系列单片机介绍系列单片机介绍5 第四章第四章 仪器的选型以及各模块的细化设计仪器的选型以及各模块的细化设计.6 4.1 中央处理模块的选型及设计6 4.2 通讯模块.9 4.3 显示模块.19 4.4 键盘模块.22 4.5 I/O 扩展模块.23 4.6 称重模块.25 第五章第五章 系统地址分配系统地址分配30 第六章第六章 软件设计（系统的初始化）软件设计（系统的初始化）31 第七章第七章 重要问题的探讨重要问题的探讨.33 第八章第八章 经验与总结经验与总结34 附录附录 附录电路原理图 附录英文翻译资料 参考文献参考文献 2003 年毕业设计论文 前言 2 前言前言 本次毕业设计的任务是我和张军同学一起完成耐火材料配料计算机监控 系统的设计，系统主要由上位机和下位机以及通讯接口组成，其中我主要负 责了下位机和通讯接口的设计。 设计该系统的目的是为了适应工业生产的需要，实现耐火材料生产中配料 的全自动化，提高了配料流程的精度和效率，从而提高了企业的生产效率。该 系统最终功能是：由一台控制台内的工控机通过通讯线路来控制配料车上的单 片机（称重专用电脑） ，使得配料车能按照工控机的指令在轨道上实现自动行驶、 停止；同时实现自动放料（包括重量的实时显示） 、自动卸料的过程。并且整个 配料过程中，配料车的工作状态都能在工控机上实时显示。 2003 年毕业设计论文 第一章 系统配料流程的介绍 3 第一章第一章 系统配料流程的介绍系统配料流程的介绍 耐火材料的生产工艺是将各种称量好的原料进行混合后，在混炼机中进行 混炼。为了提高产品的质量和合格率，在生产过程中配料和混料过程就显的尤 为重要。由于工作人员进行配料操作时难免会产生较大的人为误差并且操作耗 时较多，对企业提高生产率很不利。采用耐火材料配料计算机监控系统就会解 决这些问题。此系统在小车的上方有 24 个料仓，每个料仓存储一定量的原料， 系统通过控制料仓的阀门可以进行放料的操作；小车的下方有 4 个排料口，通 过这 4 个排料口我们可以把配好的料放入混料仓中进行混料，然后便可以把混 好的料送入混炼机中进行混炼。 在整个自动配料流程中，我们可以分为如下几个步骤： 打开下位机，计量车自动复位到起始点。 打开上位机进行初始化，上位机会进行通讯检测：上位机呼叫数据，下位机 收到后返回应答数据。上位机能收到应答数据，则合格，否则不合格。不合格 则再发，三次不合格显示“线路出现错误，传输失败” 。在线路检测完好后，操 作员选择“单步”或“自动”的工作方式。 若在自动工作方式下，输入配方号，则调出配方，根据配方上的“料仓号” 进行下一步。若在单步方式下，直接输入“料仓号” 。上位机根据 “料仓号” ，把目标料仓号发给下位机。 下位机收到“料仓号”后运行到指定的料仓下面。停稳后给上位机发“已经 到位”信号。上位机传送目标加料量，下位机收到后，回答“已收到目标加料 量”信号。 上位机打开计量车上面料仓的下料门：先打开大阀门和小阀门，进行快加。 上位机每隔约 100ms 定时查询下位机，下位机把称重值实时上传。运行一段时 间后，上位机再关闭大阀门，只开小阀门，进行慢加。若下位机检测到达指定 重量后，发送“关大、小加料阀门”信号回上位机。 继续进行配料。若在自动工作方式下上位机自动把配方的下一个目标料仓号 发送给下位机，重复、，直到该配方完成。若在单步方式下，直接输入 “料仓号” ，重复、，直到该配方完成。 配方配完后，上位机发送卸料仓号，计量车收到后运行到相应的卸料仓进行 卸料。 卸完后计量车停止并待命，直到输入下一个配方或料仓号后，重复-步 骤。 此外我们也可以选择单步工作方式，在此工作方式下，操作人员可以通过 计量车上得键盘对计量车进行操作，完成配料过程。并且每次配料的数据系统 会自动记录（满 100 次后系统会自动覆盖老数据） ，通过数据查询我们可以调出 任意一次配料的数据包括配料的日期、料仓号和每种原料的重量，以备查 询。系统还具备配方管理功能，我们可以将需要的配方预先存入数据库中，当 需要使用此配方进行配料时，系统可以直接调用。 2003 年毕业设计论文 第一章 系统配料流程的介绍 4 2003 年毕业设计论文 第二章 系统整体设计方案的确 定 5 第二章第二章 系统整体设计方案的确定系统整体设计方案的确定 根据我在现场对耐火材料工艺流程的了解，了解到整个系统应实现的功能。 这里我对下位机所要实现的功能进行了充分的分析： 首先配料过程中要对每种原料的重量进行称量，并且称量环节对整个配料 过程起着决定作用，所以下位机应该具备称重功能；其次为了使系统能灵活使 用，系统不但应该能够在上位机的控制下进行自动配料，还应该能够通过人工 操作进行配料，因此在下位机上还应该设计键盘，以便在单步工作方式时对下 位机进行操作；为了能够知道放料过程进行的程度，以便控制放料门是快放还 是慢放以及什么时候停止，我们还应该设计显示器；此外为了实现上位机和下 位机的通信，下位机还应该具备通信能力；最后，最重要的就是单片机了，他 主要对整个下位机进行控制、协调，以及对数据进行处理、存储和传送。 （其他 下位机还应该有电源以及具备定位、扩展 I/O 等功能，这里就不详细说明了） 根据上面对下位机的分析，整个下位机可以归纳为中央处理模块、通讯模 块、称重模块、显示模块、键盘模块、定位模块、电源模块以及 I/O 扩展模块 等 因此下位机模块图如图 2.1 所示 并行口 并行口 串行口 连接上位机 （图 2.1） 中央处理模块 称重模块通讯模块 键盘 模块 电源模块 显示模块 I/O 扩展 定位模块 变频器 2003 年毕业设计论文 第三章 MCS-51 系列单片机介绍 6 第三章第三章 MCS-51MCS-51 系列单片机介绍系列单片机介绍 单片微型计算机简称单片机。它是把组成微型计算机的各功能部件:中央 处理器 CPU, 随机存取存储器 RAM,I/O 接口电路,定时器/计数器以及串行通 讯接口等部件制作在一块集成芯片中,构成一个完整的微型计算机。由于它 的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的,故又叫单片微控制器 (Single Chip Micro controller ) 。目前国外已开始把它称为单片微型计 算机(Single Chip Microcomputer)。 MCS-51 系列单片机是美国 Inter 公司在 1980 年推出的高性能 8 位单片微 机，他的硬件结构有以下一些主要特点: 1、 8 位 CPU 2、 片内带振荡器，振荡频率范围位 1.2-12MHz 3、 128 字节的片内数据存储器 4、 4K 字节的片内程序存储器（8031 无） 5、 程序存储器的寻址范围为 64K 字节 6、 片外数据存储器的寻址范围为 64K 字节 7、 21 个字节专用寄存器 8、 4 个 8 位并行 I/O 接口：P0、P1、P2、P3 9、 1 个全双工串行 I/O 接口，可多机通信 10、 2 个 16 位定时器/计数器 11、 中断系统有 5 个中断源，可编程位两个优先级。 12、 111 条指令含乘法、除法、堆栈操作和多种位操作指令 13、 有强的位寻址、位处理能力 14、 片内采用单总线结构 15、 用单一+5V 电源 毕业设计论文 第四章 仪器的选型以及各模块的细化设计 7 第四章第四章 仪器的选型以及各模块的细化设计仪器的选型以及各模块的细化设计 4.14.1 中央处理模块的选型及设计中央处理模块的选型及设计 中央处理模块其实就是一个单片机系统，主要是由一块单片机以及外部存储 器构成。这里单片机芯片我选用了内部带有 8K 字节 EEPROM 的低功耗 CMOS8 位 微控制器 AT89C52（见图-2） ，此单片机性价比较高，广泛应用于控制和测量系 统，可满足设计要求，提高系统的集成度。 AT89C52 规格说明： 兼容 MCS-51TM产品 8K 字节内部可重复编程 FLASHROM 耐久度：1,000 次写/擦 3 级程序存储器锁 256*8 位内部 RAM 32 个可编程 I/O 引脚 3 个 16 位定时器/计数器 8 个中断源 可编程串行口 （图-4.1.1） AT89C52 引脚功能说明 VCC：接+5V 电源正端 GND：接+5V 电源地端 RXD：串行输入口 TXD：串行输出口 INT0：外部中断 0 请求输入端 INT1：外部中断 1 请求输入端 T0：定时器/计数器 0 计数脉冲输入端 T1：定时器/计数器 1 计数脉冲输入端 WR：外部数据存储器写选通信号输出端 RD：外部数据存储器读选通信号输出端 ALE/PROG：地址锁存有效信号输出端 PSEN：片外程序存储器读选通信号输出端 RST：复位端 XTAL1：片内反相放大器输入端 XTAL2：片内反相放大器输出端 EA/VDD：片外程序存储器选用端 P0.0-P0.7：准双向输入/输出接口 * P1.0-P1.7：准双向 I/O 接口 * P2.0-P2.7：准双向 I/O 接口 * 毕业设计论文 第四章 仪器的选型以及各模块的细化设计 8 *（其中 P0 口分时为低 8 位地址总线和双向数据总线；P1.0 可用作定时器/计 数器 2 的计数脉冲输入端 T2；P1.1 可用作定时器/计数器 2 的外部控制端 T2EX） 。 由于 AT89C52 内部 RAM 容量为 256，远不能满足系统的需求，我在这里扩展了 一个 8K 的 6264RAM。 中央处理硬件模块图如下： P0 D P0 74HC138 P2.0-P2.4 P0 (图-4.1.2) 由于系统需要 13 位来寻址，所以我们将 AT89C52 的 P0 口作为低 8 位地址 线，P2.0-P2.4 作为高 5 位地址线，其中 P0 口同时时分复用作为 8 位数据线。 读取数据时先将地址低 8 位 A0-A7 送入 P0 口及地址高 5 位 A8-A12 送入 P2.0- P2.4 口，其中高 5 位地址可以直接送到 6264 的 A8-A12，P0 口的低 8 位地址先 经过双向数据传输器 74HC245（74HC245 双向数据传输器通过控制引脚 DIR 来控 制数据传送的方向，同时提高了驱动能力） ，然后将地址 A0-A7 锁存到 74HC373 中，通过 74HC373 把低 8 位地址送到 6264，再通过 6264 的 D 口将地址指定数 据通过 74HC245 传送到 P0 口，此时 P0 口作为数据线使用。这样就完成了一次 读取数据过程，写入数据时方法一样。 X25045X25045 看门狗的应用看门狗的应用 X25045 是一种集看门狗、电压监控和串行 EEPROM 三功能于一身的可编程电路， 本系统主要用来上电复位和低电压监控。 上电复位： 向 X25045 加电时会激活他内部的上电复位电路，从而使 RESET 引脚有效，该信 号可避免系统微处理器在电压不足或振荡器未稳定的情况下工作，当 Vcc 超过 器件的 Vtrip 门限值时，电路会在 200ms（典型）延时后释放 RESET 以允许系 统开始工作。 低电压监控： 电路工作时 X25045 可对 Vcc 电平进行监测，若电源电压跌落至预置的最小 P1.0 P1.4 P1.5 P1.7 AT89C52 74HC2 45 6264 74HC3 73 X25045 毕业设计论文 第四章 仪器的选型以及各模块的细化设计 9 Vtrip 以下时，系统即确认 RESET 从而避免微处理器在电源失效或断开的情况 下工作。当 RESET 被确认后，该 RESET 信号将一直保持有效，直到电压跌到低 于 1V。而且 Vcc 返回并超过 Vtrip 达 200ms 时。系统重新开始工作 CS：电压选择端，低电平有效 SO：串行数据输出端 SI：串行数据输入端 SCK：串行时钟输入端 WP：写保护输入端，低电平有效 RESET：复位输出端 VCC：电源端 VSS：接地端 （央处理模块电路原理图见 附录 图一） 毕业设计论文 第四章 仪器的选型以及各模块的细化设计 10 4.24.2 通讯模块通讯模块 4.2.14.2.1 通讯方式的介绍和选择通讯方式的介绍和选择 通讯模块主要负责下位机和上位机之间的通讯。目前在计算机与计算机或 计算机与终端之间的数据传送主要存在两种方式：并行通讯和串行通讯。所谓 “并行通讯” ，是指 8 位数据同时通过并行线进行传送，这样数据传送速度大大 提高，但并行通讯的线路长度受到限制，因为长度增加，干扰就会增加，容易 出错。串行通讯不同于并行通讯之处在于它的数据和控制信息是一位接一位串 行地传送下去。这样，虽然速度会慢一些，但传送距离较并行口更长，因此长 距离的通信应使用串行通讯方式。 由于本系统传输距离较远，为了保证数据在传输过程的准确性，在这个系 统中我选择了串行通讯方式，这种方式的大大减少了连线的数量，而且便于与 工控机连接。 4.2.24.2.2 串行通讯几种方式的介绍串行通讯几种方式的介绍 此外根据信息的传送方向，串行通讯可以进一步分为单工、半双工和全双 工三种。信息只能单向传送为单工；信息能双向传送但不能同时双向传送称为 半双工；信息能够同时双向传送则称为全双工。 串行通讯又分为异步通讯和同步通讯两种方式。在单片机中，主要使用异 步通讯方式。 MCS-51 单片机有一个全双工串行口。全双工的串行通讯只需要一根输出线 和一根输入线。数据的输出又称发送数据（TXD） ，数据的输入又称接收数据 （RXD） 。串行通讯中主要有两个技术问题，一个是数据传送、另一个是数据转 换。数据传送主要解决传送中的标准、格式及工作方式等问题。数据转换是指 数据的串并行转换。具体说，在发送端，要把并行数据转换为串行数据；而在 接收端，却要把接收到的串行数据转换为并行数据。 4.2.34.2.3 通讯接口介绍通讯接口介绍 在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方 便地连接起来进行通讯。目前比较常用的串行数据接口标准有 RS-232、RS-422 与 RS-485 等，他们最初都是由电子工业协会（EIA）制订并发布的，RS-232 在 1962 年发布，命名为 EIA-232-E，作为工业标准，以保证不同厂家产品之间 的兼容。RS-422 由 RS-232 发展而来，它是为弥补 RS-232 之不足而提出的。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， 将传输速率提高到 10Mb/s，传输距离延长到 4000 英尺（速率低于 100kb/s 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。 由于 EIA 提出的建议标准都是以“RS”作为前缀，所以在通讯工业领域，仍然 习惯将上述标准以 RS 作前缀称谓。 毕业设计论文 第四章 仪器的选型以及各模块的细化设计 11 4.2.44.2.4 通讯接口的比较和选择通讯接口的比较和选择 4.2.4.14.2.4.1、RS-232RS-232 通讯接口通讯接口 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 为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。RS-232 采取不平衡传输 方式，即所谓单端通讯。典型的 RS-232 信号在正负电平之间摆动，在发送数据 时，发送端驱动器输出正电平在+5+15V，负电平在-5-15V 电平。当无数据 传输时，线上为 TTL，从开始传送数据到结束，线上电平从 TTL 电平到 RS-232 电平再返回 TTL 电平。接收器典型的工作电平在+3+12V 与-3-12V。由于发 送电平与接收电平的差仅为 2V 至 3V 左右，所以其共模抑制能力差，再加上双 绞线上的分布电容，其传送距离最大为约 15 米，最高速率为 20kb/s。RS-232 是为点对点（即只用一对收、发设备）通讯而设计的，其驱动器负载为 37k。所以 RS-232 适合本地设备之间的通信。 4.2.4.24.2.4.2、 RS-422RS-422、RS-485RS-485 通讯接口通讯接口 1平衡传输 RS-422、RS-485 与 RS-232 不一样，数据信号采用差分传输方式，也称 作平衡传输，它使用一对双绞线，将其中一线定义为 A，另一线定义为 B。 通常情况下，发送驱动器 A、B 之间的正电平在+2+6V，是一个逻辑状态， 负电平在-26V，是另一个逻辑状态。另有一个信号地 C，在 RS-485 中还有一 “使能”端，而在 RS-422 中这是可用可不用的。 “使能”端是用于控制发送驱 动器与传输线的切断与连接。当“使能”端起作用时，发送驱动器处于高阻状 态，称作“第三态” ，即它是有别于逻辑“1”与“0”的第三态。 接收器也作与发送端相对的规定，收、发端通过平衡双绞线将 AA 与 BB 对 应相连，当在收端 AB 之间有大于+200mV 的电平时，输出正逻辑电平，小于- 200mV 时，输出负逻辑电平。接收器接收平衡线上的电平范围通常在 200mV 至 6V 之间。 2RS-422 电气规定 RS-422 标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性” ，它定义了接口 电路的特性。由于接收器采用高输入阻抗和发送驱动器比 RS232 更强的驱动能 力，故允许在相同传输线上连接多个接收节点，最多可接 10 个节点。即一个主 设备（Master） ，其余为从设备（Salve） ，从设备之间不能通信，所以 RS-422 支持点对多的双向通信。接收器输入阻抗为 4k，故发端最大负载能力是 104k+100（终接电阻） 。RS-422 四线接口由于采用单独的发送和接收通道， 因此不必控制数据方向，各装置之间任何必须的信号交换均可以按软件方式 （XON/XOFF 握手）或硬件方式（一对单独的双绞线）实现。 RS-422 的最大传输距离为 4000 英尺（约 1219 米） ，最大传输速率为 10Mb/s。其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 能达到最大传输距离。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般 100 米长的双绞线上所能获得的最大传输速率仅为 1Mb/s。 RS-422 需要一终接电阻，要求其阻值约等于传输电缆的特性阻抗。在矩距 离传输时可不需终接电阻，即一般在 300 米以下不需终接电阻。终接电阻接在 传输电缆的最远端。 3RS-485 电气规定 由于 RS-485 是从 RS-422 基础上发展而来的，所以 RS-485 许多电气规定与 RS-422 相仿。如都采用平衡传输方式、都需要在传输线上接终接电阻等。RS- 毕业设计论文 第四章 仪器的选型以及各模块的细化设计 12 485 可以采用二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双向通信。 而采用四线连接时，与 RS-422 一样只能实现点对多的通信，即只能有一个 主（Master）设备，其余为从设备，但它比 RS-422 有改进， 无论四线还是二 线连接方式总线上可多接到 32 个设备。 RS-485 与 RS-422 的不同还在于其共模输出电压是不同的，RS-485 是-7V 至+12V 之间，而 RS-422 在-7V 至+7V 之间，RS-485 接收器最小输入阻抗为 12k，RS-422 是 4k；RS-485 满足所有 RS-422 的规范，所以 RS-485 的驱动器可 以用在 RS-422 网络中应用。 RS-485 与 RS-422 一样，其最大传输距离约为 1219 米，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 100 米长双绞线最大传输速率仅为 1Mb/s。 RS-485 需要 2 个终接电阻，其阻值要求等于传输电缆的特性阻抗。在矩距 离传输时可不需终接电阻，即一般在 300 米以下不需终接电阻。终接电阻接在 传输总线的两端。 4.2.4.34.2.4.3 各接口的优缺点各接口的优缺点 由于 RS-232 接口标准出现较早，难免有不足之处，主要有以下四点： （1） 接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与 TTL 电 平不兼容故需使用电平转换电路方能与 TTL 电路连接。 （2） 传输速率较低，在异步传输时，波特率为 20Kbps。 （3） 接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式， 这 种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。 （4） 传输距离有限，最大传输距离标准值为 50 英尺，实际上也只能 用 在 50 米左右。 RS-485 具有以下特点： （1） RS-485 的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+（26） V 表 示；逻辑“0”以两线间的电压差为-（26）V 表示。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，可方便与 TTL 电路连接。 （2） RS-485 的数据最高传输速率为 10Mbps （3） RS-485 接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力 增强，即抗噪声干扰性好。 （4） RS-485 接口的最大传输距离标准值为 4000 英尺，实际上可达 3000 米，另外 RS-232-C 接口在总线上只允许连接 1 个收发器， 即单站能力。而 RS-485 接口在总线上是允许连接多达 128 个收发器。即具有多站能力,这样用 户可以利用单一的 RS-485 接口方便地建立起设备网络。 RS-485 接口采用平衡驱动器和差分接收器的组合，假设传输线 A、B 对地电压分别为 Va 和 Vb，则它们的差分电压 V=Va-Vb， 当外部噪声 V对传输线产生干扰使得 毕业设计论文 第四章 仪器的选型以及各模块的细化设计 13 Va=Va+V,Vb=Vb+V, 此时差分电压 V= Va- Vb=（Va+V）-（Vb+V）= Va-Vb 所以 V=V 显然采用差分传输时，系统具有良好的抗噪声干扰性，并且传输距离大大 增长。由于 RS-485 具备上述优点就使其成为首选的串行接口。 因为 RS485 接 口组成的半双工网络，一般只需二根连线，所以 RS485 接口均采用屏蔽双绞线 传输。 RS485 接口连接器采用 DB-9 的 9 芯插头座，与上位机 RS485 接口采用 DB-9（孔） 。 4.2.54.2.5 RS-485RS-485 模块图及引脚说明模块图及引脚说明 （图-4.2.1） 4.2.64.2.6 RS-485RS-485 通讯示意图通讯示意图 RO：接受器输出：如果 A B 超过 200mV，RO 为高电平；如果 AB 超过 200mV，RO 为低电平 RE：输出允许。低电平时 RO 有效；高电 平时 RO 高阻 DE：输出驱动器有效。DE 高电平时输出 驱动器有效；DE 低电平时输出驱动器高 阻。如果输出驱动器有效，他们起驱动线 路功能；当他们处于高阻状态时，如果 RE 是低电平，作为线路接受机。 DI：驱动输出。 A：放大接受输入量和放大驱动输出量 B：转换接受输入量和转换驱动输出量 GND：接地 VCC：电源正极 4.75VVCC5.25V 毕业设计论文 第四章 仪器的选型以及各模块的细化设计 14 (图-4.2.2) 4.2.74.2.7 RS-485RS-485 外部接线外部接线 为了提高信号传输的准确性，针对串行通讯的特点采取了下面的措施： 1 1、减少在通信电缆中的信号反射、减少在通信电缆中的信号反射 在通信过程中，有两种信号因导致信号反射：阻抗不连续和阻抗不匹配。 阻抗不连续，信号在传输线末端突然遇到电缆阻抗很小甚至没有，信号在这 个地方就会引起反射，如图-4.2.3 所示。这种信号反射的原理，与光从一种媒 质进入另一种媒质要引起反射是相似的。消除这种反射的方法，就必须在电缆 的末端跨接一个与电缆的特性阻抗同样大小的终端电阻，使电缆的阻抗连续。 由于信号在电缆上的传输是双向的，因此，在通讯电缆的另一端可跨接一个同 样大小的终端电阻。在本系统中我取终端电阻的值为 120。 (图-4.2.3) 2 2、增加偏置电阻、增加偏置电阻 在通讯波特率比较高的时候，在线路上偏置电阻是必要的。偏置电阻的连 接方法如图-4.2.4。它的作用是在线路进入空闲状态后，把总线上没有数据时 毕业设计论文 第四章 仪器的选型以及各模块的细化设计 15 （空闲方式）的电平拉离 0 电平。这样一来，即使线路中出现了比较小的反射 信号或干扰，挂接在总线上的数据接收器也不会由于这些信号的到来而产生误 动作。 (图-4.2.4) 3 3、偏置电阻大小的计算：、偏置电阻大小的计算： 终端电阻 Rt1=Rr2=120； 假设反射信号最大的峰-峰值 Vref0.3Vp-p，则负半周的电压 Vref0.15V； 终端的电阻上由反射信号引起的反射电流 Iref0.15/(120|120)=2.5mA。一 般 RS-485 收发器的滞后电压值为 50mV，即： （Ibias-Iref）（Rt1|Rt2）50mV 于是可以计算出偏置电阻产生的偏置电流 Ibias3.33mA +5V=Ibias(R 上拉+R 下拉+（Rt1|Rt2）) （1） 通过式 1 可以计算出 R 上拉=R 下拉=720 在这里我取偏置电阻的值为 1K， 所以 RS485 的连接线路如下图，其中 RO 接单片机的串行输入口 RXD，DI 接单片 机的串行输出口 TXD，RE 和 DE 都接接 P1.1 口。 (图-4.2.5) 4 4、通信规则、通信规则 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 毕业设计论文 第四章 仪器的选型以及各模块的细化设计 16 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，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。 MAX1487 芯片的发送和接收功能转换是由芯片的 RE ，DE 端控制的。 RE=1，DE=1 时，MAX1487 处于发送状态；RE=0，DE=0 时，MAX1487 处于接收状 态。一般使用单片机的一根口线连接 RE，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入 MAX1487 的控制端，使上电时 MAX1487 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 RE，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 RS485 半双工通讯中，由于 MAX1487 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，RI 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。 在理论上虽然行得通，但在实际联调中却出现传输数据时对时错的现象。 根据查证有关资料，并在联调中借助存储示波器反复测试，才发现一个值得注 意的问题，我们可以查看单片机的时序： (图-4.2.6) 单片机在串行口发送数据时，只要将 8 位数据位传送完毕，TI 标志即建立， 毕业设计论文 第四章 仪器的选型以及各模块的细化设计 17 但此时应发送的第九位数据位（若发送地址帧时）和停止位尚未发出。如果在 这时关闭发送控制，势必造成发送帧数据不完整。如果单片机多机通讯采用较 高的波特率，几条操作指令的延时就可能超过 2 位（或 1 位）数据的发送时间， 问题或许不会出现。但是如果采用较低波特率，如 9600，发送一位数据需 100s 左右，单靠几条操作指令的延时远远不够，问题就明显地暴露出来。接 收数据时也同样如此，单片机在接收完 8 个数据位后就建立起 RI 信号，但此时 还未接收到第九位数据位（若接收地址帧时）和停止位。所以，接收端必须延 时大于 2 位数据位的时间（1 位数据位时间=1/波特率） ，再作应答，否则会发 生总线冲突。 3) 总线上所连接的各单机的发送控制信号在时序上完全隔开。 为了保证发送和接收信号的完整和正确，避免总线上信号的碰撞，对总线 的使用权必须进行分配才能避免竞争，连接到总线上的单机，其发送控制信号 在时间上要完全隔离。 总之，发送和接收控制信号应该足够宽，以保证完整地接收一帧数据，任 意两个单机的发送控制信号在时间上完全分开，避免总线争端。 程序流程框图程序流程框图: 其中：图-4.2.7a 为发送流程图；图-4.2.7b 为接收流程图。 NO NO NO NO (图-4.2.7b) (图-4.2.7a) 起始起始 准备数据SETB P1.1 处于接受态 打开发送控制 CLR P1.1 写 SBUF 延时 T 秒 关闭发送控制 SETB P1.1 结束 发送完毕？ T1=1？ R1=1？ 延时 T 秒 读 SBUF 接受完毕？ 结束 毕业设计论文 第四章 仪器的选型以及各模块的细化设计 18 4.2.84.2.8 系统通讯格式及数据的确定系统通讯格式及数据的确定 本系统采用串行通讯方式 3 即 9 位异步通信接口，每帧信息由 11 位组成 （1 位起始位、8 位数据位、1 位校验位、1 位停止位） （1）上位机发送“呼叫帧” ，格式如下 STXLGE 控制字数据 BCC STX：报文开始，02HEX LGE：报文长度，固定为 04HEX 控制字：传输控制命令，01HEX呼叫帧 02HEX保留 03HEX料仓号标记，具体数据在“数据” 04HEX重量设定数据，具体数据在“数据” 05HEX保留 06HEX卸料仓号标记，具体数据在“数据” 07HEX保留 08HEX-0FF HEX 保留 数据：1 个 WORD，下传数据： 0001 HEX-0018 HEX料仓号，当控制字为 03HEX 0001 HEX-0004 HEX卸料仓号，当控制字 06HEX 0000 HEX-4E20 HEX设定重量。 （0-4000kg,精度 0.2kg） (因为精度是 0.2kg,最大重量是 4000kg,所以可以把最大重量分为 20000 等 分，每等分表示 0.2kg,用 16 进制数表示为 4E20) 当无数据下传时，置为 0FF HEX BCC：块校验，前面所有字节 XOR （2）下位机上传“应答帧” ，格式如下 STXLGE 状态料仓号重量 BCC 毕业设计论文 第四章 仪器的选型以及各模块的细化设计 19 STX：报文开始，02HEX LGE：报文长度，固定位 05HEX 状态：返回状态信息：01HEX小车待命 02HEX小车行进中 03HEX正在加料 04HEX关大阀门信号 05HEX关小阀门信号 06HEX正在排料 07HEX0FF HEX保留 料仓号：当状态为 03HEX 表示所在的下料仓号；当状态为 06HEX 表示所在 的排料仓号； 重量：1 各 WORD：传递重量的实时数据。闲置时为 0FF HEX BCC：块校验，前面所有字节 XOR 波特率的确定：下位机： 波特率=（2SMOD*工作振荡频率）/（32*12*256-TH0） TH0=256-（2SMOD*工作振荡频率）/（384*波特率） 波特率工作振荡频率 SMODTH0 6250012M1253 1920011.0592M1253 960011.0592M0253 480011.0592M0250 240011.0592M0244 120011.0592M0232 本系统选用 9600bps 波特率 通讯周期的确定： 上位机呼叫时发送 6 个字节=66Bit,需发送时间为 66/9600=0.006875s=6.875ms。 启动间隔为 2.3ms。 下位机应答时发送 7 个字节=77Bit,需要发送时间为 77/9600=000802s=8.02ms。应答延时小于 20ms, 大于启动间隔。这儿取 10ms。 整个通讯周期为：2.3ms+6.875ms+10ms+8.02ms=27.195ms。可设置为 100ms。 （通讯模块电路原理图见 附录 图二） 毕业设计论文 第四章 仪器的选型以及各模块的细化设计 20 4.34.3 显示模块显示模块 4.3.14.3.1 显示器的选择显示器的选择 显示模块主要用来实时显示下位机的一些信息，我选用了韩国三星显示器 设备公司生产的一款真空荧光显示器型号为:16L101SS1。主要有以下优点： （1）通过两路时钟串行接口能很简单的连接到主机系统数据总线 （2）使用直流电和直流电转换器,只要+5V 直流电源就可以运行模块 （3）一个芯片控制器提供 64*16 字节积分可编程逻辑阵列 （4）通过亮度控制命令可以选择 32 级亮度 （5）通过简单波长滤波器产生高质量（505nm）蓝绿真空荧光显示器 （6）通过漂亮的 14 节星爆格式显示字符 4.3.24.3.2 显示器系统结构图显示器系统结构图 毕业设计论文 第四章 仪器的选型以及各模块的细化设计 21 （图-4.3.1） 4.3.34.3.3 引脚功能说明引脚功能说明 引脚#信号信号名称描述 1GND GND:地线引脚 2/RST /RST:VFD 模块复位输入引脚（低电平有效） 3DATA DATA:显示或控制代码输入引脚 4N/C N/C:无连接 5SCLK SCLK:移位时钟或移位寄存器（下降沿有效） 6Vcc VCC:电源引脚（必需+5Vdc） 4.3.44.3.4 显示模块的连接显示模块的连接 三星的这块显示器可以显示 16 个字符，并且可以通过串行通讯进行连接。 （显示器详细介绍，翻译资料里有，这里就不多说了）将 SCLK 和 DATA 引脚分 别连接到单片机的 P1.2 和 P1.3 脚。 模块具备控制数据、写入显示数据和复位功能 主机系统输入数据以 8 位串行数据形式通过串行数据输入通道送入模块来显示 MSB 引脚的 8 位串行数据决定输入模块的数据时控制数据还是显示数据 数据设置流程 打开电源 (2)将/RST 信号置零超过 100s 程序 (3)设置计数器 初始化 (4)设置亮度 (5)设置缓冲器指示器 (6)设置显示数据