单片机rs458温度测量

摘要随着社会的进步和工业技术的发展，人们越来越重视温度因素，许多产品对温度范围要求严格，而目前市场上普遍存在的温度检测仪器大都是单点测量，同时还有温度信息传递不及时、精度不够的缺点，不利于工业控制者根据温度变化及时做出决定。在这样的形式下，开发一种能够同时测量多点，并且实时性高、精度高，能够综合处理多点温度信息的测量系统就很有必要。本课题以AT89C51单片机系统为核心，能对多点的温度进行实时巡检。各检测单元（从机）能独立完成各自功能，同时能够根据主控机的指令对温度进行定时采集，测量结果不仅能在本地显示，而且可以利用单片机串行口，通过RS485总线及通信协议将采集的数据传送到主控机，进行进一步的存档、处理。主控机负责控制指令的发送，控制各个从机进行温度采集，收集测量数据，并对测量结果（包括历史数据）进行整理、显示和存储。主控机与各从机之间能够相互联系、相互协调，从而达到系统整体统一、和谐的效果。关键词关键词关键词关键词单片机RS485协议温度测量ABSTRACTASTHEINDUSTRYANDTHESOCIETYDEVELOPING,THETEMPERATUREBECOMESMOREANDMOREIMPORTANTANDALOTOFPRODUCTSARESENSITIVETOTEMPERATUREHOWEVER,TEMPERATUREMEASURINGAPPARATUSINTHEMARKETNOWONLYCANCHECKANDMEASURETHETEMPERATUREOFONEPOINT,ATTHESAMETIME,THETEMPERATUREINFORMATIONISNOTREALTIMEANDTHEPRECISIONISLOWITTAKESAGREATOFTROUBLESFORTHEINDUSTRYCONTROLLERSTOMAKEDECISIONINTHISSITUATION,DESIGNANDIMPLEMENTONEAPPLICABLESYSTEMWHICHCANWATCHMEASUREANDCONTROLTHETEMPERATUREANDTHEMEASURINGRESULTSISREALTIMEANDTHEPRECISIONISGREATISMOREESSENTIALINORDERTOMEETINGTHISAPPLICATION,THISPAPERTALKABOUTTHEMULTIPLEPOINTSTEMPERATUREMEASURINGSYSTEMTHISSYSTEMBASEDONSINGLECHIPCOMPUTER,CANINSPECTANDCONTROLMULTIPLETEMPERATURESINREALTIMETHESLAVEDMACHINECANCOLLECTTEMPERATUREINFORMATIONONITSOWNANDDISPLAYITONTHELEDMODULEFOLLOWINGTHEMASTERMACHINESCOMMAND,THESLAVEDMACHINECANUPSENDTHETEMPERATUREINFORMATIONTOTHEMASTERMACHINETHROUGHTHERS485BUSINTERFACEANDTHECOMMUNICATIONPROTOCOLTHEMASTERMACHINESENDSCOMMANDS,CONTROLSTHESLAVEDCOMPUTERGATHERINGANDUPSENDINGTHETEMPERATUREDATAINCLUDINGHISTORYINFORMATION,ANDITMANAGESPROCESSESANDSTORESTHETEMPERATUREINFORMATIONTHEMASTERANDSLAVEDCOMPUTERWILLEXCHANGEINFORMATIONANDCORRESPONDTOEACHOTHER,SOITWORKSTOGETHERPERFECTLYKEYWORDSSINGLECHIPCOMPUTERRS485PROTOCOLMEASURETEMPERATURE目录摘要1ABSTRACT2第1章绪论611课题背景612系统整体目标713方案比较7131设计方案一7132设计方案二7133设计方案三8第2章硬件设计1021稳压电源的设计10211稳压电源的组成10212电源设计1022温度信号的获取与放大12221温度传感器选用细则12222温度信号获取与放大电路1323模数转换单元1523112位串行A/D转换器MAX18715232模数转换单元电路的设计1624通信模块设计18241RS485接口简介18242电路设计19243通信协议的建立2025键盘模块的设计20251HD7279A的原理20252键盘电路设计2326液晶显示模块的设计23261DM162液晶显示模块23262DM162与MCU接口电路2527单片机控制电路26271单片机概论26272单片机外接电路30第3章软件设计3331程序设计语言与软件开发环境33311程序设计语言的选用33312系统软件开发环境3332软件程序设计34321键盘管理37322用户界面的液晶LCD显示38323模拟量的采集与处理38第4章抗干扰设计与误差分析3941抗干扰设计39411抗干扰技术主要体现39412用于单片机系统的干扰抑制元件40413提高单片机系统抗干扰能力的主要手段4042误差分析41结论43致谢44参考资料45附录146附录253第1章绪论11课题背景在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。无论你生活在哪里，从事什么工作，无时无刻不在与温度打着交道。自18世纪工业革命以来，工业发展对是否能掌握温度有着绝对的联系。在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等等行业，可以说几乎80的工业部门都不得不考虑着温度的因素。温度对于工业如此重要，由此推进了温度传感器的发展。传感器主要大体经过了三个发展阶段模拟集成温度传感器。该传感器是采用硅半导体集成工艺制成，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。此种传感器具有功能单一仅测量温度、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。它是目前在国内外应用最为普遍的一种集成传感器，典型产品有AD590、AD592、TMP17、LM135等；模拟集成温度控制器。模拟集成温度控制器主要包括温控开关、可编程温度控制器，典型产品有LM56、AD22105和MAX6509。某些增强型集成温度控制器例如TC652/653中还包含了A/D转换器以及固化好的程序，这与智能温度传感器有某些相似之处。但它自成系统，工作时并不受微处理器的控制，这是二者的主要区别；智能温度传感器。能温度传感器亦称数字温度传感器是在20世纪90年代中期问世的。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术ATE的结晶。智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器或寄存器和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器CPU、随机存取存储器RAM和只读存储器ROM。智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器MCU；并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平。温度传感器的发展趋势。进入21世纪后，温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。传感器在温度测控系统中的应用。目前市场主要存在单点和多点两种温度测量仪表。对于单点温测仪表，主要采用传统的模拟集成温度传感器，其中又以热电阻、热电偶等传感器的测量精度高，测量范围大，而得到了普遍的应用。此种产品测温范围大都在200800之间，分辨率12位，最小分辨温度在0001001之间。自带LED显示模块，显示4位到16位不等。有的仪表还具有存储功能，可存储几百到几千组数据。该类仪表可很好的满足单个用户单点测量的需要。多点温度测量仪表，相对与单点的测量精度有一定的差距，虽然实现了多路温度的测控，但价格昂贵。针对目前市场的现状，本课题提出了一种可满足要求、可扩展的并且性价比高的单片机多路测温系统。12系统整体目标本系统的实现目标1实时巡检功能本系统能够同时检测4路温度，检测温度范围0400。根据实际需要，检测点数是可以扩展的。2高精度应用12位AD转换芯片，采用过采样和工频周期求均值技术，分辨率达到16位，检测温度变化最小值达到0007。3传输距离远使用RS485串行总线进行传输，MAX485驱动芯片进行电平转换，传送距离大于1200M，抗干扰能力强。4功能完善1由主控机统一设置系统时间和温度修正值。2可由主控机分别设置各从机的温度报警上下限，主机、从机均具有声光报警功能。3具有定时、整点收集各从机数据功能，使用I2C串行E2PROM，可保存各从机以往24小时的数据，具有数据更新与掉电保护功能。4具有数据存储功能，可查询各从机以往24小时的温度情况。从机可显示当前温度、时间、报警阈值等信息。主从机均采用中文点阵式液晶显示器，人机界面友好。5自带5V和12V直流稳压电源。13方案比较温度测量的方案有很多种，可以采用传统的分立式传感器、模拟集成传感器以及新兴的智能型传感器。对于控制系统可以采用计算机、单片机等。131设计方案一采用模拟分立元件，如电容、电感或晶体管等非线形元件，实现多点温度的测量及显示，该方案设计电路简单易懂，操作简单，且价格便宜，但采用分立元件分散性大，不便于集成数字化，而且测量误差大。132设计方案二采用PC机作为主控机，单片机构成信号采集单元。通过温度传感器采集温度信号，经信号放大器放大后，送到A/D转换芯片，经过含有单片机的检测系统的进一步分析处理，通过通信线路将信息上行到PC机，在PC机上我们可对温度信号进行任何分析、处理。图11方案二的框图采用该方案技术已经成熟，而且通过将温度信息上传到PC机，利用PC机强大的数据处理能力和相应的辅助软件，可以多角度、多需求的分析处理温度数据，但这在工业上大多不是必须的。而且目前PC的机价格的原因，制造出这样的系统，不会得到普遍的应用。所以我不准备采用此种方案。133设计方案三本方案以AT89C51单片机系统为核心，对多点的温度进行实时控制巡检。各检测单元（从机）能独立完成各自功能，根据主控机的指令对温度进行实时或定时采集，测量结果不仅能在本地储存、显示，而且可以利用单片机串行口，通过RS485总线及通信协议将将采集的数据传送到主控机，进行进一步的分析、存档、处理。主控机负责控制指令发送，控制各个从机进行温度采集，收集测量数据，并对测量结果（包括历史数据）进行整理、显示和打印。主控机与各从机之间能够相互联系、相互协调，从而达到了系统整体统一和谐的控制效果。图12方案三的系统框图温度测点1温度测点2温度测点3温度测点4从机1从机2从机3从机4主控机89C51键盘LED模块声光报警单片机控制的检测系统温度传感器A/D转换PC机控制的主控制器LCD显示变送器总线多路开关该方案主控机和从机完全由单片机实现，采用该方案完全可满足工业上大部分需求，而且相对与第二种方案价格更加容易让人接受。上图中，从机部分实现的功能几乎和主机是对等的，但会接受主机发送过来的命令的指示。图13从机部分的框图该方案采用热电阻PT100做为温度传感器、AD620作为信号放大器MAX187作为A/D转换部件，对于温度信号的采集具有大范围、高精度的特点。相对与方案1，在功能、性能、可操作性等方面都有较大的提升。相对与方案3，具有更高的性价比，更大的市场。所以我采用方案3完成本设计。温度测传感器ADCMCULED声光报警RS485接口电路第2章硬件设计21稳压电源的设计211稳压电源的组成电源变压器是将交流电网220V的电压变为所需要的电压值。交流电经过二极管整流之后，方向单一了，但是大小（电流强度）还是处在不断地变化之中。这种脉动直流一般是不能直接用来给集成电路供电的，而要通过整流电路将交流电变成脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的直流电压。滤波的任务，就是把整流器输出电压中的波动成分尽可能地减小，改造成接近稳恒的直流电。但这样的电压还随电网电压波动（一般有10左右的波动），负载和温度的变化而变化，因而在整流、滤波电路之后，还需要接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动，负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。电容器是一个储存电能的仓库。在电路中，当有电压加到电容器两端的时候，便对电容器充电，把电能储存在电容器中；当外加电压失去（或降低）之后，电容器将把储存的电能再放出来。充电的时候，电容器两端的电压逐渐升高，直到接近充电电压；放电的时候，电容器两端的电压逐渐降低，直到完全消失。电容器的容量越大，负载电阻值越大，充电和放电所需要的时间越长。这种电容带两端电压不能突变的特性，正好可以用来承担滤波的任务。稳压电源一般由变压器、整流器和稳压器三大部分组成。变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电。整流器把交流电变为直流电。经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。212电源设计工作原理图中为T1电源变压器，它的作用是将交流电网电压V1变为整流电路要求的交流电压TVSIN22，四只整流二极管D1D4接成电桥的形式，故有桥式整流电路之称。先计算文件参数二极管D1、D3和D2、D4两两轮流导通的，所以流经每个二极管的平均电流为ID21IC045LRU2。二极管在截止时管子两端承受的最大反向电压可以从图1中看出。在2V正半周时D1、D3导通，D2、D4截止。此时D2、D2所承受的最大反向电压均为的2V最大值。即RMV22V同理，在2V的负半周，D1、D3也承受到同样大小的反向电压。图2112V电源示意图桥式整流电路的优点是输出电压高，纹波电压较小，管子所承受的最大反向电压较低，同时因为电源变压器在正、负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率较高。因此，这种电路在半导体整流电路中得到了颇为广泛的应用。滤波电路我们采用电容滤波电路。因为本设计为小功率电源,初始时电容器两端初始电压为零，接入交流电源后，当2V为正半周时，通过D1、D3向电容器C充电；当2V为负半周时，通过D2、D4向电容器C充电。充电时间常数为CRCINT。INTR包括变压器副绕组的直流电阻和二极管D的正向电阻。由于INTR一般很少，电容器很快就达到了交流电压的2V的最大值22V。由于电容器无放电回路，故输出电压保持在22V，输出为一个恒定的直流。电容滤波电路的特点1二极管的导电角PI，流过二极管的瞬时电流很大，电流的有效值和平均值的关系与波形有关。在平均值相同的情况下，波形越尖，有效值越大，在纯电阻负载时，变压器副边电流的有效值12111II而有电容滤波时12251II2负载平均电压1V升高，纹波交流成分渐少，且RC越大，电容放电速率越慢，则负载电压中的纹波成分越小，负载平均电压越高。为了得到平滑的负载电压，一般取DRLC35T/2（21）其中T为电源交流电压的周期。3负载直流电压随负载直流电流增加二减少。1V随LI的变化关系称为输出特性或者外特性。C值一定，当RL，即空载时220412VVVL当C0，即无电容时2090VVL4在整流电路的内组不太大几欧和放电时间常数满足式（21）的关系时，电容滤波电路的负载电压1V和2V的关系约为212111VV总之，电容滤波电路简单，负载直流电压VL较高，纹波也较小，它的缺点是输出特性较差，故适用于负载电压较高，负载变动不大的场合。5V电源电路如图所示。图225V电源示意图22温度信号的获取与放大221温度传感器选用细则现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。1根据测量对象与测量环境确定传感器的类型要进行个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。2灵敏度的选择通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽员减少从外界引入的串扰信号3频率响应特性传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有定延迟，希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。4线性范围传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。5稳定性传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。6精度精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。对某些特殊使用场合，无法选到合适的传感器，则需自行设计制造传感器。自制传感器的性能应满足使用要求。222温度信号获取与放大电路本设计要检测温度范围0400，可选用的常用温度传感器有集成温度传感器、热电偶、热电阻等。集成温度传感器（如AD590、DS1820等）使用方便，信号易于调理，但它们的测温范围普遍窄，一般在200以下，不能满足要求。热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一，其优点是测量精度高、测量范围广，常用的热电偶从50至1600均可连续测量。但需采用电路或软件设计等修正方法来补偿冷端温度T00时对测温的影响，使用不便。热电阻也是最常用的一种温度传感器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定，使用方便，测量范围为200600，完全满足要求，考虑到铂电阻的测量精确度是最高的，所以我们最终选择铂电阻PT100作为传感器。热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。所以通常将其放在电桥桥臂上，温度变化时，热电阻两端的电压信号被送到仪器放大器AD620的输入端，经过仪器放大器放大后的电压输出送给A/D转换芯片，从而把热电阻的阻值转换成数字量。电路原理图如图3所示。图23热电阻测温电路原理图对信号放大，我们使用了低价格、高精度的仪器放大器AD620，它运用方便，可以通过外接电阻方便的进行各种增益（11000）的调整。其增益计算公式为RKA4491温度值计算过程由于A/D检测到的模拟电压值ARRRRRRUTT23221计算可到的RT值，然后利用如下公式求出温度值231BTATRRT其中7100968473A，3108475B实际测量中，为提高测量精度，我们分两挡进行测量，当温度处于0210时，继电器J2所在桥臂电阻为R32，继电器J1选择AD620的反馈电阻R5，温度处于195400时，控制继电器J2将电阻R31串接上，并相应控制继电器J1选择R6作为AD620的反馈电阻，在切换桥臂电阻时同步改变放大倍数，从而达到自动改变量程、提高测量精度的目的。23模数转换单元23112位串行A/D转换器MAX187MAX187是美信公司推出的12位A/D转换芯片，内部含有采样/保持电路，单5V操作电源，转换速度为85S，具有片上4096V参考电压，模拟量输入范围为0VBEF。三线串行接口，兼容SPI，QSPI，MICROWIRE总线。1MAX187的引脚功能说明MAX187有8脚DIP封装和16脚SO封装2种，图1给出DIP封装的引脚排列。表1是引脚功能说明。图24MAX187引脚图2MAX187操作时序用采样/保持电路和逐位比较寄存器将输入的模拟信号转换为12位的数字信号，其采样/保持电路不需要外接电容。MAX187有2种操作模式正常模式和休眠模式，将SHDN置为低电平进入休眠模式，这时的电流消耗降到10A以下。SHDN置为高电平或悬空进入正常操作模式。表21MAX187引脚功能表引脚名称功能1VCC5V电源2AIN模拟量输入，范围0VREF3SHDN操作模式选择，低电平休眠模式4REF参考电压5GND地6DOUT数据输出7CS片选端8SCLK时钟，最高为5MHZ完整的操作时序如图2所示。使用内参考时，在电源开启后，经过20MS后参考引脚的47F电容充电完成，可进行正常的转换操作。A/D转换的工作过程是当CS为低电平时，在下降沿MAX187的T/H电路进入保持状态，并开始转换，85S后DOUT输出为高电平作为转换完成标志。这时可在SCLK端输入一串脉冲将结果从DOUT端移出，读入单片机中处理。数据读取完成后将CS置为高电平。要注意的是在CS置为低电平启动A/D转换后，检测到DOUT有效（或者延时85S以上），才能发SCLK移位脉冲读数据，SCLK至少为13个。发完脉冲后应将CS置为高电平。图25MAX187时序图232模数转换单元电路的设计A/D转换的好与坏直接关系到整个系统的精确度。由于本系统测量的是温度信号，响应时间长，滞后大，不要求快速转换，因此选用12位串行ADMAX187。MAX187具有12位的分辨力，其基准电压为4096V，故最小分辨电压为V00102096412能分辨的最小温度变化为CV097600010240012能达到设计的基本要求。为进一步提高精度，可以直接采用16位AD转换器，也可以采用过采样和求均值技术来提高测量分辨率。本系统采用了后一种方法。所谓过采样技术是指以高于奈奎斯特频率的采样频率进行采样，也就是说当ADC以高于系统所需采样频率FS的速率对信号采样时，能增加有效位数。每增加一位分辨率，信号必须被以4倍的速率过采样，即SWOSFF4其中W希望增加的分辨率位数；FS初始采样频率要求；FOS过采样频率。图26模数转换电路假设每秒钟输出一个温度值（1HZ）。为了将测量分辨率增加到16位，按下式计算过采样频率，即HZHZFOS256144因此，如果以FS256HZ的采样频率对温度信号进行采样，则将在所要求的采样周期内采集到足够的样本，对这些样本求均值便可得到16位的输出数据。为此，先累加（将256个连续样本加在一起），然后将总和除以16。这样得到的结果便是16位的有效数据，增加了4位有效数据。用过采样和求均值技术后，新的AD分辨率计算如下最小分辨电压为MV62502096416这样，可以测量的最小温度变化为CV0061000006250240016在采用过采样和求均值技术的情况下，用同一个12位ADC可以测量的最小温度变化为00061，就允许了以高于001的精度对温度进行测量。另外，为了减小工频信号引起的误差，我们设计了在40MS（20MS的两倍）时间内采样，然后再取平均值，将工频信号误差滤除。24通信模块设计241RS485接口简介在自动化领域，随着分布式控制系统的发展，迫切需要一种总线能适合远距离的数字通信。在RS422标准的基础上，EIA研究出了一种支持多节点、远距离和接收高灵敏度的RS485总线标准。RS485标准采有用平衡式发送，差分式接收的数据收发器来驱动总线，具体规格要求如下（1）接收器的输入电阻RIN大于等于12K（2）驱动器能输出7V的共模电压（3）输入端的电容小于等于50PF（4）在节点数为32个，配置了120的终端电阻的情况下，驱动器至少还能输出电压15V（5）接收器的输入灵敏度为200MV因为RS485的远距离、多节点（32个）以及传输线成本低的特性，使得EIARS485成为工业应用中数据传输的首选标准。RS485串行接口的电气标准实际上是RS422的变型，它属于七层OSI（OPENSYSTEMINTERCONNECTION，开放系统互连）模型物理层的协议标准。由于性能优异、结构简单、组网容易，RS485总线标准得到了越来越广泛的应用。其互连方式如图28所示。图27RS485互连方式图RS485采用平衡发送和差分接收方式来实现通信在发送端TXD将串行口的TTL电平信号转换成差分信号A、B两路输出，经传输后在接收端将差分信号还原成TTL电平信号。两条传输线通常使用双绞线，又是差分传输，因此有极强的抗共模干扰的能力，接收灵敏度也相当高。同时，最大传输速率和最大传输距离也大大提高。如果以10KBPS速率传输数据时传输距离可达12M，而用100KBPS时传输距离可达12KM。如果降低波特率，传输距离还可进一步提高。另外RS485实现了多点互连，最多可达32台驱动器和32接收器，非常便于多器件的连接。不仅可以实现半双工通信，而且可以实现全双工通信。242电路设计由于单片机串行口输出的是TTL电平，要想实现多机通讯，必须要将其转换成常用的串行通信总线标准接口电平，如RS232或RS485。其中RS232适于短距离或带调制解调器的通信场合，其逻辑电平与TTL、MOS逻辑电平完全不同，需要用MAX232驱动芯片进行电平转换。其主要缺点是数据传输速率慢、传送距离短（不超过30M），抗干扰能力差，不能满足题目的要求。RS485标准接口为差分驱动结构，它通过传输线驱动器把逻辑电平变换为电位差，完成信号的传递，具有传输速率快、传送距离长（可传1200M）、抗干扰能力强等优点，允许一对双绞线上一个发送器驱动多个负载设备。所以本系统使用RS485总线进行传输，采用MAX485驱动芯片进行电平转换。原理图如下图28从机与MAX485接口电路图图29主机部分与MAX485接口电路图243通信协议的建立作为一种具有分布式控制思想的温度测控系统，本系统首先要解决的是主机与从机之间的数据通讯问题，除了建立硬件电路基础外，还要定义系统的软件通讯协议。协议规定如下（1）主、从双方波特率均设置为9600BPT；（2）主从双方初始状态均设置为串行口中断方式；（3）主机发送的格式为起始符从机地址命令字数据数据/命令字校验地址校验当从机接受到主机发送的命令时，从机先检验是否为自己的地址，如果是则回复主机且执行相应命令，否则不做响应。（4）从机应答的格式为起始符本机地址命令字数据数据/命令字校验地址校验主机接受到从机应答后，知道从机完成响应。则去干其它事情；否则继续发送。发送3次不响应则视为线路故障；（5）从机发送与从机应答基本相同，主机发送与主机应答基本相同。（6）从机不主动发送命令或数据，一切都由主机控制。系统进行温度检测工作的过程是这样的首先，主控机针对需要检测的从机发出巡检指令，通过串口送出，经接口电路加载至通讯长线电缆端口，成功确认应答信号后转为数据接收状态；各从单片机同时接收到经通讯接口输入的巡检指令，并与自身地址编码比较，若编码一致则产生应答信号，然后将采集到的数据发送回主机，发送完毕在切换至采集信号并等待响应接收中断状态；主机将接收到的全部数据经校验判断无误后，送数据处理机构计算、显示，如数据传输有误，则指令从机重发数据。25键盘模块的设计251HD7279A的原理1主要特性HD7279A是比高公司生产的单片具有串行接口、可同时驱动8位共阴式数码管（或64只独立LED）的智能显示驱动芯片，该芯片同时可连接多达64键的键盘矩阵，一片即可完成LED显示及键盘接口的全部功能。HD7279A和微处理器之间采用串行接口，其接口和外围电路比较简单，且占用接口线少，加之它具有较高的性能价格比，因此，在微型控制器、智能仪表、控制面板和家用电器等领域获得了日益广泛的应用。HD7279A的主要特点如下（1）带有串行接口，无需外围元件便可直接驱动LED；（2）各位可独立控制译码/不译码、消隐和闪烁等属性；（3）具有（循环）左移/（循环）右移指令；（4）具有段寻址指令，可方便地用来控制独立的LED显示管；（5）64键键盘控制器内含去抖动电路。2引脚说明HD7279A一共有28个引脚，各引脚的主要功能如下RESET复位端。当该端由低电平变成高电平，并保持25MS后，复位过程结束。通常，该端接5V电源；DIG0DIG78个LED管的位驱动输出端；SASGLED数码管的A段G段的输出端；DP小数点的驱动输出端；RC外接振荡元件连接端，其中电阻的典型值为15电容的典型值为15PF。3控制指令和接口时序HD7279A的控制指令分为纯指令和带有数据的指令两大类，以下分别给予介绍。1纯指令HD7279A控制指令中的纯指令有复位（清除）指令A4H、左移指令A1H和右移指令A0H。其中，复位（清除）指令A4H用于清除所有的显示，同时清除所有设置的字符消隐和闪烁等属性。执行该指令后，芯片所处的状态与系统上电后所处的状态一样。左移指令A1H可使所有的显示自右向左（从第1位向第8位）移动一位（包括处于消隐状态的显示位），但对各位所设置的消隐及闪烁属性不起作用。右移指令A0H与左移指令类似，但所做移动为自左向右（从第8位向第1位）移动，移动后，最左边一位为空。2带有数据的指令带有数据的指令包括以下5种D7D6D5D4D3D2D1D010000A2A1A0D7D6D5D4D3D2D1D0DPXXXD3D2D1D0（1）下载数据且按方式0译码这种指令的格式为该命令由二字节组成，前半部分为指令，其中A2A0为位地址，D0D3为数据，收到此指令时，HD7279A将按照以下规则（译码方式0）进行译码。即0000显示0；1001显示91010显示；1111显示空白（2）下载数据且按方式1译码此指令与上一条指令基本相同，所不同的只是译码方式。该指令的译码方式为D0D3的值对应于09和AF。格式如下（3）下载数据但不译码该指令的格式如下D7D6D5D4D3D2D1D010010A2A1A0D7D6D5D4D3D2D1D0DPABCDEFG在该指令格式中，A2，A1，A0为位地址，AG和DP为显示数据分别对应7段LED数码管的各段。当相应的数据位为1时，该段点亮，否则，该段不亮。实际上，此指令是比较灵活的，设计时可以通过造字形表来显示用户所需的字符。（4）闪烁控制88H此命令用于控制各个数码管的闪烁属性，D1D8分别对应数码管18。在相应的各位中0表示闪烁，1表示不闪烁。开机后的缺省状态为各位均不闪烁。具体指令格式如下D7D6D5D4D3D2D1D010001000D7D6D5D4D3D2D1D0D8D7D6D5D4D3D2D1（5）读键盘数据指令15H该指令的格式如下D7D6D5D4D3D2D1D000010101D7D6D5D4D3D2D1D0D7D6D5D4D3D2D1D0该指令主要用于从HD7279A读出当前的按键代码。与其它指令不同的是，此命令的前一个字节00010101B为微控制器传送到HD7279A的指令，而后一个字节D0D7才是HD7279A返回的按键代码，该代码的具体范围是03FH（当无键按下时，为0XFF）。D7D6D5D4D3D2D1D011001A2A1A0D7D6D5D4D3D2D1D0DPXXXD3D2D1D0当HD7279A检测到有效按键时，KEY引脚从高电平变为低电平，并一直保持到按键结束。在此期间，如果HD7279A接收到“读键盘数据指令”，则输出当前按键的键盘代码；而如果在接收到“读键盘指令”时没有有效按键被按下时，HD7279A则输出FFH（11111111B）。3串行接口时序综上所述在HD7279A的指令结构类型中不带数据的纯指令的指令宽度为8BIT，即微处理器需发送8个CLK脉冲。而带有数据的指令宽度为16BIT，即微处理器需发送16个CLK脉冲。但其中的读取键盘数据指令,宽度也16BIT,前8个BIT为微处理器发送到HD7279A的指令，后8个BIT为HD7279A返回的键盘代码。执行此指令时，HD7279A的DATA端在第9个CLK脉冲的上升沿变为输出状态，并于第16个脉冲的下降沿恢复为输入状态，以等待接收下一个指令。252键盘电路设计在本设计中，由于采用LED模块进行温度数据的显示，所以并不会连接数码管。由此电路显得非常简单，为了增加HD7279A的驱动能力，在SASD管脚上增加了4个100K的下拉电阻。为了调节通过键盘的电流植，使得HD7279A读出的键值更加准确增加了4只10K和4只200的电阻。图210键盘电路原理图HD7279A与微处理器接口非常简单，仅需4条接口线，其中CS为片选信号（低电平有效）。DATA为串行数据端，当向HD7279A发送数据时，DATA为输入端；当HD7279A输出键盘代码时，DATA为输出端。CLK为数据串行传送的同步时钟输入端，时钟的上升沿表示数据有效。KEY为按键信号输出端，该端在无键按下时为高电平；而在有键按下时变为低电平，并一直保持到按键释放为止。26液晶显示模块的设计261DM162液晶显示模块该模块是一种用5X7点阵图形来显示字符的液晶显示器，根据显示的容量可以分2行16个字。该模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等。和其他模块相比，该模块功耗低、体积小、重量轻、寿命长，并且不需要CCFL背光逆变器和DCDC显示驱动电源，与MCU接口简单等特点。1引脚说明1602采用标准的14脚接口，其中第1脚VSS为地电源第2脚VDD接5V正电源第3脚V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度第4脚RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。第6脚E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚D0D7为8位双向数据线。2指令说明1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如表1所示，它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（注1为高电平、0为低电平）11指令1清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置指令2光标复位，光标返回到地址00H指令3光标和显示模式设置I/D光标移动方向，高电平右移，低电平左移S屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效指令4显示开关控制。D控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示C控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标B控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁指令5光标或显示移位S/C高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标指令6功能设置命令DL高电平时为4位总线，低电平时为8位总线N低电平时为单行显示，高电平时双行显示F低电平时显示5X7的点阵字符，高电平时显示5X10的点阵字符指令7字符发生器RAM地址设置指令8DDRAM地址设置指令9读忙信号和光标地址BF为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。指令10写数据指令11读数据表22DM162液晶模块指令表262DM162与MCU接口电路DM162液晶模块与MCU接口非常简单，不需要CCFL背光逆变器和DCDC显示驱动电源。典型接口电路如图图211DM162与MCU接口电路图指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D0清显示0000000001光标返回000000001置输入模式00000001I/DS显示开/关控制0000001DCB光标或字符移位000001S/CR/L置功能00001DLNF置字符发生存储器地址0001字符发生存储器地址（AGG）置数据存储器地址001显示数据存储器地址（ADD）读忙标志或地址01BF计数器地址（AC）写数据到CGROM10要写的数从CGROM读数11要读的数27单片机控制电路271单片机概论18051系列单片机的特点单片机（MICROCONTROLLER，有称微处理器）是在一块硅片上集成了各种部件的微型机，这些部件包括中央处理器CPU、数据存储器RAM、程序存储器ROM、定时器/计数器和多种I/O接口电路。8051单片机的基本结构见图31。图212MCS51单片机的基本结构8051时MCS51系列单片机的一个产品。MCS51系列单片机是INTEL公司推出的通用型单片机，其结构特点如下（1）8位CPU；（2）片内震荡及时钟电路；（3）32根I/O线；（4）外部存储器寻址范围ROM、RAM各64K；（5）2个16位的定时器/计数器；（6）5个中断源，2个中断优先级；（7）全双工串行接口。8051单片机系列指的是MCS51系列和其他公司的8051衍生产品。这些衍生品是在基本型基础上增强了各种功能的产品，如高级语言型、FLASH型、EEPROM型、A/D型、DMA型、多并行口型等，这些产品给8位单片机注入了新的活力，给它的开发应用开拓了更广泛的前景。28051系列单片机的内部结构8051系列的内部结构可以划分为CPU、存储器、并行口、串行口、定时器/计数器、中断逻辑几部分。（1）中央处理器8051的中央处理器由运算器和控制逻辑构成，其中包括若干特殊功能寄存器（SFR）。算术逻辑单元ALU能对数据进行加、减、乘、除等算术运算；“与”、“或”、“异或”等逻辑运算以及位操作运算。ALU只能进行运算，运算的操作数可以事先存放到累加器ACC或寄存器TMP中，运算结果可以送回ACC或通用寄存器或存储单元中，累加器ACC也可以写为A。B寄存器在乘法指令中用来存放一个乘数，在除法指令中用来存放除数，运算后B中为部分运算结果。程序状态字PSW是个8位寄存器，用来寄存本次运算的特征信息，用到其中七位。PSW的格式如下所示，其各位的含义是CY进位标志。有进位/错位时CY1，否则CY0。AC半进位标志。当D3位向D4位产生进位/错位时，AC1，否则AC0，常用于十进制调整运算中。F0用户可设定的标志位，可置位/复位，也可供测试。RS1、RS0四个通用寄存器组选择位，该两位的四种组合状态用来选择03寄存器组。见表31。OV溢出标志。当带符号数运算结果超出128127范围时OV1，否则OV0。当无符号数乘法结果超过255时，或当无符号数除法的除数为0时OV1，否则OV0。P奇偶校验标志。每条指令执行完，若A中1的个数为奇数时P1，否则P0，即偶校验方式。控制逻辑主要包括定时和控制逻辑、指令寄存器、译码器以及地址指针DPTR和程序寄存器PC等。表31RS1、RS0与工作寄存器组的关系RS1RS0工作寄存器组000组（0007H）011组（080FH）102组（1017H）113组（181FH）单片机时程序控制式计算机，即它的运行过程是在程序控制下逐条执行程序指令的过程从程序存储器中取出指令送指令存储器IR，然后指令译码器ID进行译码，译码产生一系列符合定时要求的微操作信号，用以控制单片机的各部分动作。8051的控制器在单片机内部协调各功能部件之间的数据传送、数据运算等操作，并对单片机发出若干控制信息。这些控制信息的使用专门的控制线，诸如PSEN、ALE、EA以及RST，也有一些是和P3口的某些端子合用，如WR和RD就是P36和P37，他们的具体功能在介绍8051引脚是一起叙述。（2）存储器组织8051单片机的存储器结构特点之一是将程序存储器和数据存储器分开，并有各自的寻址机构和寻址方式，这种结构称为哈佛结构单片机。这种结构与通用微机的存储器结构不同，一般微机只有一个存储器逻辑空间，可随意安排ROM或RAM，访存时用同一种指令，这种结构称为普林斯顿型。8051单片机在物理上有四个存储空间片内程序存储器和片外程序存储器、片内数据存储器和片外数据存储器。8051片内有256K数据存储器RAM和4KB的程序存储器ROM。除此之外，还可以在片外扩展RAM和ROM，并且各有64KB的寻址范围。也就是最多可以在外部扩展264KB存储器。8051的存储器组织结构如图33所示。图2138051存储器组织结构64K字节的程序存储器（ROM）空间中，有4K字节地址区对于片内ROM和片外ROM是公用的，这4K字节地址是0000HFFFH。而1000HFFFFH地址区为外部ROM专用。CPU的控制器专门提供一个控制信号EA用来区分内部ROM和外部ROM的公用地址区当EA接高电平时，单片机从片内ROM的4K字节存储器区取指令，而当指令地址超过0FFFH后，就自动的转向片外ROM取指令。当EA接低电平时，CPU只从片外ROM取指令。表328051特殊功能寄存器一览表符号地址注解ACCE0H累加器BF0H乘法寄存器PSWD0H程序状态字SP81H堆栈指针DPL82H数据存储器指针（低8位）DPH83H数据存储器指针（高8位）IEA8H中断允许控制器IPD8H中断优先控制器P080H通道0P190H通道1P2A0H通道2P3B0H通道3PCON87H电源控制及波特率选择SCON98H串行口控制器SBUF99H串行数据缓冲器TCON88H定时器控制TMOD89H定时器方式选择TL08AH定时器0低8位TL18BH定时器1低8位TH08CH定时器0高8位TH18DH定时器1高8位程序存储器的某些单元是保留给系统使用的0000H0002H单元是所有执行程序的入口地址，复位以后，CPU总是丛0000H单元开始执行程序。0003H002AH单元均匀地分为五段，用做五个中断服务程序的入口。用户程序不应进入上述区域。数据存储器RAM也有64KB寻址区，在地址上是和ROM重叠的。8051通过不同的信号来选通ROM或RAM当从外部ROM取指令时用选通信号PSEN，而从外部RAM读写数据时采用读写信号RD或WR来选通。因此不会