基于单片机控制的多路温度检测系统设计论文.doc

i 摘要摘要 多路温度检测系统以8051单片机系统为核心，能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rs-485总线及通信协议将采集的数据传送到主控机，进行进一步的分析， 存档，处理和研究。 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。 系统检测温度范围为 0-400，检测分辨率0.1，使用 rs-485 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，各检测器单元可显示检测的温度，设计并制造了各检测器及主控器所用的直 流稳压电源。由单相 220v 交流电压供电。 关键词：关键词：pt100,多机远程通信，8051 单片机，仪器放大器 620，模数转换器， ii abstract the multichannel temperature examination system take 8,051 microcomputer systems as a core.it can inspect and controll the temperature of many spots. each examination unit (the litter machine) can complete respective function independently. it can collect the temperature in a time according to the instruction of the major controlling machine. the measurement result can be stored and demonstrated in local place. moreover,it can use the mouth of the microcomputer to transfer the data gathered to the major controlling machine through the rs-485 main line and the correspondence agreement .then we can have the further analysis and the archive and processing and the research. the major controlling machine is responsible for transmissing the command, controlling the temperature gathering of the other machines.it can collect the surveying data.it can also reorganize and demonstration and then print the measurement result(including historical data).the major controlling machine can relate with other machine and coordinate with other machine. thus it has achieved the harmonious effect of the whole system。 this system has realized: 1 the temperature of the examination range from 0 to 400 . 2 examination resolution 0.1 . 3 using the rs-485 serial main line to transfer.the max485 make chip transform and the transmission distance is longger than 1200m, the antijamming ability is strong.4 each detecting unit can demonstrate the temperature of the examination. 5 design and make the detectors and the current direct voltage-stabilized source that the major controlling machine uses。it comes from the single alternating voltage power of 220v keywords：pt100, microcomupter8051, ad620,max187 iii 目目 录录 摘要.i abstract.ii 目 录 iii 1 绪言 1.1 课题背景. 1.2 选题意义 2 系统设计方案的研究 2.1 系统的性能要求 . 2.2 方案的分析比较 . 2.2.1 测量部分 2.2.2多机远程通信部分. 3 系统的设计 3.1 框图. 3.1.1 总体框图 3.1.2 从机系统框图 . 3.2 从机部分. 3.2.1 温度信号的获取与放大 . 3.3.2 模数转换单元 . 3.3.3 信号处理和显示单元 . 3.3.4 声光报警部分 . 3.4 通讯部分 . 3.4.1 电路设计 3.4.2 多机系统 3.4.3 主从式多机系统设计要点 . 3.4.4 rs485 方式构成的多机通信原理 . 3.5 主控机部分 . 3.5.1 电路设计 3.5.2 所用器件介绍 3.6 电源部分. 3.7 软件流程图 . 4 结论 . 5 总结与展望 . iv 致谢 参考文献 附录 1.1 程序 1 1 绪言绪言 本文阐述了多点温度检测系统的研究背景，介绍了多点温度检测系统的实现 及所能达到的功能，明确指出了多点温度检测系统所面临的问题。 1.11.1 课题背景课题背景 温度的精确测量是工业生产领域中的一个经典课题，在温度检测系统中，特 别是智能仪表中，测量变换电路起着非常重要的作用。 设计测量变换电路时，我们是从分析传感器性能入手，通过适当的补偿,综 合出一个较满足期望指标的测量变换电路来。 目前，广泛使用的温度传感器有 4 类：热电阻，热电偶，热敏电阻及集成电 路温度传感器。本文介绍的检测系统，采用的是热电阻元件测温。热电阻具有精 度高，性能稳定，互换性好，耐腐蚀及使用方便等一系列优点，一直是工业测控 系统中广泛使用的一种比较理想的测温元件，缺点是不能在高温环境中使用1。 使用热电阻时，必须把它放在测温现场，因此从测温点到测量变换电路之间 引线较长，即使不计热噪电阻，导线自身电阻 r 也相当可观(50100m 时 r410)。与热电阻变化率相比，显然，连线电阻对测量精度影响很大。当 采用模拟开关作多点间的切换测温时，由于模拟开关导通电阻有几十欧姆几百 欧姆，并且通道间导通电阻相互差有几欧姆几十欧姆，这也给测量电路引入不 可忽视的测量误差，热电阻数学模型中的二次非线性项对测量精度的影响更是不 言而喻2。 因此，只有消除上述误差，或是控制在期望指标的允许误差内才能设计出一 个比较完好实用的多点温度检测系统。 1.2 选题意义选题意义 随着现代信息技术的飞速发展和传统工业改造的逐步实现，温度检测和显示 系统已经应用于诸多领域。传统的温度检测以热敏电阻为温度敏感元件，热敏电 阻成本低，但需要后续信号处理电路，而且热敏电阻的可靠性相对较差，测量温 度的准确度低，检测系统的精度差。 系统采用是热电阻元件测温，热电阻具有精度高，性能稳定，互换性好，耐 腐蚀及使用方便等一系列优点，一直是工业测控系统中广泛使用的一种比较理想 的测温元件。能对多点的温度进行实时控制巡检，各检测单元能独立完成各自功 能，根据主控机的指令对温度进行实时或定时采集。能广泛用也各种工业领域， 如：自行车烤漆，粮食的储存等，所以具有实用的现实意义。 2 2 系统设计方案的研究系统设计方案的研究 2.12.1 系统的性能要求系统的性能要求 设计一个多路温度监测系统，要求检测范围为：0-400，检测分辨率为： 0.1,各检测器与主控器之间的距离100 米,各显示器单元可显示检测的温度 值，设计并制作个检测器以及主控器所用的直流稳压电源，由单相 220v 交流电 压供电。经过改进的系统具有较好的快速型与较小的超调，以及数码管显示及测 量精度提高等。 2.22.2 方案的分析比较方案的分析比较 2.2.12.2.1 测量部分测量部分 方案一 采用热敏电阻，可满足 4090的测量范围，但热敏电阻精度，重 复性，可靠性都比较差,对于检测小于 1的温度信号是不适用的。 方案二 采用温度传感器 ad590。它具有较高的精度和重复性，相比于热敏电 阻精度有所提高，但非线性误差为0.3，且检测温度范围为：-55+155，不 满足题目要求。 方案三 采用 pt100。它的国际测温标准为：-40+450，可选环境温度为： -4070，精度为：0.1，完全符合要求。且安装尺寸小，可直接安装在印 刷电路板上，可焊 sip 封装3。 方案四 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。 综上比较分析，选择方案三，以便于更好的提高测量精度。 2 2. .2 2. .2 2多机远程通信部分多机远程通信部分 方案一 一般微机提供的标准接口为 rs232，它的接口是一种用于近距离(最 大 3060 米)、慢速度、点对点通讯的通讯协议，在 rs232 中一个信号只用到一 条信号线，采取与地电压参考的方式，因而在长距离传输后，发送端和接收端地 电压有出入，容易造成通讯出错或速度降低。 方案二 rs485 接口采用不同的方式：每个信号都采用双绞线(两根信号线)传 送，两条线间的电压差用于表示数字信号。例如把双绞线中的一根标为 a(正)， 另一根标为 b(负)，当 a 为正电压(通常为+5v)，b 为负电压时(通常为 0)，表示 信号“1” ；反之，a 为负电压，b 为正电压时表示信号“0” 。rs485/422 允许通 讯距离可达到 1200 米，采用合适的电路可达到 2.5mb/s 的传输速率4。 综上比较分析，方案二具有更高的精度和测量距离远的优势，选择方案二。 3 3 系统的设计系统的设计 3.13.1 框图框图 3.1.13.1.1 总体框图总体框图 图 3.1 系统框图 图 3.1 为多点温度检测系统的整体框图，主要由主机和从机两部分构成，主 机和从机由 rs-485 总线连接，主机外接键盘，显示器，打印机和声光报警装置。 3.1.23.1.2 从机系统框图从机系统框图 图 3.2 从机系统框图 图 3.2 是从机系统框图，温度检测点将采集到的电压信号送到传感器，经放 大后送入 a/d 转换芯片转化为数字量，然后送入单片机。 3.23.2 从机部分从机部分 3.2.13.2.1 温度信号的获取与放大温度信号的获取与放大 (1) 电路的设计 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 3.3 所示。 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（1-1000）的调整。其增益计算公式为： r k a 4 . 49 1 图 3.3 热电阻测温电路原理图 （2）温度值计算过程： 由于 a/d 检测到的模拟电压值,计算可到的 rta rr r rr r u t t 2)( 32 2 1 值，然后利用如下公式求出温度值： 2 3 1btat r rt 其中， 5 7 10096847 . 3 a 3 10847 . 5 b 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，继电器 j1 选择 ad620 的反馈电 23 r 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做为 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6，提高测量精度的目的。 （3） 所用器件的介绍 pt100: pt100 的国际测温标准为：-40+450，可选环境温度为：-4070， 精度为：0.1，完全符合要求。且安装尺寸小，可直接安装在印刷电路板上， 可焊 sip 封装。 3.3.23.3.2 模数转换单元模数转换单元 (1) 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，题目要求分辨率达到0.1， 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admax186。max186是美国maxim公司设计的12位串行a/d 转换器，其内部集成了大带宽跟踪/保持电路和串行接口，转换速率高且功耗低， 特别适合对体积，功耗和精度有较高要求的便携式智能化仪器仪表产品。 max186 具有 12 位的分辨力，其基准电压为 4.096v，故最小分辨电压为 ，能分辨的最小温度变化为，能达到题目v001 . 0 2 096 . 4 12 cv0976 . 0 001 . 0 2 400 12 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7。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 s w os ff 4 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 3.4 模数转换电路原理图 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： hzhzfos256)( 144 因此，如果以 fs=256hz 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=mv625 . 0 2 096 . 4 16 这样，可以测量的最小温度变化为，在采用过cv0061 . 0 0000625 . 0 2 400 16 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 0.0061，就允许了以高于 8的精度对温度进行测量。 c 100 1 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。 （2） 所用器件的介绍 max186：max186 是美信公司推出的 12 位 ad 转换芯片，内部含有采样 保持电路，单 5 v 操作电源，转换速度为 85s，具有片上 4096 v 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， 设计精巧，工作速度快。小巧的封装体积适合在传感器中使用。 max186 有 8 个引脚，引脚 1：+5v 电源。引脚 2：模拟量输入，范围 0vbef 。引脚 3：操作模式选择，低电平为休眠模式。正常操作模式为高电平或 悬空。高电平时使用内部参考，悬空时禁止内部参考。引脚 4：参考电压，内部 参考为 4.096v，使用内部参考时此引脚对地接一个 4.7f，电容，使用外部参考 时，接 2.5vvdd 的基准电压。引脚 5：接地。引脚 6：数据输出。引脚 7：片 选。引脚 8：时钟，最高为 5mhz. max186 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。max186 有 2 种操作模式：正常 模式和休眠模式，将置为低电平进入休眠模式，这时的电流消耗降到 10a 以下。置为高电平或悬空进入正常操作模式。 使用内参考时，在电源开启后，经过 20 ms 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：当为低电平时，在下 降沿 max186 的 th 电路进入保持状态，并开始转换，8.5s 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。数据读取完成后将置为高电平。要注意的是：在置为 低电平启动 a/d 转换后，检测到 dout 有效（或者延时 8.5s 以上），才能发 sclk 移位脉冲读数据，sclk 至少为 13 个9。发完脉冲后应将置为高电平。 3.3.3 信号处理和显示单元信号处理和显示单元 （1） 电路的设计 图 3.5 从机单片机部分原理图 信号处理及显示单元采用 8051 单片机作为信息处理单元，它是从机的核心 器件，对传感器采集来的数字信号进行处理，转换成相应的温度信号，送液晶进 行显示。而且从机能够通过通讯电路将测量数据上传，接收主机数据（包括系统 时间信息、修正值和报警上下限）进行自身信息设置。 （2） 器件的介绍 mcs-51：mcs-51 单片机是美国 inte 公司于 1980 年推出的产品，与 mcs- 48 单片机相比，它的结构更先进，功能更强，在原来的基础上增加了更多的电路 单元和指令,指令数达 111 条，mcs-51 单片机可以算是相当成功的产品10，一直 到现在，mcs-51 系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品。 mcs-51 系列单片机主要包括 8031、8051 和 8751 等通用产品，其主要功能 如下： 8 位 cpu 4kbytes 程序存储器(rom) 128bytes 的数据存储器(ram) 32 条 i/o 口线 111 条指令，大部分为单字节指令 21 个专用寄存器 2 个可编程定时/计数器 5 个中断源，2 个优先级 一个全双工串行通信口 外部数据存储器寻址空间为 64kb 外部程序存储器寻址空间为 64kb 逻辑操作位寻址功能 双列直插 40pindip 封装11 单一+5v 电源供电 mcs-51 以其典型的结构和完善的总线专用寄存器的集中管理，众多的逻辑 位操作功能及面向控制的丰富的指令系统，堪称为一代“名机”，为以后的其它单 片机的发展奠定了基础。正因为其优越的性能和完善的结构，导致后来的许多厂 商多沿用或参考了其体系结构，有许多世界大的电气商丰富和发展了 mcs-51 单 片机，象 philips，dallas，atmel 等著名的半导体公司都推出了兼容 mcs-51 的单片机产品，就连我国的台湾 winbond 公司也发展了兼容 c51(人们习惯将 mcs-51 简称 c51,如果没有特别声明，二者同指 mcs-51 系列单片机)的单片品种。 近年来 c51 获得了飞速的发展，c51 的发源公司 intel 由于忙于开发 pc 及高端 微处理器而无精力继续发展自己的单片机，而由其它厂商将其发展，最典型的是 philips 和 atml 公司，philips 公司主要是改善其性能，在原来的基础上发展 了高速 i/o 口，a/d 转换器，pwm(脉宽调制)，wdt 等增强功能，并在低电压 微功耗，扩展串行总线(i2c)和控制网络总线(can)等功能加以完善12。 a 输入输出口 8051 有 4 组 8 位 i/o 口：p0、p1、p2 和 p3 口，p1、p2 和 p3 为准双向口， p0 口则为双向三态输入输出口，下面我们分别介绍这几个口线： p0 口和 p2 口： 电路中包含一个数据输出锁存器和两个三态数据输入缓冲器，另外还有一个 数据输出的驱动和控制电路。这两组口线用来作为 cpu 与外部数据存储器、外 部程序存储器和 i/o 扩展口，而不能象 p1、p3 直接用作输出口。它们一起可以 作为外部地址总线，p0 口身兼两职，既可作为地址总线，也可作为数据总线。 p2 口作为外部数据存储器或程序存储器的地址总线的高 8 位输出口 ab8- ab15，p0 口由 ale 选通作为地址总线的低 8 位输出口 ab0-ab7。外部的程序 存储器由 psen 信号选通，数据存储器则由 wr 和 rd 读写信号选通，因为 216=64k，所以 8051 最大可外接 64kb 的程序存储器和数据存储器。 p1 口： p1 口为 8 位准双向口，每一位均可单独定义为输入或输出口，当作为输入 口时，1 写入锁存器，q(非)=0，t2 截止，内上拉电阻将电位拉至“1“，此时该口 输出为 1，当 0 写入锁存器，q(非)=1,t2 导通，输出则为 0。作为输入口时，锁 存器置 1，q(非)=0，t2 截止，此时该位既可以把外部电路拉成低电平，也可由 内部上拉电阻拉成高电平，正因为这个原因，所以 p1 口常称为准双向口。需要 说明的是，作为输入口使用时，有两种情况，其一是：首先是读锁存器的内容， 进行处理后再写到锁存器中，这种操作即读修改写操作，象 jbc(逻辑判断)、 cpl(取反)、inc(递增)、dec(递减)、anl(与逻辑)和 orl(逻辑或)指令均属于这 类操作。其二是：读 p1 口线状态时，打开三态门 g2,将外部状态读入 cpu。 b mcs-51的串行通信口 mcs-51 单片机内部有一个全双工的串行通信口，即串行接收和发送缓冲器 （sbuf） ，这两个在物理上独立的接收发送器，既可以接收数据也可以发送数据。 但接收缓冲器只能读出不能写入，而发送缓冲器则只能写入不能读出，它们的地 址为 99h。这个通信口既可以用于网络通信，亦可实现串行异步通信，还可以构 成同步移位寄存器使用。如果在传行口的输入输出引脚上加上电平转换器，就可 方便地构成标准的 rs-232 接口13。下面我们分别介绍。 基本概念 数据通信的传输方式有单工，半双工，全双工和多工方式。 单工方式：数据仅按一个固定方向传送。因而这种传输方式的用途有限，常 用于串行口的打印数据传输与简单系统间的数据采集。 半双工方式：数据可实现双向传送，但不能同时进行，实际的应用采用某种 协议实现收/发开关转换。 全双工方式：允许双方同时进行数据双向传送,但一般全双工传输方式的线路 和设备较复杂。 多工方式：以上三种传输方式都是用同一线路传输一种频率信号，为了充分 地利用线路资源，可通过使用多路复用器或多路集线器，采用频分，时分或码分 复用技术，即可实现在同一线路上资源共享功能，我们盛之为多工传输方式。 串行数据通信两种形式。 异步通信 在这种通信方式中，接收器和发送器有各自的时钟，它们的工作是非同步的， 异步通信用一帧来表示一个字符，其内容如下：一个起始位，仅接着是若干个数 据位。 同步通信 同步通信格式中，发送器和接收器由同一个时钟源控制，为了克服在异步通 信中，每传输一帧字符都必须加上起始位和停止位，占用了传输时间，在要求传 送数据量较大的场合，速度就慢得多。同步传输方式去掉了这些起始位和停止位， 只在传输数据块时先送出一个同步头（字符）标志即可14。 同步传输方式比异 步传输方式速度快，这是它的优势。但同步传输方式也有其缺点，即它必须要用 一个时钟来协调收发器的工作，所以它的设备也较复杂。 串行数据通信的传输速率。 串行数据传输速率有两个概念，即每秒转送的位数 bps（bit per second）和 每秒符号数波特率（band rate） ，在具有调制解调器的通信中，波特率与调制 速率有关。 mcs-51 的串行口和控制寄存器 串行口控制寄存器 mcs-51 单片机串行口寄存器结构如图 3.6 所示。sbuf 为串行口的收发缓冲 器，它是一个可寻址的专用寄存器，其中包含了接收器和发送器寄存器，可以实 现全双工通信。但这两个寄存器具有同一地址（99h） 。mcs-51 的串行数据传输 很简单，只要向发送缓冲器写入数据即可发送数据。而从接收缓冲器读出数据即 可接收数据15。此外，接收缓冲器前还加上一级输入移位寄存器，mcs-51 这种 结构目的在于接收数据时避免发生数据帧重叠现象，以免出错，部分文献称这种 结构为双缓冲器结构。而发送数据时就不需要这样设置，因为发送时，cpu 是主 动的，不可能出现这种现象。 图 3.6 mcs-51 串行口寄存器结构 串行通信控制寄存器 scon 控制寄存器是一个可寻址的专用寄存器，用于串行数据的通信控制， 单元地址是 98h，其结构格式如表 3.1： 表 3.1 scon 寄存器结构 d7d6d5d4d3d2d1d0 scon sm0sm1sm2rentb8rb8tiri 位地址9fh9eh8dh9ch9bh9ah99h98h 下面我们对各控制位功能介绍如下： a sm0、sm1：串行口工作方式控制位。 sm0，sm1 工作方式 00方式 0 01方式 1 10方式 2 11 方式 3 b sm2：多机通信控制位。 多机通信是工作于方式 2 和方式 3，sm2 位主要用于方式 2 和方式 3。接收 状态，当串行口工作于方式 2 或 3，以及 sm2=1 时，只有当接收到第 9 位数据 （rb8）为 1 时，才把接收到的前 8 位数据送入 sbuf，且置位 ri 发出中断申请， 否则会将接受到的数据放弃16。当 sm2=0 时，就不管第位数据是 0 还是 1，都 难得数据送入 sbuf，并发出中断申请。工作于方式 0 时，sm2 必须为 0。 c ren：允许接收位。 ren 用于控制数据接收的允许和禁止，ren=1 时，允许接收，ren=0 时， 禁止接收。 d tb8：发送接收数据位 8。 在方式 2 和方式 3 中，tb8 是要发送的即第 9 位数据位。在多机通信中 同样亦要传输这一位，并且它代表传输的地址还是数据，tb8=0 为数据，tb8=1 时为地址。 e rb8：接收数据位 8。 在方式 2 和方式 3 中，rb8 存放接收到的第 9 位数据，用以识别接收到的数 据特征。 f ti：发送中断标志位。 可寻址标志位。方式 0 时，发送完第 8 位数据后，由硬件置位，其它方式下， 在发送或停止位之前由硬件置位，因此，ti=1 表示帧发送结束，ti 可由软件清 “0”。 g ri：接收中断标志位。 可寻址标志位。接收完第 8 位数据后，该位由硬件置位，在其他工作方式下， 该位由硬件置位，ri=1 表示帧接收完成。 电源管理寄存器 pcon pcon 主要是为 chmos 型单片机的电源控制而设置的专用寄存器，单元地址是 87h，其结构格式如表 3.2： 表 3.2 pcon 电源管理寄存器结构 pcond7d6d5d4d3d2d1d0 位符号smod-gf1gf0pdidl 在 chmos 型单片机中，除 smod 位外，其他位均为虚设的，smod 是串 行口波特率倍增位，当 smod=1 时，串行口波特率加倍。系统复位默认为 smod=0。 中断允许寄存器 ie17。 es 为串行中断允许控制位，es=1 允许串行中断，es=0，禁止串行中断。 表 3.3 ie 中断允许控制寄存器结构 位符号ea-eset1ex1et0ex0 位地址afhaehadhachabhaaha9ha8h 3.3.43.3.4 声光报警部分声光报警部分 温度检测系统多有声光报警功能，当检测温度超过上下限时，进行声光提示。 本系统在从机和主机部分均设计了报警电路。各从机的报警上下限由主机预置， 从机实时监测的过程中，一旦发现检测温度值连续超出阈值范围，便启动自身报 警电路，同时向主控机发送报警信号18。报警电路原理如下所示： 图 3.7 声光报警电路原理图 3.43.4 通讯部分通讯部分 3.4.13.4.1 电路设计电路设计 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 rs-232 或 rs-485。 其中 rs-232 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。rs-485 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。所以系统使 用 rs-485 总线进行传输，采用 sn75176 驱动芯片进行电平转换。 图 3.8 sn75176 芯片及其逻辑关系 3.4.23.4.2 多机系统多机系统 多机系统是指由多台计算机组成的系统。多机系统的结构有很多种，如果从 系统中各台计算机的关系上分，可分为紧密耦合型和松散耦合型两类。 在紧密耦合的多机系统中，各台计算机之间的联系紧密，一般情况下他们通 过总线(包括公共存储器)进行频繁的信息交换，并在一个总的操作系统分布 式操作系统的控制下协调地工作。 在松散耦合的多机系统中，计算机之间的联系较少，每一台计算机都有独立 的存贮器，并在各自的操作系统下独立地工作。计算机之间通过通讯来协同工作。 这类多机系统又可分为分布式和主从式两类19。分布式多机系统中，各台计算机 具有平等的地位和相似的结构。主从式多机系统中，有一台功能较强的主计算机 和若干台结构相似的从计算机。我们采用主从式系统完成本设计。 在主从式多机系统中，计算机之间的通信由主机控制。主机主动和从机联络 通信，向从机发出各种命令，如设计从机的工作参数，修改从机的实时时钟，询 问从机的状态，收集从机的数据等。而从机不能主动向主机或其他从机进行通讯 联系，他只有在主机向它发出命令时才做出相应，向主机回送信息。因此主计算 机处于主导地位，而从计算机处于处于从属地位20。 在主从式多机系统中，主机的功能往往是监视各从机的工作，定时收集各个 从机的实时数据信息并将收集到的数据信息进行处理、存档、格式化显示和打印 等。同时，操作人员通过人-机通讯，在主机上查询从机的状态，诊断系统中各 个从机是否出现故障，以便系统维护。从机的功能一般是进行现场数据信息的采 集、计算和对现场的控制，从机自动完成对各要素的定时采样和计算，在接到主 机的命令时将结果送给主机。 3.4.33.4.3 主从式多机系统设计要点主从式多机系统设计要点 在设计主从式多机系统时，除了掌握单片及应用系统的设计方法外，还必须 注意以下几个方面： 机和从机的功能划分 在设计一个多机系统时，应着眼于整个系统的功能，设法提高整个系统的性 能价格比，因此合理规定主机和从机的功能是十分重要的。 系统的有些功能，例如数据的计算分析，可以由各个从机来完成，只把结果 送给主机，也可以把原始数据直接送给主机，由主机处理。这两种方法对中央处 理机的工作时间、存储器的容量以及主机和从机之间需传送的信息量会产生影响。 在确定主从机功能的同时，应从系统的实时行要求，主机和从机的工作量，主从 机之间的距离和现场操作需求来考虑。 通讯方式 多机系统和单机系统在硬件上的最大不同是需要通讯口。通讯可采用各种方 法来实现，对于距离在几米以上的系统，一般均采用串行通讯。它又分为同步和 异步两种方式，前者速度快，通讯距离较近，后者速度慢，但通讯距离远。一般 的工业控制和数据采集系统，在数据传输量不大的情况下，采用异步方式比较方 便21。通讯的物理物理媒介也有许多种，如采用无线电通讯或电话线通讯，这是 一般采用异步方式，并应加入调制解调器，它的通讯距离最远可达几十公里以上； 如果采用电缆通讯，可采用 rs 232 或 rs-422、rs-456 等方式，后二者可采用 一般的双绞线进行通讯，具有传输距离远、抗干扰能力强等优点，在通讯距离较 远时，应采用 rs-485 等接口方式 主机选择 多机系统的主机应根据应用要求和现有条件来选择。如果该系统需要有外部 存储设备以存储各种数据时，应采用由磁盘驱动器地主机，特别是在存储数据量 较大时，应采用由硬盘的主机。如果主机需执行较多的实时控制功能，则应选择 可配备实时操作系统的主机。一般情况下，可采用等通用的个人计算机。由于一 般的个人计算机配有串行接口，如果主从机采用通讯时，应该再加入通讯处理机， 它与主机用相连，与各从机用同步通讯方式相连。 通讯规程选择 这里的通讯规程主要是指主机之间的通讯约定，它包括从机寻址方式、通讯 检验及通讯应答等方式等。一般主机和多台从机通讯时，只使用一套公共的的通 讯线路，主机应能和指定的任何一个从机通讯，也能向全部从机发命令。因为一 台主机只能和一台从机通讯，所以有一个怎样寻址从机的问题。对 mcs-51 单片 机，它们的串行口由主从机通讯方式，允许发送地址或数据。但是如果通讯距离 较远或现场有干扰时，就不宜采用此方法。因为 mcs-51 等的主从机通讯方式中， 地址与数据的区别只是发送的最后一位不同，如果有干扰改变了了这位的状态， 会打乱整个系统的运行22。这是可采用在命令中增加几位地址地方法。在有干扰 时，主从机通讯应加入检验，对异步通讯，可采用字符或字节的奇偶校验加上一 帧信息的累加和校验。 从机设计方法 从机是一个独立地控制器或数据采集装置，它的设计方法基本上与一般的单 片机系统相同，只是需增加通讯口硬件和通讯处理软件。为了减少通讯量，从机 常用于完成对一个子系统的控制或数据采集。每台从机所需完成地功能一般比较 多，而且是综合性地，这是它的结构比较复杂，再加上通讯处理软件需与控制或 数据采集并行进行，所以在多机系统的从机中，应该配备实时多任务操作系统。 3.4.43.4.4 rsrs485485 方式构成的多机通信原理方式构成的多机通信原理 在由单片机构成的多机串行通信系统中，一般采用主从式结构：从机不主动 发送命令或数据，一切都由主机控制。并且在一个多机通信系统中，只有一台单 机作为主机，各台从机之间不能相互通讯，即使有信息交换也必须通过主机转发。 采用 rs485 构成的多机通讯原理框图，如图 3.9 所示。 图 3.9 采用 rs485 构成的多机通讯原理框图 在总线末端接一个匹配电阻，吸收总线上的反射信号，保证正常传输信号干 净，无毛刺。匹配电阻的取值应该与总线的特性阻抗相当。 当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 总线上差分信号的正端 a+和+5 电源间接一个 10k 的电阻；正端 a+和负端 b-间 接一个 10k 的电阻；负端 b-和地间接一个 10k 的电阻，形成一个电阻网络。当 总线上没有信号传输时，正端 a+的电平大约为 3.2v，负端 b-的电平大约为 1.6v，即使有干扰信号，却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。 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： 复位时，主从机都应该处于接收状态。sn75176 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，sn75176 发送状态； re*=0，de=0 时，sn75176 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 sn75176 的控制端，使上电时 sn75176 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。 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 rs232，rs422 等全双工通讯过程中，发送和接收信号分别在不同的物理 链路上传输，发送端始终为发送端，接收端始终为接收端，不存在发送、接收控 制信号切换问题。在 rs485 半双工通讯中，由于 sn75176 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23。 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 3.10 串行口模式 3 时序图 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， 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 是关闭发送控制，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。 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。 3.53.5 主控机部分主控机部分 3.5.13.5.1 电路设计电路设计 主控机主要负责控制从机，包括设置从机信息和收集从机检测信号，然后将 收集到的数据进行存储、分析、显示、打印，并能根据用户设置的报警阈值进行 声光报警。这部分的硬件电路设计除了键盘、液晶、打印机等常规外设外，增加 了一片 24c04 用来保存温度数据，另外，增加了一片日历时钟芯片 pcf8563。 24c04 是基于 i2c 总线的串行 e2prom，存储容量 512 个字节，它占用单片 机资源很少，仅占用了两根 i/o 线，数据一旦写入可保存 100 年，避免了普通 ram 掉电保护的麻烦，非常适合于各类仪器仪表和控制装置的参数保存。 主控机每个整点收集一次数据，并将数据保存到 e2prom。每个温度数据占 用 2 个字节，这样，我们设计共保存 24 组历史数据，占用个字节。1922424 当存满 24 组数据后，整点再次接收数据时，将最早保存的数据删除，其他数据 依次前移为新数据空出位置。 pcf8563 是低功耗的 cmos 实时时钟/日历芯片，它提供一个可编程时钟输 出，一个中断输出和掉电检测器，所有的地址和数据通过 i2c 总线串行传递24。 这两部分电路设计原理图如下： 图 3.11 主机 24c04 与 8563 部分电路原理图 3.5.23.5.2 所用器件介绍所用器件介绍 pcf8563：pcf8563 是 philips 公司推出的一款工业级内含 i2c 总线接口功 能的具有极低功耗的多功能时钟/日历芯片。pcf8563 的多功能报警功能，定时 功能，时钟输出功能以及中断输出功能能完成各种复杂的定时服务，甚至为单片 机提供看门狗功能。内部时钟电路，内部振荡电路，内部低电压检测电路 （1.0v）以及两线制 i2c 总线通讯方式，不但使外围电路极其简洁，而且也增加 了芯片的可靠性。同时每次写数据后，内嵌的字地址寄存器会自动产生增量。当 然作为时钟芯片，pcf8563 亦解决了 2000 年问题。因而，pcf8563 是一款性价 比极高的时钟芯片，它已被广泛用于电表，水表，气表，电话，传真机，便携式 仪器以及电池供电的仪器仪表等产品领域。 pcf8563 的特性：宽电压范围 1.05.5v，复位电压标准值 0.9v；超低功耗； 可编程时钟输出频率为 32.768khz,1024hz,32hz,1hz;四种报警功能和定时器功能； 内含复位电路，振荡器电路和掉电检测电路；开路中断输出；400khzi2c 总线， 其从地址：读，0a3h；写，0a2h。 pcf8563 原理：pcf8563 有 16 个 8 位寄存器；一个可自动增量的地址寄存 器，一个内置 32.768khz 的震荡器（带有一个内部集成的电容） ，一个分频器， 一个可编程时钟输出，一个定时器，一个报警器，一个掉电检测器和一个 400khzi2c 总线接口。 所有 16 个寄存器设计成可寻址的 8 位并行寄存器，但不是所有位都有用。 前两个寄存器（内存地址 00h，01h）用