基于计算机界面控制的数字量输入输出结构板的研制毕业论文.doc

天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业论文 0 基于计算机界面控制的数字量输入输出结构基于计算机界面控制的数字量输入输出结构 板的研制毕业论文板的研制毕业论文 目 录 第一章第一章 引引 言言 6 第二章第二章 数字量输入 数字量输入 DIDI 模块 模块 8 2 1 数字量输入 DIGITAL INPUT DI 部分工作原理 8 2 1 1 输入板下层板原理图 9 2 1 2 输入板下层板原件清单 11 2 1 3 输入板下层板工作原理 12 2 2 数字量输入 DIGITAL INPUT DI 上层板模块 13 2 2 1 输入板上层板原理图 15 2 2 2 输入板上层板 PCB 图 16 2 2 3 输入板上层板原件清单 16 2 2 4 输入板上层板通讯电路 17 2 2 5 输入板上层板端口状态显示电路 19 2 2 6 输入板上层板晶振模块 20 2 2 7 输入板所用 I O 口 21 2 3 输入板硬件制作 21 2 4 输入板硬件调试 22 第三章第三章 数字量输出 数字量输出 D0D0 模块 模块 23 3 1 数字量输出 DIGITAL OUTPUT DO 部分工作原理 23 3 1 1 输出板下层板原理图 24 3 1 2 输出板下层板原件清单 25 3 1 3 输出板下层板电压转换原理 25 3 1 3 驱动放大电路 26 3 14 输出板硬件制作与调试 27 第四章第四章 数字量输入 输出的软件部分数字量输入 输出的软件部分 30 4 1 通讯部分 30 4 1 1 通讯协议 3030 天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业论文 1 4 1 2 CRC 校验 32 4 1 2 数字量输入软件部分 33 4 1 3 数字量输出软件部分 37 第五章第五章 数字量输入 输出软件调试数字量输入 输出软件调试 40 5 1 数字量输入软件调试 40 5 2 数字量输出软件调试 46 结结 论论 48 参考文献参考文献 49 附录一附录一 50 附录二附录二 51 附录三附录三 76 附录四附录四 77 附录五附录五 79 致致 谢谢 84 天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业论文 2 第一章第一章 引引 言言 本课题是基于现场总线技术来实现的现场级设备数字化的工业现场层网络通信 技术 它具有较强的现场信息集成能力 组成的系统可靠性高 可维护性好 而且 总线协议是开放的 本课题基于 STC12C5A08S2 单片机 研制的可编程序控制器系统 及基于计算机界面控制的 DI DO 模块 该模块利用 STC12C5A08S2 的双向可控 I O 口 以实现数字量输入 输出功能 将 STC 设备组与上位机 即 PC 机 连接 将下位 机 即 DI DO 模块 采集的数据通过处理传送给主站即 PC 机 并由主站通过组态 软件传输控制命令给从站 从站将控制命令转化为下位机可以识别的数据从而进一 步控制下位机的工作 同时 该模块还能与上位机 MCGS 组态互联 以控制基于 AVR STC 单片机的设备 在系统中作为从站连接到网络来完成通讯和控制功能 本 文主要介绍了整个系统的硬件及软件的实现 主要内容包括以下部分 1 项目的需求分析和总体设计 2 DI 板的研制 3 DO 板的研制 4 MODBUS 协议分析 5 各模块的测试 其功能是进行转接板和 STC 控制器之间的通讯 确保信息 能有效正确的传输到目的地 控制系统由一台上位机 一台中位机 若干台下位机 控制器 32个继电器和 RS一485通讯接口和传感器装置MCGS网络服务器等部分组成 下面对控制系统各部分 分别进行介绍 1 上位机采用工控机 用高级语言C语言编制界面软件 其处理下位机的工作 状态 停止状态或故障状态 2 控制器的核心部分 即中位机 采用可编程序控制器 可执行高速数据处理 数据传送 算术运算 专用计数器 定时器 以及专用的A D转换器等功能 它具 有RS一232和RS一485通讯口 通讯功能强 可与上位机 下位机进行有效通讯 所 有输入点均为光电隔离 输出点为继电器驱动 在本系统中 由于可编程控制器处 天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业论文 3 于中间位置 它既要负责与上位机PC和下位机控制器交换信息 又要按照现场工艺 要求完成总体的逻辑控制 这就要求可编程控制器的功能应比较强 本系统中可编 程控制器的基本配置如下 输入 32点 模块数输出 32点 模块数 3 下位机 控制器 采用 STC12C5A08S2 单片机作核心 具备单独的输入按键以 及显示器 独立完成输入信号的采集工作 4 RS 一 485 通讯接口部分采用多机通讯技术 使用上位机原有的串行口与中 位机 中位机与多台下位机进行联络 5 MCGS 是众多监控软件中的一种 是一套用于快速构造和生成计算机监控系 统的组态软件 它能够在基于 Microsoft 的各种 32 位 Windows 平台上运行 通过对 现场数据的采集处理 以动画显示 报警处理 流程控制和报表输出等多种方式向 用户提供解决实际问题的方案 在工业控制领域有着广泛的应用 天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业论文 4 第二章第二章 数字量输入 数字量输入 DIDI 模块 模块 数字量输入 Digital Input DI 模块分为硬件部分和软件部分 协同完成工业 设备上数字量的采集工作 把数字量输入模块拆开 我们可以看到 其实它是分两 个板的 下面分别介绍 如图 2 1 是数字量输入模块实物图 图 2 1 数字量输入模块实物图 2 12 1 数字量输入数字量输入 Digital Digital InputInput DI DI 部分工作原理部分工作原理 数字量输入模块拆开 它是分两个板的 称之为数字量输入模块 CPU 板 DI CPU board 和数字量输入模块采集板 DI acquisition board 其中 数字量输入模块 CPU 板位于上层 而下层则是数字量输入模块采集板 它们之间通过接插件连接 通过数字量输入可以实现数字量的外部 24V 电平信号的采集的功能 在本课题 中 上层板 CPU 板 和下层板采集板通过 J1 J2 和 J3 三个接插口连接 完成两 个板之间的数据传输功能 在工业设备上 将需要采集的数据连接到数字量输入端 口 端口采集的数字量经过电压转换 然后通过 J1 和 J2 传至 STC 单片机 并通过 端口状态显示灯显示 经 STC 单片机处理数字量 处理后经过 485 通讯口传送至总 线 原理图的设计都是在 Protel DXP 2004 软件中设计的 天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业论文 5 2 1 12 1 1 输入板下层板原理图输入板下层板原理图 天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业论文 6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 OUT1 P19 5V 5V 5V 5V 5V 5V 5V 5V 5V 24V 24V 24V 24V 24V 24V 24V 24V 24V 24V 24V 24V 24V 24V 24V 24V 10K RA24 10K RA17 10K RA18 10K RA19 10K RA20 10K RA21 10K RA22 10K RA23 0 1uF CA9 0 1uF CA10 0 1uF CA11 0 1uF CA12 0 1uF CA13 0 1uF CA14 0 1uF CA15 0 1uF CA16 A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 24V A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 5V 5V 5V 5V 5V 5V 5V 5V 10K RC14 10K RC7 10K RC8 10K RC9 10K RC10 10K RC11 10K RC12 10K RC13 0 1uF Cc7 0 1uF Cc8 0 1uF Cc9 0 1uF Cc10 0 1uF Cc11 0 1uF Cc12 0 1uF Cc13 0 1uF Cc14 C0 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 IN1 P19 1KRa25 1KRa26 1KRa27 1KRa28 1KRa29 1KRa30 1KRa31 1KRa32 1K R29 1K R30 1K R31 1K R32 1K R33 1K R34 1K R35 1K R36 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 PoutB1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 PinAC1 in0 in1 in2 in3 in4 in5 in6 in7 in8 in9 in10 in11 in12 in13 in14 in15 in0 in1 in2 in3 in4 in5 in6 in7 in8 in9 in10 in11 in12 in13 in14 in15 1 2 3 4 5 6 7 8 9 J1 AB 1 2 3 4 5 6 7 8 P1 B A 5V C0 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 4K7 R21 4K7 R22 4K7 R23 4K7 R24 4K7 R25 4K7 R26 4K7 R27 4K7 R28 4K7 R44 4K7 R43 4K7 R42 4K7 R41 4K7 R40 4K7 R39 4K7 R38 4K7 R37 in16 in17 in18 in19 in20 in21 in22 in23 in24 in25 in26 in27 in28 in29 UA1 5V 5V 5V 5V 5V 5V 5V 5V 24V 24V 24V 24V 24V 24V 24V 24V 24V 24V 24V 24V 24V 24V 10K RA8 10K RA1 10K RA2 10K RA3 10K RA4 10K RA5 10K RA6 10K RA7 0 1uF CA1 0 1uF CA2 0 1uF CA3 0 1uF CA4 0 1uF CA5 0 1uF CA6 0 1uF CA7 0 1uF CA8 5V 5V 5V 5V 5V 5V 10K RC6 10K RC1 10K RC2 10K RC3 10K RC4 10K RC5 0 1uF Cc1 0 1uF Cc2 0 1uF Cc3 0 1uF Cc4 0 1uF Cc5 0 1uF Cc6 1KRa9 1KRa10 1KRa11 1KRa12 1KRa13 1KRa14 1KRa15 1KRa16 1K R9 1K R10 1K R11 1K R12 1K R13 1K R14 in16 in17 in18 in19 in20 in21 in22 in23 in24 in25 in26 in27 in28 in29 4K7 R1 4K7 R2 4K7 R3 4K7 R4 4K7 R5 4K7 R6 4K7 R7 4K7 R8 4K7 R20 4K7 R19 4K7 R18 4K7 R17 4K7 R16 4K7 R15 B0 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 D0 D1 D2 D3 D4 D5 B0B1B2B3B4 B5 B6B7 D0D1D2D3D4D5 UA2 UA3 UA4 UA5 UA6 UA7 UA8 UA9 UA10 UA11 UA12 UA13 UA14 UA15 UA16 UA17 UA18 UA19 UA20 UA21 UA22 UA23 UA24 UA25 UA26 UA27 UA28 UA29 UA30 24V 24V 5V 5V 10K RZ6 10K RZ2 0 1uF CZ1 0 1uF CZ2 1K RZ9 1K RZ10 in26 4K7 RZ16 4K7 RZ15 D6D7 UZ9 UZ10 in30 in31 in30 in31 D6 D7 图2 2 输入模块下层板采集板电路原理图 天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业论文 7 2 1 22 1 2 输入板下层板原件清单输入板下层板原件清单 表 2 1 输入下层板板电路的原件清单 序号序号名称名称封装封装数量数量阻值阻值 1 电容 CC3216 1206320 1uF 2 电阻 CR2012 0805324K7 3 光电耦合器 DIP 432 4 电阻 CR2012 0805321K 5 电阻 CC3225 12103210K 6 10 孔端子排 PCBComponent 12 7 5 孔端子排 PCBComponent 12 8 4 孔端子排 PCBComponent 12 9 4 2 排针 HDR2X4 CEN1 10 8 2 排针 HDR2X8 CEN2 11 九针串口 DSUB1 385 2H91 图2 3 数字量输入模块采集板 天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业论文 8 2 1 32 1 3 输入板下层板工作原理输入板下层板工作原理 下面对 DI 模块原理图设计做详细介绍 图 2 4 输入底板的设计 1 32 个输入端口采集的 24V 数字量 经过光电耦合器转换为 5V 数字量 当输入电信号加到输入端发光器件 LED 上 LED 发光 光接受器件接受光信号并转 换成电信号 然后将电信号直接输出 或者将电信号放大处理成标准数字电平输出 这样就实现了 电 光 电 的转换及传输 在图 2 4 中 光电耦合器输入端的两个电阻起到分压作用 为光耦的输入部分 既发光二极管提供 1 5 2V 电压 工作电流 3 5 mA 根据光耦的导通原理 当 D2 D3 的端接入 24V 地低电平时 接通发光源的左边 电路就会导通 发光二极管发光 此时 受光器就会导通产生电流 由于受光器的 导通后的电阻很小可以忽略 使 in24 in25 端相当于直接连接 5V 高电平 即把有 效的高电平数据信号传入上层板单片机 并作处理 同时外界对应的指示灯点亮 同理 当 D2 D3 端接入 24V 时 发光源不导通 不会发光 受光器就不会产生 光电流 使 in24 in25 端相当于直接连接 5V 地 低电平 此时和没有工作时的 状态是一样的 单片机不处理数据 光电耦合器有电平转化的作用 输入端的 10K 电阻使光耦内部的发光二极管工作 在正常电压电流范围内 正常的工作电压 1 5 2V 工作电压 3 5mA 输出端口的电 阻 4 7k 为上拉电阻 输入口 1K 的电阻和 0 1uf 的电容组成 RC 滤波器 对输入端进 天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业论文 9 行滤波 2 通讯板卡中有 485 通讯连接端口 见图 2 5 此为数字量输入模块采集板 的另一部分电路 从中可以看到 485 通讯接口和 J3 的接法 图 2 5 MAX485 通讯连接图 2 22 2 数字量输入数字量输入 Digital Digital InputInput DI DI 上层板模块上层板模块 数字量输入模块上层板位于上层 即数字量输入模块 CPU 板 DI CPU board 它和数字量输入模块采集板 DI acquisition board 即下层板 它们之间通过接 插件相连 CPU 板电路以 STC12C5A08S2 为核心 主要实现状态显示 端口控制 数据处理 和通讯控制的功能 数字量输入 CPU 板的电路原理图见下图 2 7 STC12C5A08S2 是 8K Flash 的宏晶 STC12C5A60S2 系列单片机 STC12C5A60S2 系列单片机器件是 1 个 时钟 机器周期 8051 单片机 低功耗 高速 高可靠 强抗静电 强抗干扰 其主 要性能如下 高速 1 个时钟 机器周期 增强型 8051 内核 速度比普通 8051 快 8 12 倍 宽电压 5 5 3 3V 2 2 3 6V 增加第二复位功能脚 增加外部掉电检测电路 可 在掉电时 及时将数据保存进 EEPROM 正常工作时无需操作 EEPROM 低功耗设计 空闲模式 低功耗设计 掉电模式 工作频率 0 35MHZ 时钟 外部晶体或内部 RC 振荡器可选 在 ISO 下载编程优惠程序时设置 8 16 20 32 40 48 52 56 60 62K 字节内 Flash 程序存储器 擦写字数 10 万次以上 1280 字节片内 RAM 数据存储器 芯片内 EEPROM 功能 擦写次数 10 万次以上 ISP IAP 在系统可编程 在应用可编 程 无需编程器 仿真器 8 通道 10 位高速 ADC 高速可达 25 万次 秒 2 路 PWM 还可当 2 路 D A 使用 2 通道捕获 比较单元 4 个 16 位定时器 兼容普通 8051 的 定时器 T0 T1 2 路 PCA 实现 2 个定时器 可编程时钟输出功能 硬件看门狗 高速 SPI 串行通信端口 全双工异步串行口 先进的指令集结构 通用 I O 接口 上层板电路围绕单片机展开 如图 2 7 所示 单片机设有 32 路数据采集端口 可显示输入端口信号状态 但信号端口的指示灯亮 表示接入的为高电平 STC 单 天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业论文 10 片机内部有弱上拉 不能驱动 IO 故在输出端口串联上拉电阻 通讯端口接 MAX485 用差分信号经进行数据传输 MAX485 是用于 RS 485 与 RS 422 通信的低功 耗收发器 每个器件中都具有一个驱动器和一个接收器 具有限摆率驱动器 可以 减小 EMI 并降低由不恰当的终端匹配电缆引起的反射 实现最高 250kbps 的无差 错数据传输 MAX485 的驱动器摆率不受限制 可以实现最高 2 5Mbps 的传输速率 这些收发器在驱动器禁用的空载或满载状态下 吸取的电源电流在 120uA 至 500uA 之间 程序下载程序下载 5V电源电源 11 0592M晶振晶振 I O口选择口选择 RS485通讯通讯 状态显示状态显示 数字量采集板数字量采集板 STC12CSTC12C 5A08S25A08S2 图 2 6 CPU 板电路框图 天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业论文 11 2 2 12 2 1 输入板上层板原理图输入板上层板原理图 22pF C1 22pF C2 1uF Cp4 10uF Cp5 100uF Cp6 0 1uF C8 0 1uF C7 0 1uF C9 0 1uF C10 2 3 4 VCC 8 16 7 GND 5 D R A B MAX485 MAX3082 LED2 2K RL2 20 21 22 23 25 24 26 27 30 31 32 33 34 35 36 37 00 01 02 03 04 05 06 07 10 11 12 13 14 15 16 17 2KR20 2KR21 2KR22 2KR23 2KR24 2KR25 2KR26 2KR27 2KR30 2KR31 2KR32 2KR33 2KR34 2KR35 2KR36 2KR37 2KR10 2KR11 2KR12 2KR13 2KR14 2KR15 2KR16 2KR17 2KR06 2KR07 2KR00 2KR01 2KR02 2KR03 2KR04 2KR05 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 J2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 J1 2K RL3 LED3 8550 5 1K R47 5 1K R46 LED1 2K RL1 TXD2 0 1uF C12 1 2 J4 1 2 J5 390 R49 200 R50 390 R51 1 2 3 4 5 6 7 8 J3 VCC VCC VCC VCC VCC VCC D1 47uF C11 VCC 12 11 0592M 2K RL LED VCC 47K R53 VCC 0 1uF Cp3 VCC AB RXD2 P1 5 P1 6 P1 7 RST P3 0 RXD P4 3 SCLK TXD2 CCP1 P3 1 TXD P3 2 INT0 P3 3 INT1 P3 4 T0 P3 5 T1 P3 6 WR P3 7 RD XTAL2 XTAL1 GND P4 0 SS P2 0 P2 1 P2 2 P2 3 P2 4 P2 5 P2 6 P2 7 NA P4 4 ALE P4 5 P4 1 ECI MOSI EX LVD P4 6 RST2 P0 7 P0 6 P0 5 P0 4 P0 3 P0 2 P0 1 P0 0 VCC P4 2 RXD2 MISO P1 0 P1 1 P1 2 P1 3 P1 4 Component 1 P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 P20 P21 P22 P23 P24 P25 P26 P27 P30 P31 P32 P33 P34 P35 P36 P37 VCC P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 P20 P21 P22 P23 P24 P25 P26 P27 P30 P31 P32 P33 P34 P35 P36 P37 P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 P20 P21 P22 P23 P24 P25 P26 P27 P30 P31 P32 P33 P34 P35 P36 P37 RXD2 TXD2 P40 P44 P44 10uF C13 10KR000 10KR001 10KR002 10KR003 10KR004 10KR005 10KR006 10KR007 10KR100 10KR101 10KR102 10KR103 10KR104 10KR105 10KR106 10KR107 10KR200 10KR201 10KR202 10KR203 10KR204 10KR205 10KR206 10KR207 10KR300 10KR301 10KR302 10KR303 10K R304 10KR305 10KR306 10KR307 P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 P20 P21 P22 P23 P24 P25 P26 P27 P30 P31 P32 P33 P34 P35 P36 P37 VCCVCCVCCVCC 天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业论文 12 图 2 7 数字量输入模块上层板 CPU 板 电路原理图 2 2 22 2 2 输入板上层板输入板上层板 PCBPCB 图图 上层板 PCB 图如图 2 8 示 外形设计与模块安装盒完全匹配 单片机下载口使 用串口下载 省去了下载线 图 2 8 数字量输入 DI 上层板 PCB 2 2 32 2 3 输入板上层板原件清单输入板上层板原件清单 表 2 2 输入上层板板电路的原件清单 序号序号名称名称封装封装数量数量阻值阻值 1 电容 CR2012 0805222pF 2 电容 CR2012 080560 1uF 3 发光二极管 CD2012 080536 4 电阻 CR2012 08052390 5 电阻 CR2012 08051200 6 电阻 CR2012 0805362K 7 电阻 CR2012 080525 1K 8 电阻 CR2012 0805247K 天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业论文 13 9 电容 CAPPR1 5 4x5110uF 10 电容 CAPPR1 5 4x51100uF 11 电容 CAPPR1 5 4x5147uF 12 电容 C DJ 4110uF 13 电容 CAPPR1 5 4x5 11uF 14 电容 CAPPR1 5 4x5147uF 15 电容 C DJ 4 1 10uF 16 单片机 TQFP44 1 17 晶振 RAD 0 2 1 18 三极管 BCY W3 E4 1 19 4 2 排针 HDR2X4 CEN 1 20 8 2 排针 HDR2X8 CEN2 21 MAX485DIP 8 1 2 2 42 2 4 输入板上层板通讯电路输入板上层板通讯电路 STC单片机同计算机的通讯 采用的是RS485传输线 用到的相关芯片是 MAX485 图 2 9是MAX485芯片的顶视图 图 2 9 MAX485 芯片顶视图 MAX485 芯片 图 2 9 是用于 RS 485 通讯的低功耗收发器 内含一个驱动器和一 个接收器 RS 485 通讯采用屏蔽双绞线就可以连接多达 128 个收发器设备 组成半 双工控制网络 半双工 信号可以在载体的两个方向上传送 但不能同时在两个方 向上传送的工作方式 天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业论文 14 管脚 1 RO 为接收器输出端 管脚 4 DI 为驱动器输入端 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 RERE 当DE为逻辑 1 时 器件处于发送状态 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 与单片机相连时 RS 485 的 A B 端一般可选 100 的电阻 VCC 端 和 GND 端分别接 5v 电源和地 图 2 10 是由 MAX485 芯片完成 485 通讯的原理图 1uF Cp4 10uF Cp5 100uF Cp6 2 3 4 VCC 8 16 7 GND 5 D R A B MAX485 MAX3082 LED2 2K RL2 8550 5 1K R47 5 1K R46 LED1 2K RL1 TXD2 0 1uF C12 1 2 J4 1 2 J5 390 R49 200 R50 390 R51 1 2 3 4 5 6 7 8 J3 VCC VCC D1 47uF C11 VCC 2K RL LED VCC 0 1uF Cp3 VCC AB RXD2 图 2 10 通讯模块电路图 485 芯片使能的设计 RS 485 芯片工作在半双工状态 所以接收和发送的使能 端一起接到三极管 8550 的集电极 当集电极输出高电平时处于发送状态 当集电极 为低电平时 处于接收状态 8550 作用 8550PNP 三极管基极与单片机的 TXD PD3 端相接 通过三极管的开 关作用来触发其接收发送使能 当 TXD 输出高电平时 集电极输出高电平 处于发 天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业论文 15 送状态 当 TXD 输出低电平时 集电极输出低电平 处于接收状态 J3排针 连接CPU板和数字量采集板 二极管D1起到稳压作用 防止上电时电压 过高烧坏芯片 当需要向计算机传送数据时 PD3输出高电平 使MAX485的管脚 3 为高电平 使能发送端 从计算机PD2输出的0 或 1信号经过MAX485 解释 为端口A和端口B的 电压差 计算机从总线上A和B的电压差获取数据 这样 就完成了由芯片到计算机 的数据传输 数字量输入模块不是一直读取端口状态然后发送到计算机的 它读取端口状态 是受计算机控制的 当计算机发送的指令要求它读取端口状态时 它才会这么做 下面我们看一下数字量输入模块接收命令的过程 数字量输入模块接收计算机的命令 也是通过MAX485从RS485传输线接收 对照 图 芯片的发送和接收数据是相反的过程 当STC12C5A08S2芯片处理完其它过程 等待从总线接收数据时 PD3输出低电平 使能了MAX485的接收功能 此时 端口A 和端口BD的电压差被解释成 0 和 1 由芯片的PD2接收 当接收的内容为一个字节 时 保存到芯片内的UDR寄存器 然后改变响应标志位的状态 等到所有的字节都接 收完后 通过了命令的检查 才会经历上面的数据采集 处理和传输过程 2 2 52 2 5 输入板上层板端口状态显示电路输入板上层板端口状态显示电路 20 21 22 23 24 2KR20 2KR21 2KR22 2KR23 2KR24 VCC P20 P21 P22 P23 P24 图 2 11 端口状态显示电路 我们以图 2 11 端口状态显示电路的 P20 端口说明其工作原理 以其中一部分说明其工作原理 以图 2 12 所示 当 P20 为低电平时 发光二极 就会发亮 其它端口的情况相同 所有二极管采用共阳极的连接方式 电阻的大小 是根据发光二极管的压降 一般为 1 5 2V 其工作电流一般取 3 5 mA 为宜 而选 择的 电阻的大小应该满足使发光二极管工作在适当的电流 以提高发光二极管的 天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业论文 16 寿命 202KR20 VCC P20 图 2 12 部分端口显示电路 2 2 62 2 6 输入板上层板晶振模块输入板上层板晶振模块 晶体振荡电路 XTAL1 与 XTAL2 分别为用作片内振荡器的反向放大器的输入和 输出 这个振荡器可以使用石英晶体 也可以使用陶瓷谐振器 熔丝位 CKOPT 用来 选择这两种放大器模式的其中之一 C1 和 C2 的数值要一样 不管使用的是晶体还 是谐振器 最佳的数值与使用的晶体或谐振器有关 还与杂散电容和环境的电磁噪 声有关 22pF C1 22pF C2 12 11 0592M XTAL2 XTAL1 图 2 13 晶振电路的设计 天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业论文 17 2 2 72 2 7 输入板所用输入板所用 I OI O 口口 图 2 14 数字量输入模块所用的 IO 口设计 2 32 3 输入板硬件制作输入板硬件制作 首先要准备一个 25W 或者 35W 的电烙铁 烙铁头要细 还要一卷比较细的焊锡 丝 最好是直径为 0 5mm 左右 助焊剂和清洗剂也是必备的焊接工具 焊接时 先 将电烙铁插上 待烙铁发热了之后 将助焊剂涂在 PCB 上需要焊接的地方 先烫化 一点焊锡丝在一个焊盘上 然后用镊子夹住器件和焊盘位置重合 再烫化有焊锡丝 的焊盘将元件固定住 其余的管脚依次焊上 焊接时应先焊管脚比较多的贴片元件 比如贴片电阻 其次是电容 11 0592MHz 晶振 最后是直插件 焊好后用刷子蘸上 清洗剂将电路板清洗干净 再用万用表测量电源的正负极 确保电路板不可能短路 2 42 4 输入板硬件调试输入板硬件调试 天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业论文 18 1 将上层板与下层板对接后 用万用表欧姆 X1 档检测是否有短路 接上电源 5V 端与 24V 端都接上 将导线一端接 24V 地 一端接待测输入点 观察对应的 指示灯是否亮 2 下载程序测试 测试 DI 模块只要控制管脚和串口 1 通讯就可以 可设置程 序为采集端口数据由串口发送 通过串口调试助手查看 测试时 底板需要测试哪 个点 就用短接线将其接地 相应的指示灯亮 则将采集的端口处数据设为 1 反之设为 0 定时采集的数据都发送给主机 若测试某一点指示灯不亮 则先检 查上层板的指示灯 然后再用万用表检测底层板 天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业论文 19 第三章第三章 数字量输出 数字量输出 D0D0 模块 模块 数字量输出 Digital Output DO 模块也是由上层板和底层板组成 数字量 输入模块可以采集工业设备上的数字量信号 然后传送给计算机 数字量输出模块 则是相反的过程 接收计算机的命令 然后发送给工业设备 把数字量输出模块和 数字量输入模块做一下对比的话 会发现它们大部分相似 它们的上层板完全一样 只是下层板有稍微的区别 3 3 1 1 数字量输出数字量输出 Digital Digital OutputOutput DO DO 部分工作原理部分工作原理 我们已经知道了数字量输入模块的工作过程 数字量输出模块输出数字量的工 作过程和数字量输入模块的工作过程正好相反 计算机发送命令给数字量输出模块 CPU 板 数字量输出模块 CPU 板通过 J1 J2 向下层板传递数据 传递的数据通过 电压的转换和放大芯片的驱动放大 传递数字量控制信息给工业设备 和数字量输 入模块基本是一样的 数字量输出模块也以 STC12C5A08S2 为核心 其中 32 条口线定义为输出口线 外接光电转换器保证其外部电路为标准 24V 直流供电 其串口设为 RS485 接收状态 使用 485 发送接收核心芯片 可以提供高阻抗系统 保证电平输出的有效性 并且 以 MODBUS 协议为数据载体 使数据的可靠性得到充分的保证 下面介绍数字量输出板的下层板 而上层板可以参考数字量输入模块的上层板 这里不再赘述 天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业论文 20 3 3 1 1 1 1 输出板下层板原理图输出板下层板原理图 U4 24V 24V 24V 24V 24V 24V 24V 24V 5V 5V 5V 5V 5V 5V 5V 5V 20K R8 20K R20 20K R32 20K R44 20K R56 20K R68 20K R80 20K R92 10K R12 10K R24 10K R36 10K R48 10K R60 10K R72 10K R84 10K R96 100 R7 100 R19 100 R31 100 R43 100 R55 100 R67 100 R79 100 R91 0 1uF C5 0 1uF C13 0 1uF C21 0 1uF C29 0 1uF C37 0 1uF C45 0 1uF C53 0 1uF C61 24V 24V 24V 24V 24V 24V 24V 24V 5V 5V 5V 5V 5V 5V 5V 5V 20K R4 20K R16 20K R28 20K R40 20K R52 20K R64 20K R76 20K R88 10K R10 10K R22 10K R34 10K R46 10K R58 10K R70 10K R82 10K R94 100 R3 100 R15 100 R27 100 R39 100 R51 100 R63 100 R75 100 R87 0 1uF C2 0 1uF C10 0 1uF C18 0 1uF C26 0 1uF C34 0 1uF C42 0 1uF C50 0 1uF C58 24V 24V 24V 24V 24V 24V 24V 24V 5V 5V 5V 5V 5V 5V 5V 5V 20K R6 20K R18 20K R30 20K R42 20K R54 20K R66 20K R78 20K R90 10K R11 10K R23 10K R35 10K R47 10K R59 10K R71 10K R83 10K R95 100 R5 100 R17 100 R29 100 R41 100 R53 100 R65 100 R77 100 R89 0 1uF C3 0 1uF C11 0 1uF C19 0 1uF C27 0 1uF C35 0 1uF C43 0 1uF C51 0 1uF C59 24V 24V 24V 24V 24V 24V 24V 24V 5V 5V 5V 5V 5V 5V 5V 5V 20K R2 20K R14 20K R26 20K R38 20K R50 20K R62 20K R74 20K R86 10K R9 10K R21 10K R33 10K R45 10K R57 10K R69 10K R81 10K R93 100 R1 100 R13 100 R25 100 R37 100 R49 100 R61 100 R73 100 R85 0 1uF C1 0 1uF C9 0 1uF C17 0 1uF C25 0 1uF C33 0 1uF C41 0 1uF C49 0 1uF C57 PO00 PO01 PO02 PO03 PO04 PO05 PO06 PO07 PO10 PO11 PO12 PO13 PO14 PO15 PO16 PO17 PO20 PO21 PO22 PO23 PO24 PO25 PO26 PO27 PO30 PO31 PO32 PO33 PO34 PO35 PO36 PO37 24V 24V 24V 24V 24V 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 PinAC1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 PinAC2 24V 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 IN1 P19 1 2 3 4 5 6 7 8 9 J1 AB 1 2 3 4 5 6 7 8 P1 B A 5V 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 OUT1 P19 5V PO00 PO01 PO02 PO03 PO04 PO05 PO06 PO07 PO10 PO11 PO12 PO13 PO14 PO15 PO16 PO17 PO20 PO21 PO22 PO23 PO24 PO25 PO26 PO27 PO30 PO31 PO32 PO33 PO34 PO35 PO36 PO37 O00 O01 O02 O03 O04 O05 O06 O07 O08 O09 O10 O11 O12 O13 O14 O15 O16 O17 O18 O19 O20 O21 O22 O23 O24 O25 O26 O27 O28 O29 O30 O31 O00 O01 O02 O03 O04 O05 O06 O07 O08 O09 O10 O11 O12 O13 O14 O15 O16 O17 O18 O19 O20 O21 O22 O23 O24 O25 O26 O27 O28 O29 O30 O31 out00 out01 out02 out03 out04 out05 out06 out07 out08 out09 out10 out11 out12 out13 out14 out15 out16 out17 out18 out19 out20 out21 out22 out23 out24 out25 out26 out27 out28 out29 out30 out31 out00 out01 out02 out03 out04 out05 out06 out07 out08 out09 out10 out11 out12 out13 out14 out15 out16 out17 out18 out19 out20 out21 out22 out23 out24 out25 out26 out27 out28 out29 out30 out31 U8 U12 U16 U20 U24 U28 U32 U2 U6 U10 U14 U18 U22 U26 U30 U3 U7 U11 U15 U19 U23 U27 U31 U1 U5 U9 U13 U17 U21 U25 U29 0 1uF C70C71 C72 C73 C74 C75 C76 C77 C78 C79 C80 C81 C82 C83 24V 0 1uF C86C87 C88 C89 C90 C91 C92 C93 C94 C95 C96 C97 C98 C99 24V C84 C85C100C101 O00 O01 O02 O03 O04 O05 O06 O07 O08 O09 O10 O11 O12 O13 O14 O15O16 O17 O18 O19 O20 O21 O22 O23 O24 O25 O26 O27 O28 O29 O30 O31 B1 1 B2 2 B3 3 B4 4 B5 5 B6 6 B7 7 C1 16 C3 14 C4 13 C5 12 C6 11 C7 10 C2 15 COM 9 E 8 U37 ULN2003AD B1 1 B2 2 B3 3 B4 4 B5 5 B6 6 B7 7 C1 16 C3 14 C4 13 C5 12 C6 11 C7 10 C2 15 COM 9 E 8 U33 ULN2003AD B1 1 B2 2 B3 3 B4 4 B5 5 B6 6 B7 7 C1 16 C3 14 C4 13 C5 12 C6 11 C7 10 C2 15 COM 9 E 8 U34 ULN2003AD B1 1 B2 2 B3 3 B4 4 B5 5 B6 6 B7 7 C1 16 C3 14 C4 13 C5 12 C6 11 C7 10 C2 15 COM 9 E 8 U35 ULN2003AD B1 1 B2 2 B3 3 B4 4 B5 5 B6 6 B7 7 C1 16 C3 14 C4 13 C5 12 C6 11 C7 10 C2 15 COM 9 E 8 U36 ULN2003AD 47uF C102 24V 图 3 1 数字量输出板电路原理图 天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业论文 21 3 1 23 1 2 输出板下层板原件清单输出板下层板原件清单 表 2 1 输入下层板板电路的原件清单 序号序号名称名称封装封装数量数量阻值阻值 1 电容 CC3216 1206320 1uF 2 电阻 CR2012 0805324K7 3 光电耦合器 DIP 432 4 电阻 CR2012 0805321K 5 电阻 CC3225 12103210K 6 10 孔端子排 PCBComponent 12 7 5 孔端子排 PCBComponent 12 8 4 孔端子排 PCBComponent 12 9 4 2 排针 HDR2X4 CEN1 10 8 2 排针 HDR2X8 CEN2 11 九针串口 DSUB1 385 2H91 12 功放 ULN2003 D0165 3 1 33 1 3 输出板下层板电压转换原理输出板下层板电压转换原理 DO 模块和 DI 模块的上层板电路完全一样 能提高电路板的利用率 唯一的区 别是程序不一样 将输入点改为了输出点 底层板的通讯模块与 DI 模块的也是一样的 其隔离输入点部分设计原理见图 3 2 从图中可以看出 数字量输出板同样利用了电 光 电的转换原理 实现了芯片 端口电压到工业所需电压的转换 DI 板由 24V 转换为 5V DO 板由 5V 转换为 24V STC12C5A08S2 单片机芯片通过 J1 J2 和输出板相连 其中 通过 J2 连接各端口 通过 32 个 IO 口和 32 个端口相连 每一路