电子毕业论文-基于MAX485的双机通信系统毕业设计

2013 届 本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ）绪论现代智能通信系统是在计算机、电子、通讯和网络技术飞速发展的基础上，通过在已知初始条件及其约束条件下构造一个控制模型，实现对多项物理量实施精确和优化控制通信的系统。因此，对相关物理量进行精确无误和稳定可靠地数据传输非常重要。在自动化测量与控制系统中，各台智能仪器之间需要不断的进行各种信息的交换和传递，而不同设备之间进行的数字量信息的交换或传输就称为数据通信。例如，计算机与计算机之间、计算机与智能仪器之间、经常需要传输各种不同的数据。数据通信接口是计算机及智能设备连成网络必不可少的手段，也是智能仪器不可缺少的重要功能部件，智能仪器的数据通信功能显的更加重要。长期以来，串行总线只用于连接慢速外设或用作低速网络的总线。在电子发展迅速的今天，USB 设备越来越普及，它作为一种新的计算机串行通信协议，具有支持热插拔、即插即用、高速率、易于扩展等优点。RS-485 速度相对较低且有时需要构建专门的通信程序，有的还需自制界面，相对麻烦。当然，USB 接口可以转换成 RS-485 接口，且价格便宜，数据通信可靠性高，同样对于有 RS-232接口而没有 RS-485 接口的智能仪器， MAX232 与 MAX485 之间通过一定的电气连接，制作成相应的电路板以完成相应的数据通信过程。利用 RS-232C 和 PC 机的串行口制作一个烧写程序的电路，再利用程序界面 ISP 将程序烧写到 AT89S51芯片中。串行通信的关键是如何保证通信双方准确无误地进行数据传输。为了确保通信成功，除硬件连接必须保证正确外，通信双方必须在软件上有一系列的约定，即软件协议，包括数据传输速率、数据格式、校验方法、握手方式、通信过程等内容。RS-485 用于多个设备互连，构建数据传输网十分方便，而且它还可以高速远距离传输数据，许多智能仪器都配有 RS-485 总线接口，为网络互连。通常使用单片机作为核心控制器件，用各种传感器、MAX232 或 MAX485 等芯片组成。各回路之间和上下级之间通过高速数据通道交换信息，构成控制系统，具有数据获取、直接数字控制、人机交互以及监控和管理等功能。单片机之间以 RS-485标准总线结构连接，并分布在各个工作现场采集数据，后送主机处理。主机以串行方式与 PC 机 com1 端口连接，用计算机来显示测试结果，简单方便容易操作，这样的智能检测系统具有结构简单、价格低、功能相对简单等特点。如通信系统广泛用于外设与主机之间的通信，医院中已广泛应用的病房呼叫系统、各从机间2013 届 本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ）须经主机作为中介的多机通信系统、校园餐厅内各读卡器与主机间的数据通信系统等等。总之，RS-485 以它的低廉价格和数据标准总线的优势在市场中占有一定的地位。第 1 章 数据通信基础1.1 通信的分类及原理通信分为并行通信（数据的各位同时传送）和串行通信（数据逐位顺序传送）。图 1.1 是这两种通信方式的示意图。从图 1.1 中可以看到，在并行通信中，数据有多少位就需要多少条传送线；而串行通讯只需要一对传送线，故串行通讯能节省传送线，特别是当数据位数很多和远距离数据传送时，这一优点更加突出。串行通讯的主要缺点是传送速度比并行通信慢。并行通信 串行通信 图 1.1 并行通信与串行通信1.2 串行通信1.2.1 串行通信串行通信中，要把数据从一个地方传送到另一个地方，须使用通讯线路。数据在通讯线路两端的工作站（通讯设备和计算机）之间传送。依通讯方式，可将数据传送线路分成三种：1单工方式数据仅按一个固定方式传送。因而这种传输方式的用途有限，常用于串行口2013 届 本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ）的打印数据传输与简单系统间的数据采集。2单双工方式数据可实现双向传送，但不能同时，采用某种协议实现收/发开关转换。3全双工方式允许双方同时进行数据双向传送，一般全双工传输方式的线路和设备较复杂。1.2.2 串行通信的两种方式1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，紧接着是若干个数据位，图 1.2 和图 1.3 是传输 35H 的数据格式（低位在前，高位在后） 。2同步通信同步通信格式中，发送器和接受器由同一个时钟源控制。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，这占用了传输时间，在要求传送数据量较大的场合，速度就显得慢得多。同步通信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。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。图 1.2 异步通信一帧数据格式图 1.3 同步通信一帧数据格式1.2.3 信号的调制与解调2013 届 本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ）当异步通信的距离较远时，通常是用电话线传送，由于电话线的频带不够宽，再加上远距离传输时信号不可避免地衰减，因而使信号发生明显的畸变。在这种情况下，发送时要用调制器（modulator）把数字信号转换为模拟信号，并加以放大再传送。在接收时，再用解调器（demodulator）检测此模拟信号，并把它转换成数字信号再送入智能仪器的接口。1.3 波特率的设定及通信协议1.3.1 波特率的设定1.3.1.1 波特率 通讯线上的字符数据是按位传送的，每一位宽度（位信号持续时间）由数据传送速率确定。波特率即数据传送速率的规定：单位时间内传送的信息量，以每秒传送的位（Bit ）表示，单位为波特，即：1 波特=1 位/秒（bps） 。在异步串行通讯中，接收设备和发送设备保持相同的传送波特率，并以每个字符数据的起始位与发送设备保持同步。起始位、数据位、奇偶位和停止位的约定，在同一次传送过程中必须保持一致，这样才能成功地传送数据。1.3.1.2 接收与发送时钟二进制数据系列在串行传送过程中以数字信号波形的形式出现。不论接收还是发送，都必须有时钟信号对传送的数据进行定位。接收/发送时钟就是用来控制通讯设备接收/发送字符数据速度的，该时钟信号通常由外部时钟电路产生。在发送数据时，发送器在发送时钟的下降沿将移位寄存器的数据串行移位输出；在接收数据时，接收器在接收时钟的上升沿对接收数据采样，进行数据位检测。接收/发送时钟频率与波特率有如下关系：收/发时钟频率=n收/发波特率或收/发波特率=（收/发时钟频率）/n n=1，16， 64 （公式 1.1）在同步传送方式，必须取 n=1，即接收/发送时钟的频率等于收/发波特率。在异步传送方式，n=1，16，64，即可以选择接收/发送时钟频率是波特率的1，16 或 64 倍，因此可由要求的传送波特率及所选择的倍数 n 来确定接收/发送时钟的频率。接收/发送时钟的周期 Tc 与传送的数据位宽 Td 之间的关系是：Tc=Td/n （n=1 ，16，64） （公式 1.2）若取 n=16，那么异步传送/接收数据实现同步的过程是接收器在每一个接收2013 届 本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ）时钟的上升沿采样接收数据线，当发现接收数据线出现低电平时就认为是起始位的开始，以后若在连续的 8 个时钟周期（因 n=16，故 Td=16Tc）内检测到接收数据线仍保持为低电平，则确定它为起始位（不是干扰信号） 。通过这种方法，不仅能够排除接收线上的噪声干扰，识别假起始位，而且能够相当精确地确定起始位的中间点，从而提供一个准确的时间基准。从这个基准算起，每隔 16Tc 采样一次数据线，作为输入数据。一般来说，从接收数据线上检测到一个下降沿开始，如其低电平能保持（n/2）Tc（半位时间） ，则确定为起始位，其后每间隔 nTc 时间（一个数据位时间）在每个数据位的中间点采样。由此可以看到，接收/发送时钟对于收/发双方之间的数据传输达到同步是至关重要的。1.3.1.3 波特率的设计原理在串行通信中，收发双方对发送和接收的数据速率都有一定的约定，通过软件对 51 系列单片机的串行口编程可设置 4 种工作模式。模式 0 和模式 2 的波特率是固定的，而模式 1 和模式 3 的波特率是可变的，由定时器 T1 或 T2 的溢出率决定。串行口的 4 种工作模式对应 3 种波特率。由于输入的移位时钟来源不同，所以各种模式的波特率计算公式也不同。1模式 0 的波特率在模式 0 时（8 位异步收发模式） ，每个机器周期产生一个移位时钟，发送和接收一位数据。所以波特率定为振荡频率的 1/12，且不受 SMOD 的影响。串行数据通过 RXD 出入，TXD 输出移位时钟，它可发送或接收 8 位；8 个数据位（第一位为最低位） 。2模式 2 的波特率在模式 2（11 位异步收发模式） ，波特率的产生不同于模式 1，模式 2 的波特率由系统的振荡频率和 PCON 的最高位 SMOD 确定，当 SMOD=0 时，波特率为fosc/64；当 SMOD=1 时，波特率为 fosc/32；该模式可接收（通过 RXD）或发送（通过 TXD） 11 位，其中 1 个起始位 0，8 个数据位（第一位为最低位） ，1 个可编程的第 9 个数据位（TB8） ，以及 1 个停止位。3模式 1 和模式 3 的波特率模式 1（10 位异步收发模式）和模式 3（11 位异步收发模式）的移位时钟脉冲由定时器 T1 的溢出率决定，那么它们的波特率由定时器 T1 的溢出率与 SMOD值共同决定：模式 1 和模式 3 的波特率= （公式的 溢 出 率132TSMOD2013 届 本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ）1.3）模式 1 可接收（通过 RXD）或发送（通过 TXD）10 位，其中 1 个起始位0，8 个数据位（第一位为最低位） ，和 1 个停止位；在接收时，停止位进入SCON 寄存器的 RB8 位，波特率由 T1 的溢出率决定。模式 3 的接受和发送与模式 2 相同，区别在于模式 2 的波特率是可以通过编程（SMOD）控制的，而模式 3 的波特率是可变的（和 T1 的初值和方式有关） 。1.3.2 通信协议通信协议是对数据传送方式的规定，包括数据格式定义和数据位定义等。通信方式必须遵从统一的通信协议。串行通信协议包括同步协议和异步协议两种。要想保证通信协议成功，通信双方必须有一系列的约定，这种约定就叫做通信规程或协议，它必须在编程之前确定下来。1起始位当通信上没有数据被传送时处于逻辑“1”状态。当发送设备要发送一个字符数据时，首先发出一个逻辑“0”信号，这个逻辑低电平就是起始位。2数据位当接收设备收到起始位后紧接着就会收到数据位。数据位的个数可以是5、6、7 或 8，PC 机中经常采用 7 位或 8 位数据传送，AT89S51 串行口采用 8 位或 9 位数据传送。3奇偶校验位数据位发送完之后，便可以发送奇偶校验位。奇偶校验常用于有限差错检测，通信双方应约定一致的奇偶校验方式。如果选择偶校验，那么组成数据位和奇偶位的逻辑“1”的个数必须是偶数；如果选择奇校验，那么逻辑“1”的个数必须是奇数。4停止位约定在奇偶位或数据位（当无奇偶校验时）之后发送的是停止位。停止位是一个字符数据的结束标志，可以是 1 位、1.5 位或 2 位的低电平。接收设备收到停止位之后，通信线路上便又恢复逻辑“1”状态，直至下一个字符数据的起始位到2013 届 本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ）来。5波特率设置通信线上传送的所有位信号都保持一致的信号持续时间，每一位的宽度都由数据传送率确定，而传送速率是以每秒多少个二进制位来度量的，这就是波特率。6. 软件挂钩（握手）信号约定。本设计的握手协议到软件设计部分再进行详细的阐述。第 2 章 异步串行通信接口2.1 异步串行接口的分类本章主要介绍常见的标准串行接口,异步串行通讯接口有以下几类：1.RS-232C(RS-232A,RS-232B)2.RS422A,RS-423A3.20mA 电流环 4.RS-485采用标准接口后，能很方便地把各种计算机、外部设备、测量仪器有机地连接起来，构成一个测量、控制系统。RS-232C 是由美国电子工业协会（EIA）正式公布的、在异步串行通讯中应用最广的标准总线。它包括了按位串行传输的电气和机械方面的规定。适合于短距离或带调制解调器的通讯场合。为了提高数据传输率和通讯距离，EIA 又公布了 RS-449，RS-422，RS-423 和 RS-485 串行总线接口标准。20mA 电流环是一种非标准的串行接口电路，但由于它具有结构简单、对电器噪声不敏感的优点，因而在串行通讯中也得到广泛使用。AT89S51 单片机的串行口输入输出为 TTL 电平。这种以 TTL 电平传输数据的方式，抗干扰性差，传输距离短。为了保证高可靠性的通讯要求，增大通信距离，在选择接口标准时，须注意以下几点：1.可靠性。串行通信通道主要是传输数据和指令的通道，不允许有传输错误。2013 届 本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ）因此，在串行通道的各个环节上都要保证有高可靠性的传输。其中包括满足传输环境要求的接口标准选择，因为不同的接口标准只有满足特定的环境条件，才能可靠地工作；芯片的可靠性保证措施，如通信状态测试，误码校验等。2.通讯速度和通讯距离。通常的标准串行接口的电气特性，都有满足可靠传输时的最大通讯速度和传送距离指标。但这两个指标之间具有相关性，适当地降低通讯速度，可以提高通讯距离。3.抗干扰能力。通常选择的标准接口，在保证不超过其实用范围时都有一定的抗干扰能力，以保证可靠的信号传输。但在一些工业测控系统中，通讯环境往往十分恶劣，因此在通讯介质选择、接口标准选择时要充分注意其抗干扰能力，并采用必要的抗干扰措施。在高噪声污染环境中，通过使用光纤介质减少噪声干扰，通过光电隔离提高通讯系统的安全性都是一些行之有效的办法。2.2 RS-232 及 RS-422A 与 RS-423A 总线标准芯片及接口2.2.1 RS-232 总线标准、芯片及接口电路RS-232C 是美国电子工业协会 EIA（Electronic Industry Asseciation）制定的一种串行物理接口标准，RS 是英文“推荐标准”的缩写， 232 为标识号，C 表示修改次数，RS-232C 总线标准设有 25 条信号线；包括一个主通道和一个辅助通道，在多数情况下，主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现。RS-232C 标准规定驱动器允许有 2500的电容负载，通信距离将受此电容限制。传输距离短的另一个原因是 RS-232C 属单端信号发送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于 20m 以内的通信。1.接口信号说明 表 2.1 常用的 RS-232 接口信号 2013 届 本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ）图 2.1 给出了 RS-232C 的 “D”型 9 针插头引脚定义图，表 2.1 给出了“D”型 25 针插头引脚中常用的引脚信号的说明。 2.（RS-232）收 /发器芯片主要特性： 带有12的 ESD 保护功能，并采用单+5V 电源； 可兼容 RS-232 电气标准； 0.1充电泵电容；为单接器/单发器； 片内含有 DC/DC 变换器；工作温度为 -40+85； 具有4.2V 输出摆动（对于+5V 电源） ； 工作电流低于 0.6，并有超低功耗关闭模式；3.电气特性RS-232C 采用负逻辑：逻辑“1”： -5V-15V ； 逻辑“0”： +5V+15V表 2.2 RS-232C 电气特性表带 37K 负载时驱动器的输出电平 逻辑 1：-5 V 到-15V ；逻辑 0：+5V 到+15V不带负载时驱动器的输出电平 -25V 到+25V驱动器通断时的输出阻抗 300输出短路电流 0.5A驱动器转换速率 30V/S接收器输入阻抗 在 3k 到 7k 之间接收器输入电压的允许范围 -25 到+25V图 2.1 D型 9针 插 头 引 脚 定 义2013 届 本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ）输入开路时接收器的输出 逻辑 1输入经 300 接地时接收器的输出 逻辑 1+3V 输入时接收器的输出 逻辑 0-3V 输入时接收器的输出 逻辑 1最大负载电容 2500pF4RS-232C 标准接口的实现及电平转换构成 RS-232C 标准接口的硬件有多种，如 INS8250、Intel1825A、Z80-SIO等通讯接口芯片。通过编程可使其满足 RS-232C 通讯接口的要求，如 IBM-PC系列微机配备的标准 RS-232C 接口就是由 INS8250 芯片构成的。RS-232C 的电气标准并不能满足 TTL 电平传送要求，当 RS-232C 电平接口时，必须进行电平转换。目前 RS-232C 与 TTL 的电平转换最常用的芯片是传输线驱动器 MC1488 和传输线接收器 MC1489，其内部结构与管脚配置如图所示。它们除了电平转换外，还实现正负逻辑电平的转换。MC1488 和 MC1489 内部如下图所示。 图 2.2 RS-232C 电平转换芯片 MC1488 和 MC1489MC1488 内部有三个与非门和一个反向器，供电电压为12V，输入为 TTL 电平，输出为 RS-232C 电平，可完成 TTL 电平到 RS-232 电平的转换。MC1489 内部有四个反向器，输入为 RS-232C 电平，输出为 TTL 电平，供电电压为+5V，MC1489 中每一个反向器都有一个控制端，高电平有效，可作为 RS-232C 操作的控制端。TTL 与 RS-232C 的电平接口电路如图所示，可完成 RS-232电平到 TTL 电平的转换。2013 届 本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ）图 2.3 RS-232C 接口电平转换电路5RS-232C 标准接口的发展新型专用芯片 MAX232，它为单一+5V 供电，内置自升压电平转换电路，一个芯片能同时完成发送转换和接收转换的双重功能。6RS-232C 标准接口的缺点数据传输速率一般低于 20kb/s，传输距离一般局限于 15m，即使采用较好的器件及优质同轴电缆，最大传输距离也不超过 60m。2.2.2 RS-422A 与 RS-423A 总线标准、芯片及接口电路1.电气特性 RS-422A 标准规定了差分平衡的电气接口，它采用了平衡驱动和差分接收的方法。相当于两个单端驱动器，输入同一个信号时，其中一个驱动器永远是另一个驱动器的反相信号。于是两条线上传输的信号电平，当一个为逻辑“1”时，另一条一定为逻辑“0”。当干扰信号作为共模信号出现时，接收器接收差分输入电压，只要接收器有足够的抗共模电压工作范围，就能识别两个信号并正确接收传输的信息。因此，RS-422A 能在长距离、高速率下传输数据。它的最大传输率为 10Mbit/s,在此速率下，电缆允许长度为 12m，如果采用较低传输速率时，最大距离可达 1200m。RS-422A 电路由发送器、平衡连接电缆、电缆终端负载、接收器四部分组成。在电路中只能有一个发送器，可有多个接收器，常采用点对点通信方式。该标准允许驱动器输出为2V6V，接收器可以检测到的输入信号电平可低到200mV。2.电平转换2013 届 本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ）TTL 电平转换为 RS-422A 电平常用的芯片有SN75172、SN75174、MC3487、AM26LS30、AM26LS31、UA9638 等。器件特性，最大电缆长度为 12km，最大数据传输率为 10Mbit/s，无负载输出电压6V，加负载输出电压2V，最大输入电压为12V，断电下输出阻抗4k 欧姆，短路输出电流150mA。可将 RS-422A 电平转换为 TTL 电平的常用芯片有SN75173、SN75175、MC3486、AM26LS32、AM26LS33、UA9637 等。2.3 RS-485 总线标准、芯片及 20mA 电流环串行接口132.3.1 RS-485 总线标准、芯片及接口电路1.电气特性 RS-485 是 RS-422A 的变型，它与 RS-422A 的区别在于：RS-422A 为全双工，采用两对平衡差分信号线；而 RS-485 为半双工的，采用一对平衡差分信号线。RS-485 对于多站互连是十分方便的，RS-485 标准允许最多并联 32 台驱动器和 32台接收器。总线两端接匹配电阻 100 欧左右，驱动器负载为 54 欧。驱动器输出电平在-1.5V 以下时为逻辑“1” ，输出电平在+1.5V 以上时为逻辑“0” 。接收器输出电平在-0.2V 以下时为逻辑“1” ，输出电平在+0.2V 以上时为逻辑“0” 。RS-485 传送速率最高为 10Mbit/s，最大电缆长度为 1200m。2.电平转换在 RS-422A 标准中所用到的驱动器和接收器芯片，在 RS-485 中均可使用。此外，还有收发器 SN75176 芯片，该芯片集成了一差分驱动器和一差分接收器，芯片管脚排列如图 2.5 所示，其引脚说明如下页表 2.3，功能表如图 2.4 所示。 图 2.4.1 SN75176 驱动器功能表 图 2.4.2 SN75176 接收器的功能表图 2.4 MAX485 的电平转换芯片 SN75176 驱动器和接收器的功能表3.芯片介绍 表 2.3 MAX485 的电平转换芯片引脚说明2013 届 本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ）图 2.5 MAX485 的电平转换芯片 某一时刻两个站中只有一个站可以发送而另一个站只能接收数据，发送和接收电路的发送控制端及接收控制端在硬件电路连接和软件编程中起着重要作用。4.MAX485 芯片应用示例 图 2.5 MAX485 应用于双机通信 图 2.6 MAX485 应用于多机通信 设计中单片机和 MAX485 构成通信系统时的电路连接简单示意为图 2.7。图 2.7 AT89S51 和 MAX485 构成双机通信系统时电路连接2.3.2 20mA 电流环串行接口 2013 届 本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ）20mA 电流环串行接口也是目前串行通讯广泛使用的一种接口电路,但未形成正式标准。这种接口要比 RS-232C 接口简单的多,它只有 4 根线:发送正,发送负,接收正,接收负四根线组成一个输入电流回路,一个输出电流回路。当发送数据时,根据数据的逻辑 1、0,有规律的使回路形成通、断状态,即回路无电流表示逻辑 0,有 20mA 电流时表示逻辑 1。电流环路串行通讯接口的最大优点是低阻传输线对电气噪声不敏感,易实现光电隔离。因此,在长距离传输时,要比 RS-232C 优越得多。电流环在低速度传输时,传输距离可达 1000m,电流环数据信号调整电路如图 2.8 所示。图 2.8 电流环数据信号调整电路应当指出,对 RS422A、RS-423A 与 RS-485 总线, 表 2.4 各项性能对比中所列出的最大传输速率和最大传输距离并不能同时达到。传输距离长时,传输速率就低一些；传输距离短时,传输速率就高一些。传输速率和传输距离的关系如图2.9。图 2.9 传输速率和传输距离的关系表 2.4 对 RS232C、RS422A 与 RS-485 各项性能对比2013 届 本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ）RS-232C RS-422A RS-485 20mA电流环功能 双向，全双工 双向，全双工 双向，半双工 双向，全双工传输方式 单端 差分 差分 20mA电流阻断逻辑0电平 3V15V 2V6V 1.5V6V 0mA逻辑1电平 -3V-15V -2V-6V -1.5V-6V 20mA最大速率 20Kbit/s 10Mbit/s 10Mbit/s /最大距离 30m 1200m 1200m 1000m驱动器加载输出电压 5V15V 2V 1.5V /接收器输入灵敏度 3V 0.2V 0.2V /接收器输入阻抗 37k欧姆 4k欧姆 7k欧姆 /组态方式 点对点 1台驱动器 10台接收器32台驱动器 32台接收器点对点抗干扰能力 弱 强 强 强传输介质 多芯电缆 二对双绞线 一对双绞线 多芯电缆常用驱动器芯片 MC1488 SN75174等 SN75174等 /常用接收器芯片 MC1489 SN75175等 SN75175等 /实践证明,在构成 RS-485 总线互连网络时,通常需要考虑下列几个问题。1传输线的选择和阻抗匹配。在差分平衡系统中，一般采用双绞线作为信号传输线（感应电动势相互抵消）。双绞线的特性阻抗一般在 110130 欧姆之间，通常在传输线末端接一个 120欧姆的电阻进行阻抗匹配。2隔离及信号转换RS-485 在多站互连时，相距较远的不同站之间的地电位差可能很大，各站若直接连网，则很有可能导致接口芯片的损坏，可以通过将各站的串行通信接口电路与其它站进行电气隔离；完成信号转换的通常采用 SN75176 及 MAX485 等。3. 抗静电放电冲击及传输线的铺设及屏蔽可选用带静电放电保护的 RS-485 接口器件，或在传输信号线上加钳位电路。在系统安装时，传输线单独铺设，不与交流动力线铺设在同一条电缆沟中。强信号线与弱信号线避免平行走向，两者尽量正交。2013 届 本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ）第 3 章 系统硬件电路的组成3.1 AT89S51 简介3.1.1 AT89S51 内部结构特性AT89S51 有：(1)8 位 CPU；(2)128BRAM；(3)4KROM；(4)16 根 AB（address bus）可寻址 64KB 片外 ROM 及 RAM；(5)各 8 位的 P0、P1、P2、P3 口,其中 P0 口为内部不带上拉电阻( CMOS 管构成)的双向口及分时提供低 8 位地址和数据；P1 和 P2 及 P3 口为内部带有上拉电阻( CMOS 管构成)的准双向口；P2 口用作高 8 位地址和普通的 I/O 口；P3 口除了作普通的 I/O 口外它的的每一位具有第二功能，即从低位到高位分别为 RXD,TXD,INT0,INT1,T0,T1,WD,RD；(6)全双工的异步串行口；(7)两个 16 位的定时器/计数器；(8)五个中断源：外部中断 0, 外部中断 1, 定时器/计数器 T0, 定时器/计数器 T1, 串行口中断 RI/TI，两个中断优先级由IP 控制；（9）有强大的布尔处理，即位操作能力，可以完成各种逻辑运算。图 3.1 AT89S51 的 DIP 管脚排列图3.1.2 AT89S51 引脚定义及功能特性如图 3.1 AT89S51 的采用 40 脚（DIP）形式的管脚排列，现讲解一下它的引脚的名称和功能及注意问题。2013 届 本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ）1.基本引脚(主电源引脚及对应关系)(1) Vcc（20 脚）：接+5V。 (2) Vss（40 脚）：接地。 2.时钟电路引脚 XTAL2 和 XTAL1（如图 3.2 所示）图 3.2 本次设计中时钟电路引脚 XTAL2 和 XTAL1 的电路连接3.复位键 Reset（9 脚）第一功能: 复位，当 Reset 端保持两个机器周期以上的高电平时，可对单片机进行复位操作。第二功能:Vpd 是内部电源的输入端，当主电源掉电或低于规定电平时，由Vpd 向内部 RAM 供电，以保证片内 RAM 中的信息不丢失，使上电后能正常工作。4.并行扩展总线P0、P1、P2 及 P3 口均在上一页做了简要说明,在此不再赘言。5.控制信号引脚ALE：第一功能，由于在访问外部 ROM/RAM 时，P0 口分时提供低 8 位地址和数据，为了使数据和地址不至于混淆，通常先送地址后送数据，ALE(允许地址锁存)用来将 P0 口输出的低 8 位地址锁存，从而实现低 8 位地址和数据的分离。第二功能，在不访问外部 ROM/RAM 时，ALE 将以时钟振荡频率的 1/6 的固定频率输出。每当访问一次外部 ROM，ALE 将减少一次脉冲；ALE 口能驱动 8 个 LSTTL 负载。/PSEN：第一功能，外部 ROM 的读选通信号的输出端，当访问外部的 ROM 时，它将定时产生负脉冲作为，外部 ROM 的读选通信号每个机器周期有效 2 次，能驱动 8 个 LSTTL 负载。 /EA 为读 ROM 控制信号：当/EA=1 时，CPU 访问内部 ROM；/EA=0 时，CPU 访问外部 ROM；对无外部 ROM 的/EA 要接高电平即 Vcc，对无内部 ROM 的/EA 要接低电平即 Vss，此要点从本次设计的实验板上可以清楚地观察到。3.1.3 AT89S51 的定时器/计数器、中断和串行口由于本设计用到了定时器/计数器处于定时方式下模式 2（自重载） ，2013 届 本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ）PCON（电源控制及波特率选择）以及 SCON（串行控制） ，故讲解一下 51 单片机的定时器/计数器、中断。1.主要特性51 单片机有两个可编程的定时器/计数器 t0 和 t1，可由程序选择作为定时器用或作为计数器用，由程序设定定时时间或计数值；定时器/计数器具有四种不同的工作方式可由程序选择及设置；任一定时器/计数器在定时时间到或计数值到时，可由程序安排产生中断请求信号或不产生中断请求信号并进行相应的处理。2. 定时/计数器的工作方式定时器/计数器 0 由特殊功能寄存器 TL0（低 8 位）和 TH0（高 8 位）构成，定时器/计数器 T1 由特殊功能寄存器 TL1（低 8 位）和 TH1（高 8 位）构成。特殊功能寄存器 TMOD 控制定时/计数器寄存器的工作方式，TCON 则用于控制定时器/计数器 T0 和 T1 的启动和停止计数，同时管理定时器 T0 和 T1 的溢出标志等。程序开始时需对 TL0、TH0、TL1 和 TH1 进行初始化编程，以及定义它们的工作方式和控制 T0 和 T1 的计数。MCS-51 的定时/计数器共有四种工作方式。（1） 工作方式 0定时/计数器 T0 的工作方式 0 电路逻辑结构见图 3.3（定时/计数器 1 与其类似） ，工作方式 0 是 13 位计数结构的工作方式，其计数器由 TH0 的全部 8 位和TL0 的低 5 位构成，TL0 的高 3 位没有使用。当 =0 时，多路开关接通振荡脉冲的 12 分频输出，13 位计数器依次进行计数，这就是定时工作方式。当 =1 时，多路开关接通计数引脚（To） ，外部计数脉冲由引脚 To（P3.4）输入。当计数脉冲发生负跳变时，计数器加 1，这就是我们常称的计数工作方式。图 3.3 定时器/计数器 T0 方式 0 结构定时/计数器 T0 的工作方式 0 时，当 TL0 的低 5 位溢出时，会向 TH0 进位，而全部 13 位计数器溢出时，则会向计数器溢出标志位 TF0 进位。2013 届 本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ）我们讨论门控位 GATE 的功能，GATE 位的状态决定定时器运行控制取决于TR0 的一个条件还是 TR0 和 INT0 引脚这两个条件。当 GATE=0 时，由于 GATE 信号封锁了或门，使引脚 INT0 信号无效，这时候如果 TR0=1，则接通模拟开关，使计数器进行加法计数，即定时/计数工作。而 TR0=0，则断开模拟开关，停止计数，定时/计数不能工作。当 GATE=1 时，或门的输出端由 TR0 和 INT0 电平的状态确定，此时如果TR0=1，INT0=1 与门输出为 1，允许定时/计数器计数，在这种情况下，运行控制由 TR0 和 INT0 两个条件共同控制，TR0 是确定定时/计数器的运行控制位，由软件置位或清“0” 。如上所述，TF0 是定时/计数器的溢出状态标志，溢出时由硬件置位，TF0 溢出中断被 CPU 响应时，转入中断时硬件清“0” ，TF0 也可由程序查询和清“0” 。 （2） 工作方式 1当 M1M0=01 时，定时/计数器处于工作方式 1，仍以定时器 0 为例，其计数器由 TH0 的全部 8 位和 TL0 的低 8 位构成，定时器 1 工作方式 1 时原理类似。（3） 工作方式 2当 M1M0=10 时,定时/计数器处于工作方式 2.此时其等效电路如图 3.4 所示。我们还是以定时/计数器 0 为例，定时/计数器 1 电路与之完全一致。图 3.4 定时器/计数器 T0 方式 2 结构程序初始化时，给 TL0 和 TH0 同时赋以初值，当 TL0 计数溢出时，置位 TF0的同时把预置寄存器 TH0 中的初值加载给 TL0，TL0 重新计数。如此反复，省去了程序中不断需给计数器赋值的麻烦，计数准确度也提高了，但最大只能到255。适合于重复计数的应用场合。例如，我们可以通过这样的计数方式产生中断，从而产生一个固定频率的脉冲。本设计中用其作串行数据通信的波特率发生器使用。(4) 工作方式 32013 届 本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ）当 M1M0=11 时，定时/计数器处于工作方式 3，只适用于定时器 T0，在这种情况下，定时/计数器 1 通常作为串行口的波特率发生器使用，以确定串行通信的速率，只能把计数溢出直接送给串行口，在此不再详叙。3.2 标准+5V 电源电路及显示电路的分析与设计3.2.1 标准+5V 电源电路由于市电为 220V50Hz 交流电，而单片机所需为直流+5V 电源供电，故需进行相应的电源电路设计。考虑目前集成稳压电路应用十分广泛，有固定式稳压电路和可调式稳压电路，前者输出电压为固定值，后者可通过外接元件使输出电压得到很宽的调节范围。这次设计采用 W78M05。1.电路原理简要分析图 3.5 电源电路原理图如图 3.5 所示，220V50Hz 交流电经全波整流，接着由于大电容的滤波作用在大电容的 1 管脚处为脉动直流，滤波效果取决于放电时间（电容放电回路的放电时间常数 RLC 通常远大于充电的时间常数）。电容愈大，负载电阻愈大，滤波后输出电压愈平滑，并且平均值愈大。为获得较好的滤波效果，滤波电容的容量满足 RLC=（35）T/2 的条件。2. W7805 三端稳压器由于 W7800 系列的三端稳压电路为固定式稳压电路，其输出电压有5V、6V、9V、12V、15V、18V 和 24V 七个档次，输出电流分 1.5A（W7800）、0.5A（W78M00）和 0.1A（W78L00）三个档次。其主要参数如表 3.1。表 3.1 W7805 的主要参数参数名称 符号 测试条件 单位 W7805 典型值输入电压 Ui V 10输出电压 Uo Io=500mA V 5最小输入电压 Umin Io1.5A V 72013 届 本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ）电压调整率 Su Io=500mA,8VUi18V mV 7电流调整率 Si 10mAIo1.5A mV 25输出电压温度变化率 Sr Io=5mA mV/C 1输出噪声电压 Uno 10Hzf100kHz uV 403.整流二极管的选择由于电容滤波后输出平均电流增大，而二极管的导通角反而减小，所以整流二极管在短暂的时间内将流过很大的冲击电流为电容充电，这对二极管的寿命很不利，所以选用较大容量的整流二极管，通常应选择其最大整流平均电流 If 大于负载电流的 23 倍。3.2.2 显示电路的分析 在本设计中,显示电路采用了共阳极的 8 段 LED 中的 BS207 作为显示器件,故对其内部原理进行简要分析如下。并对它和 74LS164 的接口进行分析。图 3.6 BS207 元件标识符及内部电路原理图如上图 3.6 BS207 内部电路原理图，BS207 为共阳极的 8 段 LED，结合图 3.7 74LS164 内部电路原理图。并通过异步串行通信方式 0 连接得图 3.8。图 3.7 74LS164 内部电路原理图2013 届 本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ）图 3.8 IN4007、74LS164 和 BS207 电路连接原理图由图 3.8 连接可得在软件编程中相应的代码，便于调试，具体代码在程序中。3.3 AT89S51 芯片程序烧写电路的分析与设计烧写电路的原理如图 3.9，简要分析如下：1.电平转换电路新型专用芯片 MAX232，它为单一+5V 供电，内置自升压电平转换电路，能同时完成发送转换和接收转换的双重功能，即能完成 TTL 电平到 RS-232 电平的转换和 RS-232 电平到 TTL 电平的转换。图 3.9 程序烧写电路原理图2.烧写时序分析串行口（DB9 型）已在图 2.1 详细介绍，包括 1 脚（载波检测）、2 脚（接收数据）、3 脚（发送数据）、4 脚（数据终端就绪）、5 脚（信号地）、6 脚（数据装置就绪）、7 脚（请求发送）、8 脚（清除发送）、9 脚（振铃指示）。烧写主要利用 AT89S51 的 6、7、8 脚的第二功能： MOSI 接 P1.5 (6 脚)，MOSO接 P1.6 (7 脚) ，SCK 接 P1.7 (8 脚) ，RESET 接 RST (9 脚)。配合 ISP 软件烧写程序。标准+5V 电源电路和复位电路此处不再详叙，当电路接好后使单片机处于复位状态（烧写状态），对 ISP 软件进行相应的操作完成程序的烧写过程，实际上2013 届 本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ）此电路为单片机和 PC 机借助 ISP 软件进行通信的硬件电路之一，其软件部分为ISP 安装源程序的核心内容。3.4 RS-232 接口与 RS-485 接口转换电路分析与设计RS-232 接口与 RS-485 接口转换电路原理图如图 3.10，该电路主要用于通过工控机对现场的电器进行控制，对于有的工控机无 RS-485 接口而有 RS-232 接口，而电器设备有 RS-485 接口而无 RS-232 接口的电器工业场合需要用该电路，其作用即完成 RS-232 接口到 RS-485 接口信号的转换，简要分析如下。RS-232 与 RS-485 转换器主要包括了电源、RS-232 电平转换、RS-485 电路三部分。本电路的 RS-232 电平转换电路使用 MAX232 集成电路，RS-485 电路采用了 MAX485 集成电路。在半双工使用中，通常可以将这两个脚直接相连，然后由PC 或者单片机输出的高低电平就可以让 MAX485 在接收和发送状态之间转换了。由于本电路使用 TX 线和 HIN232 的另外一个通道及 Q1 来控制 MAX485 的状态切换。平时 NIH232 的 9 脚输出高电平，经 Q1 倒相后，使 MAX485 的 RE 和 DE 为低电平而处于数据接收状态。当 PC 机发送数据时，NIH232 的 9 脚输出低电平，经 Q1 倒相后，使 MAX485 的 RE 和 DE 为高电平而处于数据发送状态。 例如：DB9 的 2 脚（接收数据端，相对于另外一个 DB9 而言）现为+5V（RS-232 的逻辑 0）连接 MAX232 的 13 脚（R1IN，RS-232 电平信号输入端）后经MAX232 的 12 脚（T1IN，14 脚 RS-232 电平信号转换后的 TTL 电平输出端）再经MAX485 的 4 脚（接收器输出端），假若/RE 为 0（允许接收），有用信号才能到达 B 端。2013 届 本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ）图 3.10 RS-232 接口与 RS-485 接口转换电路原理图现在市场上有这种电路的集成电路，大多采用 SMT 工艺，同时也有相应的软件供用户操作，完成对其电器设备的控制，如 PC 机对变频器的控制，用户需要编制相应的程序经编译成二进制文件后发送相应的信号去控制变频器的转速等等。3.5 双机通信系统电路图及电路板的分析与设计完成双机通信系统需要相应的主硬件电路，如图 3.11 所示。该主硬件电路包括+5V 电源电路模块、AT89S51 芯片电路模块、复位电路模块、显示电路模块、MAX485 电路模块、按键控制电路模块、蜂鸣器电路模块等。显示电路模块采用 AT89S51 单片机串行口的模式 0（异步 8 位同步移位寄存器方式） ，其电路连接如前 3.2.2 中图 3.8 所示。该方式下 AT89S51 的P3.0（RXD）脚输出数据接 74LS164 的 AB 脚，P3.1（TXD）脚产生移位脉冲接74LS164 的 clk 脚。注意 BS207 的 Vcc 脚电压约为 2V，在静态电路中+5V 经 4 个IN4007 串联导通后的电压接 BS207 的 Vcc 脚。通信电路采用 AT89S51 单片机串行口的模式 1,且允许接收（异步 10 位） ，MAX485 电路模块采用 AT89S51 单片机的 P1.6 脚控制 DE，P1.7 脚控制/RE，P3.0（RXD）脚接 RO，P3.1（TXD）脚接 DI。复位电路模块采用上电自动复位和按键电平复位相结合的电路，如图 3.11所示。上电复位利用电容器充电来实现，上电瞬间，RC 电路充电，RST 引脚出现正脉冲，只要 RST 引脚端连续有大于 2 个机器周期的高电平，可靠复位；程序运行过程中亦可通过复位按键完成复位操作。2013 届 本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ）图 3.11 双机通信系统主电路模块原理图对双机通信系统的主硬件电路分析后，在 Proteus 软件中进行调试，实践证明这个电路可以完成相应的功能，故对其进行印刷电路板的制作。通过Protel99SE 软件，对各个元器件的封装进行制作及寻找，对每个元器件的每一个引脚的电气连接进行分析和考证，最终得到 PCB 图，如图 3.12 所示。热转印到成品硬件调试过程。先将制好的 PCB 图按 1：1 打印到热转印纸上，接着将单层板上的保护层用砂纸轻轻打去，并用水冲去。待晾干后，将先前的已打印过的热转印纸敷到铜板上，紧接着将其放到热转印机入口，开始转印。将已转印过的铜板除去热转印纸然后用三氯化铁容液将铜板上未被墨粉覆盖的地方腐蚀掉。打孔时，注意钻头要大小得当。然后用砂纸轻轻打去板上的墨粉及钻孔边缘的不光滑处，并用水冲去。将光亮的铜板赶紧涂上一层先前已配置好的松香与酒