畢業(yè)設計單片機多機通訊在家居系統(tǒng)中的應用[優(yōu)質薈萃]

1、特選分享#畢畢 業(yè)業(yè) 設設 計計 題目 單片機多機通訊在家居系統(tǒng)中的應用 系別 專業(yè) 班級 姓名 學號 指導教師 日期 特選分享#設計任務書設計題目：設計題目：單片機多機通訊在家居系統(tǒng)中的應用設計要求：設計要求：1. 在四個居室中分別設有溫度傳感器模塊和濕度傳感器模塊，利用主從式多機通訊結構，采用一片主機（上位機）和四個從機（下位機） ，以上位機對下位機進行互相控制，可以對燈光的控制，而且下位機能做到本地控制。2. 設置四組數(shù)碼管顯示各個居室的濕度和溫度環(huán)境數(shù)值，以及燈光的開、關，兼微調的顯示。3. 當四個居室中環(huán)境參數(shù)值超出系統(tǒng)設定的值時，系統(tǒng)就會報警。否則，系統(tǒng)恢復原設定值，繼續(xù)正常運行。

2、設計進度要求：設計進度要求：第十一周：查閱資料，與指導教師進行交流，確定畢業(yè)設計題目和內容。第十二周：進行資料查閱（去圖書館借相關資料書和上網(wǎng)下載有關資料） 。第十三周：根據(jù)資料設計計算。第十四周：根據(jù)資料寫程序以及畫框圖，找指導教師檢查、指導，保證設計內容的正確性。第十五周：整理完善設計內容、按照畢業(yè)設計規(guī)范進行設計報告的撰寫。 第十六周：最終確定設計論文，打印裝訂，準備畢業(yè)答辯和指導教師評閱等。指導教師（簽名）：指導教師（簽名）： 特選分享#摘要 本系統(tǒng)利用多片 MCU 組成了一個簡單、安全、智能化的居室環(huán)境監(jiān)控網(wǎng)絡,具有性能好、可靠性高、通訊硬件接口簡單、檢測精度高、操作簡單的優(yōu)點。本系

3、統(tǒng)采用主從式多機通訊網(wǎng)絡結構,以 RS-485 總線標準進行多機通訊,具有很高的抗干擾能力、成本低、實現(xiàn)比較簡單的特點。各居室的溫度、濕度以及燈的狀態(tài)均可以集中到上位機顯示。設有溫度、濕度的上下限報警,提示環(huán)境已不適合居住。另外上位機還能對各室的日光燈及白熾燈進行開、關以及微調控制。 本文的主要工作為設計硬件和軟件。分別介紹了溫度測量傳感器、濕度傳感器、AD 轉換器的功能和選擇使用情況,及一些微控制器的性能和參數(shù)。軟件部分主要介紹設計思想及程序流程,并給出了部分程序清單。關鍵詞： 居室，濕度，溫度，RS485，單片機多機通訊特選分享#目 錄摘要.II1 系統(tǒng)簡介.11.1 主要性能參數(shù).11.

4、2 主要功能.12 系統(tǒng)設計方案的選擇及論證.32.1 設計思想.32.2 系統(tǒng)結構框圖.32.3 燈光控制模塊.42.4 溫度檢測模塊.62.5 濕度檢測模塊.72.6 A/D 轉換模塊 .112.7 通訊模塊.142.8 控制模塊.162.9 上位機外圍接口設計.172.10 系統(tǒng)電源的設計.203 系統(tǒng)設計的部分計算.213.1 溫度模塊放大倍數(shù)計算 .213.2 濕度檢測模塊的計算 .213.3 LED 數(shù)碼顯示器限流電阻計算 .223.4 蜂鳴器限流電阻計算 .224 系統(tǒng)軟件的設計.234.1 燈光的設計.234.2 上位機程序設計.244.3 下位機程序設計.265 系統(tǒng)調試.2

5、8結 論.29致 謝.30參考文獻.31附 錄 A .32特選分享#1 系統(tǒng)簡介本系統(tǒng)采用模塊化設計思想,主從式設計結構,監(jiān)控 4 個居室的環(huán)境參量(包括溫度、濕度及對居室燈光的控制) 。系統(tǒng)采用一片 AT89C51 作為上位機,向下傳送位機發(fā)送控制命令和數(shù)據(jù)及接收下位機傳送過來的數(shù)據(jù),并采用 4 位數(shù)碼管顯示各居室的溫度值和相對濕度值，以及居室內燈的顯示。該系統(tǒng)共設有 5 個按鍵(包括復位鍵、進入鍵、返回鍵、上調鍵和下調鍵) 。另外數(shù)碼管還兼有輔助顯示功能,以節(jié)省鍵盤。下位機采用 AT89C2051 單片機檢測各居室的溫度和濕度,并對這些參數(shù)進行調節(jié)控制;采用 MICROCHIP 公司的 P

6、IC12C508A 控制各居室的日光燈和白熾燈的亮度。4 片AT89C2051 單片機與主機之間采用 RS-485 總線標準進行通訊,分別安裝在各個居室,與主機的通訊地址為 01H、02H、03H、04H。1.1 主要性能參數(shù)主要性能參數(shù)1.工作電壓： AC220V10% 2.測量范圍： 溫度 0- +50 相對濕度 +25%RH- +75%RH3.測量精度： 溫度 0.5 相對濕度 5RH4.控制精度： 相對濕度 5RH5.顯示方式：溫度值小數(shù)點浮動顯示三位有效數(shù)字,相對濕度小數(shù)點浮動顯示三位有效數(shù)字。1.2 主要功能主要功能1. 顯示：當數(shù)碼管顯示“01” “02” “03” “04”分別

7、表示對 1、2、3、4 室進行操作； “L” “E” “H”分別表示對燈光、溫度、濕度環(huán)境參量進行操作； 當數(shù)碼管顯示“E” “L”分別表示對居室的日光燈、白熾燈操作； 當數(shù)碼管顯示“0” “1”分別表示對居室白熾燈的開、關(兼調亮、調暗功能) ； 當數(shù)碼管顯示“D” “S”分別表示對下位機傳來的數(shù)據(jù)進行顯示、對下位機進行設定控制目標值操作；特選分享#當目標操作完成后顯示“GOOD”,表示操作已成功。2下位機不僅能接受上位機對其燈光的控制，而且能夠做到本地控制。3對燈光的控制（尤其是對白熾燈）具有記憶性。4上位機可對下位機設定相對濕度控制目標。在上電復位后，如上位機不對下位機進行人工干擾，下位

8、機自動把各室環(huán)境濕度參量設定為默認值：45%RH。5當采集環(huán)境參量數(shù)據(jù)超過上、下限值時系統(tǒng)報警，表明環(huán)境已不適合居住，提示主人采取相應的措施。特選分享#2 系統(tǒng)設計方案的選擇及論證2.1 設計思想設計思想設計時，考慮到由于要檢測各居室的環(huán)境參量，傳感器就必須安裝在各居室，為了縮短從傳感器到單片機的信號傳輸距離，以避免遠距離傳輸，可采用主從式多機通訊系統(tǒng)設計。信號在主從機之間傳輸時，為了提高抗共模干擾能力、提高傳輸距離，可采用 RS-485 總線標準，同時以便與其他設備接口。為了降低設計難度，可采用模塊化設計思想。2.2 系統(tǒng)結構框圖系統(tǒng)結構框圖 根據(jù)上述設計思想，設計系統(tǒng)結構如圖 2.1 所示

9、：溫 度傳 感器放大下位機放大線性化控制總線驅動總線驅動控制線性化溫 度傳 感器放大下位機放大總線驅動燈光控制上位機鍵盤控制濕 度傳 感器濕 度傳 感器/轉換器/轉換器圖 2.1 系統(tǒng)結構框圖特選分享#2.3 燈光控制模塊燈光控制模塊2.3.1 燈光控制方案燈光控制方案 目前市場上的白熾燈普遍存在調光效果差，壽命短，不容易實現(xiàn)集中、智能控制等缺點。隨著數(shù)字化技術的迅猛發(fā)展，針對這種現(xiàn)狀，我們完全可以利用軟件延時來調節(jié)雙向可控硅觸發(fā)角來達到平滑調光的目的。這種方案的優(yōu)點是：調光平滑，操作簡單，壽命長，由于采用了微控制芯片易于實現(xiàn)集中控制和智能控制。2.3.2 微控指芯片的選擇微控指芯片的選擇 欲

10、實現(xiàn)上述控制方案，需要一個 I/O 引腳少，RAM 及程序存儲空間不大，可靠性高的小型微控制芯片。若采用 40 腳功能強大的 51 單片機或 20 引腳的 2051 單片機，使用起來不方便。而 MICROCHIP 公司的 PIC12C5XX 系列單片機2 僅有 8 個引腳，是目前最小的單片機，價格相當便宜（512BROM，25BRAM 的 PIC12C508 市場上售價僅 3 元5 元人民幣） ，對于上述控制方案是最合適不過的。PIC12C5XX 系列 8 位單片機在燈光方面與 51 系列 8 位單片機相比具有如下優(yōu)勢3：(1) 引腳少，占用空間小，容易做到超小型控制，使用起來方便；(2) 內

11、部采用數(shù)據(jù)線和指令線分離的哈拂結構，取指令和執(zhí)行指令可同時進行，執(zhí)行效率更高，速度更快。因采用了精簡指令集（RISC）與傳統(tǒng)的采用集中指令集（CISC）結構的 8 位單片機相比，可以達到 2：1 的代碼壓縮。速度可提高 4 倍；(3) 因其引腳具有抗瞬態(tài)變化的能力，通過限流電阻可以接到 220V 的交流電源獲得 50HZ 的同步波，從而可省去過零同步脈沖變壓器，而 51 系列單片機不允許這樣接；(4) 內置 4MHZ 的 RC 型振蕩器，可省接外部振蕩器；(5) 內置上電復位電路（POP） ；(6) 大驅動電流，每個 I/O 引腳最大控電流為 25mA，每個引腳最發(fā)灌電流為20mA?；谝陨蟽?yōu)

12、點，可采用 PIC12C508A 作為微控制芯片。2.3.3 鍵盤的設計鍵盤的設計 一片 PIC12508A 可控制一路白熾燈和一路日光燈，只需 3 個按鍵就可滿足上述特選分享#控制要求。本系統(tǒng)設計 1X3 獨立式鍵盤，利用 GP3，GP4，GP5 口來實現(xiàn)鍵盤掃描。其工作原理是 PIC12C508A 掃描這三位，確定某一按鍵開關均采用了上拉電阻，這是為了保證在按鍵斷開時，每個 I/O 口有確定的高電平。電路原理圖如圖 2.2 所示：按鍵功能：S-01：白熾燈開及調亮鍵 S-02：白熾燈斷及調暗鍵 S-03：日光燈開關鍵S-01、S-02 鍵：短時間按下起開關功能，按下超過 10mS 后則起調

13、光功能。S S- -0 01 1S S- -0 02 2S S- -0 03 3圖 2.2 燈光控制模塊鍵盤電路圖2.3.4 同步波同步波 可安排引腳 GP2 經(jīng) 4.7M（金屬實芯）的限流電阻直接接 220V 的交流市電，此方法已經(jīng)由上海索博智能電子有限公司的生產(chǎn)實踐所驗證。特選分享#2.3.5 與上位機的通訊與上位機的通訊 PIC12C508A 沒有現(xiàn)成的串行接口，且 I/O 引腳較少，故與上位機通訊比較困難。因其只接受上位機的控制，并不向上位機傳送數(shù)據(jù)，所以可直接作為上位機的I/O 引腳的擴展。如圖 2.2 所示，三態(tài)門只是為了在上位機不對其控制是確保與上位機隔離。2.3.6 相應管腳波

14、形圖相應管腳波形圖 引腳 GP2 的波形示意圖如圖 2.3 所示： 軟件延時圖 2.3 引腳波形圖2.4 溫度檢測模塊溫度檢測模塊2.4.1 溫度傳感器的選擇溫度傳感器的選擇首先對常用的幾種溫度傳感器進行比較如下：(1) 熱電偶溫度傳感器4：熱電偶檢測的溫度信號有如下特點：能用到高溫的熱電偶，信號都較小。即使是信號較大的 K 偶，在 1300時，也只有 52.398mV。這就意味著對檢測到的信號要進行放大。熱電偶分度表中給出的數(shù)據(jù)是以 0為參考點。實際應用時，環(huán)境常常不是 0。為熱電偶冷端創(chuàng)造一個 0環(huán)境，通常的作法是進行冷端補償。熱電偶的溫度信號非線性很大，尤其 B 偶。并且，各種熱電偶隨溫

15、度的升高，在某一溫度下，熱電勢的增加量變小。這就使線性化變得困難。特選分享#由于上述原因，熱電偶的溫度信號調理電路就比較復雜，經(jīng)常用在高溫環(huán)境測量，并不適用室溫這樣一個環(huán)境參量的測量，故本系統(tǒng)不采用。(2) 熱電阻溫度傳感器4：熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器。它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測量精確度是高的。測量范圍-200+500，應用時一般需要線性化，一般要采用三線制或四線制來消除引出線電阻的影響，硬件電路復雜，故本系統(tǒng)也未采用。(3) 熱敏電阻溫度傳感器5：測量范圍為-100+300，一般為負溫度系數(shù)且精度較底，所以本系統(tǒng)也未采用。(4) 集成溫度傳感器4：最常

16、用的電流型集成溫度傳感器 AD590 的測量范圍為-55+150幾乎為恒流源，線性度比較高，不需要外圍溫度補償和線性化處理電路，測溫線性度為0.5，精度高，靈敏度為 1A/1，信號容易處理，而且價格便宜，非常適合本系統(tǒng)。經(jīng)過以上比較，最后選用 AD590 作為本系統(tǒng)的溫度傳感器。 2.4.2 溫度傳感器信號處理模塊溫度傳感器信號處理模塊因傳感器 AD590 輸出電流信號，不能被單片機處理，需要轉化為電壓信號，可對電阻進行取樣。取樣電壓不滿足 A/D 轉換器的轉換電壓，故需要放大?？紤]設計精度，可采用儀表放大器。但由于集成儀表放大器 AD521 價格昂貴，相對于本系統(tǒng)來說成本太高，不經(jīng)濟，故采用

17、最普通的運算放大器 LM324 自行搭接儀表放大器6。2.5 濕度檢測模塊濕度檢測模塊2.5.1 濕度傳感器的選擇濕度傳感器的選擇濕度傳感器的核心元件是濕敏元件5。濕敏元件主要分電容式、電阻式兩大類。濕敏電容是用高分子薄膜電容制成的。當環(huán)境濕度發(fā)生改變時，濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，從而電容值。一般濕敏電容精度比濕敏電阻要低一些。濕敏電阻的特點是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時，元件的電阻率和電阻值都發(fā)生變化，利用這一特性即可測量濕度。濕敏電阻的優(yōu)點是靈敏度高，線性度和產(chǎn)品的互換性較好。特選分享#本設計可采用電阻式傳感器，具體可選用廣州奧松電子有限公司生產(chǎn)的

18、 HR202電阻型濕度傳感器7。它具有感濕范圍寬，響應迅速，抗污染能力強，無需加熱清洗及長期使用性能穩(wěn)定可靠等諸多優(yōu)點。HR202 技術參考：定額電壓 1.5V AC（MAX，正弦波）定額功率 0.2mW （MAX，正弦波）工作頻率 500Hz2KHz使用溫度 060使用濕度 95%RH 以下HR202 相對濕度-阻抗特性如圖 2.4 所示：25%RH30%RH35%RH40%RH45%RH50%RH55%RH60%RH65%RH70 %RH75%RH80 %RH85%RH90%RH20%RH10100100010000圖 2.4 電氣阻抗值 R（K）2.5.2 濕度傳感器信號處理模塊濕度傳感

19、器信號處理模塊1. 工作電源的設計 因 HR202 需要在定額電壓 1.5V AC（MAX，正弦波） 、工作頻率 500Hz2KHz工作，故需設計 1.5V、1KHz 的交流信號源。采用移相式正弦波振蕩電路8如圖 2.5所示：特選分享#圖 2.5 移相式正弦波振蕩電路由 RC 高通電路的幅頻及相頻響應知，圖中每節(jié) RC 電路都是相位超前電路，相位小于 90 度。3 階 RC 移相網(wǎng)絡，其最大相移可接近 270 度，因此，在某特定的頻率下可以移相 180 度。只要適當調節(jié) RP9 的值，使增益 AV 適當，就可為了確保上述震蕩電路在輸出要求 1KHz 頻率時幅值滿足要求，在輸出端接一個由運算放大

20、器組成的比例放大電路來調整幅值使之達到 1.5V。如圖 2.6 所示：圖 2.6 正弦波振幅調整電路2. 線性化處理 由 HR202 相對濕度-阻抗特性圖可知，它的電阻的對數(shù)值與相對濕度呈線性關系。由于二極管的正向壓降與電流存在對數(shù)特性4，可以利用該特性來補償濕度傳感器的非線性，達到線性化處理的目的。具體如圖 2.7 所示，同時因二極管具有-2mV/的溫度特性，所以可以對濕度傳感器起到一定的溫度補償作用。特選分享# 圖 2.7 線性化處理電路3. 交流信號全波整流電路傳感器信號經(jīng)線性化處理后仍為交流信號需整流，以便能夠被其后的 A/D 轉換器處理。如圖 2.8 所示，電容 C 起濾波作用8。經(jīng)

21、 C 濾波后，得到一個與環(huán)境相對濕度一一對應的電壓值。圖 2.8 全波整流電路4. 信號放大環(huán)節(jié) 在相對濕度為 25%RH 時，濕度信號整流后輸出電壓并不為零，故需對其調零，可通過調節(jié) RP8 的分壓來實現(xiàn)。同時通過 D7、R27、RP8、R57 也能得到理想的溫度補償。在相對濕度為 75%RH 時，要求輸出電壓為 5V（即 A/D 轉換的滿量程轉換電壓）特選分享#，可通過調節(jié)放大器的增益來實現(xiàn)。原理圖如圖 2.9 所示：圖 2.9 信號放大電路2.6 A/D 轉換模塊轉換模塊為了降低成本溫度和濕度兩個環(huán)境參量可共用一片 A/D 轉換器。同時為了節(jié)省下位機的 I/O 引腳，可采用 TI 公司生

22、產(chǎn)的八位逐次逼近串行 AD 轉換器 TLC08349，它價格也比較適中。2.6.1 TLC0834 的主要特點的主要特點TLC0834 是 TI 公司生產(chǎn)的 8 位逐次逼近模數(shù)轉換器具有輸入可配置的多通道多路器和串形輸入輸出方式。其多路器可由軟件配置為單端或差分輸入，也可以配置為偽差分輸入。另外，其輸入基準電壓大小可以調整。在全 8 位分辨率下，它允許任意小的模擬電壓編碼間隔。由于 TCL0834 采用的是串行輸入結構，因此封裝體積小，可節(jié)省 51 系列單片機 I/O 資源，價格也較適中。其主要特點如下：（1） 8 位分辨率；（2） 易于和微處理器接口或獨立使用；（3） 可滿量工作；（4） 可

23、用地址邏輯多路器選通 4 輸入通道；（5） 單 5V 供電，輸入范圍為 05V；（6） 輸入和輸出 TTL、CMOS 電平兼容；（7） 時鐘頻率為 250KHz 時，其轉換時間為 32S；特選分享#（8） 可以和美國國家半導體公司的 ADC0834 和 ADC0838 進行更換，但它內部不帶齊納穩(wěn)壓器網(wǎng)絡；（9） 總調整誤差為1LSB。2.6.2 TLC0834 工作特點工作特點TLC0834 可通過和控制處理器相連的串行數(shù)據(jù)鏈路來傳送控制命令,因而可用軟件對通道進行選擇和輸入端進行配置,其控制邏輯表如表 2.1 所列：特選分享# 表 2.1 TLC0834 多路器的控制邏輯表 多路器地址通

24、道 號SGL/DIFODD/EVENSELECT BIT1CH0 CH1 CH2 CH3LLHHLHLHLHLH+ - + -+ - - +HHHHLLHHLHLH+ + + + 輸入配置可在多路器尋址時序中進行。多路器地址可通過 DI 端移入轉換器。多路器地址選擇模擬輸入通道可決定輸入是單端輸入還是差分輸入。當輸入是差分時,應分配輸入通道的極性,并應將差分輸入分配到相鄰的輸入通道對中。例如通道0 和通道 1 可被選為一對差分輸入。另外,在選擇差分輸入方式時,極性也可以選擇。一對輸入通道的兩個輸入端的任何一個都可以作為正極或負極。通常 TLC0834 在輸出以最高位（MSB）開頭的數(shù)據(jù)流后,會

25、以最低位（LSB）開頭重輸出一遍（前面的數(shù)據(jù)流）。2.6.3 TLC0834 引腳功能引腳功能TLC0834 的引腳排列如圖 2.10 所示，其中 CH0CH3 為模擬輸入端；CS 為片選端；DI 為串形數(shù)據(jù)輸入，該端僅在多路器尋址時（MUX SETTING TIME）才被檢測；DO 為 A/D 轉換結果的三態(tài)串行輸出端；CLK 為時鐘；SARS 為轉換狀態(tài)輸出端，該端為高電平時，表示轉換正在進行，為低電平則表示轉換完成；REF 為參考電壓輸入端；VCC 為電源；DGTL GND 為數(shù)字地；ANGL GND 為模擬地。特選分享#圖 2.10 TLC0834 管腳圖2.6.4 TLC0834 工

26、作時序工作時序TLC0834 工作時序如圖 2.11 所示：圖 2.11 TLC0834 工作時序圖2.6.5 TLC0834 與下位機與下位機 AT89C2051 單片機的接口單片機的接口TLC0834 與 AT89C2051 單片機的硬件接口電路的電路原理如圖 2.12 所示。圖中，單片機的 P1.7 接 TLC0834 的片選信號，P1.6 用于產(chǎn)生 A/D 轉換的時鐘，P1.5為一個雙向 I/O 口位，可用于對模擬輸入進行培植及輸出轉換所得的數(shù)據(jù)。在這里，模擬信號以單端方式輸入，參考電壓為 5V，即 A/D 模擬量的輸入范圍為 05V。特選分享# 圖 2.12 TLC0834 與 AT

27、89C2051 接口電路圖2.7 通訊模塊通訊模塊AT89C2051 單片機和 AT89C51 單片機本身都有現(xiàn)成的串行接口，利用這些資源就能組成一個簡單的多機通訊系統(tǒng)。51 系列單片機實現(xiàn)多機通訊時必須工作于方式2 或 3，作為主機的 51 單片機的 SM2 位應設定為 0，作為從機的 SM2 應設定為 110。為了使不同的設備可以方便地連接起來進行通訊，一般采用 RS-232 和 RS-485 標準總線傳輸。RS-485 總線標準與 RS-232 總線標準相比較，具有如下優(yōu)點6：1. 接口信號電平比 RS-232-C 降低了，就不易損壞接口電路的芯片，且該電平與 TTL 電平兼容，可方便與

28、 TTL 電路連接。2. RS-485 接口是采用平衡驅動器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強，即抗噪聲干擾性好。3. RS-485 接口的最大傳輸距離標準值為 4000 英尺，實際上可達 3000 米，另外 RS-232-C 接口在總線上只允許連接 1 個收發(fā)器，即單站能力。而 RS-485 接口在總線上是允許連接多達 128 個收發(fā)器。即具有多站能力，這樣用戶可以利用單一的RS-485 接口方便地建立起設備網(wǎng)絡。因此考慮到抗共模干擾能力、允許一對雙絞線上一個發(fā)送器驅動多個負載設備、特選分享#長距離傳輸?shù)纫?，本系統(tǒng)采用 RS-485 標準總線傳輸。2.7.1 RS-485 總線驅動總線

29、驅動常用的 RS-485 總線驅動芯片11有 SN75174，SN75175，SN75176 等。SN75176 芯片有一個發(fā)送器和一個接受器，非常適合為 RS-485 總線驅動芯片，其價格與單片機相差不多。SN75176 管腳圖12如圖 2.13 所示，其邏輯如表 2.2 所示：表 2.2 SN75176 邏輯關系表差分輸入A-B使能端RE輸出RVid0.2V-0.2VVid0.2VVid-0.2VXOpenLLLHLH?LZ?說明：H=高電平，L=低電平，？=不確定，X=不相干，Z=高阻圖 2.13 SN75176 引腳圖2.7.2 通訊結構框圖通訊結構框圖 如圖 2.14 所示，在總線末

30、端接一個匹配電阻，吸收總線上的反射信號，保證正常傳輸信號干凈、無毛刺。匹配電阻的取值應該與總線的特性阻抗相當。當總線上沒有信號傳輸時，總線處于懸浮狀態(tài)，容易受干擾信號的影響。將總線上差分信號的正端 A+和+5 電源間接一個 10K 的電阻；正端 A+和負端 B-間接一個 10K 的電阻；負端 B-和地間接一個 10K 的電阻，形成一個電阻網(wǎng)絡。當總線上沒有信號傳輸時，正端 A+的電平大約為 3.2V，負端 B-的電平大約為 1.6V，即使有干擾信號，卻很難產(chǎn)生串行通信的起始信號 0，從而增加了總線抗干擾能力。特選分享#+5V圖 2.14 通訊結構框圖 通訊結構框圖功能說明：P1.0 為控制接口

31、；SN75176 作為總線驅動；R 為相對的匹配電阻。2.8 控制模塊控制模塊 本系統(tǒng)通過改造加濕器及風扇的電源結構，實現(xiàn)簡單的數(shù)字式控制?？紤]到負載分得容量及安裝條件，我們可選用 12V、5A 的電路板繼電器，具體型號為：JZC-32F-1H-DC12V，它最大可控制叫流 5A 的負載。起線圈額定功率為 0.45W，線圈電阻為 320?？捎萌龢O管 9014 作為開關元件控制線圈通斷，因繼電器 JZ-32F-1H-DC12V 額定工作電壓為 DC12V，所以不必加限流電阻，如圖 2.15 所示。圖中二極管D 的作用是保護晶體管 T。當繼電器 J2吸合時，二極管 D 截止，不影響電路的工作。繼電

32、器釋放時，由于繼電器存在著電感，這時晶體管 T 已經(jīng)截止，所以會在線圈兩端產(chǎn)生較高的電壓。這個感應電壓的極性上負下正，正端接在 T 的集電極上。當感應電壓與12V 之和大于晶體管 T 的集電結反向耐壓時，晶體管 T 就不能損壞。加入二極管 D 后，繼電器線圈產(chǎn)生的感應電流由二極管 D 流過，因此不會產(chǎn)生很高的感應電壓，晶體管得到了保護。特選分享# 圖 2.15 濕度控制電路圖2.9 上位機外圍接口設計上位機外圍接口設計2.9.1 LED 顯示模塊顯示模塊 因 AT89C51 的 I/O 口資源有限，單片機可以外接串入并出移位寄存器 74LS16413來擴展 I/O 口，本系統(tǒng)采用了 4 片 7

33、4LS164 來擴展 4 位 LED 顯示，如圖 2.16 所示：圖 2.16 LED 顯示電路圖 圖中，單片機的 P3.5 和 P3.4 作為時鐘脈沖輸入端和數(shù)據(jù)輸出端，故需在軟件設計中必須由軟件編程產(chǎn)生移位脈沖，并把數(shù)據(jù)逐位送到數(shù)據(jù)口，實現(xiàn)顯示的功能。 其 4 片用來擴展 AT89C51 的 I/O 口和 4 位 LED 顯示的 74LS164 的功能表如下表2.3 所示：輸入輸出清除 時鐘 A BQA QB QH特選分享#表2.3 74LS164 的功能表說明：X 代表任意狀態(tài)；QA0、QB0 QH0代表在穩(wěn)態(tài)輸入條件建立之前QA、QBQH 的輸出狀態(tài)；QAn、QBn QHn 代表在最近

34、的時鐘上升沿轉換之前QA、QBQH 的輸出狀態(tài)；H/L、QAn QBn 代表在最近的時鐘上升沿轉換之后QA、QBQH 的輸出狀態(tài)。2.9.2 鍵盤設計鍵盤設計本設計的系統(tǒng)在數(shù)碼管上顯示,設計鍵盤時可借助數(shù)碼管的簡單顯示功能來設計鍵盤，按鍵采用獨立按鍵,如圖 2.17 所示：圖 2.17 上位機鍵盤電路圖 因上位機要控制各室的燈光、溫度顯示、相對濕度顯示及相關設置,需要較多鍵盤才能區(qū)別這些功能,之就增加了設計難度。但本系統(tǒng)存在數(shù)碼管顯示,設計鍵盤時可借助數(shù)碼管的簡單顯示功能來設計鍵盤,比如定義顯示“L0”時表示當前的操作是對相應居室的燈光進行控制。本系統(tǒng)僅設有：進入鍵、返回鍵、加 1(上調)鍵、

35、L X X XH L X XH H HH L XH X LL L LQA0 QB0 QH0H QAn QGnL QAn QGnL QAn QGn特選分享#減 1(下調)鍵和復位鍵。在獨立式按鍵的電路中,各案鍵開關均采用了上拉電阻,這是為了保證在按鍵斷開時,每個 I/O 口線有確定的高電平。鍵盤的功能：S0：加 1 調整鍵 S1：減 1 調整鍵 S2：進入鍵(確定鍵) S3：返回鍵 S4：復位鍵由于按鍵采用獨立按鍵來控制的,它在斷開閉合時,輸入電壓波形會產(chǎn)生上下波動,即斷開閉合瞬間有抖動過程，時間長短與鍵盤開關的機械特性有關,一般為 5-10ms。由于抖動會造成查詢的開關狀態(tài)無法準確讀出。例如：

36、一次按鍵產(chǎn)生的正確開關狀態(tài)由于鍵的抖動 CPU 多次采集到低電平信號會被誤認為按鍵被多次按下，就會多次進行鍵輸入操作，這是不允許的。為了保證 CPU 對鍵的一次閉合僅在按鍵穩(wěn)定時做一次鍵輸入處理，采用軟件消抖方法，即：在檢測到有鍵按下時執(zhí)行一個10ms 左右的延時程序，而后再確認該鍵電平是否仍保持閉合狀態(tài)電平，若仍保持為閉合狀態(tài)電平，則確認為該鍵處于閉合狀態(tài)，這就避開了按鍵按下時的抖動時間。同理，在檢測到該鍵釋放后也應采用相同的步驟進行確認,從而消除抖動的影響。目前, MCS51 單片機應用系統(tǒng)上的按鍵常采用機械觸點式按鍵,它在斷開、閉合時輸入電壓波形如圖 2.18 所示： 后沿前沿識別區(qū)按鍵

37、過程圖 2.18 按鍵控制過程特選分享#2.10 系統(tǒng)電源的設計系統(tǒng)電源的設計 在進行系統(tǒng)設計時,按照盡量減少系統(tǒng)電源的種類的原則,運算放大器 LM324 可采取用單端供電工作方式。4 個下位機及主機分別安裝在不同的居室,因此它們需要各自的獨立電源。為了降低生產(chǎn)成本,減少電源體積,避免使用變壓器,我們可以通過RLC 串聯(lián)分壓的方式得到所需的直流電源。具體設計如圖 2.19 所示：472w 0.68uf/400v 圖 2.19 下位機電源原理圖圖中 0.68f/400V 的獨立電容交流阻抗相當大,大部分交流電壓都降落在其上。+5V、+12V 的電源是通過三端固定正輸出集成穩(wěn)壓器 78 系列來實現(xiàn)

38、的。470f/25V的電解電容起濾波作用,102 瓷介電容起濾高頻的作用,減小高頻噪聲。主機電源與其類似。此電源的最大優(yōu)點是可省去變壓器,體積小。此方案已由上海索博智能電子有限公司的生產(chǎn)實踐驗證。特選分享#3 系統(tǒng)設計的部分計算3.1 溫度模塊放大倍數(shù)計算溫度模塊放大倍數(shù)計算3.1.1 放大倍數(shù)的確定放大倍數(shù)的確定 AD590 靈敏度 1A/取樣電阻 1K,則取樣電壓 1mv/。0時為 273.2mv,故調零電位器為 560。測量范圍 050,則電壓 050mv。對應 A/D 轉換器輸入端為 05V。 放大倍數(shù) Av=5v/50mv=1003.1.2 儀表放大器參數(shù)的確定儀表放大器參數(shù)的確定第

39、一放大增益：AV1= (式 3.1)out2out1191211U-U2R +RP=V -VRP第二放大增益：AV2= （式 3.2）out18out2out117UR=U-UR總增益：AV= （式 3.3）529v1v2272R +WRAA =WR取 R19=10K,R17=11K,R18=27K,RP1=560實際增益：AV1=3332 1056027 1090.11756011 10通過調節(jié)電位器 RP1 能達到 100 倍的放大要求。3.2 濕度檢測模塊的計算濕度檢測模塊的計算3.2.1 正弦振蕩器振蕩頻率的計算正弦振蕩器振蕩頻率的計算取 C=0.01f 根據(jù)振蕩頻率公式7=計算振蕩頻

40、率的電阻阻值 R=1/26RC=6.497K （式 3.4）631126260.01 101 10Cf R 取標準值 4.7K 與 2K 的電阻串聯(lián)。3.2.2 放大環(huán)節(jié)放大倍數(shù)確定放大環(huán)節(jié)放大倍數(shù)確定具體倍數(shù)在調試時確定。特選分享#3.3 LED 數(shù)碼顯示器限流電阻計算數(shù)碼顯示器限流電阻計算LED 顯示器選擇型號 SM4150 為共陽連接,查其參數(shù)為：正向壓降為1.6V2.2V；功耗400Mw,工作電流10mA。所以其限流電阻阻值為(5-1.7)V/10mA=330,取標準值 470。3.4 蜂鳴器限流電阻計算蜂鳴器限流電阻計算蜂鳴器選擇型號為 PB2130VL100A,其參數(shù)為：額定工作電

41、壓為 12V；操作電壓為015V；最大電流損耗為 20mA；直流電阻未 300。所以其限流電阻阻值為12V/20mA30Ma=570,取標準值為 560。特選分享#4 系統(tǒng)軟件的設計4.1 燈光的設計燈光的設計 采用 PIC12C508A 控制各居室的白熾燈和日光燈的亮度，其微調過程利用調節(jié)雙向可控硅觸發(fā)角來產(chǎn)生脈沖信號，主程序框圖如圖 4.1 所示：圖 4.1 燈光控制主程序框圖特選分享#4.2 上位機程序設計上位機程序設計1主機發(fā)送的信息可傳送到各個從機，而各從機發(fā)送的信息只能被主機接收。其主機向各個從機發(fā)送數(shù)據(jù)和控制命令以及接受下位機傳送過來的數(shù)據(jù)，串行接口工作于方式 3， （第 9 位

42、 TB8 用于齊偶效驗） ，T1 工作在方式 1,使所有的從機的 SM2位置“1” ，處于只接受地址控制字的狀態(tài)。制定主機發(fā)送控制命令的代碼，代碼按01H,02H,03H,順序設置。其主機程序框圖 4.2 所示：圖 4.2 主機主程序框圖2主機收到從機發(fā)回的應答地址后，確認地址是否相符。如果地址相符，則清特選分享#TB8，開始發(fā)送命令，通知從機是進行數(shù)據(jù)接收還是進行數(shù)據(jù)發(fā)送；如果地址不符，則發(fā)復位信號（數(shù)據(jù)控制字中 TB8=1） 。其主機通訊中斷程序框圖 4.3 所示： 圖 4.3 主機通訊中斷程序框圖特選分享#4.3 下位機程序設計下位機程序設計1各個從機接收主機發(fā)送的數(shù)據(jù)和控制命令字時，對

43、其所接收的數(shù)據(jù)進行轉換和運算以及儲存。其從機主程序框圖如圖 4.4 所示：圖 4.4 從機主程序框圖特選分享#2各個從機接收地址控制狀態(tài)字后，各自將所接收到的地址與本從機的地址比較。對于地址相符的那個從機，使 SM2 位清“0”,并把從機的地址發(fā)送回主機作為應答，然后開始接收主機隨后發(fā)來的數(shù)據(jù)和控制命令信息；對于地址不相符的從機，仍保持 SM2 位為“1” ，對于主機隨后發(fā)來的數(shù)據(jù)不予理睬，直至發(fā)送新的地址控制狀態(tài)字。其從機通訊中斷服務程序框圖如圖 4.5 所示：圖 4.5 從機通訊中斷服務程序特選分享#5 系統(tǒng)調試完成了以上硬件的設計、制作和軟件編程之后，要使系統(tǒng)能夠按設計意圖正常運行，必須

44、進行系統(tǒng)調試。系統(tǒng)調試包括硬件調試和軟件調試兩個部分。不過，作為一個單片機系統(tǒng)，其運行是軟硬件相結合的，因此，軟硬件的調試也是絕對不可能分開的。可是由于條件的限制，只能取各模塊進行調試。 程序的調式應一個模塊一個模塊地進行，單獨調試各功能子程序，檢驗程序是否能夠實現(xiàn)預期的功能，接口電路的控制是否正常等；最后逐步將各個子程序連接起來總調。聯(lián)調需要注意的是，各程序模塊間能否正確傳遞參數(shù)，特別要注意各子程序的現(xiàn)場保護與恢復。調試的基本步驟如下： 將所要調試的程序輸入到偉福 6000 中，然后進行編譯，根據(jù)系統(tǒng)的提示查找原因將出錯的地方調整正確，例如：有的時標號未定義，有的時少標點符號等。最后以 AS

45、M 擴展名保存。將在偉福中調試好的程序輸入 keil 內，將單片機實驗箱與計算機連接，然后在keil 中進行編譯程序，運行程序，根據(jù)單片機所顯示的結果分析程序，修改程序直到程序正常。在調試過程中出現(xiàn)的問題：（1）顯示燈顯示不正常，經(jīng)分析原因在與顯示設置的不對，顯示燈輸出低電平時亮，結果程序中都是以高電平輸出,經(jīng)修改后正常。（2）燈顯示不出微調過程，經(jīng)過對整個程序的分析也沒能夠找到問題，后經(jīng)老師的講解分析最后發(fā)現(xiàn)是程序設計的錯誤，經(jīng)改正數(shù)碼管能夠按設定的數(shù)據(jù)變化。（3）緊急事件發(fā)生時，按下復位按鍵時數(shù)碼管不會變，經(jīng)老師幫助當按鍵按下時，在按鍵服務程序中修改了一下，就可以按要求變化。特選分享# 結

46、 論本設計主要研究了單片機的多機通訊在家居方面的應用。系統(tǒng)采用主從式結構，采用 RS-485 總線標準進行通訊。本系統(tǒng)共采用了 2 個系列 3 種型號的單片機，各有各的使用場合：功能強大的 I/O 口資源，豐富的 AT89C51 作為上位機，向各下位機發(fā)送控制命令和設定數(shù)據(jù)及接受下位機傳送過來的數(shù)據(jù)，并采用 4 位數(shù)碼管顯示各居室的溫度值和相對濕度值以及居室內燈光的顯示值；20 引腳的 AT89C2051 作為下位機，檢測相應居室的溫度值及相對濕度值，并在其程序中將檢測值與系統(tǒng)設定值相比較，根據(jù)比較結果進行相應的控制；各居室的燈光控制（包括白熾燈和日光燈）采用了 microchip 公司的小巧

47、玲瓏的 PIC12C5XX 系列的單片機為控制核心。本系統(tǒng)在溫度信號放大是采用了自行搭接的儀表放大器，同時在程序運算過程中均采用了 3 字節(jié)的浮點運算，從而保證了具有較高的檢測精度。本系統(tǒng)設計具有較高的檢測精度和控制精度，主要創(chuàng)新點有：系統(tǒng)成功地利用單片機本身的簡單串口加上總線驅動組成了簡單的 RS-485 通訊，其協(xié)議簡單，容易實現(xiàn)：上位機對居室的燈光控制方面，因 PIC12C508A 的 I/O 口少，且沒有現(xiàn)成的串形口，所以把其直接作為上位機的 I/O 口擴展，從而避免了復雜的通訊協(xié)議；在設計上位機鍵盤時，借助 4 位數(shù)碼管的簡單顯示，大大節(jié)省了鍵盤的數(shù)量，降低了鍵盤的設計難度。由于時間

48、倉促，溫度有很大的滯后性，若采用數(shù)字控制方式，必然導致執(zhí)行器頻繁啟動，而這樣對壓縮機是不允許的，因此僅僅對室內的濕度控制進行了控制，未對溫度進行干預。對溫度的控制可采取某種算法對其進行模擬控制方式對系統(tǒng)進一步完善。從這次設計中，我意識到在以后的生活中，無論學習什么東西都要遵循理論與實踐相結合的原則，這樣才能使自己的水平得到提高，進而提高自己的綜合競爭的能力?？傊?，這次設計讓我得到很多很多，不僅是在學習和生活方面上，而且還有在其它方面上等等。真是讓我受益頗深！特選分享#致 謝 本課題在選題及研究過程中得到任艷艷老師的悉心指導和關懷。在她不斷幫助下，我解決了許多疑點和難題。任老師多次詢問設計進程，

49、并為我指點迷津，幫助我開拓研究設計思路，精心點撥、熱忱鼓勵。任老師一絲不茍的作風，嚴謹求實的態(tài)度，踏踏實實的精神，不僅授我以文，而且教我做人，雖歷時不久，卻給以終生受益無窮之道。在此特向任艷艷老師表示我誠摯的感謝！通過本次畢業(yè)設計，使我得到了一次用專業(yè)知識、專業(yè)技能分析和解決問題的全面、系統(tǒng)的鍛煉。也使我在單片機的基本原理與接口技術、單片機智能應用系統(tǒng)開發(fā)過程，以及在常用編程設計思路技巧的掌握方面都向前邁了一大步，為日后成為一名合格的應用型人才打下良好的基礎。在指導老師任老師的精心指導和嚴格要求下，獲得了豐富的理論知識，很大地提高了實踐動手能力，并對當前電子領域的研究狀況和發(fā)展方向有了一定的了

50、解，這對我今后進一步學習單片機方面的知識有很大的幫助。在未來的工作和學習中，我將以更好的成績來回報老師。在此，我還要感謝在一起愉快的度過大學生生活的機電系全體老師和同學們，正是由于你們不斷的幫助和支持，我才能克服一個一個的困難和疑惑，使我的畢業(yè)設計得以如期順利進行。在論文即將完成之際，我的心情久久難以平靜，從開始進入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學、朋友給了我無數(shù)的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意!最后我還要感謝培養(yǎng)我長大含辛茹苦的父母，感謝學院給了我這依次機會，謝謝您們！ 特選分享#參考文獻1 張國安.微機控制實驗與課程設計指導書.北京.電子工業(yè)出版社,2003,82 王道憲.Mi

51、crochip PIC 系列單片機原理應用與開發(fā)M .國防工業(yè)出版社,2004：21553 劉迎春,葉湘濱.傳感器原理設計與應用M國防科技大學出版社,第四版：2002：8283,P156P1854 黃繼昌,徐巧魚,張海貴等.傳感器工作原理及應用實例M .人們郵電出版社,1998：2125,75835 胡文津.計算機測控應用技術M重慶大學出版社,2003：2328,89916 HR202 電阻型濕度傳感器數(shù)據(jù)手冊S .廣州奧松電子有限公司,157 何宏.單片機原理及其接口技術.北京.國防工業(yè)出版社,2006,（7）198-2048 余永權.ATMEL89 系列單片機應用技術.北京.北京航空航天大

52、學出版社,2002,49 尹紅,唐煜.單片機 RS485 多機通訊的實現(xiàn)I.計算機應用,1999（1）：2325特選分享#附 錄 A1、主機程序圖程序： ORG 0000HLJMP MAIN ；上電，轉向主程序 ORG 0023H ；串行接口的中斷入口地址LJMP SERVE ；轉向從機中斷服務程序 ORG 2000H ；主程序MAIN：MOV TMOD,#20H ；設 T1 工作在方式 2 MOV TH1,#0F3H ；賦初值 MOV TL1,#0F3H SETB TR1 ；啟動定時器 1 MOV PCON,#80H ；設 SMOD=1 MOV SCON,#0D8H ；串行接口控制字 MOV

53、 DPTR,#3OOOH ；置數(shù)據(jù)塊首地址 MOV R0,#78H ；置發(fā)送字節(jié)數(shù)初值 SETB ES ；允許串行接口中斷 SETB EA ；CPU 開中斷 MOVX A,DPTR ；取第一個數(shù)發(fā)送 MOV C,P MOV TB8,C ；奇偶標志送 TB8 MOV SBUF,A ；發(fā)送數(shù)據(jù) SJMP $ ；等待中斷2、主機通訊中斷程序：SERVE： MOV A,R2 MOV SBUF,A ；發(fā)出從機地址 JNB RI,$ ；等待從機應答 CLR RI ；從機應答后清 RI MOV A,SUBF ；取出從機應答地址特選分享# XRL A,R2 ；核對應答地址 JZ SERVE2 ；地址相符轉 S

54、ERVE2SERVE1： MOV SBUF,#0FFH ；命令所有從機置 SM2=1 SETB TB8 ；置地址標志 SJMP SERVE ；重發(fā)地址SERVE2： CLR TB8 ；置命令標志 MOV SBUF,R3 ；發(fā)送命令 JNB RI,$ ；等待從機應答 CLR RI ；清 RI MOV A,SBUF ；取出應答信息 JNB ACC.7,CERVE3 ；核對命令是否出錯 SJMP SERVE1 ；命令接受錯，重發(fā)SERVE3：SJNE R3,#00H,SERVE4 ；若為從機發(fā)送命令，轉出 JNE ACC.0,SERVE1 ；從機接受沒準備好，重新聯(lián)絡 STX： MOV SUBF,R

55、1 ；主機發(fā)送數(shù)據(jù) JNB TI,$ ；等待一個字符發(fā)送結束 CLR TI ；為接受下一字符做準備 INC R1 ；指向下一字符 DJNZ R4,STX ；未發(fā)送完，繼續(xù) RET ；發(fā)送完，返回SERVE4：JNB ACC.1,SERVE1 ；從機發(fā)送沒準備好，重新聯(lián)絡 SRX：JNB RI,$ ；等待主機接受完畢 CLR RI ；為接受下一字符做準備 MOV A,SBUF ；取出接受到的字符 MOV R0,A ；送數(shù)據(jù)緩沖區(qū) INC R0 ；修改地址指針 DJNZ R5,SRX ；未接受完，繼續(xù) RETI ；接受完，返回3、 從機主程序：特選分享# ORG 0000H LJMP MAIN ；上電，轉向主程序 ORG 0023H ；串行接口的中斷入口地址 LJMP SERVE5 ；轉向從機中斷服務程序 ORG 2000H ；主程序MAIN：MOV TMOD,#20H ；設 T1 工作在方式 2 MOV TH1,#0F3H MOV TL1,#0F3H MOV TR1 ；啟動定時器 T1 MOV PCON,#80H ；設 SMOD=1 MOV SCON,#0D8H ；串行接口控制字