單片機(jī)多機(jī)通訊在家居系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、單片機(jī)多機(jī)通訊在家居系統(tǒng)中的應(yīng)用居室溫度濕度及燈光監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：本系統(tǒng)利用多片MCU組成了一個(gè)簡單的居室環(huán)境監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，具有性能好、檢測精度高、操作簡單的優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)采用主從式多機(jī)通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以RS-485總線標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通訊，具有很高的抗干擾能力。各室的溫度及濕度均可以集中到上位機(jī)顯示。設(shè)有溫度、濕度的上下限報(bào)警，提示環(huán)境已不適合居住。另外上位機(jī)還能對各室的日光燈及白熾燈進(jìn)行控制。本文的主要工作為設(shè)計(jì)硬件和軟件。分別介紹了溫度測量傳感器、濕度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器的功能，及一些微控制器的性能和參數(shù)。軟件部分主要介紹設(shè)計(jì)思想及程序流程，并給出了程序清單。關(guān)鍵字：居室；溫度；濕度；RS-485；單

2、片機(jī)多機(jī)通訊引言進(jìn)入20世紀(jì)90年代后期以來，數(shù)字化技術(shù)取得了更加迅猛的發(fā)展并日益滲透到各個(gè)領(lǐng)域。隨著科技的飛速發(fā)展，人們的生活水平也正日益提高，人們對自己的生活環(huán)境也越來越關(guān)注。因此讓我們的生活變得更舒適、更方便已成為我們每個(gè)人努力奮斗的目標(biāo)。智能化信息家電產(chǎn)品已經(jīng)開始步入社會(huì)和家庭。智能信息家電由于其安全、方便、高效、快捷、智能化等特點(diǎn)在21世紀(jì)將成為現(xiàn)代社會(huì)和家庭的新時(shí)尚。現(xiàn)代的智能家居系統(tǒng)要求各信息家電產(chǎn)品之間進(jìn)行相互通訊，從而為住戶營造一個(gè)安全、舒適、便捷、高效的居住和生活環(huán)境。目前的智能家居系統(tǒng)內(nèi)部多是以RS-485、CAN總線、以太網(wǎng)等總線及通過能源線進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)通訊1。采用能源線通

3、訊的好處是，不需要在家里重新布線，可利用現(xiàn)有的電源插座；但它的通訊協(xié)議復(fù)雜，且硬件成本高。雖然以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)布線簡單，比RS-485、CAN等更便宜，但對于單片機(jī)來說，實(shí)現(xiàn)起來比較困難。而RS-485則不同，其實(shí)現(xiàn)最為簡單，非常容易與單片機(jī)接口?；趩纹瑱C(jī)的RS-485多機(jī)通訊系統(tǒng)對于家庭內(nèi)部的一個(gè)小型監(jiān)控系統(tǒng)來說，布線非常容易。因此基于單片機(jī)的RS-485多機(jī)通訊系統(tǒng)在家居方面很有應(yīng)用價(jià)值。1系統(tǒng)簡介本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，主從式設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，監(jiān)控4個(gè)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(jī)，向下位機(jī)發(fā)送控制命令和數(shù)據(jù)及接收下位機(jī)傳送過來的數(shù)據(jù)，

4、并采用4位數(shù)碼管顯示各居室的溫度值和相對濕度值。該系統(tǒng)共設(shè)有5個(gè)按鍵（包括復(fù)位鍵、進(jìn)入鍵、返回鍵、上調(diào)鍵和下調(diào)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(jī)采用AT89C2051單片機(jī)檢測各居室的溫度及濕度，并對這些參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制；采用MICROCHIP公司的PIC12C508A控制各居室的日光燈和白熾燈的亮度。4片AT89C2051單片機(jī)與主機(jī)之間采用RS-485總線標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通訊，分別安裝在各個(gè)居室，與主機(jī)的通訊地址為00H、01H、02H、03。1.1 主要性能參數(shù)1. 工作電壓：%2. 測量范圍：溫度 +50 相對濕度 +25+753. 測量精度：溫度 0.5 相對濕度 54.

5、 控制精度：相對濕度 55. 顯示方式：溫度值小數(shù)點(diǎn)浮動(dòng)顯示三位有效數(shù)字，相對濕度小數(shù)點(diǎn)浮動(dòng)顯示三位有效數(shù)字1.2主要功能1. 顯示：當(dāng)數(shù)碼管顯示“00”“01”“02”“03”分別表示對0、1、2、3室進(jìn)行操作；當(dāng)數(shù)碼管顯示“”“”“”分別表示對燈光、溫度、濕度環(huán)境參量進(jìn)行操作；當(dāng)數(shù)碼管顯示“”“” 分別表示對居室的日光燈、白熾燈操作；當(dāng)數(shù)碼管顯示“0”“1”分別表示對居室白熾燈的開、關(guān)（兼調(diào)亮、調(diào)暗功能）；當(dāng)數(shù)碼管顯示“”“”分別表示對下位機(jī)傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、對下位機(jī)進(jìn)行設(shè)定控制目標(biāo)值操作；當(dāng)目標(biāo)操作完成后顯示“good”，表示操作已成功。2. 下位機(jī)不僅能接受上位機(jī)對其燈光的控制，而且

6、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(jī)可對下位機(jī)設(shè)定相對濕度控制目標(biāo)。在上電復(fù)位后，如上位機(jī)不對下位機(jī)進(jìn)行人工干擾，下位機(jī)自動(dòng)把各室環(huán)境濕度參量設(shè)定為默認(rèn)值：45。5. 當(dāng)采集環(huán)境參量數(shù)據(jù)超過上下限值時(shí)系統(tǒng)報(bào)警,表明環(huán)境已不適合居住,提示主人采取相應(yīng)的措施。2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的選擇及論證2.1設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)時(shí)，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(jī)的信號傳輸距離，以避免遠(yuǎn)距離傳輸，可采用主從式多機(jī)通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)。信號在主從機(jī)之間傳輸時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)以便與其它設(shè)

7、備接口。為了降低設(shè)計(jì)難度，可采用模塊化設(shè)計(jì)思想。2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖根據(jù)上述設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。2.3 燈光控制模塊2.3.1 燈光控制方案目前市場上的白熾燈普遍存在調(diào)光效果差，壽命短，不容易實(shí)現(xiàn)集中、智能控制等缺點(diǎn)。隨著數(shù)字化技術(shù)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(shí)來調(diào)節(jié)雙向可控硅的觸發(fā)角來達(dá)到平滑調(diào)光的目的。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是：調(diào)光平滑，操作簡單，壽命長，由于采用了微控制芯片易于實(shí)現(xiàn)集中控制和智能控制。溫度傳感器放大濕度傳感器線性化放大A/D轉(zhuǎn)換器下位機(jī)RS-485總線驅(qū)動(dòng)控制RS-485總線驅(qū)動(dòng)上位機(jī)顯示鍵盤燈光控制溫度傳感器放大濕度傳感器線性化放大A/D轉(zhuǎn)換

8、器下位機(jī)RS-485總線驅(qū)動(dòng)控制圖3-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.3.2 微控制芯片的選擇欲實(shí)現(xiàn)上述控制方案，需要一個(gè)I/O引腳少，RAM及程序存儲(chǔ)空間不大，可靠性高的小型微控制芯片。若采用40腳功能強(qiáng)大的51單片機(jī)或20引腳的2051單片機(jī)，使用起來不方便。而MICROCHIP公司的PIC12C5系列單片機(jī)2僅有8個(gè)引腳，是目前最小的單片機(jī)，價(jià)格相當(dāng)便宜（512B ROM，25B RAM的PIC12C508市場上售價(jià)僅3元5元人民幣），對于上述控制方案是最合適不過的。PIC12C5系列8位單片機(jī)在燈光控制方面與51系列8位單片機(jī)相比較具有如下優(yōu)勢3：（1）引腳少，占用空間小，容易做到超小型控制，使用起

9、來方便。（2）內(nèi)部采用數(shù)據(jù)線和指令線分離的哈佛結(jié)構(gòu)，取指令和執(zhí)行指令可同時(shí)進(jìn)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(jié)構(gòu)的8位單片機(jī)相比，可以達(dá)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(jī)不允許這樣接。（4）內(nèi)置4MHz的RC型振蕩器，可省接外部振蕩器。（5）內(nèi)置上電復(fù)位電路（POP）。（6）大驅(qū)動(dòng)電流，每個(gè)I/O引腳最大控電流為25mA，每個(gè)I/O引腳最大灌電流為20mA?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，可采用PIC12C50

10、8A作為微控制芯片。2.3.3鍵盤的設(shè)計(jì)一片PIC12C508A可控制一路白熾燈和一路日光燈，只需3個(gè)按鍵就可滿足上述控制要求。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)13獨(dú)立式鍵盤，利用GP3,GP4,GP5口來實(shí)現(xiàn)鍵盤掃描。其工作原理是PIC12C508A掃描這三位，確定某一按鍵被按下后，單片機(jī)將按程序設(shè)定執(zhí)行相應(yīng)的功能。在獨(dú)立式按鍵的電路中，各按鍵開關(guān)均采用了上拉電阻，這是為了保證在按鍵斷開時(shí)，每個(gè)I/O口有確定的高電平。電路原理圖如圖3-2所示。按鍵功能：S-01：白熾燈開及調(diào)亮鍵S-02：白熾燈斷及調(diào)暗鍵S-03：日光燈開關(guān)鍵S-01、S-02鍵：短時(shí)間按下起開關(guān)功能，按下超過10mS后則起調(diào)光功能。圖3-2燈光

11、控制模塊鍵盤電路圖2.3.4 同步波可安排引腳GP2經(jīng)4.7M（金屬實(shí)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(shí)踐所驗(yàn)證。引腳GP2的波形示意圖如圖3-3所示：3.3.5 與上位機(jī)的通訊PIC12C508A沒有現(xiàn)成的串行接口，且I/O引腳也較少，故與上位機(jī)通訊比較困難。因其只接受上位機(jī)的控制，并不向上位機(jī)傳送數(shù)據(jù)，所以可直接作為上位機(jī)的I/O引腳的擴(kuò)展。如圖3-2所示，三態(tài)門只是為了在上位機(jī)不對其控制時(shí)確保與上位機(jī)隔離。2.3.6 相應(yīng)管腳波形圖如圖3-3所示軟件延時(shí)0.01SGP0GP2220V時(shí)圖3-3各管腳波形圖2.4 溫度檢測模塊2.4.1 溫

12、度傳感器的選擇首先對常用的幾種溫度傳感器進(jìn)行比較如下：(1)熱電偶溫度傳感器4：熱電偶檢測到的溫度信號有如下特點(diǎn)： 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1300C時(shí)，也只有52.398mV。這就意味著對檢測到的信號要進(jìn)行放大。熱電偶分度表中給出的數(shù)據(jù)是以0C為參考點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，環(huán)境常常不是0C。為熱電偶冷端創(chuàng)造一個(gè)0C環(huán)境，通常的作法是進(jìn)行冷端補(bǔ)償。 熱電偶的溫度信號非線性很大，尤其是B偶。并且，各種熱電偶隨溫度的升高，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。由于上述原因，熱電偶的溫度信號調(diào)理電路就比較復(fù)雜,經(jīng)常用在高溫環(huán)境測量，并不適用室溫這樣一個(gè)環(huán)境參

13、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(diǎn)是測量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測量精確度是最高的。測量范圍為200500C，應(yīng)用時(shí)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(fù)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100300C，一般為負(fù)溫度系數(shù)且精度較低，所以本系統(tǒng)也未采用。(4)集成溫度傳感器4：最常用的電流型集成溫度傳感器AD590的測量范圍為55150度，幾乎為恒流源，線性度比較高，不需要外圍溫度補(bǔ)償和線性化處理電路，測溫線性度為0.5度，精度高，靈敏度為1/1度，信號容易

14、處理，而且價(jià)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因傳感器AD590輸出電流信號，不能被單片機(jī)處理，需要轉(zhuǎn)化為電壓信號，可對電阻進(jìn)行取樣。取樣電壓不滿足A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換電壓，故需要放大?？紤]設(shè)計(jì)精度，可采用儀表放大器。但由于集成儀表放大器AD521價(jià)格昂貴，相對于本系統(tǒng)來說成本太高，不經(jīng)濟(jì)，故采用最普通的運(yùn)算放大器LM324自行搭接儀表放大器6。2.5 濕度檢測模塊2.5.1 濕度傳感器的選擇濕度傳感器的核心是濕敏元件5。濕敏元件主要分電容式、電阻式兩大類。2.5.1.1 濕敏電容 濕敏電容一般是用高分子薄膜電容制成

15、的。當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生改變時(shí)，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。2.5.1.2濕敏電阻 濕敏電阻的特點(diǎn)是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當(dāng)空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時(shí)，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(diǎn)是靈敏度高，線性度和產(chǎn)品的互換性較好。本設(shè)計(jì)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HR202電阻型濕度傳感器7。它具有感濕范圍寬，響應(yīng)迅速，抗污染能力強(qiáng)，無需加熱清洗及長期使用性能穩(wěn)定可靠等諸多特點(diǎn)。2.5.1.3HR202技術(shù)參數(shù)定額電壓 1.5V AC（MAX，正弦波）定額功率 0.2mW（M

16、AX，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3-4所示圖3-4電氣阻抗值 R （K）2.5.2濕度傳感器信號處理模塊2.5.2.1 工作電源的設(shè)計(jì) 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(shè)計(jì)1.5V、1Kz的交流信號源。采用移相式正弦波振蕩電路8如圖3-5所示圖3-5移相式正弦波振蕩電路由高通電路的幅頻及相頻響應(yīng)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(luò)，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(dāng)調(diào)節(jié)R

17、P9的值，使增益Av適當(dāng)，就可同時(shí)滿足相位和振幅條件，產(chǎn)生正弦振蕩。振蕩頻率由RC網(wǎng)絡(luò)決定。為了確保上述振蕩電路在輸出要求1KHz頻率時(shí)幅值滿足要求，在輸出端接一個(gè)由運(yùn)算放大器組成的比例放大電路來調(diào)整幅值使之達(dá)到1.5V。如圖3-6所示：圖3-6正弦波振幅調(diào)整電路2.5.2.2 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(guān)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(bǔ)償濕度傳感器的非線性，達(dá)到線性化處理的目的。具體如圖3-7所示，同時(shí)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(bǔ)償作用。圖3-7線性化處理電路2.

18、5.2.3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(zhuǎn)換器處理。如圖3-8所示，電容C起濾波作用8。經(jīng)C濾波后,得到一個(gè)與環(huán)境相對濕度一一對應(yīng)的電壓值。圖3-8全波整流電路2.5.2.4 信號放大環(huán)節(jié) 在相對濕度為25RH時(shí)，濕度信號整流后輸出電壓并不為零，故需對其調(diào)零,可通過調(diào)節(jié)RP8的分壓來實(shí)現(xiàn)。同時(shí)通過D7、R27、RP8、R57也能得到理想的溫度補(bǔ)償。在相對濕度為75RH時(shí),要求輸出電壓為5V(即A/D轉(zhuǎn)換的滿量程轉(zhuǎn)換電壓)，可通過調(diào)節(jié)放大器的增益來實(shí)現(xiàn)。原理圖如圖3-9。圖3-9信號放大電路2.6 A/D轉(zhuǎn)換模塊為了降低成本溫度和濕度兩個(gè)

19、環(huán)境參量可共用一片A/D轉(zhuǎn)換器。同時(shí)為了節(jié)省下位機(jī)的I/O引腳，可采用TI公司生產(chǎn)的八位逐次逼近串行AD轉(zhuǎn)換器TLC08349，它價(jià)格也較適中。2.6.1 TLC0834的主要特點(diǎn) 位分辨率； 易于和微處理器接口或獨(dú)立使用； 可滿量程工作； 可用地址邏輯多路器選通輸入通道； 單供電，輸入范圍為； 輸入和輸出與、電平兼容； 時(shí)鐘頻率為時(shí)，其轉(zhuǎn)換時(shí)間為； 可以和美國國家半導(dǎo)體公司的和進(jìn)行替換，但它內(nèi)部不帶齊納穩(wěn)壓器網(wǎng)絡(luò)； 總調(diào)整誤差為。2.6.2 TLC0834多路器的控制邏輯表表3-1 TLC0834多路器的控制邏輯表多路器地址通 道 號SGL/DIFODD/EVENSELECT BIT1CH0

20、 CH1 CH2 CH3LLHHLHLHLHLH+ - + -+ - - +HHHHLLHHLHLH + + + +2.6.3 TLC0834引腳功能TLC0834的引腳排列如圖3-10所示，其中CH0CH3為模擬輸入端；CS為片選端；DI為串行數(shù)據(jù)輸入，該端僅在多路器尋址時(shí)（MUX SETTING TIME）才被檢測；DO為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的三態(tài)串行輸出端；CLK為時(shí)鐘；SARS為轉(zhuǎn)換狀態(tài)輸出端，該端為高電平時(shí)，表示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行，為低電平則表示轉(zhuǎn)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。2.6.4 TLC0834工作時(shí)序圖3-10TLC0

21、834管腳圖TLC0834工作時(shí)序如圖3-11所示圖3-11TLC0834工作時(shí)序圖2.6.5TLC0834與下位機(jī)AT89C2051單片機(jī)的接口TLC0834與89C51單片機(jī)的硬件接口電路的電路原理如圖3-12所示。圖中，單片機(jī)的P1.7接TLC0834的片選信號，P1.6用于產(chǎn)生A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘，P1.5為一個(gè)雙向I/O口位，可用于對模擬輸入進(jìn)行配置及輸出轉(zhuǎn)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，即A/D模擬量的輸入范圍為。圖3-12TLC0834與AT89C2051接口電路圖2.7通訊模塊AT89C2051單片機(jī)和AT89C51單片機(jī)本身都有現(xiàn)成的串行接口，利用這些資

22、源就能組一個(gè)簡單的多機(jī)通訊系統(tǒng)。51系列單片機(jī)實(shí)現(xiàn)多機(jī)通訊時(shí)必須工作于方式2或方式3，作為主機(jī)的51單片機(jī)的SM2位應(yīng)設(shè)定為0，作為從機(jī)的SM2應(yīng)設(shè)定為110。為了使不同的設(shè)備可以方便地連接起來進(jìn)行通訊，一般采用RS232和RS-485標(biāo)準(zhǔn)總線傳輸。RS-485總線標(biāo)準(zhǔn)與RS-232總線標(biāo)準(zhǔn)相比較，具有如下優(yōu)點(diǎn)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TTL 電路連接。（2）RS-485接口是采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強(qiáng)，即抗噪聲干擾性好。（3）RS-485接口的最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為4000英尺，實(shí)際上可

23、達(dá)3000米，另外RS-232-C接口在總線上只允許連接1個(gè)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(dá)128個(gè)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(shè)備網(wǎng)絡(luò)。圖3-13 SN75176引腳圖因此考慮到抗共模干擾能力、允許一對雙絞線上一個(gè)發(fā)送器驅(qū)動(dòng)多個(gè)負(fù)載設(shè)備、長距離傳輸?shù)纫?，本系統(tǒng)采用RS-485標(biāo)準(zhǔn)總線傳輸。2.7.1RS-485總線驅(qū)動(dòng) 常用的RS485總線驅(qū)動(dòng)芯片11有SN75174，SN75175，SN75176。SN75176芯片有一個(gè)發(fā)送器和一個(gè)接收器，非常適合作為RS485總線驅(qū)動(dòng)芯片，其價(jià)格與單片機(jī)相差不多。SN75176

24、管腳圖12如圖3-13所示，其邏輯如表3-2所示。表3-2 SN75176邏輯關(guān)系表差分輸入-使能端輸出Vid0.2V-0.2VVid0.2VVid-0.2VXOpenLLLHLH?LZ?說明：H=高電平，L=低電平，?=不確定，=不相干，Z=高阻2.7.2通訊結(jié)構(gòu)框圖TXDP1.0RXD總線驅(qū)動(dòng)TXD控制RXD總線驅(qū)動(dòng)TXD控制RXD總線驅(qū)動(dòng)+5VRRR匹配電阻圖3-13通訊結(jié)構(gòu)框圖如圖3-14所示，在總線末端接一個(gè)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(yīng)該與總線的特性阻抗相當(dāng)。當(dāng)總線上沒有信號傳輸時(shí)，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

25、信號的正端A+和+5電源間接一個(gè)10K的電阻；正端A+和負(fù)端B-間接一個(gè)10K的電阻；負(fù)端B-和地間接一個(gè)10K的電阻，形成一個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)總線上沒有信號傳輸時(shí)，正端A+的電平大約為3.2V，負(fù)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的能力。2.8控制模塊本系統(tǒng)通過改造加濕器及風(fēng)扇的電源結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)簡單的數(shù)字式控制?？紤]到負(fù)載的容量及安裝條件，我們可選用12V、5A的電路板繼電器，具體型號為：JZC-32F-1H-DC12V，它最大可控制交流5的負(fù)載。其線圈額定功率為0.45W，線圈電阻為320可用三極管9014作為開關(guān)元件控制線圈通斷，因

26、繼電器JZC-32F-1H-DC12V額定工作電壓為DC12V，所以不必加限流電阻如圖3-15所示。圖中二極管D的作用是保護(hù)晶體管T。當(dāng)繼電器J2吸合時(shí)，二極管D截止，不影響電路的工作。繼電器釋放時(shí)，由于繼電器存在著電感，這是晶體管T已經(jīng)截止，所以會(huì)在線圈兩端產(chǎn)生較高的電壓。這個(gè)感應(yīng)電壓的極性上負(fù)下正，正端接在T的集電極上。當(dāng)感應(yīng)電壓與+12V之和大于晶體管T的集電結(jié)反向耐壓時(shí)，晶體管T就可能損壞。加入二極管D后，繼電器線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流由二極管D流過，因此不會(huì)產(chǎn)生很高的感應(yīng)電壓，晶體管得到了保護(hù)。圖3-14濕度控制電路圖2.9上位機(jī)外圍接口設(shè)計(jì)2.9.1LED顯示模塊因AT89C51的口資源

27、有限，單片機(jī)可以外接串入并出移位寄存器74LS16413來擴(kuò)展口，本系統(tǒng)采用了4片74LS164來擴(kuò)展4位LED顯示，如圖所示：圖3-16LED顯示電路圖圖中，單片機(jī)的P3.5和P3.4作為時(shí)鐘脈沖輸入端和數(shù)據(jù)輸入端，故需在軟件設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)顯示功能。2.9.1.174LS164的功能表表3-3 74LS164的功能表輸入輸出清除時(shí)鐘串行QA Q QRCPA BLL L LHL QA0 Q0 Q0HHHH HL L H QAn QGn L QAn QGn L QAn QGn說明：QA0Q0Q0：分別為QA QQ在指明的穩(wěn)態(tài)輸入條件建立之前的電平。

28、QAnQnQGn：分別為寄存器位QA QQ在時(shí)鐘最近從低到高跳變之前的電平。2.9.2鍵盤設(shè)計(jì)圖3-17上位機(jī)鍵盤電路圖因上位機(jī)要控制各室的燈光、溫度顯示、相對濕度顯示及相關(guān)設(shè)置，需要較多鍵盤才能區(qū)別這些功能，這就增加了設(shè)計(jì)難度。但本系統(tǒng)存在數(shù)碼管顯示，設(shè)計(jì)鍵盤時(shí)可借助數(shù)碼管的簡單顯示功能來設(shè)計(jì)鍵盤，比如定義顯示“L”時(shí)表示當(dāng)前的操作是對相應(yīng)居室的燈光進(jìn)行控制。這樣鍵盤的數(shù)量就大大減少，同時(shí)使操作也變得簡單。本系統(tǒng)僅設(shè)有：進(jìn)入鍵、返回鍵、加1（上調(diào)）鍵、減1（下調(diào)）鍵和復(fù)位鍵共5個(gè)按鍵。在獨(dú)立式按鍵的電路中，各按鍵開關(guān)均采用了上拉電阻，這是為了保證在按鍵斷開時(shí)，每個(gè)I/O口線有確定的高電平。鍵

29、盤功能：S0：加1調(diào)整鍵S1：減1調(diào)整鍵S2：進(jìn)入鍵（確定鍵） S3：返回鍵3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的部分計(jì)算3.1溫度模塊放大倍數(shù)計(jì)算3.1.1放大倍數(shù)的確定AD590靈敏度1/。C取樣電阻1K，則取樣電壓1mv/。0時(shí)為273.2mv，故調(diào)零電位器為560。測量范圍050，則電壓050mv。對應(yīng)A/D轉(zhuǎn)換器輸入端為05v。放大倍數(shù)Av=5v/50mv1003.1.2儀表放大器參數(shù)的確定第一放大增益：1 （4-1）第二放大增益： （4-2）總增益： （4-3）取實(shí)際增益：通過調(diào)節(jié)電位器P1能達(dá)到100倍的放大要求。3.2 濕度檢測模塊的計(jì)算3.2.1 正弦振蕩器振蕩頻率的計(jì)算取=0.01f根據(jù)振蕩頻率公

30、式7計(jì)算振蕩頻率的電阻阻值取標(biāo)準(zhǔn)值4.7與2的電阻串聯(lián)。3.2.2 放大環(huán)節(jié)放大倍數(shù)確定具體倍數(shù)在調(diào)試時(shí)確定。3.3LED數(shù)碼顯示器限流電阻計(jì)算LED顯示器選擇型號SM4105，為共陰連接，查的其參數(shù)：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(biāo)準(zhǔn)值470。3.4 蜂鳴器限流電阻計(jì)算蜂鳴器選擇型號為PB2130UL100A，其參數(shù)為：額定工作電壓為12V；操作電壓為015V；最大電流損耗為20mA；直流電阻為30。所以其限流電阻阻值為12V/20mA-30=570，取標(biāo)準(zhǔn)值560。4 系統(tǒng)電源的設(shè)計(jì)在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，

31、按照盡量減少系統(tǒng)電源的種類的原則，運(yùn)算放大器LM324可采用單端供電工作方式。個(gè)下位機(jī)及主機(jī)分別安裝在不同的居室，因此它們需要各自的獨(dú)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(shè)計(jì)如圖5-1所示：圖5-1下位機(jī)電源原理圖圖中0.68f/400V的獨(dú)石電容交流阻抗相當(dāng)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(shí)現(xiàn)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(jī)電源與其類似。此電源的最大優(yōu)點(diǎn)是可省去變壓器，體積小。此方案已由上海索博智能

32、電子有限公司的生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證。5系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)5.1 燈光控制程序設(shè)計(jì)開 始F6.3=0?初始化延時(shí)F6.3=0?F6.1取反F6.5=0?延時(shí)F6.5=0?F10=5延時(shí)脈沖上升沿?F10=0?F10-1延時(shí)脈沖上升沿?F6.4=0?Clr ftmr0F6.1取反F6.3=0?ftmr0=78？?F12+1F14=0?Clr ftmr0Bsf 14.0ftmr0=78？?Bcf 14.0F6.4=0?F6.4=0?上升沿?F12-1F12=0?F6.5=0?上升沿?延時(shí)脈沖延時(shí)脈沖F6.4=175?YNNNNNNNNYYYYYYYYNYYYYYYYYYY圖6-1燈光控制主程序框圖其主程序框圖如

33、圖？所示。5.2 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)開始定時(shí)器初始化串行口初始化內(nèi)存單元初始化CALL KEY圖6-2主機(jī)主程序框圖主機(jī)程序框圖：N命令從機(jī)復(fù)位從機(jī)接收就緒？從機(jī)發(fā)送就緒？發(fā)送數(shù)據(jù)接收數(shù)據(jù)返回發(fā)送命令字從機(jī)應(yīng)答？命令字正確？發(fā)送？入口發(fā)送從機(jī)地址地址相符？從機(jī)應(yīng)答？圖6-5主機(jī)通訊子程序框圖YNY5.3 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)器程序框圖如圖？所示。開始初始化啟動(dòng)AD通道0讀轉(zhuǎn)換結(jié)果讀轉(zhuǎn)換結(jié)果浮點(diǎn)運(yùn)算Bcd碼轉(zhuǎn)化送內(nèi)存單元啟動(dòng)AD通道1讀轉(zhuǎn)換結(jié)果讀轉(zhuǎn)換結(jié)果浮點(diǎn)運(yùn)算Bcd碼轉(zhuǎn)化送內(nèi)存單元圖6-7從機(jī)主程序框圖入口接收地址符合本機(jī)地址是命令字？RETI回送本機(jī)地址接收下個(gè)字符命令字合法？發(fā)送？發(fā)送就緒？接收就緒

34、？發(fā)送相應(yīng)狀態(tài)字發(fā)送相應(yīng)狀態(tài)字發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送完？發(fā)送完？發(fā)送相應(yīng)狀態(tài)字發(fā)送相應(yīng)狀態(tài)字恢復(fù)現(xiàn)場YYYYYYYYNNNNNNNN圖6-8從機(jī)通訊中斷服務(wù)程序6 結(jié)束語本設(shè)計(jì)主要研究了單片機(jī)多機(jī)通訊在家居方面的應(yīng)用。系統(tǒng)采用主從式結(jié)構(gòu)，采用RS-485總線標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通訊。本系統(tǒng)共采用了2個(gè)系列3種型號的單片機(jī)，各有各的適用場合：功能強(qiáng)大的I/O口資源豐富的AT89C51作為上位機(jī)，向各下位機(jī)發(fā)送控制命令和設(shè)定數(shù)據(jù)及接收下位機(jī)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；20引腳的AT89C2051作為下位機(jī)，檢測相應(yīng)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(shè)定值相比較，根據(jù)比較結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的控制；各居室的燈光控制（包括白熾燈和日光燈）采用了microchip公司的小巧玲瓏的PIC12C5系列的單片機(jī)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(shí)在程序運(yùn)算過程中均采用了3字節(jié)的浮點(diǎn)