基于51單片機的多機通信系統(tǒng)設計說明

..單片機多機通信系統(tǒng)一、引言隨著單片機技術的不斷發(fā)展,單片機的應用已經(jīng)從單機向多機互聯(lián)化方向發(fā)展。單片機在實時數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理方面,有著成本低、能滿足一般要求、開發(fā)周期短等優(yōu)點,其在智能家居、計算機的網(wǎng)絡通信與數(shù)據(jù)傳輸、工業(yè)控制自動化等方面有著廣泛的應用。 本系統(tǒng)是面向智能家居應用而設計的。在初期,采用紅外無線通信方式,其傳輸距離短,適于一般家庭應用,且成本相對較低；待方案成熟、成本允許,可以改用GSM無線通信方式。二、系統(tǒng)原理及方案設計1、系統(tǒng)框架介紹 本系統(tǒng)為基于51單片機的多機紅外無線通信系統(tǒng),由三個51單片機模塊組成。其中一個作為主機〔即上位機,負責接收來自從機1〔即下位機采集的數(shù)據(jù)信息,以及向從機2〔即下位機發(fā)送控制信息。從機1是數(shù)據(jù)采集模塊,采集溫度、光強等室內數(shù)據(jù),并將其發(fā)送給主機。主機經(jīng)分析處理,作出相應判斷,并給從機2發(fā)送控制信息,使由從機2控制的電機作出相應反應,調節(jié)室內環(huán)境狀況。系統(tǒng)總體框圖如下圖1所示,圖2為紅外收發(fā)模塊簡圖：圖1系統(tǒng)總體框圖圖2紅外收發(fā)模塊簡圖2、多機通信原理介紹在多機通信系統(tǒng)中,要保證主機與從機間可靠的通信,必須要讓通信接口具有識別功能,51單片機串行口控制寄存器SCON中的控制位SM2正是為了滿足這一要求而設置的。當串行口以方式2或方式3工作時,發(fā)送或接收的每一幀信息都是11位的,其中除了包含SBUF寄存器傳送的8位數(shù)據(jù)之外,還包含一個可編程的第9位數(shù)據(jù)TB8或RB8。主機可以通過對TB8賦予1或0,來區(qū)別發(fā)送的是數(shù)據(jù)幀還是地址幀。根據(jù)串行口接收有效條件可知,若從機的SCON控制位SM2為1,則當接收的是地址幀時,接收數(shù)據(jù)將被裝入SBUF并將RI標志置1,向CPU發(fā)送中斷請求；若接收的是數(shù)據(jù)幀時,則不會產(chǎn)生中斷標志,信息將被丟棄。若從機的SCON控制位SM2為0,則無論主機發(fā)送的是地址幀還是數(shù)據(jù)幀,接收數(shù)據(jù)都會被裝入SBUF并置1標志位RI,向CPU發(fā)出中斷請求。那么,我們規(guī)定如下通信協(xié)議：〔1置1所有從機的SM2位,使之處于只能接收地址幀的狀態(tài),并給每個從機初始化一個地址值；〔2主機發(fā)送地址幀,其中包含8位地址信息,第9位為1,進行從機尋址；〔3從機接收到地址后,將8地址信息與其自身地址值相比較,若相同則清"0"控制位SM2,若不同則保持SM2位為1；〔4主機從第二幀開始發(fā)送數(shù)據(jù)幀,其中第9位為0。對于已經(jīng)被尋址的從機,因其SM2為0,可以接收主機發(fā)送來的任何信息,而對于其他從機,因其SM2為1,將對主機發(fā)送來的數(shù)據(jù)信息不予理睬,直到發(fā)來一個新的地址幀。〔5若主機需要要與其他從機聯(lián)系,可再次發(fā)送地址幀來進行從機尋址,而先前被尋址過的從機在分析出主機發(fā)來的地址幀是對其他從機尋址時,恢復其自身的SM2為1,對主機隨后發(fā)來的數(shù)據(jù)信息不予理睬。3、紅外通信方式介紹因為本系統(tǒng)是面向智能家居而設計的,考慮到有線方式給用戶帶來的不便,我們選用無線作為各單片機間的通信方式。且我們隊員以前未做無線通信,希望在這次比賽中鍛煉、提高自己。對于無線通信方式,常見的有五種：紅外通信,藍牙通信,Zigbee通信,GSM通信,GPRS通信。紅外通信是我們在學習中接觸到最多的,元件材料相對簡單、容易獲得,能夠滿足一般家庭應用,且紅外通信方面的資料比較多,易學。藍牙設備自制不易,購買則增加系統(tǒng)成本。Zigbee、GSM、GPRS則或系統(tǒng)設計復雜,或成本高。紅外通信背景介紹：紅外線是波長在750nm至1000nm間的電磁波,其頻率高于微波而低于可見光,是一種人肉眼看不見的光線。目前無線電波和微波已被廣泛應用在長距離的無線通信中,但由于紅外線的波長較短,對障礙物的衍射能力差,所以更適合應用在需要短距離無線通信場合點對點的直線數(shù)據(jù)傳輸。〔1紅外收發(fā)器TFDU4100介紹對于紅外收發(fā)模塊,我們采用TFDU4100紅外收發(fā)器來實現(xiàn)。TFDU4100是常用的低電壓紅外收發(fā)模塊,以串行方式進行數(shù)據(jù)交換,遵循IrDA1.2標準,最高通信速率可以達到115.2Kbps,最大傳輸距離為3.0m。TFDU4100芯片圖片和管腳定義分別如圖3、表1所示圖3TFDU4100芯片圖片管腳號作用描述I/O有效電平1IREDAnode紅外發(fā)射的陽極,該引腳通過一個外接電阻與Vcc2相接2IREDCathode紅外發(fā)射的陰極,該引腳在模塊內部與輸出驅動相連3TXD發(fā)送數(shù)據(jù)的輸入端輸入引腳高4RXD接收數(shù)據(jù)的輸出端,不需要上拉或下拉電阻,數(shù)據(jù)發(fā)送時此腳無效輸出引腳低5NC不用連接6Vcc1/SD電源/關閉引腳,當該腳為低電平時,紅外傳輸模塊關閉7SC靈敏度控制端輸入引腳高8GND接地端表1TFDU4100管腳定義除了使用TFDU4100構成紅外收發(fā)模塊外,還可以選用其他的方案。比如用分立元件搭建一個紅外發(fā)射、接收電路：用電阻、電容組成低步振蕩器,頻率調在38KHz左右,由紅外發(fā)光二極管發(fā)射載波；紅外接收部分采用普通的紅外接收頭,比如LF0038U,再用二極管、晶體管、電容、電阻構成放大、解調電路。但此方案缺點在于電路復雜、系統(tǒng)穩(wěn)定性不強,并且成本與采用TFDU4100設計差別不大?！?串行紅外傳輸控制器TOIM3232介紹根據(jù)IrDA紅外傳輸標準,串行紅外傳輸采用特定的脈沖編碼標準,該標準與RS232串行傳輸標準不同。若兩設備之間進行串行紅外通訊,就需要一個傳輸控制器,以進行RS232編碼和IrDA編碼之間的轉換。TOIM3232串行紅外傳輸控制器就是Vishay公司為配合TFDU4100而設計的。其功能結構圖如圖4所示：圖4TOIM3232功能結構框圖在輸出模式下,TOIM3232可把RS232輸出信號轉變成符合IrDA標準的信號以驅動紅外發(fā)射器；在接收模式下,TOIM3232可把IrDA輸入信號轉變成符合RS232標準的信號；TOIM3232的紅外傳輸速度范圍為2.4Kbit/s～115.2Kbit/s。TOIM3232內部有一個3.6864MHz的晶振,用以實現(xiàn)脈沖的擴張和壓縮。該時鐘信號既可以由內部晶振產(chǎn)生也可用外部時鐘實現(xiàn)。該控制器可通過RS232口進行編程控制,其輸出脈沖寬度可程控為1.627μs或3/16位長。4、主機模塊介紹 主機模塊以89C52單片機為控制核心,外圍主要接有4X4矩陣鍵盤、1602液晶顯示屏、TFDU4100紅外收發(fā)器、串行紅外傳輸控制器TOIM3232。此模塊中89C52單片機作為CPU,控制整個系統(tǒng)的運轉。系統(tǒng)啟動時,默認主機與從機1建立連接。主機以串行口中斷方式接受從機1發(fā)送的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)經(jīng)單片機分析,顯示于1602液晶上,并判斷是否向從機2發(fā)送控制信息。 本系統(tǒng)中我們使用4*4的非獨立式矩陣鍵盤,如下圖5所示。將行線、列線分別連接到按鍵開關的兩端,并且連接到單片機的I/O口。圖54*4矩陣鍵盤通過矩陣鍵盤,可以向主機輸入要尋址的從,以控制主與哪一個從通信；并能控制與主機連接的1602液晶,顯示任意一項從機1測量的數(shù)據(jù)。下面為4*4矩陣鍵盤的程序設計流程圖如下圖6所示：圖64*4矩陣鍵盤的程序設計流程圖1602液晶是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號的點陣式LCD,它有5*10和5*7兩種點陣字符顯示模式可供選擇,5*7點陣字符下可以顯示2行共32個字符。一般其主控制驅動電路為HD44780,模塊內部的字符發(fā)生存儲器〔CGROM已經(jīng)存儲了160個不同的點陣字符圖形,每一個字符都有一個固定的代碼,比如大寫的英文字母"A"的代碼是01000001B〔41H,顯示時模塊把地址41H中的點陣字符圖形顯示出來,我們就能看到字母"A"。1602液晶在此模塊內的作用,是顯示從機1測量的數(shù)據(jù),驗證紅外通信的可靠性；當主機要切換要與之通信的從機時,用1602顯示修改后與之通信的從機名。紅外通信模塊主要由TFDU4100和TOIM3232構成。TFDU4100采用IrDA紅外傳輸標準,即串行紅外傳輸?shù)拿}沖編碼,這個標準不能和單片機接口直接兼容。所以用串行紅外傳輸控制器TOIM3232進行串碼和IrDA編碼間的轉換。TOIM3232可把單片機輸出的串碼信號轉換成符合IrDA標準的信號以驅動TFDU4100；它還可以將IrDA輸入信號轉換成串碼信號送入單片機。其電路設計原理圖如下圖7所示：圖751單片機、TOIM3232、TFDU4100簡易連接原理圖主機負責對外圍器件的調度與控制,包括紅外收發(fā)模塊接收數(shù)據(jù)控制、鍵盤掃描、1602液晶的顯示、是否向從機2發(fā)送消息。其程序流程圖如下圖8所示：串行口中斷開始串行口中斷開始數(shù)據(jù)分析單片機復位數(shù)據(jù)分析單片機復位1602顯示數(shù)據(jù)超過閥值1602顯示數(shù)據(jù)超過閥值返回主程序默認啟動時與從機1連接N返回主程序默認啟動時與從機1連接鍵盤設置連接從機21602顯示此時與從機1連接Y鍵盤設置連接從機21602顯示此時與從機1連接1602顯示連接機21602顯示連接機2紅外發(fā)送數(shù)據(jù)W紅外發(fā)送數(shù)據(jù)While<1>死循環(huán)返回主程序結束返回主程序結束圖8主機程序流程圖5、從機1模塊介紹 從機1模塊以89C52單片機為控制核心,外圍主要接有1602液晶顯示屏、TFDU4100紅外收發(fā)器、串行紅外傳輸控制器TOIM3232、ADC0809、溫度傳感器、光強傳感器。 室內溫度的測量采用溫度傳感器DS18B20。選用此傳感器的原因是它價格便宜,可以降低系統(tǒng)成本,且對于一般家庭使用,此傳感器的精度足夠了。使用簡單,易控制。DS18B20提供9位二進制溫度讀數(shù),指示器件的溫度信息,并通過單線接口送至CPU。DSl820中有用于貯存測得的溫度值的兩個8位存貯器RAM編號為0號和1號。將存貯器中的二進制數(shù)求補再轉換成十進制數(shù)并除以2就得到被測溫度值<-550攝氏度--125攝氏度>。光強傳感器采用實驗室現(xiàn)已有的,主要由可見光光敏電阻器、普通電阻等分立器件構成。光敏電阻是利用半導體的光電效應制成的一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器；入射光強時,電阻減小,入射光弱時,電阻增大。所有傳感器輸出的數(shù)據(jù)均為模擬量,要輸入單片機處理,必須經(jīng)過A/D轉換。模數(shù)轉換芯片采用ADC0809,主要原因是采集數(shù)據(jù)的路數(shù)較多〔以后還可擴展,需要一個多通道的A/D,而我們以前做數(shù)電實驗時用過的ADC0809正是8位8通道的模數(shù)轉換芯片,它是逐次逼近式A/D轉換器,可以和單片機直接接口。 紅外收發(fā)模塊,則負責將傳感器采集的數(shù)據(jù)傳至主機,其結構已在前面介紹過。 1602液晶在此處的作用是將單片機接收到的數(shù)據(jù)顯示出來,與傳到主機的數(shù)據(jù)作對比,驗證紅外通信的可靠性。 從機1的程序流程圖如下圖9所示：復位開始復位開始N定時時間到？1602顯示定時時間到？1602顯示紅外向主機發(fā)送Y紅外向主機發(fā)送啟動A/D,采集數(shù)據(jù)啟動A/D,采集數(shù)據(jù)結束結束圖9從機1程序流程圖6、從機2模塊介紹從機2模塊以89C52單片機為控制核心,外圍主要接有紅外收發(fā)模塊、電機驅動電路、直流電機和窗簾模型。紅外收發(fā)模塊負責接收主機發(fā)送來的信息,經(jīng)單片機處理,以控制電機運轉。電機驅動電路主要由L298N構成。L298N芯片可以驅動兩個二相電機,也可以驅動一個四相電機,輸出電壓最高可達50V,可以直接通過電源來調節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機的IO口提供信號；而且電路簡單,使用比較方便。電路原理圖如下圖10所示：圖10電機驅動電路原理圖 直流電機采用德國FAULHABER-2342電機,其轉子轉動慣量小,因而動態(tài)性能極好；FAULHABER電機采用精密合金換向器,因其接觸電阻低而使性能優(yōu)良。 為表征電機控制的實現(xiàn),在電機后端我們做一個窗簾模型,通過電機控制窗簾的開關。 89C52單片機在此模塊中,負責控制接收來自主機的信息,并產(chǎn)生PWM波驅動電機,以達到調速的目的。51沒有硬件的PWM,全靠軟件模擬。調速程序可以用定時器做,首先設置兩個定時用的全局變量,一個代表高電平時間,一個代表低電平時間。先給定時器初值〔既那兩個全局變量中的一個,溢出后觸發(fā)中斷,在中斷里設置另另一個初值并且取反PWM的輸出端口,兩個初值輪流給定時器,就可