基于單片機(jī)的多路模擬輸出及通信設(shè)計(jì)論文

摘要模擬信號(hào)的輸出是生產(chǎn)過程中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，它直接影響到控制系統(tǒng)性能。采用上位機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制是一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的問題，采用上位機(jī)通過RS-485控制單片機(jī)不僅具有控制方便、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，而且可以在節(jié)約操作成本的同時(shí)大幅度的提高控制安全。整個(gè)系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性能高。本文著重介紹了該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方法。本設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)一個(gè)8路的模擬量輸出系統(tǒng)，外部信號(hào)由RS-485通信傳送給控制器作為控制的依據(jù)，決定每路模擬量輸出通道輸出的大小。本設(shè)計(jì)要求輸出4-20mA電流。精度要求做到1%。因此本設(shè)計(jì)采用的單片機(jī)是AT80C51，只所以采用51單片機(jī)是因?yàn)樵搯纹瑱C(jī)在軟件編寫時(shí)，用C語言編寫比較的靈活，價(jià)格便宜。采用的DA芯片是DAC0832，DAC0832的轉(zhuǎn)換精度可以做到1%。關(guān)鍵詞：D/A，單片機(jī)，異步串行通信ABSTRACTTheoutputoftheanalogsignalisveryimportantfortheproductionprocess,whichdirectlyaffectsthecontrolsystemperformance.TheuseofPCcontrolsystemisoftenencounteredinanindustrialproductionproblems,theuseofPCcontrolviaRS-485chipisnotonlyeasytocontrol,butalsocansavesubstantialoperatingcostswhileimprovingcontrolsecurity.Thestructureofthewholesystemissimple,ithashighreliability.Thisarticlehighlightsthesystem'shardwaredesign.Thispaperistodesignan8-wayanalogoutputsystem,receivinganexternalsignal,istheexternalsignalthedecisionofeachanalogoutputchannel.TheexternalsignaltransmittedbytheRS-485communicationstothecontrollerasthecontrolbasis.Thedesignwhichoutputis4-20mAcurrentistoachieve1%accuracy.Therefore,amicrocontrollerwhichisusedbythisdesignistheAT80C51,becausetheuseof51single-chipmicrocontrollerinsoftwaredevelopmentwhencomparedwiththeClanguageflexibleandcheaperpricesisverygood.DAchipwhichweuseisDAC0832,DAC0832candotheconversionaccuracyof1%.KEYWORDS:D/A,microcomputer,asynchronousserialcommunication目錄摘要 IABSTRACT I第1章緒論 11.1課題背景 11.2研究的意義 11.3研究的對(duì)象 1第2章總體方案設(shè)計(jì) 22.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 22.2本系統(tǒng)工作流程 2第3章硬件設(shè)計(jì) 43.1AT80C51功能簡(jiǎn)介 43.2CPU最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 43.2.1晶振原理設(shè)計(jì) 53.2.2復(fù)位電路設(shè)計(jì)： 63.3單片機(jī)與DAC0832接口的設(shè)計(jì) 83.3.1DAC0832的功能簡(jiǎn)介 83.3.2DAC0832的工作原理 83.3.3具體接口設(shè)計(jì) 103.3.4輸出電路設(shè)計(jì) 113.4單片機(jī)串口通信設(shè)計(jì) 123.4.1RS-485收發(fā)器介紹 133.4.2RS-485通信模塊設(shè)計(jì) 143.5電源模塊 16第4章軟件部分 194.1主程序設(shè)計(jì) 194.2DA轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì) 204.3通信設(shè)置 204.3.1 串口控制寄存器SCON的設(shè)置 204.3.2定時(shí)器內(nèi)部主要寄存器 214.3.3波特率計(jì)算 224.4通信程序流程圖 22第5章總結(jié)與展望 265.1總結(jié) 265.2展望 26致謝 27參考文獻(xiàn) 28第1章緒論1.1課題背景隨著單片機(jī)技術(shù)的迅速興起與蓬勃發(fā)展，其穩(wěn)定、安全、高效、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)十分突出，所以其應(yīng)用也十分廣泛。單片機(jī)已經(jīng)無處不在、與我們生活息息相關(guān)，并且滲透到生活的方方面面。所以單片機(jī)在工業(yè)中應(yīng)用中，可以極大地提高工業(yè)設(shè)備的智能化、數(shù)據(jù)處理能力和處理效率。本課題是單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用課題，是針對(duì)工業(yè)數(shù)據(jù)檢測(cè)與控制系統(tǒng)的常用模塊設(shè)計(jì)，具有普遍的使用價(jià)值，有助于對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)做進(jìn)一步研究，本課題是一實(shí)踐課題，要求運(yùn)用單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有串行通信功能的多路模擬信號(hào)輸出模塊，上位機(jī)可通過串行總線對(duì)單片機(jī)輸入控制信號(hào)，對(duì)它進(jìn)行遠(yuǎn)距離的多路控制，大大節(jié)約了成本，提高了利用率。特別在現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)和生活中帶來了很多便利。1.2研究的意義電流是一個(gè)非常重要的控制量，因此對(duì)用電流為控制量的研究的意義就越來越大。多路模擬信號(hào)輸出和通信系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究和人們的生活領(lǐng)域中，得到了廣泛應(yīng)用。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，很多時(shí)候都需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表進(jìn)行嚴(yán)格的控制，以使得生產(chǎn)能夠順利的進(jìn)行，產(chǎn)品的質(zhì)量才能夠得到充分的保證。單片機(jī)廣泛適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，過程控制，智能控制儀表及狀態(tài)檢測(cè)等各個(gè)方面，單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)原理及接口技術(shù)是機(jī)電，電子信息及控制技術(shù)相關(guān)專業(yè)的一門重要專業(yè)課程。本課題是單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用課題，是針對(duì)工業(yè)數(shù)據(jù)檢測(cè)與控制系統(tǒng)的常用模塊設(shè)計(jì)，具有普遍的使用價(jià)值，有助于對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)做進(jìn)一步研究。1.3研究的對(duì)象本設(shè)計(jì)的研究對(duì)象主要是基于單片機(jī)的數(shù)字信號(hào)到模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換，即單片機(jī)于DA芯片接口的研究和單片機(jī)和上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信。主要采用單片機(jī)是AT08C51，采用的數(shù)模裝換器是DAC芯片DAC0832，采用的是RS-485通信。第2章總體方案設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)本章主要內(nèi)容是論述基于51單片機(jī)的多路模擬信號(hào)輸出及通信系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)以及方案論證。單片機(jī)接受上位機(jī)控制信號(hào)并控制哪路去完成數(shù)字信號(hào)到模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)由單片機(jī)AT08C51、D/A轉(zhuǎn)換模塊DAC0832、電源系統(tǒng)單元、串行通信單元RS-485、上位機(jī)等組成。使用的軟件有MAPLAB，串口助手軟件等?？傮w設(shè)計(jì)框圖如圖2.1所示。單片機(jī)串口通信單片機(jī)串口通信晶振電路復(fù)位電路3-8譯碼器D/A轉(zhuǎn)換模塊上位機(jī)數(shù)據(jù)總線圖2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.2本系統(tǒng)工作流程系統(tǒng)的工作流程如圖2.2所示。系統(tǒng)上電初始化上位機(jī)通過485傳輸控制信號(hào)系統(tǒng)上電初始化上位機(jī)通過485傳輸控制信號(hào)單片機(jī)對(duì)信號(hào)處理數(shù)模轉(zhuǎn)換出模擬信號(hào)模擬信號(hào)處理圖2.2系統(tǒng)工作流程單片機(jī)：該部分的功能不僅包括向DA轉(zhuǎn)換器寫入各種控制命令、讀取上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理。單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心及數(shù)據(jù)處理核心。485芯片：本部分的主要功能是完成單片機(jī)與上位機(jī)的通信，作用就像是單片機(jī)和上位機(jī)之間的橋梁，上位機(jī)通過它對(duì)系統(tǒng)可實(shí)行遠(yuǎn)程控制。D/A轉(zhuǎn)換：本部分將單片機(jī)的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。三-八譯碼器：?jiǎn)纹瑱C(jī)通過它實(shí)現(xiàn)多路模擬信號(hào)輸出。第3章硬件設(shè)計(jì)3.1AT80C51功能簡(jiǎn)介方案一：采用ATMEL公司生產(chǎn)的AT80C51系列的單片機(jī)作為主控制器。其特點(diǎn)是支持ISP在線可編程寫入技術(shù)。串行寫入、其頻率高達(dá)33MHz,故其速度更快、內(nèi)部集成看門狗計(jì)時(shí)器，不再需要像80C51那樣外接看門狗計(jì)時(shí)器單元電路，穩(wěn)定性更好。AT80C51是一款高性能、低功耗8位單片機(jī)，片內(nèi)含8kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器。AT方案二：采用ATMEL公司ATmega系列等高檔八位單片機(jī)作為本系統(tǒng)控制核心。這一類高檔單片機(jī)最顯著的特點(diǎn)就是功能全，如空間更大的FLASH和SRAM存儲(chǔ)器、雙串口、更多的硬件定時(shí)器資源等。但是其價(jià)格往往比普通單片機(jī)貴。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求和資源預(yù)算，并且考慮系統(tǒng)成本，為了使本系統(tǒng)性價(jià)比達(dá)到更高，決定選用方案一，即AT80C51單片機(jī)作為本系統(tǒng)控制核心模塊。3.2CPU最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，在本設(shè)計(jì)中選用8位微處理器AT89C51，該微處理器是一種CMOS工藝的低功耗、高性能8位嵌入式微控制器。該器件與MCS-51系列的同類產(chǎn)品（如80C51等）在指令系統(tǒng)及引腳上完全兼容。微處理器具有8K可寫/擦1000次的Flash內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，對(duì)系統(tǒng)開發(fā)過程中的程序編寫和調(diào)試可以提供極大的方便。另外，微處理器內(nèi)部還有256字節(jié)的RAM、3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、8個(gè)中斷源和可編程串行口。在該系統(tǒng)的單片機(jī)模塊中，還有一路由11.0592MHz晶振和電容組成的振蕩電路用于構(gòu)成系統(tǒng)時(shí)鐘。本設(shè)計(jì)的CPU單元電路圖如圖3.1所示[2]。圖3.1CPU單元電路圖3.2.1晶振原理設(shè)計(jì)時(shí)鐘引腳為XTAL1、XTAL2。時(shí)鐘引腳外接晶體與片內(nèi)的反向放大器構(gòu)成了一個(gè)振蕩器，它提供單片機(jī)的時(shí)鐘控制信號(hào)。時(shí)鐘引腳也可外接晶體振蕩器。XTAL1（19腳）：接外部晶體的一個(gè)引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個(gè)反向放大器的輸入端。這個(gè)放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。當(dāng)采用外接晶體振蕩器時(shí)，此引腳應(yīng)接地。XTAL2（18腳）：接外部晶體的另一端，在單片機(jī)內(nèi)部接至內(nèi)部反向放大器的輸出端。若采用外部振蕩器時(shí)，該引腳接收振蕩器的信號(hào)，即把此信號(hào)直接接到內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。本系統(tǒng)采用晶振時(shí)鐘電路。外部晶振以及電容C2和C3構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。對(duì)外接電容的值雖然沒有嚴(yán)格要求，但電容的大小多少會(huì)影響振蕩器頻率的高低，振蕩器的穩(wěn)定性，起振的快速性和穩(wěn)定性。外接晶振時(shí)，C1和C2通常選擇30pf,晶振采用11.0592MHz。時(shí)鐘電路如下圖3.2所示。圖3.2時(shí)鐘電路圖

在圖3.3中上面的正弦波是11.0592MHZ產(chǎn)生的，下面的是12MHZ產(chǎn)生的波形，可知12MHZ由于過驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生紋波，11.0592MHZ能夠產(chǎn)生較穩(wěn)定的晶振頻率[4]。圖3.3晶振產(chǎn)生的正弦波3.2.2復(fù)位電路設(shè)計(jì)：本系統(tǒng)采用的復(fù)位電路如圖3.4所示。圖3.4復(fù)位電路圖單片機(jī)復(fù)位電路設(shè)計(jì)不良將導(dǎo)致以下現(xiàn)象：程序無故無循環(huán)特征的跑飛、死機(jī)，但在仿真軟件中運(yùn)行良好；在短時(shí)間內(nèi)開關(guān)機(jī)，單片機(jī)無法復(fù)位等。所以我們?cè)O(shè)計(jì)了本復(fù)位電路[3]。首先，在單片機(jī)上電過程中，單片機(jī)的電源電壓上升到一定水平并保持穩(wěn)定的時(shí)候，其才可以正常工作。其次，在單片機(jī)上電過程中，晶振從的震蕩幅度由0V到規(guī)定值的過程需要一定的時(shí)間。最后，單片機(jī)程序運(yùn)行中出現(xiàn)死機(jī)、跑飛等現(xiàn)象是，需要回到初始值來從頭開始。本復(fù)位電路的基本功能是：為了可靠起見電源穩(wěn)定后，還要經(jīng)一定的延時(shí)才撤銷復(fù)位信號(hào)以防電源開關(guān)或電源插頭分-合過程中引起的抖動(dòng)而影響復(fù)位。本電路用于低電平復(fù)位的單片機(jī)的上電復(fù)位。確保系統(tǒng)上電時(shí)能夠自動(dòng)復(fù)位，系統(tǒng)上電時(shí)提供復(fù)位信號(hào)，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號(hào)。本復(fù)位電路的基本原理：設(shè)Vcc=5V，經(jīng)計(jì)算得知，當(dāng)VCC由0V上升到5V，并保持穩(wěn)定的時(shí)候，R2兩端的壓降為0.8V，此時(shí)NPN導(dǎo)通。由于C2和C3的存在，RESET腳的電壓由0V緩慢上升到5V（理論值），R4值的大小決定了這個(gè)上升過程的時(shí)間，即下降沿保持時(shí)間。在這個(gè)時(shí)間中，單片機(jī)處于復(fù)位狀態(tài)。當(dāng)RESET腳的電壓達(dá)到單片機(jī)正常工作的高度，復(fù)位結(jié)束。圖中D205為C2和C3提供了一個(gè)放電通路，以確保在關(guān)電的時(shí)候，這兩個(gè)電容快速的放電，這樣在頻繁的開關(guān)機(jī)過程中不會(huì)出現(xiàn)復(fù)位不良的問題。R3為NPN的限流電阻；C1為電源的濾波電容，C3為復(fù)位信號(hào)的濾波電容，這兩個(gè)電容一起，防止了電源波動(dòng)或外部干擾，引起不必要的復(fù)位[5]。圖3.5上電瞬間各引腳電壓上述復(fù)位電路的優(yōu)點(diǎn)在于，等電源電壓上升到Vcc時(shí)候，復(fù)位電路才正式啟動(dòng)。單片機(jī)啟動(dòng)的時(shí)候，復(fù)位信號(hào)釋放的時(shí)機(jī)（各電平變化）如圖3.4所示：在單片機(jī)每次初始加電時(shí)，首先投入工作的功能部件是復(fù)位電路。復(fù)位電路把單片機(jī)鎖定在復(fù)位狀態(tài)上并且維持一個(gè)延時(shí)，以便給予電源電壓從上升到穩(wěn)定的一個(gè)等待時(shí)間；在電源電壓穩(wěn)定之后，再插入一個(gè)延時(shí)，給予時(shí)鐘振蕩器從起振到穩(wěn)定的一個(gè)等待時(shí)間。在經(jīng)歷了一系列延時(shí)之后，單片機(jī)才開始按照時(shí)鐘源的工作頻率，進(jìn)入到正常的程序運(yùn)行狀態(tài)。從圖3.5所示的實(shí)測(cè)曲線中可以同時(shí)看到3條曲線：VDD、Vrst、和ALE。在電源電壓以及振蕩器輸出信號(hào)穩(wěn)定之后，又等待了一段較長(zhǎng)的延時(shí)才釋放RST信號(hào)，使得CPU脫離復(fù)位鎖定狀態(tài)；而RST信號(hào)一旦被釋放，立刻在ALE引腳上就可檢測(cè)到持續(xù)的脈沖信號(hào)。綜合上述理由，復(fù)位電路的延時(shí)是為等待電源電壓和晶振穩(wěn)態(tài)的出現(xiàn)，在這個(gè)過程中，單片機(jī)重啟，程序初始化。3.3單片機(jī)與DAC0832接口的設(shè)計(jì)上位機(jī)把控制信號(hào)送給單片機(jī)，單片機(jī)控制哪一路進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，并將所轉(zhuǎn)換完的模擬信號(hào)保持住。3.3.1DAC0832的功能簡(jiǎn)介DAC0832是美國資料公司研制的8位雙緩沖器D/A轉(zhuǎn)換器。芯片內(nèi)帶有資料鎖存器，可與數(shù)據(jù)總線直接相連。電路有極好的溫度跟隨性，使用了COMS電流開關(guān)和控制邏輯而獲得低功耗、低輸出的泄漏電流誤差。芯片采用R-2RT型電阻網(wǎng)絡(luò)，對(duì)參考電流進(jìn)行分流完成D/A轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)果以一組差動(dòng)電流IOUT1和IOUT2輸出[6]。DAC0832主要性能參數(shù)：①分辨率8位②轉(zhuǎn)換時(shí)間1μs③參考電壓±10V④單電源+5V~+15v⑤功耗20mW3.3.2DAC0832的工作原理一個(gè)8位D/A轉(zhuǎn)換器有8個(gè)輸入端（其中每個(gè)輸入端是8位二進(jìn)制數(shù)的一位），有一個(gè)模擬輸出端。輸入可有256個(gè)不同的二進(jìn)制組態(tài)，輸出為256個(gè)基準(zhǔn)電壓之一，即輸出電壓不是整個(gè)電壓范圍內(nèi)任意值，而只能是256個(gè)可能值。圖3.6是DAC0832的封裝圖[7]。

圖3.6DAC0832的封裝圖D0~D7：數(shù)字信號(hào)輸入端。

ILE：輸入寄存器允許，高電平有效。

CS：片選信號(hào)，低電平有效。

WR1：寫信號(hào)1，低電平有效。

XFER：傳送控制信號(hào)，低電平有效。

WR2：寫信號(hào)2，低電平有效。

IOUT1、IOUT2：DAC電流輸出端。

Rfb：是集成在片內(nèi)的外接運(yùn)放的反饋電阻。

Vref：基準(zhǔn)電壓（-10~10V）。

Vcc：是源電壓（+5~+15V）。

AGND：模擬地NGND：數(shù)字地，可與AGND接在一起使用。 DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.7所示。DAC0832中有兩級(jí)鎖存器，第一級(jí)鎖存器稱為輸入寄存器，它的鎖存信號(hào)為ILE；第二級(jí)鎖存器稱為DAC寄存器，它的鎖存信號(hào)為傳輸控制信號(hào)XFER。因?yàn)橛袃杉?jí)鎖存器，DAC0832可以工作在雙緩沖器方式，即在輸出模擬信號(hào)的同時(shí)采集下一個(gè)數(shù)字量，這樣能有效地提高轉(zhuǎn)換速度。此外，兩級(jí)鎖存器還可以在多個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器同時(shí)工作時(shí)，利用二級(jí)鎖存信號(hào)來實(shí)現(xiàn)多個(gè)轉(zhuǎn)換器同步輸出。圖3.7DA0832內(nèi)部原理圖圖3.7中ILE為高電平、CS和WR1為低電平時(shí)，ILE為高電平，輸入寄存器的輸出跟隨輸入而變化；此后，當(dāng)WR1由低變高時(shí)，ILE為低電平，資料被鎖存到輸入寄存器中，這時(shí)的輸入寄存器的輸出端不再跟隨輸入資料的變化而變化。對(duì)第二級(jí)鎖存器來說，XFER和WR2同時(shí)為低電平時(shí)，ILE為高電平，DAC寄存器的輸出跟隨其輸入而變化；此后，當(dāng)WR2由低變高時(shí)，ILE變?yōu)榈碗娖?，將輸入寄存器的資料鎖存到DAC寄存器中。3.3.3具體接口設(shè)計(jì)DAC0832的時(shí)序如圖3.8所示[8]。圖3.80832時(shí)序圖DAC0832有3種工作方式：⑴單緩沖方式。單緩沖方式是控制輸入寄存器和DAC寄存器同時(shí)接收資料，或者只用輸入寄存器而把DAC寄存器接成直通方式。此方式適用只有一路模擬量輸出或幾路模擬量異步輸出的情形。⑵雙緩沖方式。雙緩沖方式是先使輸入寄存器接收資料，再控制輸入寄存器的輸出資料到DAC寄存器，即分兩次鎖存輸入資料。此方式適用于多個(gè)D/A轉(zhuǎn)換同步輸出的情節(jié)。⑶直通方式。直通方式是資料不經(jīng)兩級(jí)鎖存器鎖存，即WR1，WR2，XFER，CS均接地，ILE接高電平。此方式適用于連續(xù)反饋控制線路，不過在使用時(shí)，必須通過另加I/O接口與CPU連接，以匹配CPU與D/A轉(zhuǎn)換[9]。圖3.9DA轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換電路整體電路圖見附錄，單路接線圖接線如圖3.9所示，本設(shè)計(jì)采用單緩沖方式，故XFER接地，ILE接高電平，WR1與WR2與單片機(jī)WR口相連，由3-8譯碼器出來控制CS信號(hào)控制口。當(dāng)CS由Y2送低電平時(shí)，DA開始轉(zhuǎn)換，模擬信號(hào)輸出。當(dāng)CS由Y2送高電平時(shí)，這時(shí)DA芯片將維持輸出剛才的模擬量，我們用單片機(jī)P2口控制74LS138，74LS138的每一個(gè)輸出控制一路DA轉(zhuǎn)換。這樣我們達(dá)到了控制要求。3.3.4輸出電路設(shè)計(jì)由于DAC0832產(chǎn)生0到100nA的電流，要想產(chǎn)生4到20mA的電流，要先轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，后再轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，具體電路圖如圖3.10所示。圖3.10輸出電路設(shè)計(jì)電流取樣電阻盡量取小點(diǎn)的原因是，為了滿足輸出電流信號(hào)的帶負(fù)載能力，所以要求信號(hào)轉(zhuǎn)換電路的內(nèi)部壓降盡可能減小。但是，為了保證轉(zhuǎn)換精度，也不能太?。匀?0歐姆，即對(duì)應(yīng)4～20毫安時(shí)的壓降為0.2～1V。對(duì)應(yīng)輸入電壓0～5V來講，Vi＝0～5V，Vo=0.2～1V。

運(yùn)放增益：(3.1)

運(yùn)放的輸入端：(3.2)所以+V的分壓電阻上端取20K，下端取100K即可。3.4單片機(jī)串口通信設(shè)計(jì)在工業(yè)控制及測(cè)量領(lǐng)域較為常用的網(wǎng)絡(luò)之一就是物理層采用RS-485通信接口所組成的工控設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。這種通信接口可以十分方便地將許多設(shè)備組成一個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)。從目前解決單片機(jī)之間中長(zhǎng)距離通信的諸多方案分析來看，RS-485總線通信模式由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、通信距離和數(shù)據(jù)傳輸速率適當(dāng)?shù)忍攸c(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于儀器儀表、智能化傳感器集散控制、樓宇控制、監(jiān)控報(bào)警等領(lǐng)域。但RS485總線存在自適應(yīng)、自保護(hù)功能脆弱等缺點(diǎn)，如不注意一些細(xì)節(jié)的處理，常出現(xiàn)通信失敗甚至系統(tǒng)癱瘓等故障[10]。3.4.1RS-485收發(fā)器介紹采用MAX公司的MAX485芯片（DIP8封裝）作為485通信的收發(fā)器。MAX485是MAX公司生產(chǎn)的一種RS485接口芯片，它使用單一電源Vcc，電壓在4.75—5.5V范圍內(nèi)均能正常工作，可以完成TTL與RS485之間轉(zhuǎn)換。MAX485芯片引腳和典型工作電路如圖3.11所示[11]。圖3.11MAX485芯片引腳和典型工作電路MAX485芯片功能表，見下表3.1所示。表3.1MAX485芯片功能表發(fā)送功能表輸入接收功能表輸入輸出輸入輸出DEDIZYDEA-BROX110100>0.2V1X101000<-0.2V000X高阻高阻00輸入開路110X高阻高阻10X高阻MAX485芯片的結(jié)構(gòu)和引腳都非常簡(jiǎn)單，內(nèi)部含有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器。R0和D1端分別為接收器的輸出和驅(qū)動(dòng)器的輸入端，與單片機(jī)連接時(shí)只需分別與單片機(jī)的RXD和TXD相連；和DE端分別為接收和發(fā)送的使能端，當(dāng)為邏輯0時(shí)，器件處于接收狀態(tài)；當(dāng)DE為邏輯1時(shí)，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因?yàn)镸AX485工作在半雙工狀態(tài)下，所以只需用單片機(jī)的一個(gè)管腳控制這兩個(gè)引腳；A端和B端分別為接收和發(fā)送的差分信號(hào)端，當(dāng)A引腳的電平高于B時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)位1；當(dāng)A的電平低于B端時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)位0。在單片機(jī)連接時(shí)接線非常簡(jiǎn)單。只需要一個(gè)信號(hào)控制MAX485的接收和發(fā)送。同時(shí)將A和B之間加匹配電阻，一般可選100的電阻[12]。對(duì)于由單片機(jī)結(jié)合RS-485組建的測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)優(yōu)先采用各節(jié)點(diǎn)獨(dú)立供電的方案。RS-485由于使用了差分電平傳輸信號(hào)，傳輸距離比RS-232更長(zhǎng)，最多可以達(dá)到3000m，因此很適合工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用。但與CAN總線等更為先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)總線相比，其處理錯(cuò)誤的能力還稍顯遜色，所以在軟件部分還需要進(jìn)行特別的設(shè)計(jì)，以避免數(shù)據(jù)錯(cuò)誤等情況發(fā)生。另外，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)冗余量較大，對(duì)于速度要求高的應(yīng)用場(chǎng)所不適宜用RS-485總線。雖然RS-485總線存在一些缺點(diǎn)，但由于它的線路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、控制方便，只要處理好細(xì)節(jié)，在某些工程應(yīng)用中仍然能發(fā)揮良好的作用?？傊鉀Q可靠性的關(guān)鍵在于工程開始施工前就要全盤考慮可采取的措施，這樣才能從根本上解決問題，而不要等到工程后期再去亡羊補(bǔ)牢。3.4.2RS-485通信模塊設(shè)計(jì)單片機(jī)與上位機(jī)通信模塊如圖3.12所示。單片機(jī)MAX485單片機(jī)MAX485MAX485上位機(jī)（PLC）圖3.12單片機(jī)與上位機(jī)通信模塊設(shè)計(jì)RS-485通信的硬件電路設(shè)計(jì)如圖3.13所示，在該電路中，使用了一種RS-485接口芯片MAX485，它采用單一電源Vcc，電壓在＋3～＋5.5V范圍內(nèi)都能正常工作。與普通的RS-485芯片相比，它不但能抗雷電的沖擊而且能承受高達(dá)8kV的靜電放電沖擊，片內(nèi)集成4個(gè)瞬時(shí)過壓保護(hù)管，可承受高達(dá)400V的瞬態(tài)脈沖電壓。因此，它能顯著提高防止雷電損壞器件的可靠性。對(duì)一些環(huán)境比較惡劣的現(xiàn)場(chǎng)，可直接與傳輸線相接而不需要任何外加保護(hù)元件。該芯片還有一個(gè)獨(dú)特的設(shè)計(jì)，當(dāng)輸入端開路時(shí)，其輸出為高電平，這樣可保證接收器輸入端電纜有開路故障時(shí)，不影響系統(tǒng)的正常工作。另外，它的輸入阻抗為RS485標(biāo)準(zhǔn)輸入阻抗的2倍（≥24kΩ），故可以在總線上連接64個(gè)收發(fā)器。芯片內(nèi)部設(shè)計(jì)了限斜率驅(qū)動(dòng)，使輸出信號(hào)邊沿不會(huì)過陡，使傳輸線上不會(huì)產(chǎn)生過多的高頻分量，從而有效扼制電磁干擾。在圖1中，四位一體的光電耦合器TLP521讓單片機(jī)與之間完全沒有了電的聯(lián)系，提高了工作的可靠性?；驹頌椋寒?dāng)單片機(jī)P2.5=0時(shí)，光電耦合器的發(fā)光二極管發(fā)光，光敏三極管導(dǎo)通，輸出高電壓（＋5V），選中RS485接口芯片的DE端，允許發(fā)送。當(dāng)單片機(jī)P2.5=1時(shí)，光電耦合器的發(fā)光二極管不發(fā)光，光敏三極管不導(dǎo)通，輸出低電壓（0V），選中RS485接口芯片的RE端，允許接收。MAX485的R端（接收端）和D端（發(fā)送端）的原理與上述類似。圖3.13485通信電路圖

RS-485的DE控制端設(shè)計(jì)，在RS-485總線構(gòu)筑的半雙工通信系統(tǒng)中，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中任一時(shí)刻只能有一個(gè)節(jié)點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)并向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，其他所有節(jié)點(diǎn)都必須處于接收狀態(tài)。如果有2個(gè)節(jié)點(diǎn)或2個(gè)以上節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，將會(huì)導(dǎo)致所有發(fā)送方的數(shù)據(jù)發(fā)送失敗。因此，在系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)中，應(yīng)首先力求避免因異常情況而引起本節(jié)點(diǎn)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)而導(dǎo)致總線數(shù)據(jù)沖突。以MCS51系列的單片機(jī)為例，因其在系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，I/O口都輸出高電平，如果把I/O口直接與RS-485接口芯片的驅(qū)動(dòng)器使能端DE相連，會(huì)在CPU復(fù)位期間使DE為高，從而使本節(jié)點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)。如果此時(shí)總線上有其他節(jié)點(diǎn)正在發(fā)送數(shù)據(jù)，則此次數(shù)據(jù)傳輸將被打斷而告失敗，甚至引起整個(gè)總線因某一節(jié)點(diǎn)的故障而通信阻塞，繼而影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行?？紤]到通信的穩(wěn)定性和可靠性，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)中應(yīng)將控制RS485總線接口芯片的發(fā)送引腳設(shè)計(jì)成DE端的反邏輯，即控制引腳為邏輯“1”時(shí)，DE端為“0”；控制引腳為邏輯“0”時(shí)，DE端為“1”。在圖3-13中,將CPU的引腳P2.5通過光電耦合器驅(qū)動(dòng)DE端，這樣就可以使控制引腳為高或者異常復(fù)位時(shí)使MAX485始終處于接收狀態(tài)，從而從硬件上有效避免節(jié)點(diǎn)因異常情況而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成的影響。這就為整個(gè)系統(tǒng)的通信可靠奠定了基礎(chǔ)。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)需要使用總線時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)總線通信可靠，在有數(shù)據(jù)需要發(fā)送的情況下先偵聽總線。在硬件接口上，首先將RS-485接口芯片的數(shù)據(jù)接收引腳反相后接至CPU的中斷引腳INT0。在圖3.13中，INT0是連至光電耦合器的輸出端。當(dāng)總線上有數(shù)據(jù)正在傳輸時(shí)，MAX485的數(shù)據(jù)接收端（R端）表現(xiàn)為變化的高低電平，利用其產(chǎn)生的CPU下降沿中斷（也可采用查詢方式），能得知此時(shí)總線是否正“忙”，即總線上是否有節(jié)點(diǎn)正在通信。如果“空閑”，則可以得到對(duì)總線的使用權(quán)限，這樣就較好地解決了總線沖突的問題。在此基礎(chǔ)上，還可以定義各種消息的優(yōu)先級(jí)，使高優(yōu)先級(jí)的消息得以優(yōu)先發(fā)送，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。采用這種工作方式后，系統(tǒng)中已經(jīng)沒有主、從節(jié)點(diǎn)之分，各個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)總線的使用權(quán)限是平等的，從而有效避免了個(gè)別節(jié)點(diǎn)通信負(fù)擔(dān)較重的情況。總線的利用率和系統(tǒng)的通信效率都得以大大提高，從而也使系統(tǒng)響應(yīng)的實(shí)時(shí)性得到改善，而且即使系統(tǒng)中個(gè)別節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，也不會(huì)影響其他節(jié)點(diǎn)的正常通信和正常工作。這樣使得系統(tǒng)的“危險(xiǎn)”分散了，從某種程度上來說增強(qiáng)了系統(tǒng)的工作可靠性和穩(wěn)定性[13]。3.5電源模塊本系統(tǒng)中用+5V，—5V，和+24V供電，采用了7805和7824和LMC7600做出了三個(gè)簡(jiǎn)單獨(dú)立的電源。由下圖可知，220V交流電經(jīng)過變壓器降壓，再經(jīng)過橋式整流電路進(jìn)行整流，而后接濾波電容進(jìn)行濾波，輸出脈動(dòng)的直流電，再由三端穩(wěn)壓芯片7805進(jìn)行穩(wěn)壓，輸出5V直流電壓，圖中D205起保護(hù)作用。+5V電源如圖3.14所示。圖3.14+5V電源原理圖+24V電源原理和+5V一樣，我們將7805改成7824。并換了220V/36V變壓器。其原理圖如圖3.15所示。圖3.15+24V電源原理圖由于0832基準(zhǔn)電源是-5V，而我們只有+5V的電源，所以需設(shè)計(jì)+5V轉(zhuǎn)-5V的電路。圖3.16是轉(zhuǎn)換電路。主要通過LMC7660芯片轉(zhuǎn)換+5V得到-5V。圖3.16-5V電源原理圖第4章軟件部分軟件的設(shè)計(jì)是我畢業(yè)設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要方面。它的好壞直接關(guān)系畢業(yè)設(shè)計(jì)的成功與否。我的軟件是用匯編完成的，需要能熟練的掌握匯編語言，還要熟悉AT89C51單片機(jī)。從程序流程圖、通信協(xié)議、波特率計(jì)算、編寫程序，是很復(fù)雜的。下面作詳細(xì)介紹：4.1主程序設(shè)計(jì)程序流程圖是編寫軟件的重要前提，它是在圖表上直觀的體現(xiàn)擬設(shè)計(jì)的目的及過程。也是編譯的重要依據(jù)，按照流程圖一步一步編寫程序，下面為主流程圖圖4.1。圖4.1程序主流程圖4.2DA轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)DA轉(zhuǎn)換模塊的程序流程框圖如圖4.2所示。圖4.2DA轉(zhuǎn)換程序流程圖4.3通信設(shè)置通信協(xié)議是發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間通信不可缺少的部分，包括下面幾方面的設(shè)置。串行串行口控制寄存器的基本情況在前面已經(jīng)介紹，這里不再重復(fù)。根據(jù)我們所做的內(nèi)容，我們采用了串行工作方式1，REN設(shè)置為“1”（允許接收），綜上所述我們?cè)O(shè)SCON的初始值為50H，如表4.1所示：串口控制寄存器SCON的設(shè)置表4.1串行口控制寄存器SM0SM1SM2RENTB8TB8TIRI010100004.3.2定時(shí)器內(nèi)部主要寄存器定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0有4種工作模式：模式0(13位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器),模式1(16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器模式),模式2(8位自動(dòng)重裝模式)，模式3(2個(gè)8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1除模式3外，其他工作模式與定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0相同，T1在模式3時(shí)無效，停止計(jì)數(shù)。與定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1有關(guān)的寄存器有定時(shí)器控制寄存器TCON、定時(shí)器方式TMOD寄存器格式、中斷允許寄存器IE，三者共同作用控制著定時(shí)器的工作狀態(tài)[14]。定時(shí)器方式TMOD寄存器格式如表4.1所示。表4.1定時(shí)器方式TMOD寄存器格式89HGATEC/TM1M0GATEC/TM1M0控制T1控制T0定時(shí)器控制寄存器TCON格式如表4.2所示。表4.2定時(shí)器控制寄存器TCON格式TCONTF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0位地址8F8E8D8C8B8A8988TR0：為0時(shí)，停T0計(jì)數(shù)；為1時(shí)，啟T0計(jì)數(shù)TF0：為0時(shí)，無T0中斷(硬件復(fù)位)；為1時(shí)，有T0溢出中斷TR1：為0時(shí)，停T1計(jì)數(shù)；為1時(shí)，啟T1計(jì)數(shù)TF1：為0時(shí)，無T1中斷(硬件復(fù)位)；為1時(shí)，有T1溢出中斷IE1：為0時(shí)，硬件復(fù)位；為1時(shí)INT1上有中斷IT1：為0時(shí)，INT1電平觸發(fā)(軟件復(fù)位)；為1時(shí)，INT1負(fù)邊沿觸發(fā)IE0：為0時(shí)，硬件復(fù)位；為1時(shí)INT0上有中斷IT0：為0時(shí)，INT0電平觸發(fā)（軟件復(fù)位）；INT0負(fù)邊沿觸發(fā)中斷允許寄存器IE格式如表4.3所示。表4.3中斷允許寄存器IEIEIEEAET2ET1E1ET0E0位地址AFADABAAA9A8A：為0時(shí)關(guān)所有中斷；為1時(shí)開所有中斷ET2：為0時(shí)關(guān)T2中斷；為1時(shí)開T2中斷，只有8032、8052、8752才有此中斷ES：為0時(shí)關(guān)串口中斷；為1時(shí)開串口中斷ET1：為0時(shí)關(guān)T1中斷；為1時(shí)開T1中斷EX1：為0時(shí)關(guān)；INT1中斷；為1時(shí)開ET0：為0時(shí)關(guān)T0中斷為1時(shí)開T0中斷EX0：為0時(shí)關(guān)INT0中斷；為1時(shí)開INT0中斷4.3.3波特率計(jì)算晶振為6M，波特率為1.2K單片機(jī)工作方式為串行方式1，T1是方式2，所以1.2=1/16*XX=19.219.2=1/2*(256-Y)Y=217.6把十進(jìn)制轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)為D9，所以初始值為D9。4.4通信程序流程圖從機(jī)接收到主機(jī)發(fā)來的地址信號(hào)后產(chǎn)生串口中斷，在中斷服務(wù)程序里被尋址從機(jī)根據(jù)接收到的控制命令，從機(jī)就準(zhǔn)備根據(jù)控制命令完成相應(yīng)的操作。串口通信的流程圖如圖4.5所示。圖4.5串口通信流程圖主機(jī)和從機(jī)間發(fā)送數(shù)據(jù)和地址外，還發(fā)送一些從機(jī)識(shí)別的狀態(tài)字和命令。主機(jī)通信子程序用于主機(jī)和從機(jī)間一個(gè)數(shù)據(jù)塊的傳輸，程序流程圖如圖4.6所示。圖4.6主機(jī)通訊子程序流程圖從機(jī)中斷服務(wù)程序用于對(duì)主機(jī)的通信，從機(jī)程序通信流程圖如圖4.7所示。圖4.7從機(jī)通訊子程序流程圖單片機(jī)通信節(jié)點(diǎn)的程序基本上可以分為6個(gè)主要部分，分別為預(yù)定義部分、初始化部分、主程序部分、設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)部分、幀接收部分和幀發(fā)送部分。預(yù)定義部分主要定義了通信中使用的握手信號(hào)，用于保存設(shè)備信息的緩沖區(qū)和保存本節(jié)點(diǎn)設(shè)備號(hào)的變量。設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)部分應(yīng)能在程序初始化后，當(dāng)硬件發(fā)生故障時(shí)，作出相應(yīng)的反應(yīng)。主程序部分應(yīng)能接收命令幀，并根據(jù)命令的內(nèi)容作出相應(yīng)的回應(yīng)[15]。第5章總結(jié)與展望5.1總結(jié)我所做的是單片機(jī)多路模擬信號(hào)輸出及通信，從去年放假我就開始準(zhǔn)備。畢業(yè)設(shè)計(jì)完成了，達(dá)到了預(yù)期的目的。一開始拿到這個(gè)題目的時(shí)候，真不知道從哪下手，在老師的指導(dǎo)下，自己找資料、看書，總算完成了。通過這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我對(duì)單片機(jī)有了更深的認(rèn)識(shí)，從理論和實(shí)踐上都得到了很大的提高，所以這次任務(wù)的完成是我學(xué)到了很多東西。首先，豐富了自己的知識(shí)面，學(xué)到了以前沒能學(xué)通的東西，具體了解了怎樣去完成一個(gè)電路的設(shè)計(jì)：從流程圖、電路圖，畢業(yè)論文。從畢業(yè)設(shè)計(jì)中，學(xué)到了單片機(jī)AT89C51的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其工作原理，鞏固了匯編語言的使用能力，提高了自己動(dòng)手的能力，學(xué)到了很多經(jīng)驗(yàn)，并且提高了自己分析問題的能力和創(chuàng)新能力，得到了理論聯(lián)系實(shí)際的機(jī)會(huì)，做出了成果。使自己在硬件設(shè)計(jì)方面樹立了信心，為以后從事這方面的工作打好了基礎(chǔ)，這也是這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的最大收獲。在一開始接觸這個(gè)題目的時(shí)候，真的很茫然，不知道從哪開始下手，不知道單片機(jī)485通信是干什么的？怎么才能做出來？用什么做？這些問題一個(gè)都不知道。后來在龐老師的指導(dǎo)下，才知道我要怎么開始做。自己就開始找資料，了解單片機(jī)89C51、RS-485的有關(guān)知識(shí)，學(xué)習(xí)時(shí)鐘電路、控制電路的設(shè)計(jì)原理，看不懂的時(shí)候就去問老師、同學(xué)。在這些都搞得比較明白后就開始畫設(shè)計(jì)流程圖和電路圖，最后用了很長(zhǎng)時(shí)間才畫出自己的電路圖，給老師看后，在老師的幫助下，改正了幾處有問題的地方。接下來的工作一切還算順利，在老師還有同學(xué)的幫助下，都一一完成。這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)總的來說還是很成功的，自己從中學(xué)到很多，也發(fā)現(xiàn)了不少問題，為自己以后的學(xué)習(xí)、進(jìn)步打下了不錯(cuò)的基礎(chǔ)。5.2展望實(shí)驗(yàn)的結(jié)果基本令人滿意，今后可以在以下幾個(gè)方面繼續(xù)研究：1．通過網(wǎng)絡(luò)通信的學(xué)習(xí)研究可以改進(jìn)上位機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制2．將系統(tǒng)實(shí)行多個(gè)模塊的鏈接使系統(tǒng)更便于操作。3．信號(hào)輸出應(yīng)該采用多路方式，對(duì)各個(gè)部分都得到實(shí)時(shí)控制。致謝本文的研究工作是在我尊敬的龐中華老師的悉心指導(dǎo)下完成的。從論文的選題到具體每一步的設(shè)