基于RS485网络的数据采集系统设计 通信工程等专业毕业设计 毕业论文

1、东华理工学院毕业设计 摘要 摘要摘要 远程测控技术在现代科学技术、工业生产和国防等诸领域中的应用十分广泛。 测控技术的现代化，已被公认为科学技术和生产现代化的重要条件和明显标志。随 着计算机技术、通信技术和电子技术的飞速发展，在现代远程测控领域中，各先进 的测控技术、测控设备和远程通信手段层出不穷。本文主要是介绍基于 rs-485 总线 的网络控制系统，该系统由前端和后台两部分组成，前端包括温度采集器和电机控 制器两个模块；而后台则是基于 rs-485 总线由 pc 机进行远程测控。实现了对远程 温度的检测传输和电机正反转控制。整个系统具有结构简单、可靠性高、功能灵活 多样、造价低廉等优点，可

2、以应用于多种场所的各种远程测量控制。 关键词关键词：rs-485 总线，温度采集器，电机控制器，远程测控技术，pc 机 东华理工学院毕业设计 abstract abstractabstract the remote monitoring and control technology is applied widely in the modern science and technology, the industrial production and the national defense and in other various domains. the remote monitoring

3、 and control technology modernization has been recognized as the important condition and the clear indication of the science and technology and the production modernization. along with the incresing development of the computer technology, the communication and the electronic technology, in the moder

4、n remote monitoring and control domain there are all kinds of advanced monitoring and control technology and equipment and the long- distance means of communication. this article mainly intoduces bus network control system based on the rs-485,. the system is composed by front end and the backstage t

5、wo parts. front end includes temperature gathering and electrical machinery controller two modules; but the backstage carried on the remote monitoring and control based on the rs- 485 bus by pc machine. has realized is reversing the control to the long- distance temperature examination transmission

6、and the electrical machinery. the overall system has the structure simply, the reliability high, the function nimble diverse, the construction cost is inexpensive and so on the merit, may be supposed to use in the many kinds of places each kind of long-distance survey control. keykey words:words: rs

7、-485 bus, temperature gathering, electrical machinery controller, long-distance observation and control technology, pc machine 东华理工学院毕业设计（论文） 第一章 绪论 第一章第一章 绪论绪论 1.1 课题背景及研究意义 随着我们的工业环境越来越复杂，工程师们在让这些设备和环境越来越复杂的 同时，也不断的努力让它们越来越“简单”流线型的装配、简单的人机交互。 正是他们对这个看似矛盾的理想的追求，才使我们今天出现了这么多的智能化设备。 上述这一切都离不开数据采集技术的发

8、展，它是实现人机交互、状态监测、设备控 制的基础。随着电子工业的发展，尤其是 pc 的出现，大大的促进了工业自动化的程 度，现在越来越多的设备实现了自动控制和无人职守，而这一切又促进了数据采集 技术的发展。在科学技术研究的各行各业中，常常利用 pc 或工控机对各种数据进行 采集，如液位、温度、压力、频率等。同时随着计算机数字通信技术及信息技术的 发展，推动了自动化技术的进步；特别是近十年来兴起的总线技术，是计算机数字 通信技术向工业自动化领域的延伸，它的发展将促使自动化系统结构发生重大变革， 总线技术的一个显著特点是其开放性，允许并鼓励不同厂家按照总线技术标准，自 主开发具有特点及专有技术的产

9、品。依照总线技术规范，不同厂家产品可以方便完 成组态与集成，构成面向行业、适合行业特点的自主控制系统。这一特点为更多的 自动化产品制造商自主开发并推出自主知识产权的自动化系统提供了可能。也为自 动化系统集成商开发面向行业应用的成套技术和自动化系统提供了机会。总线技术 以其先进性、实用性、可靠性、开放性的优点，必然成为未来自动化技术发展的主 流。基于现在流行的智能化设备和近些年来兴起的总线技术，我的设计课题是基于 rs-485 总线的网络测控系统，研究的就是这方面的基本知识。 1.2 发展状况 从上个世纪 90 年代以来，随着科学技术的迅速发展，人们的生产行为、生活方 式都发生了重大的变化，作为

10、生活生产中非常重要的一项技术即测控技术的重要性 正在逐渐被人们所认识和重视。测控系统的演变，是一个从集中监控向网络监控的 发展历史。早期的测控系统，采用大型仪表集中对各个重要设备的状态进行测控， 并通过操作盘来进行集中式操作。而计算机测控系统是以监测控制计算机为主体， 加上检测装置、执行机构与被监测控制的对象(生产过程)共同构成的整体。在该系 统中，计算机实现了生产过程的检测、监督和控制功能。在现代企业的生产和管理 中，大量的物理量、环境参数、工艺数据、特性参数需要进行实时检测、监督管理 和自动控制。由于工业生产过程控制要求的高环境适应性、高实时性、和高可靠性 等特点，自动控制与检测技术一直沿

11、着自己的道路发展，测控领域所使用的通信技 术都自成体系，许多通信协议不开放，而且大多数系统都是面向单台，或单一类型 的设备。随着生产力的进步，设备的分布越来越离散单一的，各自独立的测控系统 已不能适应工业化的需求，于是便产生了分布式系统。这种系统以计算机网络为基 础，使系统资源分配趋于合理。但是由于目前运行的绝大多数分布式监测系统还只 东华理工学院毕业设计（论文） 第一章 绪论 是在局域网上，通常的测控仅局限于同一地点，所以具有一定的地域局限性。 internet 能实现资源的共享，从而使人们有能力解决以前在极有限的资源下很难解 决的问题，为远程监控系统的发展提供了有利的条件。远程测控是本地计

12、算机通过 网络系统如 internet/intranet，对远端进行测控。 1.3 方案确定 对于远程测控系统的设计而言，一般有：应用专线的远程测控系统 ，利用公用 电话网的远程测控系统，采用 232/422/485 总线，现场总线的远程通信，采用光纤 通道的远程测控系统，基于 internet 的远程测控系统 ，基于无线通信的远程测控 系统这六种方案，由此可以知道这个系统的发展正逐步走向多功能化，由于各 485 总线的接线少，成本低，通信距离长，因此我的设计选择了基于 rs485 总线远程测 控系统这个比较简单的方案。 1.4 方案任务 设计基于 rs-485 总线的网络测控系统,完成对远端

13、温度的测量和对远端电机的 正反控制,有抗干扰的措施,保证数据传输的可靠。 （1）基于 rs-485 总线网络的测控系统设计 （2）测量温度电路设计 （3）报警电路设计 （4）控制电机正反转电路设计 （5）串行通信电路设计 东华理工学院毕业设计（论文） 第二章 系统设计 第二章第二章 系统设计系统设计 2.1 本方案电路介绍 随着串行通信的广泛应用，工业控制，数据通信等各方面都需要用到串行通信， 因此本设计的目的也就在于此，然而 rs-485 是美国电器工业联合会制定的利用平衡 双绞线作传输线的多点通讯标准，它采用差分信号进行传输，最大传输距离可达 1.2km，最大可以连 32 个驱动器和收发器

14、，接受器最小灵敏度可达到200mv，最大 传输速率可达到 2.5mb/s，因此 rs-485 正是高灵敏度，远距离，多点通讯制定的标 准，因此本次设计选用 rs-485 串行通信标准。基于 rs-485 的测控系统，分为软件 和硬件两部分， 我设计的是硬件部分，在硬件方面主要包括前端和后台部分。前端 包括温度采集器部分，包括传感器，放大器，a/d 转换电路，单片机；电机控制器 部分，包括电动机和单片机；后台是监控部分，包括 max485，rs232/485 转换器和 pc 机。 2.1.1 原理描述 第一步完成温度采集器的设计，它主要是由与被测控对象相匹配的传感器，将 对象的状态放大到合适放大

15、倍数的放大器，将模拟信号转换成数字信号的 a/d 转换 器，和对数据进行处理的单片机组成；第二步是完成电机控制器的设计，它主要是 由电机和控制电机的单片机组成；第三步是完成测控端的设计，基于 rs-485 总线进 行数据的传输，然后我们采用了 rs-232/485 转换器进行电平的转换传送到 pc 机上， 实现了对远端温度的测量和远端电机的控制。 2.1.2 思路介绍 我的总体设计思路是该系统分为两分，第一部分是系统前端，该部分包括温度 采集器和电机控制器两部分。第二部分是系统后台，该部分包括 rs-485 网络， rs232/485 转换器和 pc 机三部分。 温度采集器设计了信号采集模块，

16、数据处理模块和数据传输模块。信号采集模 块是由模拟量输入部分、通道开关部分、放大部分 3 部分组成，其中，模拟量输入 部分是用了温度传感器 pt100，传感器是将被测的非电物理量转换为电量的一种装 置，利用 pt100 的铂电阻的阻值随温度变化这一原理进行测量，然后通过电路设计 把电阻转换成更加稳定更好处理的电压值进入通道开关；通道开关部分是选择了 cd4051bc 多路选择开关，由于需要与温度传感器 pt100 相匹配所以选择了多进一出 的 cd4051bc 芯片，这种多路选择开关是 3 输入 8 通道的选择实现对于输入信号的选 择；放大部分的放大倍数是由 pt100 温度和阻值关系来确定的

17、，通过对所采集的电 压信号进行一定值的放大得到比较合适的电压值进入 a/d 转换器。数据处理模块是 由 a/d 转换部分组成，其中 a/d 转换部分是将所采到的模拟电压值进行 a/d 转换成 东华理工学院毕业设计（论文） 第二章 系统设计 为数字电压值，这样才能送进单片机里进行处理，这里我们选择了 0809 芯片，该芯 片是一种逐次比较式 8 路模拟输入，8 位数字量输出的 ad 转换器，可以和温度传 感器和单片机相匹配；数据传输模块是由单片机部分，存储器部分 2 部分组成，其 中单片机部分是硬件电路的核心，这部分是想用 c51 完成的，这里我选择了的是型 号为 89c51 的单片机和 504

18、5 可编程看门狗监控 e2prom 共同实现数据的传输，该部 分可以完成输入通道的选择、采集的数据的处理、报警的控制、传输的设置，对波 特率的控制，和对 pc 机的控制，另外为了更好的对远程温度进行测量我还设计了报 警显示部分，其中针对所采信号超出温度传感器的报警上下限来设计的一个显示模 块，电机控制器是通过单片机来控制电机的正反转。 整个系统用了单片机 c51 语言进行编写，后台用了 vb 编写，实现了可视化。系 统前端和后台是依据 rs-485 标准来实现串行通信的，通信的协议用的是昌晖公司内 部的协议。 最后本设计采用到的芯片有温度传感器 pt100，通道开关芯片 4051，放大器 lf

19、353，a/d 转换芯片 0809，5045 可编程看门狗监控 e2prom，传输芯片 max485,rs232/485 转换器和 89c51 单片机。 2.1.3 实现方法 基于 rs-485 总线的网络测控系统首先完成的是硬件电路原理图的设计，硬件电 路板的设计，制板和焊接，然后在完成软件程序的设计和调试。这样便完成了整个 系统的设计。 东华理工学院毕业设计（论文） 第三章 硬件电路设计 第三章第三章 硬件电路设计硬件电路设计 3.1 总体硬件结构组成 pc机 rs232/485转换器 电机 控制 器2 温度 采集 器3 电机 控制 器4 温度 采集 器1 电机 控制 器n . rs-48

20、5网络 后台 前端 图 3-1 rs-485 网络测控系统硬件方框图 3.2 单机版测控系统的实现 温度 采集 器 电机 控制 器 pc机 rs232/485转 换器 前端 后台 图 3-2 单机版测控系统硬件方框图 3.3 前端系统电路设计 3.3.1 温度采集器设计 东华理工学院毕业设计（论文） 第三章 硬件电路设计 温度 传感 器 通道 开关 a/d转 换器 单片 机 图 3-3 温度采集器模块框图 3.3.1.1 信号采集模块 图 3-4 信号采集电路 1.温度传感器 本设计所选用的温度传感器是 pt100。 那么 pt100 工作原理及其主要技术参数如下： pt100 传感器是利用铂

21、电阻的阻值随温度变化而变化、并呈一定函数关系的特 性来进行测温，其温度/阻值对应关系为： （1）-200t0时，rpt100=1001+at+bt2+ct3（t-100） （1） （2）0t850时，rpt100=100（1+at+bt2） 式中，a=3.9080210-3；b=-5.8010-7；c=4.273510-12。pt100 温度传感器的 主要技术参数如下：测量范围：-200+850；允许偏差值：a 级 （0.150.002t） ， b 级（0.300.005t） ；热响应时间30s；最小置 东华理工学院毕业设计（论文） 第三章 硬件电路设计 入深度：热 电阻的最小置入深度200m

22、m；允许通过的电流5ma。另外，pt100 温度传感器还 具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。 我们可以对照下表看。 表 3-1 pt100 铂热电阻分度表 t 0123456789 0100.0100.39100.78101.17101.56101.95102.34102.73103.12103.51 10103.90104.29104.68105.07105.46105.85106.24106.63107.02107.40 20107.79108.18108.57108.96109.35109.73110.12110.51110.90111.29 30111.67112.0611

23、2.45112.83113.22113.61114.00114.38114.77115.15 40115.54115.93116.31116.70117.08117.47117.86118.24118.63119.01 50119.40119.78120.17120.55120.94121.32121.71122.09122.47112.86 那么在这里，如图 3-4 所示，pt100 的阻值范围为 18.92390.48（）， vcc=+5v，在本试验为了方便实现信号的采集，我们是不可能采集电阻值，而需要采 集的是电压值，因为电压值更稳定更好处理，那么接下来关于该模块电路图的设计 我们可以这

24、样想：由于 10k 远远大于 390.48，因此可以形成一个类似于恒流源出来 的电流 i=u/r=5/10000=0.5ma，所以在这里选择 10k,那么为什么要一个恒流源呢？ 是因为此装置是需要把电阻转换成电压，在把电压转换到温度，所以有一个恒流源 就可以使 u=r*i 的 u 和 r 成线形关系，这样就便于转换。由于铂电阻的阻值比较小， 因此考虑到线阻是必要的，但是本次设计采用理想的状态因此我们可以如下计算： 比如我们计算在 20的时候：从表中看到 pt100 的阻值为 107.79 那么 u=0.0005*107.79=0.05389v 这样便可以得出通过温度传感器采得理想电压值.那么接

25、下来之所以接的电阻阻值均 为 4.7k，是因为电流从 vcc 流出后会走 rtd1,rtd2.rtd3 然后流到地上，形成一个 回路，这过程中便可以采到三点的电压值，由于限流的作用是为本实验的需要是只 采电压值。因此选择 4.7k 在这边是因为 4.7k 的作用就是限流。 2.通道开关 本设计所选用的通道开关是 4051 芯片。 由于智能仪器在检验和控制外部装置状态时，常常需要采用许多开关量作输入 输出信号。从原理上讲，开关信号的输入/输出比较简单。这些信号只有开和关，通 和断或者高电平和低电平两种状态，相当于二进制的 0 和 1。如果要控制某个执行 器的工作状态，只须输出 0 和 1，即可接

26、通发光二极管，继电器或无触点开关的通/ 断，以实现诸如阀门的开启与关闭，超限声光报警或电动机的启动和停止。对以单 片机为核心的智能仪器而言，因其内部已具有并行 i/o 端口，有时可以直接检测和 接收外界的开关量信号，但外界的开关量信号的电平幅度必须与单片机 i/o 接口的 东华理工学院毕业设计（论文） 第三章 硬件电路设计 信号电平相符合，若不符，必须对其进行电平转换后，再输入到单片机的 i/o 口上， 若要输出控制外部功率较大的开关设备，则应在输出通道中设计功率放大电路，以 使输出信号能驱动这些设备。单片机处理开关量信号必须有信号输入接口。其电气 接口形式比较多，常见的有 ttl 电平，cm

27、os 电平，非标准电平，开关或继电器的触 点等。由于这些电平信号功率有限，加上外界还存在各种干扰和影响，这些电平一 般不能直接用来驱动外部设备，因此在开关量输入输出通道中须采用各种缓冲，放 大，隔离和驱动电路等措施。 表 3-2 4051 真值表 inhcba4051 00000 00011 00102 00113 01004 01015 01106 01117 1*none 从真值表中可以看出6脚inh必须接地，这样才会有选择，如果abc取的值不同， 则可以决定取x0-x7中的任意一脚。因此4051芯片是通过地址线选择通道，是多进一 出的一种芯片，由于pt100铂电阻的阻值比较小，我们是必要

28、考虑到线阻，这样我们 的可以模拟线阻通道进行测量，因此就有了多路模拟量输入，具体的说，针对本设 计是3路模拟量输入，因此选择了4051多路转换开关。 东华理工学院毕业设计（论文） 第三章 硬件电路设计 图 3-5 4051 芯片引脚图 3.放大器部分 本设计所选用的放大器是lf353同相比例放大器。 放大器是信号处理的基本电路，其作用是将微弱信号增强（放大）到所需的数 值。放大器是由半导体三极管，电阻，电容及电源等元器件构成的二端口网络，其 中输入端接信号源，输出端接负载。放大的含义有两个，一方面是将微弱的电信号 增强到人们所需的数值，另一方面是要求放大后的波形与放大前的波形相同或基本 相同，

29、即不失真的要求。由于放大器的输出功率有所增强，而增强的功率不是来自 于输入端的信号源，而是来自电路中的直流电源，因此，放大的实质是用较小的能 量来控制较大的能量。放大器的主要性能指标： 增益是衡量放大器放大能力的参数，定义为输出变化量的幅值与输入变化量的 幅值之比（称为放大倍数） 。输入电阻和输出电阻 放大器的输入端要从信号源吸取 电流，吸取电流的大小表明了放大器对信号源的影响程度，因此放大器的输入端呈 现出阻抗特性，其等效阻抗就是放大器的输入阻抗，当信号频率不高不低时，输入 电流与输入电压基本同相，可用输入电阻表示，定义为 vi/ii=ri。ri 越大，放大器 从信号源吸取的电流越小，输入端

30、所得的电压 vi 越接近信号源电压 vs，所以输入 电阻是衡量放大器对信号源影响程度的参数。而输出电阻 ro 越小，放大器带负载前 后的输出电压相差越小，即放大器受负载影响的程度越小，所以输出电阻是衡量放 大器带负载能力的参数。理想放大器的 ri=无穷，ro=0 从信号的观点讲，运算放大器有三个端子，即反相出入端 vn，同相输入端 vp， 和输出端 vo，所谓反相输入端就是反相输入端输入（同相输入端接地） ，则输出信 号在相位上与输入信号相位相反，那么同相输入端就是同相输入端输入（反相输入 端接地） ，则输出信号在相位上也输入信号相位相同。除了这三个端子还有两个电源 端和频率补偿端和调零端.运

31、算放大器最重要的特点就是对 vp 和 vn 的差模分量 vid=vn-vp 有很强的放大能力，而共模分量 vic 却很弱。一个理想运算放大器的输 出仅仅影响差模信号.对于工作在线形区的理想运放，利用它的理想参数可以导出下 面两条重要法则：1，在线形区内，由于 v0 为有限值，而 avo 趋于无穷，所以 vid=vn-vp=vo/avo 约为 0（vn 约=vp）即理想运放两端间的电压为零，常称为虚短。 2，由于 vid 约=0，而 ri 趋于无穷，所以运放的输入电流 ii=vid/ri 约为 0， ，即理 想运放的两输入端不取用电流（但不是断开） ，一般称为虚断。同相输入端的放大比 为 1+r

32、f/r，也就是 u0=ui（1+rf/r） 反相输入端的放大比为-rf/r，也就是u0=ui（-rf/r）. 如图3-4所示，本设计中放大倍数=1+rf/r=1+120k/10k=13.此处的4.7k也是限流 的作用，为的是进放大器的是电压值，并且选用同相放大器，第一是因为阻抗比较 大电流不容易流失，可以顺利的放大。第二是因为我设计的电路的电压值均为正值。 东华理工学院毕业设计（论文） 第三章 硬件电路设计 3.3.1.2 数据处理模块 图3-6 温度处理电路 1.a/d转换器 本设计选用的a/d转换器是adc0809芯片 用cpu处理模拟信号的前提就是将模拟信号数字化，即进行a/d转换,根据

33、检测精 度 ：对于一台具体的设备，其技术指标中包含检测精度指标，通过这个指标就可以 换算出所需设备的a/d转换最低指标，只要选择转换精度比最低指标高一些的a/d器 件就可以满足设计要求。通常精度和分辨率是不同的，受非线性误差的影响，分辨 率高的精度不一定高，当器件的非线性误差控制在1位之内时，a/d转换器件用位数 所表示的分辨率与其转换精度基本相同，习惯上就用位数来衡量其转换精度。根据 采样频率：被检测信号有其频率特性，为获取该信号的真实数据，采样频率至少要 超过信号上限频率的2倍，由于工作原理和制造工艺的不同，a/d转换器件的工作频 率也不同。 那么下现我们就先来了解一下adc0809与51

34、 单片机的接口 1.adc0809 的逻辑结构 adc0809 是8位逐次逼近型a/d转换器。它由一个8路模拟开关、一个地址锁存译码器、 一个a/d 转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8 路模拟量分时输入，共用a/d 转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存a/d 转换完 东华理工学院毕业设计（论文） 第三章 硬件电路设计 的数字量，当oe 端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。 图 3-7 adc0809 结构图 2.adc0809 的工作原理 in0in7：8 条模拟量输入通道 adc0809 对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05v，若信号

35、太小，必 须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则 需在输入前增加采样保持电路。 输入和控制线：4条ale 为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ale线为高电平 时，地址锁存与译码器将a， b，c 三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选 中的通道的模拟量进入转换器进行转换。a，b 和c 为地址输入线，用于选通 in0in7 上 的一路模拟量输入。 表3-3 acd0809通道选择表 cba 选择的通道 000in0 001in1 010in2 011in3 100in4 101in5 110in6 东华理工学院毕业设计（论文） 第三章 硬件电路设计 111i

36、n7 数字量输出及控制线：11 条st 为转换启动信号。当st 上跳沿时，所有内部寄存器 清零；下跳沿时，开始进行a/d 转换；在转换期间，st 应保持低电平。eoc 为转换 结束信号。当eoc 为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行a/d 转换。oe 为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。oe1， 输出转换得到的数据；oe0，输出数据线呈高阻状态。d7d0 为数字量输出线。 因adc0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，adc0809的时钟信 号由clock端送入，其最高频率为640mhz，在这个最高频率下adc0809的ad转换时 间为1

37、00us左右。当adc0809用于at89c51单片机系统时，若at89c51采用6mhz的晶振， 则adc0809的时钟信号可以由at89c51的ale经过一个二分频电路获取。这时adc0809 的时钟频率为500khz，ad转换时间为130us。 3.adc0809 应用说明 a.adc0809 内部带有输出锁存器，可以与at89s51 单片机直接相连。 b.初始化时，使st 和oe信号全为低电平。 c.送要转换的哪一通道的地址到a，b，c 端口上。 d.在st 端给出一个至少有100ns 宽的正脉冲信号。 e.是否转换完毕，我们根据eoc 信号来判断。 f.当eoc变为高电平时，这时给o

38、e 为高电平，转换的数据就输出给单片机了。 4.单片机读取ad转换结果的方法有三种 (1)延迟法单片机启动adc0809后，延时130us以上，可以读到正确的ad转换结果。 (2)查询法eoc必须接到at89c51的一条io线上。单片机启动adc0809后，延迟 10us，检测eoc，若eoc=0则 ad转换没有结束，继续检测eoc直到eoc=1。当eoc=1时，ad转换已经结束，单片 机读取ad转换结果。 (3)中断法eoc必须经过非门接到at89c51的中断请求输入线int0或int1上，at89c51 的中断触发方式为下降沿触发。单片机启动ad转换后可以做其它工作，当ad转 换结束时，e

39、oc由o一1经过非门传到int端，at89c51收到中断请求信号，若at89c51 开着中断，则进入中断服务程序，在中断服务程序中单片机读取ad转换的结果。 本设计是采用中断法读取a/d转换结果，因此在电路中0809芯片的eoc端接到非 门在传到int端。图3-6中为典型的adc0809与89c51的中断方式接口。 在本设计中由于pt100的精度是1，我们所考虑的温度范围是0-200，因此我 们选用8位a/d转换器。这样可以和温度传感器相匹配，假设0809的基准电压为0- 5v，则如果室内温度为20，则我们把放大倍数设为92倍，这样可以把电压放大到 东华理工学院毕业设计（论文） 第三章 硬件电

40、路设计 2.5v，通过0809之后便可以得到数字量80h，那么依据这种方法我们设定了同相比例 放大器的放大倍数，使得整个系统正常的运行。 3.3.1.3 数据传输模块 图 3-8 数据传输电路 1.看门狗部分 本设计选用的是 5045 看门狗芯片。 可编程看门狗监控 e2prom5045 芯片介绍： 图 3-9 5045 结构图 x5045 把三种常用的功能：看门狗定时器，电压监控和 e2prom 组合在单个封装 之内，这种组合降低了系统成本并减少了对电路板空间的要求。看门狗定时器对微 控制器提供了独立的保护系统。当系统故障时，在可选的超时周期之后，x5045 看 门狗将以 reset 信号作

41、出响应，用户可从三个预置的值中选择此周期 一旦选定，即使在电源周期变化之后，此周期也不变。利用 x5045 低 vcc 检测 东华理工学院毕业设计（论文） 第三章 硬件电路设计 电路，可以保护系统使之免受低电压状况的影响。当 vcc 降低到最小 vcc 转换点 以下时，系统复位。复位一直确保到 vcc 返回且稳定为止。x5045 的存贮器部分 是 cmos 的 4096 位串行 e2prom，它的内部按 512*8 来组织。x5045 的特点是具 有允许简单的三线总线工作的串行外设接口（serialperpheral interface spi）和软件协议。x4054 利用了icor 公司专有

42、的 direct write 晶片，提供最 少为 100000 次的使用期限和最小为 100 年的数据保存期。 表 3-4 5045 引脚介绍 可编程的看门狗定时器的特点，低 vcc 检测，直至 vcc=1v 复位信号有效，1mhz 时钟速率，512*8 位串行 e2prom，低功耗 cmos，10ua 等待电流，3ma 工作电流， 2.7-5.5v 电源电压，块锁存，片内偶然性写保护，高可靠性。如图 3-8 在这里我们 选择 5045 是因为 5045 具有自动复位功能，而且 5045 的看门狗功能也是很好的. 并 且也可以存放一些编程所需的临时变量。 2.单片机部分 本设计选用的 cpu

43、是 at89c51 型号的单片机. a)晶振部分 为了各功能部件的运行，单片机都是以时钟控制信号为基准的，因此时钟频率 东华理工学院毕业设计（论文） 第三章 硬件电路设计 也就直接影响了单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响了单片机系统的稳定性。 时钟电路一般有两种，一种是内部时钟方式，一种是外部时钟方式。由于本设计只 有一片mcs-51单片机，所以我们选用内部时钟方式。下面我们介绍一下内部时钟方 式的工作原理。首先mcs-51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器， 该高增益反相放大器的输入端为芯片引脚的xtal1，输出端为引脚的xtal2，这两个 引脚跨越接石英晶体振荡器和微调电

44、路这就构成了一个稳定的自激振荡器。 2个时 钟引脚xtal1,xtal2外接晶体与片内的反相放大器构成1个振荡器，它为单片机提供 时钟控制信号。2个时钟引脚也可以外接独立的晶体振荡器。(1)xtal1：接外部晶体 的1个引脚，该引脚内部是一个反相放大器的输入端。这个反相放大器构成了片内振 荡器。如果采用外接晶体振荡器时，此引脚接地。（2）xtal2:接外部晶体的另一端， 此引脚内部接至内部反相放大器的输出端。若采用外部时钟振荡器时，该引脚接收 时钟振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。为了对整个系 统更加稳定，通常电路中选择的是30pfd的电容，此处的电容是为了抗干扰。然后再

45、 通过d触发器4024分频，这样便可以得到a/d转换器所需要的频率， 。但为了串行通信 波特率的设定，所以选用的是11.0592mhz 3.3.2 电机控制器 1、电动机正、反转控制：可以采用继电器控制，通过开关切换对小车的速度进 行调节，但继电器响应时间慢，机械接触易损坏，可靠性不好。可以采用单片机控 制达林顿管使之工作在 pwm 占空比可调的开关状态，调整电动机的转速。 达林顿管 采用 tip132，控制电流可达 8a。q3、q4、q5、q6 为达林顿管，如图 3-10 当 ug1 为 高电平、ug2 为低电平时，q3、q6 导通，q4、q5 截止，电动机正转。当 ug1 为低电 平、ug

46、2 为高电平时，q4、q5 导通，q3、q6 截止，电动机反转。ug1、ug2 采用 200hz 的周期信号控制，通过对信号的占空比的调节来对车速进行调节。这样，假 设控制信号最小脉宽为 0.2ms，则速度可分 25 档控制。 东华理工学院毕业设计（论文） 第三章 硬件电路设计 图 3-10 电动机电路 3.4 后台系统电路设计 单片机 max 485 rs232/ 485转 换器 pc机 光电隔离 rs-485总线 图 3-11 后台模块框图 图3-12 rs-485总线电路 3.4.1 rs-485网络 计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯 二种方式。由于串

47、行通讯方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避 免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。在串行通讯时，要求通讯双方都采用一 个标 准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯。串行数据传输接口rs- 232/422/485，rs-232接口标准是eia广泛使用的标准，它有许多种不同的版本，例 如rs-232-c，rs-232-d，rs-232-e等。rs-232-c标准是20世纪60年代为了利用电话 网络作为媒介，通过调制解调器把不同距离范围内的设备相互连接在一起而制定的。 由于当时主要采用电话线串行连接实现距离远访问，这使得rs-232-c标准在终端和 东华理工学院毕业设计（论文）

48、 第三章 硬件电路设计 计算机中被广泛采用。它的全名是数据终端设备（dte）和数据通讯设备（dce）之 间串行二进制数据交换接口技术标准,该标准规定采用一个25个脚的db25连接器， 对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。一般只 使用3-9 条引线。rs-232-c最常用的9条引线的信号内容见表3-4 表3-4 引脚序号 信号名称 符号 流向 功能 2 发送数据 txd dtedcedte 发送串行数据 3 接收数据 rxd dtedcedte 接收串行数据 4 请求发送 rts dtedcedte 请求dce将线路切 换到发送方式 5 允许发送 cts dtedc

49、edce 告诉dte线路已接通 可以发送数据 6 数据设备准备好 dsr dtedcedce 准备好 7 信号地信号 公共地 8 载波检测 dcd dtedce 表示dce接收到远 程载波 20 数据终端准备好 dtr dtedce dte准备好 22 振铃指示 ri dtedce 表示dce与线路接 通,出现振铃 一些设备与pc机连接的rs-232-c接口,因为不使用对方的传送控制信号,只需三 条接口线,即发送数据、接收数据和信号地。所以采用db-9的9芯插头座，传 输线采用屏蔽双绞线。rs-232-c标准的电器特性是定义了逻辑“1”和逻辑“0”的 最高和最低电压，逻辑“1”是从-3v到-2

50、5v，通常为-12v；逻辑“0”从3v到25v， 通常为12v；而-3v到3v之间的任何电压都处于未定义的逻辑状态。如果线路上没有 脉冲则电压应维持在逻辑电平-12v。接收端的0v电压将被释放为线路中断或短路。 为了避免通信线路上的噪声干扰，rs-232-c的信号需要大的电压摆幅。由于发送器 和接受器之间具有公共的信号地，不可能使用双端信号，从而导致共模噪声会固有 的耦合到信号传输系统中经济，除非共模信号能够被清除。ttl电平在逻辑“0” （0.8v或更低）和逻辑“1” （2.0v或更高）之间的电压至少大于1.2v，这样大约 0.5v的噪声电压就可能将信号改变，由此可见ttl电平太容易受干扰的

51、影响，不适合 于长距离信号传输。而在使用电动机，复印机，打印机以及类似的设备的场合下， 共模噪声容易达到几伏电压，迫使rs-232-c标准采用较高传送电压的主要原因就是 东华理工学院毕业设计（论文） 第三章 硬件电路设计 公共信号地，但即使采用这样的高的电压，rs-232-c标准的信号频率也只能达到 20khz，最大距离也只有30m，因此在这个距离以内信号才能安全地连起来。不仅如 此，rs232接口标准是一种广泛的普及标准但此标准推出较早，在现代金融，保险， 电信，电子化网络已暴露出明显的问题。一是：两串口设备间收发信号不隔离，经 过较长电缆，且直接连一起，能有一发送器发送。半双工方式，主从只

52、能一个发。 全双工方式，主站总可发送，从站只能有一个发送。我们在这里选择使用485标准通 信。这也是本设计系统立题的依据。本设计我们选用了max485芯片。 3.4.2 max485芯片 max485 接口芯片是 maxim 公司的一种 rs485 芯片。 采用单一电源+5v 工作，额定电流为 300 a，采用半双工通讯方式。它完成将 ttl 电平转换为 rs485 电平的功能。max485 芯片的结构和引脚都非常简单,内部含 有一个驱动器和接收器。ro 和 di 端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，与单 片机连接时只需分别与单片机的 rxd 和 txd 相连即可；/re 和 de 端分别为

53、接收和发 送的使能端，当/re 为逻辑 0 时，器件处于接收状态；当 de 为逻辑 1 时，器件处于 发送状态，因为 max485 工作在半双工状态，所以只需用单片机的一个管脚控制这两 个引脚即可；a 端和 b 端分别为接收和发送的差分信号端,当 a 引脚的电平高于 b 时， 代表发送的数据为 1；当 a 的电平低于 b 端时，代表发送的数据为 0。在与单片机连 接时接线非常简单。只需要一个信号控制 max485 的接收和发送即可。同时将 a 和 b 端之间加匹配电阻，一般可选 100 的电阻 3.4.3 rs232/485转换器 通常pc机都配有rs-232串行标准接口，这样max485芯片

54、电平和pc机电平就是不 同的，因此需要用一个rs232/485转换器，把rs-232接口转换为rs-485接口，实现依 据rs-485标准的远程通信。 3.4.4 抗干扰设计 抗干扰设计为了防止打雷之类的意外事件发生，我们在传输的部分加入了光电 隔离器， 用光隔的作用是光隔后的地和其他所有的地接的不同是为了实现光隔的目 的，实现如果上位机接在外面可以防雷击，即使雷击了也影响不了整个电路的功能 实现 3.5 多机通信的实现 东华理工学院毕业设计（论文） 第三章 硬件电路设计 pc机 串行通信接口 电机 控制 器2 温度 采集 器3 电机 控制 器4 温度 采集 器1 电机 控制 器n . rs-

55、485网络 图 3-13 多机通信方框图 将一台 pc 机和若干个单片机构成小型分布式测控系统，是目前单片机应用的一大趋 势 图 3-14 波盘开关接口图 3.5.1 拨盘开关部分 在某些单片机系统中，有时需要输入一些控制参数，这些参数一经设定将维持 不变，除非给系统断电后重新设定。这时使用数字拨盘既简单直观，又方便可靠 拨盘种类很多，但使用最方便的拨盘是十进制输入，bcd 码输出的 bcd 码拨盘。这 种拨盘的每片拨盘具有 09 十个位置，每个位置都有相应的数字显示，代表拨盘输 入的十进制数，因此，每片拨盘可以代表 1 位十进制数，需要几位十进制数就选择 几片 bcd 码拨盘拼接。bcd 码

56、拨盘后面有 5 个接点，其中 a 为输入控制线，另外 4 根是 bcd 码输入线。拨盘拨到不同的位置时，输入控制线 a 分别与 4 根 bcd 码输出 线中的 某根或某几根接通，其接通的 bcd 码输出线状态正好与拨盘指示的十进制数 相一致。单片 bcd 码拨盘可以与任何 1 个 4 位的 i/o 口或扩展的 i/o 口相连，以输 入 bcd 码，a 端接+5v。为了使输出端在不与控制端 a 相连时有确定的电平，常将 8.4.2.1 输入端通过电阻拉低。控制端 a 接+5v，当拨盘拨至某输入十进制数时，相 应的 8.4.2.1 有效端输出高电平， （4.2 端为有效端） ，无效端为低电平。这时

57、拨盘 输出的 bcd 码为正逻辑（原码） 。如果控制端 a 接地，8.4.2.1 输入端通过电阻上拉 至高电平时，拨盘输出的 bcd 码为负逻辑（反码） 。 东华理工学院毕业设计（论文） 第三章 硬件电路设计 如图 3-14，在本设计中拨盘开关和上拉电阻设置的原因是为了完全由软件设置波特 率和设备号，可以直观的从硬件电路上面设置，选择 1，2，3 脚为设置波特率的脚， 这样就有 8 种波特率，300，600，1200，2400，4800，9600 等，因为光耦那边的最 大速率只能是 10k，因此 9600 也就差不多了，那么如果拨盘开关的第一个开关毕和 开启会有不同的结果，出现 01 的结果，

58、这样便可以调节不同的选择，其余的 4，5，6，7，8 均设置为接设备号的。此处的只要设置是通过软件设置八位的状态 来决定使用什么波特率和哪几台设备一起执行操作，通过人手动的设置来选择想要 的波特率和设备号。这样可以实现多种速率，多机通信。 3.6 电源部分 小功率直流电源，一般由变压器，整流，滤波和稳压电路四部分组成。其工作 过程是：首先由变压器将 220v 的交流电压变换为所需要的交流电压值，然后利用二 极管单向导电性将交流电压整流成为单项脉冲的直流电压。再通过电容或电感等储 能元件组成的滤波电路减小其脉冲成分，从而得到比较平滑的直流电压，经过整流， 滤波后得到的直流电压易受电网波动及负载变

59、化的影响，必须加稳压电路，利用负 反馈等措施维持输出直流电压稳定。 本设计中用到的大部分是+5v 电源和地，只是电动机部分用到的是 18v，因此在 此就没有直接设计电源，为了测试需要直接用到了实验室内的电源。 东华理工学院毕业设计（论文） 第四章 调试与改进 第四章第四章 调试与改进调试与改进 在硬件部分和软件部分都完成之后，要进行整体调试。将程序烧进单片机后， 对整个系统进行上电调试。 在调试的时候发现了几个问题，下面将对其进行说明。 1、在将电源打开后，发现芯片 a/d 转换器的芯片 0809 热得厉害。在对电路原理图 和电路板检查后发现，芯片的位置竟然接反了，这是个很低级的错误，由于粗心

60、大 意而造成的。再把芯片正确接后，故障排除。 2、在打开界面后，运行，发现无法通讯。检查后，发现波特率拨盘与 pc 机设置的 波特率不对应。当然无法通讯。由于本系统采用的手动的拨盘与软件共同设置传输 波特率，所以在硬件设置的是要特别注意波特率拨盘一定要与软件的选择相对应， 这样才能保证通讯正常。 3、波特率拨盘置好后，发现仍然无法正常通讯。在问过指导老师后，了解到原来是 由于将 485 和 202 两个芯片都是用了，系统无法进行芯片选择，所以无法通讯。解 决的方法就是将两个芯片中的任意一个拔掉，既可以实现通讯正常。由于本系统是 基于 rs-485 所做，所以将芯片 202 拔掉。重新开机，通讯