(精品論文)耐火材料配料計算機監(jiān)控系統(tǒng)畢業(yè)論文

畢業(yè)設(shè)計論文 摘要 1 摘要摘要 耐火材料配料計算機監(jiān)控系統(tǒng)是一個基于 MCS51 系列單片機的全自動配料 系統(tǒng)。該系統(tǒng)由上位機和下位機兩部分組成。其中上位機主要由一臺工控機和 與系統(tǒng)匹配的軟件構(gòu)成。工控機主要通過 RS-485 串行通訊口控制下位機的運行 以及通過繼電器輸出板控制料倉的閥門，系統(tǒng)軟件提供了簡潔的操作界面。下 位機的主芯片是一個稱重專用電腦，稱重電腦由中央處理模塊、通訊模塊、稱 重模塊、顯示模塊、鍵盤模塊、電源模塊以及 I/O 擴展模塊等組成。其中中央 處理模塊是稱重電腦的核心（主芯片選用 AT89C52 單片機，靜態(tài)數(shù)據(jù)儲存單元 選用 8K 的 6264RAM） ，中央處理模塊主要負(fù)責(zé)讀取稱重模塊的數(shù)據(jù)以及判斷計 量車的當(dāng)前位置和狀態(tài)，并對這些數(shù)據(jù)進行處理后通過通訊模塊實時傳送給上 位機；同時中央處理模塊也對上位機通過通訊模塊傳來的數(shù)據(jù)或命令進行識別 和處理，并負(fù)責(zé)對計量車的控制。通訊模塊主要負(fù)責(zé)上位機和下位機之間數(shù)據(jù) 的傳送。稱重模塊負(fù)責(zé)采集配料的重量信息并把數(shù)據(jù)傳送給中央處理模塊。顯 示模塊主要用來實時顯示計量車的狀態(tài)以及重量信息。鍵盤模塊在計量車處于 手動狀態(tài)下才起作用，負(fù)責(zé)對計量車進行手動控制。電源模塊提供系統(tǒng)運行必 須的電壓。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞： 1、單片機 2、配料 3、RS-485 串行通訊 4、稱重電腦 5、上位機 6、下位機 畢業(yè)設(shè)計論文 Abstract 2 Abstract Fireproof material computer commanding system is a completely automatic burden system based on MCS51 monolithic microcontroller. The system is composed of an epigynous machine and a hypogynous machine. The epigynous machine is mainly formed by a Compact Embedded Controller and a matching software. The mostly dominates the function of the hypogynous machine via RS-485 and the valve of the output controlling relay. The system software offers succinct operating interface. The main chip of the hypogynous machine is a special-purpose computer. The computer is constituted by a center disposal mode, a communication mode ,a weigh mode, a display mode, a keyboard mode , power mode and an I/O expanding mode. The center disposal mode is the core of the computer . (the main chip chooses AT89C52 monolithic microcontroller static data deposited unit chooses 8K 6264RAM), The center disposal mode mainly takes charge for reading data of the computer and judge the current position and state of measure machine. After it deals with the data , it carry the data to the epigynous machine by the communication mode. At the same time, the center disposal mode will judge and transact the data and order from the communication mode and see to the controlling of the machine. The communication mode presides over the transmission of the data between the epigynous machine and the hypogynous machine. The mode gathers the weight data of the mixed material and carries this data to the center disposal mode. The display mode is used to show the state of the machine and weight. The keyboard mode is worked when the machine is in manual state. Its work is to control the machine manually. The power mode provides the pressure for the system. Keyword: 1、Mnolithic microcontroller 2、Atomatic burden system 3、RS-485 4、Weighing computer 5、Eigynous 6、Hpogynous 畢業(yè)設(shè)計論文 目錄 1 目錄目錄 目錄目錄1 前言前言2 第一章第一章 系統(tǒng)配料流程的介紹系統(tǒng)配料流程的介紹3 第二章第二章 系統(tǒng)整體設(shè)計方案的確定系統(tǒng)整體設(shè)計方案的確定.4 第三章第三章 MCS-51MCS-51 系列單片機介紹系列單片機介紹5 第四章第四章 儀器的選型以及各模塊的細化設(shè)計儀器的選型以及各模塊的細化設(shè)計.6 4.1 中央處理模塊的選型及設(shè)計6 4.2 通訊模塊.9 4.3 顯示模塊.19 4.4 鍵盤模塊.22 4.5 I/O 擴展模塊.23 4.6 稱重模塊.25 第五章第五章 系統(tǒng)地址分配系統(tǒng)地址分配30 第六章第六章 軟件設(shè)計（系統(tǒng)的初始化）軟件設(shè)計（系統(tǒng)的初始化）31 第七章第七章 重要問題的探討重要問題的探討.33 第八章第八章 經(jīng)驗與總結(jié)經(jīng)驗與總結(jié)34 附錄附錄 附錄電路原理圖 附錄英文翻譯資料 參考文獻參考文獻 2003 年畢業(yè)設(shè)計論文 前言 2 前言前言 本次畢業(yè)設(shè)計的任務(wù)是我和張軍同學(xué)一起完成耐火材料配料計算機監(jiān)控 系統(tǒng)的設(shè)計，系統(tǒng)主要由上位機和下位機以及通訊接口組成，其中我主要負(fù) 責(zé)了下位機和通訊接口的設(shè)計。 設(shè)計該系統(tǒng)的目的是為了適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)的需要，實現(xiàn)耐火材料生產(chǎn)中配料 的全自動化，提高了配料流程的精度和效率，從而提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。該 系統(tǒng)最終功能是：由一臺控制臺內(nèi)的工控機通過通訊線路來控制配料車上的單 片機（稱重專用電腦） ，使得配料車能按照工控機的指令在軌道上實現(xiàn)自動行駛、 停止；同時實現(xiàn)自動放料（包括重量的實時顯示） 、自動卸料的過程。并且整個 配料過程中，配料車的工作狀態(tài)都能在工控機上實時顯示。 2003 年畢業(yè)設(shè)計論文 第一章 系統(tǒng)配料流程的介紹 3 第一章第一章 系統(tǒng)配料流程的介紹系統(tǒng)配料流程的介紹 耐火材料的生產(chǎn)工藝是將各種稱量好的原料進行混合后，在混煉機中進行 混煉。為了提高產(chǎn)品的質(zhì)量和合格率，在生產(chǎn)過程中配料和混料過程就顯的尤 為重要。由于工作人員進行配料操作時難免會產(chǎn)生較大的人為誤差并且操作耗 時較多，對企業(yè)提高生產(chǎn)率很不利。采用耐火材料配料計算機監(jiān)控系統(tǒng)就會解 決這些問題。此系統(tǒng)在小車的上方有 24 個料倉，每個料倉存儲一定量的原料， 系統(tǒng)通過控制料倉的閥門可以進行放料的操作；小車的下方有 4 個排料口，通 過這 4 個排料口我們可以把配好的料放入混料倉中進行混料，然后便可以把混 好的料送入混煉機中進行混煉。 在整個自動配料流程中，我們可以分為如下幾個步驟： 打開下位機，計量車自動復(fù)位到起始點。 打開上位機進行初始化，上位機會進行通訊檢測：上位機呼叫數(shù)據(jù)，下位機 收到后返回應(yīng)答數(shù)據(jù)。上位機能收到應(yīng)答數(shù)據(jù)，則合格，否則不合格。不合格 則再發(fā)，三次不合格顯示“線路出現(xiàn)錯誤，傳輸失敗” 。在線路檢測完好后，操 作員選擇“單步”或“自動”的工作方式。 若在自動工作方式下，輸入配方號，則調(diào)出配方，根據(jù)配方上的“料倉號” 進行下一步。若在單步方式下，直接輸入“料倉號” 。上位機根據(jù) “料倉號” ，把目標(biāo)料倉號發(fā)給下位機。 下位機收到“料倉號”后運行到指定的料倉下面。停穩(wěn)后給上位機發(fā)“已經(jīng) 到位”信號。上位機傳送目標(biāo)加料量，下位機收到后，回答“已收到目標(biāo)加料 量”信號。 上位機打開計量車上面料倉的下料門：先打開大閥門和小閥門，進行快加。 上位機每隔約 100ms 定時查詢下位機，下位機把稱重值實時上傳。運行一段時 間后，上位機再關(guān)閉大閥門，只開小閥門，進行慢加。若下位機檢測到達指定 重量后，發(fā)送“關(guān)大、小加料閥門”信號回上位機。 繼續(xù)進行配料。若在自動工作方式下上位機自動把配方的下一個目標(biāo)料倉號 發(fā)送給下位機，重復(fù)、，直到該配方完成。若在單步方式下，直接輸入 “料倉號” ，重復(fù)、，直到該配方完成。 配方配完后，上位機發(fā)送卸料倉號，計量車收到后運行到相應(yīng)的卸料倉進行 卸料。 卸完后計量車停止并待命，直到輸入下一個配方或料倉號后，重復(fù)-步 驟。 此外我們也可以選擇單步工作方式，在此工作方式下，操作人員可以通過 計量車上得鍵盤對計量車進行操作，完成配料過程。并且每次配料的數(shù)據(jù)系統(tǒng) 會自動記錄（滿 100 次后系統(tǒng)會自動覆蓋老數(shù)據(jù)） ，通過數(shù)據(jù)查詢我們可以調(diào)出 任意一次配料的數(shù)據(jù)包括配料的日期、料倉號和每種原料的重量，以備查 詢。系統(tǒng)還具備配方管理功能，我們可以將需要的配方預(yù)先存入數(shù)據(jù)庫中，當(dāng) 需要使用此配方進行配料時，系統(tǒng)可以直接調(diào)用。 2003 年畢業(yè)設(shè)計論文 第一章 系統(tǒng)配料流程的介紹 4 2003 年畢業(yè)設(shè)計論文 第二章 系統(tǒng)整體設(shè)計方案的確 定 5 第二章第二章 系統(tǒng)整體設(shè)計方案的確定系統(tǒng)整體設(shè)計方案的確定 根據(jù)我在現(xiàn)場對耐火材料工藝流程的了解，了解到整個系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)的功能。 這里我對下位機所要實現(xiàn)的功能進行了充分的分析： 首先配料過程中要對每種原料的重量進行稱量，并且稱量環(huán)節(jié)對整個配料 過程起著決定作用，所以下位機應(yīng)該具備稱重功能；其次為了使系統(tǒng)能靈活使 用，系統(tǒng)不但應(yīng)該能夠在上位機的控制下進行自動配料，還應(yīng)該能夠通過人工 操作進行配料，因此在下位機上還應(yīng)該設(shè)計鍵盤，以便在單步工作方式時對下 位機進行操作；為了能夠知道放料過程進行的程度，以便控制放料門是快放還 是慢放以及什么時候停止，我們還應(yīng)該設(shè)計顯示器；此外為了實現(xiàn)上位機和下 位機的通信，下位機還應(yīng)該具備通信能力；最后，最重要的就是單片機了，他 主要對整個下位機進行控制、協(xié)調(diào)，以及對數(shù)據(jù)進行處理、存儲和傳送。 （其他 下位機還應(yīng)該有電源以及具備定位、擴展 I/O 等功能，這里就不詳細說明了） 根據(jù)上面對下位機的分析，整個下位機可以歸納為中央處理模塊、通訊模 塊、稱重模塊、顯示模塊、鍵盤模塊、定位模塊、電源模塊以及 I/O 擴展模塊 等 因此下位機模塊圖如圖 2.1 所示 并行口 并行口 串行口 連接上位機 （圖 2.1） 中央處理模塊 稱重模塊通訊模塊 鍵盤 模塊 電源模塊 顯示模塊 I/O 擴展 定位模塊 變頻器 2003 年畢業(yè)設(shè)計論文 第三章 MCS-51 系列單片機介紹 6 第三章第三章 MCS-51MCS-51 系列單片機介紹系列單片機介紹 單片微型計算機簡稱單片機。它是把組成微型計算機的各功能部件:中央 處理器 CPU, 隨機存取存儲器 RAM,I/O 接口電路,定時器/計數(shù)器以及串行通 訊接口等部件制作在一塊集成芯片中,構(gòu)成一個完整的微型計算機。由于它 的結(jié)構(gòu)與指令功能都是按照工業(yè)控制要求設(shè)計的,故又叫單片微控制器 (Single Chip Micro controller ) 。目前國外已開始把它稱為單片微型計 算機(Single Chip Microcomputer)。 MCS-51 系列單片機是美國 Inter 公司在 1980 年推出的高性能 8 位單片微 機，他的硬件結(jié)構(gòu)有以下一些主要特點: 1、 8 位 CPU 2、 片內(nèi)帶振蕩器，振蕩頻率范圍位 1.2-12MHz 3、 128 字節(jié)的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器 4、 4K 字節(jié)的片內(nèi)程序存儲器（8031 無） 5、 程序存儲器的尋址范圍為 64K 字節(jié) 6、 片外數(shù)據(jù)存儲器的尋址范圍為 64K 字節(jié) 7、 21 個字節(jié)專用寄存器 8、 4 個 8 位并行 I/O 接口：P0、P1、P2、P3 9、 1 個全雙工串行 I/O 接口，可多機通信 10、 2 個 16 位定時器/計數(shù)器 11、 中斷系統(tǒng)有 5 個中斷源，可編程位兩個優(yōu)先級。 12、 111 條指令含乘法、除法、堆棧操作和多種位操作指令 13、 有強的位尋址、位處理能力 14、 片內(nèi)采用單總線結(jié)構(gòu) 15、 用單一+5V 電源 畢業(yè)設(shè)計論文 第四章 儀器的選型以及各模塊的細化設(shè)計 7 第四章第四章 儀器的選型以及各模塊的細化設(shè)計儀器的選型以及各模塊的細化設(shè)計 4.14.1 中央處理模塊的選型及設(shè)計中央處理模塊的選型及設(shè)計 中央處理模塊其實就是一個單片機系統(tǒng)，主要是由一塊單片機以及外部存儲 器構(gòu)成。這里單片機芯片我選用了內(nèi)部帶有 8K 字節(jié) EEPROM 的低功耗 CMOS8 位 微控制器 AT89C52（見圖-2） ，此單片機性價比較高，廣泛應(yīng)用于控制和測量系 統(tǒng)，可滿足設(shè)計要求，提高系統(tǒng)的集成度。 AT89C52 規(guī)格說明： 兼容 MCS-51TM產(chǎn)品 8K 字節(jié)內(nèi)部可重復(fù)編程 FLASHROM 耐久度：1,000 次寫/擦 3 級程序存儲器鎖 256*8 位內(nèi)部 RAM 32 個可編程 I/O 引腳 3 個 16 位定時器/計數(shù)器 8 個中斷源 可編程串行口 （圖-4.1.1） AT89C52 引腳功能說明 VCC：接+5V 電源正端 GND：接+5V 電源地端 RXD：串行輸入口 TXD：串行輸出口 INT0：外部中斷 0 請求輸入端 INT1：外部中斷 1 請求輸入端 T0：定時器/計數(shù)器 0 計數(shù)脈沖輸入端 T1：定時器/計數(shù)器 1 計數(shù)脈沖輸入端 WR：外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通信號輸出端 RD：外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通信號輸出端 ALE/PROG：地址鎖存有效信號輸出端 PSEN：片外程序存儲器讀選通信號輸出端 RST：復(fù)位端 XTAL1：片內(nèi)反相放大器輸入端 XTAL2：片內(nèi)反相放大器輸出端 EA/VDD：片外程序存儲器選用端 P0.0-P0.7：準(zhǔn)雙向輸入/輸出接口 * P1.0-P1.7：準(zhǔn)雙向 I/O 接口 * P2.0-P2.7：準(zhǔn)雙向 I/O 接口 * 畢業(yè)設(shè)計論文 第四章 儀器的選型以及各模塊的細化設(shè)計 8 *（其中 P0 口分時為低 8 位地址總線和雙向數(shù)據(jù)總線；P1.0 可用作定時器/計 數(shù)器 2 的計數(shù)脈沖輸入端 T2；P1.1 可用作定時器/計數(shù)器 2 的外部控制端 T2EX） 。 由于 AT89C52 內(nèi)部 RAM 容量為 256，遠不能滿足系統(tǒng)的需求，我在這里擴展了 一個 8K 的 6264RAM。 中央處理硬件模塊圖如下： P0 D P0 74HC138 P2.0-P2.4 P0 (圖-4.1.2) 由于系統(tǒng)需要 13 位來尋址，所以我們將 AT89C52 的 P0 口作為低 8 位地址 線，P2.0-P2.4 作為高 5 位地址線，其中 P0 口同時時分復(fù)用作為 8 位數(shù)據(jù)線。 讀取數(shù)據(jù)時先將地址低 8 位 A0-A7 送入 P0 口及地址高 5 位 A8-A12 送入 P2.0- P2.4 口，其中高 5 位地址可以直接送到 6264 的 A8-A12，P0 口的低 8 位地址先 經(jīng)過雙向數(shù)據(jù)傳輸器 74HC245（74HC245 雙向數(shù)據(jù)傳輸器通過控制引腳 DIR 來控 制數(shù)據(jù)傳送的方向，同時提高了驅(qū)動能力） ，然后將地址 A0-A7 鎖存到 74HC373 中，通過 74HC373 把低 8 位地址送到 6264，再通過 6264 的 D 口將地址指定數(shù) 據(jù)通過 74HC245 傳送到 P0 口，此時 P0 口作為數(shù)據(jù)線使用。這樣就完成了一次 讀取數(shù)據(jù)過程，寫入數(shù)據(jù)時方法一樣。 X25045X25045 看門狗的應(yīng)用看門狗的應(yīng)用 X25045 是一種集看門狗、電壓監(jiān)控和串行 EEPROM 三功能于一身的可編程電路， 本系統(tǒng)主要用來上電復(fù)位和低電壓監(jiān)控。 上電復(fù)位： 向 X25045 加電時會激活他內(nèi)部的上電復(fù)位電路，從而使 RESET 引腳有效，該信 號可避免系統(tǒng)微處理器在電壓不足或振蕩器未穩(wěn)定的情況下工作，當(dāng) Vcc 超過 器件的 Vtrip 門限值時，電路會在 200ms（典型）延時后釋放 RESET 以允許系 統(tǒng)開始工作。 低電壓監(jiān)控： 電路工作時 X25045 可對 Vcc 電平進行監(jiān)測，若電源電壓跌落至預(yù)置的最小 P1.0 P1.4 P1.5 P1.7 AT89C52 74HC2 45 6264 74HC3 73 X25045 畢業(yè)設(shè)計論文 第四章 儀器的選型以及各模塊的細化設(shè)計 9 Vtrip 以下時，系統(tǒng)即確認(rèn) RESET 從而避免微處理器在電源失效或斷開的情況 下工作。當(dāng) RESET 被確認(rèn)后，該 RESET 信號將一直保持有效，直到電壓跌到低 于 1V。而且 Vcc 返回并超過 Vtrip 達 200ms 時。系統(tǒng)重新開始工作 CS：電壓選擇端，低電平有效 SO：串行數(shù)據(jù)輸出端 SI：串行數(shù)據(jù)輸入端 SCK：串行時鐘輸入端 WP：寫保護輸入端，低電平有效 RESET：復(fù)位輸出端 VCC：電源端 VSS：接地端 （央處理模塊電路原理圖見 附錄 圖一） 畢業(yè)設(shè)計論文 第四章 儀器的選型以及各模塊的細化設(shè)計 10 4.24.2 通訊模塊通訊模塊 4.2.14.2.1 通訊方式的介紹和選擇通訊方式的介紹和選擇 通訊模塊主要負(fù)責(zé)下位機和上位機之間的通訊。目前在計算機與計算機或 計算機與終端之間的數(shù)據(jù)傳送主要存在兩種方式：并行通訊和串行通訊。所謂 “并行通訊” ，是指 8 位數(shù)據(jù)同時通過并行線進行傳送，這樣數(shù)據(jù)傳送速度大大 提高，但并行通訊的線路長度受到限制，因為長度增加，干擾就會增加，容易 出錯。串行通訊不同于并行通訊之處在于它的數(shù)據(jù)和控制信息是一位接一位串 行地傳送下去。這樣，雖然速度會慢一些，但傳送距離較并行口更長，因此長 距離的通信應(yīng)使用串行通訊方式。 由于本系統(tǒng)傳輸距離較遠，為了保證數(shù)據(jù)在傳輸過程的準(zhǔn)確性，在這個系 統(tǒng)中我選擇了串行通訊方式，這種方式的大大減少了連線的數(shù)量，而且便于與 工控機連接。 4.2.24.2.2 串行通訊幾種方式的介紹串行通訊幾種方式的介紹 此外根據(jù)信息的傳送方向，串行通訊可以進一步分為單工、半雙工和全雙 工三種。信息只能單向傳送為單工；信息能雙向傳送但不能同時雙向傳送稱為 半雙工；信息能夠同時雙向傳送則稱為全雙工。 串行通訊又分為異步通訊和同步通訊兩種方式。在單片機中，主要使用異 步通訊方式。 MCS-51 單片機有一個全雙工串行口。全雙工的串行通訊只需要一根輸出線 和一根輸入線。數(shù)據(jù)的輸出又稱發(fā)送數(shù)據(jù)（TXD） ，數(shù)據(jù)的輸入又稱接收數(shù)據(jù) （RXD） 。串行通訊中主要有兩個技術(shù)問題，一個是數(shù)據(jù)傳送、另一個是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn) 換。數(shù)據(jù)傳送主要解決傳送中的標(biāo)準(zhǔn)、格式及工作方式等問題。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是指 數(shù)據(jù)的串并行轉(zhuǎn)換。具體說，在發(fā)送端，要把并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)；而在 接收端，卻要把接收到的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)。 4.2.34.2.3 通訊接口介紹通訊接口介紹 在串行通訊時，要求通訊雙方都采用一個標(biāo)準(zhǔn)接口，使不同的設(shè)備可以方 便地連接起來進行通訊。目前比較常用的串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)有 RS-232、RS-422 與 RS-485 等，他們最初都是由電子工業(yè)協(xié)會（EIA）制訂并發(fā)布的，RS-232 在 1962 年發(fā)布，命名為 EIA-232-E，作為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以保證不同廠家產(chǎn)品之間 的兼容。RS-422 由 RS-232 發(fā)展而來，它是為彌補 RS-232 之不足而提出的。為 改進 RS-232 通信距離短、速率低的缺點，RS-422 定義了一種平衡通信接口， 將傳輸速率提高到 10Mb/s，傳輸距離延長到 4000 英尺（速率低于 100kb/s 時） ， 并允許在一條平衡總線上連接最多 10 個接收器。RS-422 是一種單機發(fā)送、多 機接收的單向、平衡傳輸規(guī)范，被命名為 TIA/EIA-422-A 標(biāo)準(zhǔn)。為擴展應(yīng)用范 圍，EIA 又于 1983 年在 RS-422 基礎(chǔ)上制定了 RS-485 標(biāo)準(zhǔn)，增加了多點、雙向 通信能力，即允許多個發(fā)送器連接到同一條總線上，同時增加了發(fā)送器的驅(qū)動 能力和沖突保護特性，擴展了總線共模范圍，后命名為 TIA/EIA-485-A 標(biāo)準(zhǔn)。 由于 EIA 提出的建議標(biāo)準(zhǔn)都是以“RS”作為前綴，所以在通訊工業(yè)領(lǐng)域，仍然 習(xí)慣將上述標(biāo)準(zhǔn)以 RS 作前綴稱謂。 畢業(yè)設(shè)計論文 第四章 儀器的選型以及各模塊的細化設(shè)計 11 4.2.44.2.4 通訊接口的比較和選擇通訊接口的比較和選擇 4.2.4.14.2.4.1、RS-232RS-232 通訊接口通訊接口 RS-232 是 PC 機與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口。RS-232 被定義 為一種在低速率串行通訊中增加通訊距離的單端標(biāo)準(zhǔn)。RS-232 采取不平衡傳輸 方式，即所謂單端通訊。典型的 RS-232 信號在正負(fù)電平之間擺動，在發(fā)送數(shù)據(jù) 時，發(fā)送端驅(qū)動器輸出正電平在+5+15V，負(fù)電平在-5-15V 電平。當(dāng)無數(shù)據(jù) 傳輸時，線上為 TTL，從開始傳送數(shù)據(jù)到結(jié)束，線上電平從 TTL 電平到 RS-232 電平再返回 TTL 電平。接收器典型的工作電平在+3+12V 與-3-12V。由于發(fā) 送電平與接收電平的差僅為 2V 至 3V 左右，所以其共模抑制能力差，再加上雙 絞線上的分布電容，其傳送距離最大為約 15 米，最高速率為 20kb/s。RS-232 是為點對點（即只用一對收、發(fā)設(shè)備）通訊而設(shè)計的，其驅(qū)動器負(fù)載為 37k。所以 RS-232 適合本地設(shè)備之間的通信。 4.2.4.24.2.4.2、 RS-422RS-422、RS-485RS-485 通訊接口通訊接口 1平衡傳輸 RS-422、RS-485 與 RS-232 不一樣，數(shù)據(jù)信號采用差分傳輸方式，也稱 作平衡傳輸，它使用一對雙絞線，將其中一線定義為 A，另一線定義為 B。 通常情況下，發(fā)送驅(qū)動器 A、B 之間的正電平在+2+6V，是一個邏輯狀態(tài)， 負(fù)電平在-26V，是另一個邏輯狀態(tài)。另有一個信號地 C，在 RS-485 中還有一 “使能”端，而在 RS-422 中這是可用可不用的。 “使能”端是用于控制發(fā)送驅(qū) 動器與傳輸線的切斷與連接。當(dāng)“使能”端起作用時，發(fā)送驅(qū)動器處于高阻狀 態(tài)，稱作“第三態(tài)” ，即它是有別于邏輯“1”與“0”的第三態(tài)。 接收器也作與發(fā)送端相對的規(guī)定，收、發(fā)端通過平衡雙絞線將 AA 與 BB 對 應(yīng)相連，當(dāng)在收端 AB 之間有大于+200mV 的電平時，輸出正邏輯電平，小于- 200mV 時，輸出負(fù)邏輯電平。接收器接收平衡線上的電平范圍通常在 200mV 至 6V 之間。 2RS-422 電氣規(guī)定 RS-422 標(biāo)準(zhǔn)全稱是“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性” ，它定義了接口 電路的特性。由于接收器采用高輸入阻抗和發(fā)送驅(qū)動器比 RS232 更強的驅(qū)動能 力，故允許在相同傳輸線上連接多個接收節(jié)點，最多可接 10 個節(jié)點。即一個主 設(shè)備（Master） ，其余為從設(shè)備（Salve） ，從設(shè)備之間不能通信，所以 RS-422 支持點對多的雙向通信。接收器輸入阻抗為 4k，故發(fā)端最大負(fù)載能力是 104k+100（終接電阻） 。RS-422 四線接口由于采用單獨的發(fā)送和接收通道， 因此不必控制數(shù)據(jù)方向，各裝置之間任何必須的信號交換均可以按軟件方式 （XON/XOFF 握手）或硬件方式（一對單獨的雙絞線）實現(xiàn)。 RS-422 的最大傳輸距離為 4000 英尺（約 1219 米） ，最大傳輸速率為 10Mb/s。其平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，在 100kb/s 速率以下，才可 能達到最大傳輸距離。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般 100 米長的雙絞線上所能獲得的最大傳輸速率僅為 1Mb/s。 RS-422 需要一終接電阻，要求其阻值約等于傳輸電纜的特性阻抗。在矩距 離傳輸時可不需終接電阻，即一般在 300 米以下不需終接電阻。終接電阻接在 傳輸電纜的最遠端。 3RS-485 電氣規(guī)定 由于 RS-485 是從 RS-422 基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，所以 RS-485 許多電氣規(guī)定與 RS-422 相仿。如都采用平衡傳輸方式、都需要在傳輸線上接終接電阻等。RS- 畢業(yè)設(shè)計論文 第四章 儀器的選型以及各模塊的細化設(shè)計 12 485 可以采用二線與四線方式，二線制可實現(xiàn)真正的多點雙向通信。 而采用四線連接時，與 RS-422 一樣只能實現(xiàn)點對多的通信，即只能有一個 主（Master）設(shè)備，其余為從設(shè)備，但它比 RS-422 有改進， 無論四線還是二 線連接方式總線上可多接到 32 個設(shè)備。 RS-485 與 RS-422 的不同還在于其共模輸出電壓是不同的，RS-485 是-7V 至+12V 之間，而 RS-422 在-7V 至+7V 之間，RS-485 接收器最小輸入阻抗為 12k，RS-422 是 4k；RS-485 滿足所有 RS-422 的規(guī)范，所以 RS-485 的驅(qū)動器可 以用在 RS-422 網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。 RS-485 與 RS-422 一樣，其最大傳輸距離約為 1219 米，最大傳輸速率為 10Mb/s。平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，在 100kb/s 速率以下，才可能 使用規(guī)定最長的電纜長度。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般 100 米長雙絞線最大傳輸速率僅為 1Mb/s。 RS-485 需要 2 個終接電阻，其阻值要求等于傳輸電纜的特性阻抗。在矩距 離傳輸時可不需終接電阻，即一般在 300 米以下不需終接電阻。終接電阻接在 傳輸總線的兩端。 4.2.4.34.2.4.3 各接口的優(yōu)缺點各接口的優(yōu)缺點 由于 RS-232 接口標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)較早，難免有不足之處，主要有以下四點： （1） 接口的信號電平值較高，易損壞接口電路的芯片，又因為與 TTL 電 平不兼容故需使用電平轉(zhuǎn)換電路方能與 TTL 電路連接。 （2） 傳輸速率較低，在異步傳輸時，波特率為 20Kbps。 （3） 接口使用一根信號線和一根信號返回線而構(gòu)成共地的傳輸形式， 這 種共地傳輸容易產(chǎn)生共模干擾，所以抗噪聲干擾性弱。 （4） 傳輸距離有限，最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為 50 英尺，實際上也只能 用 在 50 米左右。 RS-485 具有以下特點： （1） RS-485 的電氣特性：邏輯“1”以兩線間的電壓差為+（26） V 表 示；邏輯“0”以兩線間的電壓差為-（26）V 表示。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 的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為 10Mbps （3） RS-485 接口是采用平衡驅(qū)動器和差分接收器的組合，抗共模干能力 增強，即抗噪聲干擾性好。 （4） RS-485 接口的最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備網(wǎng)絡(luò)。 RS-485 接口采用平衡驅(qū)動器和差分接收器的組合，假設(shè)傳輸線 A、B 對地電壓分別為 Va 和 Vb，則它們的差分電壓 V=Va-Vb， 當(dāng)外部噪聲 V對傳輸線產(chǎn)生干擾使得 畢業(yè)設(shè)計論文 第四章 儀器的選型以及各模塊的細化設(shè)計 13 Va=Va+V,Vb=Vb+V, 此時差分電壓 V= Va- Vb=（Va+V）-（Vb+V）= Va-Vb 所以 V=V 顯然采用差分傳輸時，系統(tǒng)具有良好的抗噪聲干擾性，并且傳輸距離大大 增長。由于 RS-485 具備上述優(yōu)點就使其成為首選的串行接口。 因為 RS485 接 口組成的半雙工網(wǎng)絡(luò)，一般只需二根連線，所以 RS485 接口均采用屏蔽雙絞線 傳輸。 RS485 接口連接器采用 DB-9 的 9 芯插頭座，與上位機 RS485 接口采用 DB-9（孔） 。 4.2.54.2.5 RS-485RS-485 模塊圖及引腳說明模塊圖及引腳說明 （圖-4.2.1） 4.2.64.2.6 RS-485RS-485 通訊示意圖通訊示意圖 RO：接受器輸出：如果 A B 超過 200mV，RO 為高電平；如果 AB 超過 200mV，RO 為低電平 RE：輸出允許。低電平時 RO 有效；高電 平時 RO 高阻 DE：輸出驅(qū)動器有效。DE 高電平時輸出 驅(qū)動器有效；DE 低電平時輸出驅(qū)動器高 阻。如果輸出驅(qū)動器有效，他們起驅(qū)動線 路功能；當(dāng)他們處于高阻狀態(tài)時，如果 RE 是低電平，作為線路接受機。 DI：驅(qū)動輸出。 A：放大接受輸入量和放大驅(qū)動輸出量 B：轉(zhuǎn)換接受輸入量和轉(zhuǎn)換驅(qū)動輸出量 GND：接地 VCC：電源正極 4.75VVCC5.25V 畢業(yè)設(shè)計論文 第四章 儀器的選型以及各模塊的細化設(shè)計 14 (圖-4.2.2) 4.2.74.2.7 RS-485RS-485 外部接線外部接線 為了提高信號傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，針對串行通訊的特點采取了下面的措施： 1 1、減少在通信電纜中的信號反射、減少在通信電纜中的信號反射 在通信過程中，有兩種信號因?qū)е滦盘柗瓷洌鹤杩共贿B續(xù)和阻抗不匹配。 阻抗不連續(xù)，信號在傳輸線末端突然遇到電纜阻抗很小甚至沒有，信號在這 個地方就會引起反射，如圖-4.2.3 所示。這種信號反射的原理，與光從一種媒 質(zhì)進入另一種媒質(zhì)要引起反射是相似的。消除這種反射的方法，就必須在電纜 的末端跨接一個與電纜的特性阻抗同樣大小的終端電阻，使電纜的阻抗連續(xù)。 由于信號在電纜上的傳輸是雙向的，因此，在通訊電纜的另一端可跨接一個同 樣大小的終端電阻。在本系統(tǒng)中我取終端電阻的值為 120。 (圖-4.2.3) 2 2、增加偏置電阻、增加偏置電阻 在通訊波特率比較高的時候，在線路上偏置電阻是必要的。偏置電阻的連 接方法如圖-4.2.4。它的作用是在線路進入空閑狀態(tài)后，把總線上沒有數(shù)據(jù)時 畢業(yè)設(shè)計論文 第四章 儀器的選型以及各模塊的細化設(shè)計 15 （空閑方式）的電平拉離 0 電平。這樣一來，即使線路中出現(xiàn)了比較小的反射 信號或干擾，掛接在總線上的數(shù)據(jù)接收器也不會由于這些信號的到來而產(chǎn)生誤 動作。 (圖-4.2.4) 3 3、偏置電阻大小的計算：、偏置電阻大小的計算： 終端電阻 Rt1=Rr2=120； 假設(shè)反射信號最大的峰-峰值 Vref0.3Vp-p，則負(fù)半周的電壓 Vref0.15V； 終端的電阻上由反射信號引起的反射電流 Iref0.15/(120|120)=2.5mA。一 般 RS-485 收發(fā)器的滯后電壓值為 50mV，即： （Ibias-Iref）（Rt1|Rt2）50mV 于是可以計算出偏置電阻產(chǎn)生的偏置電流 Ibias3.33mA +5V=Ibias(R 上拉+R 下拉+（Rt1|Rt2）) （1） 通過式 1 可以計算出 R 上拉=R 下拉=720 在這里我取偏置電阻的值為 1K， 所以 RS485 的連接線路如下圖，其中 RO 接單片機的串行輸入口 RXD，DI 接單片 機的串行輸出口 TXD，RE 和 DE 都接接 P1.1 口。 (圖-4.2.5) 4 4、通信規(guī)則、通信規(guī)則 由于 RS485 通訊是一種半雙工通訊，發(fā)送和接收共用同一物理信道。在 畢業(yè)設(shè)計論文 第四章 儀器的選型以及各模塊的細化設(shè)計 16 任意時刻只允許一臺單機處于發(fā)送狀態(tài)。因此要求應(yīng)答的單機必須在偵聽到總 線上呼叫信號已經(jīng)發(fā)送完畢，并且沒有其它單機發(fā)出應(yīng)答信號的情況下，才能 應(yīng)答。半雙工通訊對主機和從機的發(fā)送和接收時序有嚴(yán)格的要求。如果在時序 上配合不好，就會發(fā)生總線沖突，使整個系統(tǒng)的通訊癱瘓，無法正常工作。要 做到總線上的設(shè)備在時序上的嚴(yán)格配合，必須要遵從以下幾項原則： 1) 復(fù)位時，主從機都應(yīng)該處于接收狀態(tài)。 MAX1487 芯片的發(fā)送和接收功能轉(zhuǎn)換是由芯片的 RE ，DE 端控制的。 RE=1，DE=1 時，MAX1487 處于發(fā)送狀態(tài)；RE=0，DE=0 時，MAX1487 處于接收狀 態(tài)。一般使用單片機的一根口線連接 RE，DE 端。在上電復(fù)位時，由于硬件電路 穩(wěn)定需要一定的時間，并且單片機各端口復(fù)位后處于高電平狀態(tài)，這樣就會使 總線上各個分機處于發(fā)送狀態(tài)，加上上電時各電路的不穩(wěn)定，可能向總線發(fā)送 信息。因此，如果用一根口線作發(fā)送和接收控制信號，應(yīng)該將口線反向后接入 MAX1487 的控制端，使上電時 MAX1487 處于接收狀態(tài)。 另外，在主從機軟件上也應(yīng)附加若干處理措施，如：上電時或正式通訊之 前，對串行口做幾次空操作，清除端口的非法數(shù)據(jù)和命令。 2) 控制端 RE，DE 的信號的有效脈寬應(yīng)該大于發(fā)送或接收一幀信號的寬度。 在 RS485 半雙工通訊中，由于 MAX1487 的發(fā)送和接收都由同一器件完成， 并且發(fā)送和接收使用同一物理鏈路，必須對控制信號進行切換?？刂菩盘柡螘r 為高電平，何時為低電平，一般以單片機的 TI，RI 信號作參考。 發(fā)送時，檢測 TI 是否建立起來，當(dāng) TI 為高電平后關(guān)閉發(fā)送功能轉(zhuǎn)為接收 功能； 接收時，檢測 RI 是否建立起來，當(dāng) RI 為高電平后，接收完畢，又可以轉(zhuǎn) 為發(fā)送。 在理論上雖然行得通，但在實際聯(lián)調(diào)中卻出現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)時對時錯的現(xiàn)象。 根據(jù)查證有關(guān)資料，并在聯(lián)調(diào)中借助存儲示波器反復(fù)測試，才發(fā)現(xiàn)一個值得注 意的問題，我們可以查看單片機的時序： (圖-4.2.6) 單片機在串行口發(fā)送數(shù)據(jù)時，只要將 8 位數(shù)據(jù)位傳送完畢，TI 標(biāo)志即建立， 畢業(yè)設(shè)計論文 第四章 儀器的選型以及各模塊的細化設(shè)計 17 但此時應(yīng)發(fā)送的第九位數(shù)據(jù)位（若發(fā)送地址幀時）和停止位尚未發(fā)出。如果在 這時關(guān)閉發(fā)送控制，勢必造成發(fā)送幀數(shù)據(jù)不完整。如果單片機多機通訊采用較 高的波特率，幾條操作指令的延時就可能超過 2 位（或 1 位）數(shù)據(jù)的發(fā)送時間， 問題或許不會出現(xiàn)。但是如果采用較低波特率，如 9600，發(fā)送一位數(shù)據(jù)需 100s 左右，單靠幾條操作指令的延時遠遠不夠，問題就明顯地暴露出來。接 收數(shù)據(jù)時也同樣如此，單片機在接收完 8 個數(shù)據(jù)位后就建立起 RI 信號，但此時 還未接收到第九位數(shù)據(jù)位（若接收地址幀時）和停止位。所以，接收端必須延 時大于 2 位數(shù)據(jù)位的時間（1 位數(shù)據(jù)位時間=1/波特率） ，再作應(yīng)答，否則會發(fā) 生總線沖突。 3) 總線上所連接的各單機的發(fā)送控制信號在時序上完全隔開。 為了保證發(fā)送和接收信號的完整和正確，避免總線上信號的碰撞，對總線 的使用權(quán)必須進行分配才能避免競爭，連接到總線上的單機，其發(fā)送控制信號 在時間上要完全隔離。 總之，發(fā)送和接收控制信號應(yīng)該足夠?qū)挘员ＷC完整地接收一幀數(shù)據(jù)，任 意兩個單機的發(fā)送控制信號在時間上完全分開，避免總線爭端。 程序流程框圖程序流程框圖: 其中：圖-4.2.7a 為發(fā)送流程圖；圖-4.2.7b 為接收流程圖。 NO NO NO NO (圖-4.2.7b) (圖-4.2.7a) 起始起始 準(zhǔn)備數(shù)據(jù)SETB P1.1 處于接受態(tài) 打開發(fā)送控制 CLR P1.1 寫 SBUF 延時 T 秒 關(guān)閉發(fā)送控制 SETB P1.1 結(jié)束 發(fā)送完畢？ T1=1？ R1=1？ 延時 T 秒 讀 SBUF 接受完畢？ 結(jié)束 畢業(yè)設(shè)計論文 第四章 儀器的選型以及各模塊的細化設(shè)計 18 4.2.84.2.8 系統(tǒng)通訊格式及數(shù)據(jù)的確定系統(tǒng)通訊格式及數(shù)據(jù)的確定 本系統(tǒng)采用串行通訊方式 3 即 9 位異步通信接口，每幀信息由 11 位組成 （1 位起始位、8 位數(shù)據(jù)位、1 位校驗位、1 位停止位） （1）上位機發(fā)送“呼叫幀” ，格式如下 STXLGE 控制字?jǐn)?shù)據(jù) BCC STX：報文開始，02HEX LGE：報文長度，固定為 04HEX 控制字：傳輸控制命令，01HEX呼叫幀 02HEX保留 03HEX料倉號標(biāo)記，具體數(shù)據(jù)在“數(shù)據(jù)” 04HEX重量設(shè)定數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)在“數(shù)據(jù)” 05HEX保留 06HEX卸料倉號標(biāo)記，具體數(shù)據(jù)在“數(shù)據(jù)” 07HEX保留 08HEX-0FF HEX 保留 數(shù)據(jù)：1 個 WORD，下傳數(shù)據(jù)： 0001 HEX-0018 HEX料倉號，當(dāng)控制字為 03HEX 0001 HEX-0004 HEX卸料倉號，當(dāng)控制字 06HEX 0000 HEX-4E20 HEX設(shè)定重量。 （0-4000kg,精度 0.2kg） (因為精度是 0.2kg,最大重量是 4000kg,所以可以把最大重量分為 20000 等 分，每等分表示 0.2kg,用 16 進制數(shù)表示為 4E20) 當(dāng)無數(shù)據(jù)下傳時，置為 0FF HEX BCC：塊校驗，前面所有字節(jié) XOR （2）下位機上傳“應(yīng)答幀” ，格式如下 STXLGE 狀態(tài)料倉號重量 BCC 畢業(yè)設(shè)計論文 第四章 儀器的選型以及各模塊的細化設(shè)計 19 STX：報文開始，02HEX LGE：報文長度，固定位 05HEX 狀態(tài)：返回狀態(tài)信息：01HEX小車待命 02HEX小車行進中 03HEX正在加料 04HEX關(guān)大閥門信號 05HEX關(guān)小閥門信號 06HEX正在排料 07HEX0FF HEX保留 料倉號：當(dāng)狀態(tài)為 03HEX 表示所在的下料倉號；當(dāng)狀態(tài)為 06HEX 表示所在 的排料倉號； 重量：1 各 WORD：傳遞重量的實時數(shù)據(jù)。閑置時為 0FF HEX BCC：塊校驗，前面所有字節(jié) XOR 波特率的確定：下位機： 波特率=（2SMOD*工作振蕩頻率）/（32*12*256-TH0） TH0=256-（2SMOD*工作振蕩頻率）/（384*波特率） 波特率工作振蕩頻率 SMODTH0 6250012M1253 1920011.0592M1253 960011.0592M0253 480011.0592M0250 240011.0592M0244 120011.0592M0232 本系統(tǒng)選用 9600bps 波特率 通訊周期的確定： 上位機呼叫時發(fā)送 6 個字節(jié)=66Bit,需發(fā)送時間為 66/9600=0.006875s=6.875ms。 啟動間隔為 2.3ms。 下位機應(yīng)答時發(fā)送 7 個字節(jié)=77Bit,需要發(fā)送時間為 77/9600=000802s=8.02ms。應(yīng)答延時小于 20ms, 大于啟動間隔。這兒取 10ms。 整個通訊周期為：2.3ms+6.875ms+10ms+8.02ms=27.195ms?？稍O(shè)置為 100ms。 （通訊模塊電路原理圖見 附錄 圖二） 畢業(yè)設(shè)計論文 第四章 儀器的選型以及各模塊的細化設(shè)計 20 4.34.3 顯示模塊顯示模塊 4.3.14.3.1 顯示器的選擇顯示器的選擇 顯示模塊主要用來實時顯示下位機的一些信息，我選用了韓國三星顯示器 設(shè)備公司生產(chǎn)的一款真空熒光顯示器型號為:16L101SS1。主要有以下優(yōu)點： （1）通過兩路時鐘串行接口能很簡單的連接到主機系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線 （2）使用直流電和直流電轉(zhuǎn)換器,只要+5V 直流電源就可以運行模塊 （3）一個芯片控制器提供 64*16 字節(jié)積分可編程邏輯陣列 （4）通過亮度控制命令可以選擇 32 級亮度 （5）通過簡單波長濾波器產(chǎn)生高質(zhì)量（505nm）藍綠真空熒光顯示器 （6）通過漂亮的 14 節(jié)星爆格式顯示字符 4.3.24.3.2 顯示器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖顯示器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 畢業(yè)設(shè)計論文 第四章 儀器的選型以及各模塊的細化設(shè)計 21 （圖-4.3.1） 4.3.34.3.3 引腳功能說明引腳功能說明 引腳#信號信號名稱描述 1GND GND:地線引腳 2/RST /RST:VFD 模塊復(fù)位輸入引腳（低電平有效） 3DATA DATA:顯示或控制代碼輸入引腳 4N/C N/C:無連接 5SCLK SCLK:移位時鐘或移位寄存器（下降沿有效） 6Vcc VCC:電源引腳（必需+5Vdc） 4.3.44.3.4 顯示模塊的連接顯示模塊的連接 三星的這塊顯示器可以顯示 16 個字符，并且可以通過串行通訊進行連接。 （顯示器詳細介紹，翻譯資料里有，這里就不多說了）將 SCLK 和 DATA 引腳分 別連接到單片機的 P1.2 和 P1.3 腳。 模塊具備控制數(shù)據(jù)、寫入顯示數(shù)據(jù)和復(fù)位功能 主機系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)以 8 位串行數(shù)據(jù)形式通過串行數(shù)據(jù)輸入通道送入模塊來顯示 MSB 引腳的 8 位串行數(shù)據(jù)決定輸入模塊的數(shù)據(jù)時控制數(shù)據(jù)還是顯示數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)設(shè)置流程 打開電源 (2)將/RST 信號置零超過 100s 程序 (3)設(shè)置計數(shù)器 初始化 (4)設(shè)置亮度 (5)設(shè)置緩沖器指示器 (6)設(shè)置顯示數(shù)據(jù)