基于51單片機(jī)的多機(jī)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)說(shuō)明

..單片機(jī)多機(jī)通信系統(tǒng)一、引言隨著單片機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,單片機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)從單機(jī)向多機(jī)互聯(lián)化方向發(fā)展。單片機(jī)在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理方面,有著成本低、能滿(mǎn)足一般要求、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn),其在智能家居、計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通信與數(shù)據(jù)傳輸、工業(yè)控制自動(dòng)化等方面有著廣泛的應(yīng)用。 本系統(tǒng)是面向智能家居應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。在初期,采用紅外無(wú)線(xiàn)通信方式,其傳輸距離短,適于一般家庭應(yīng)用,且成本相對(duì)較低；待方案成熟、成本允許,可以改用GSM無(wú)線(xiàn)通信方式。二、系統(tǒng)原理及方案設(shè)計(jì)1、系統(tǒng)框架介紹 本系統(tǒng)為基于51單片機(jī)的多機(jī)紅外無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng),由三個(gè)51單片機(jī)模塊組成。其中一個(gè)作為主機(jī)〔即上位機(jī),負(fù)責(zé)接收來(lái)自從機(jī)1〔即下位機(jī)采集的數(shù)據(jù)信息,以及向從機(jī)2〔即下位機(jī)發(fā)送控制信息。從機(jī)1是數(shù)據(jù)采集模塊,采集溫度、光強(qiáng)等室內(nèi)數(shù)據(jù),并將其發(fā)送給主機(jī)。主機(jī)經(jīng)分析處理,作出相應(yīng)判斷,并給從機(jī)2發(fā)送控制信息,使由從機(jī)2控制的電機(jī)作出相應(yīng)反應(yīng),調(diào)節(jié)室內(nèi)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(jiǎn)圖：圖1系統(tǒng)總體框圖圖2紅外收發(fā)模塊簡(jiǎn)圖2、多機(jī)通信原理介紹在多機(jī)通信系統(tǒng)中,要保證主機(jī)與從機(jī)間可靠的通信,必須要讓通信接口具有識(shí)別功能,51單片機(jī)串行口控制寄存器SCON中的控制位SM2正是為了滿(mǎn)足這一要求而設(shè)置的。當(dāng)串行口以方式2或方式3工作時(shí),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(gè)可編程的第9位數(shù)據(jù)TB8或RB8。主機(jī)可以通過(guò)對(duì)TB8賦予1或0,來(lái)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(jī)的SCON控制位SM2為1,則當(dāng)接收的是地址幀時(shí),接收數(shù)據(jù)將被裝入SBUF并將RI標(biāo)志置1,向CPU發(fā)送中斷請(qǐng)求；若接收的是數(shù)據(jù)幀時(shí),則不會(huì)產(chǎn)生中斷標(biāo)志,信息將被丟棄。若從機(jī)的SCON控制位SM2為0,則無(wú)論主機(jī)發(fā)送的是地址幀還是數(shù)據(jù)幀,接收數(shù)據(jù)都會(huì)被裝入SBUF并置1標(biāo)志位RI,向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求。那么,我們規(guī)定如下通信協(xié)議：〔1置1所有從機(jī)的SM2位,使之處于只能接收地址幀的狀態(tài),并給每個(gè)從機(jī)初始化一個(gè)地址值；〔2主機(jī)發(fā)送地址幀,其中包含8位地址信息,第9位為1,進(jìn)行從機(jī)尋址；〔3從機(jī)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(jī)從第二幀開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)幀,其中第9位為0。對(duì)于已經(jīng)被尋址的從機(jī),因其SM2為0,可以接收主機(jī)發(fā)送來(lái)的任何信息,而對(duì)于其他從機(jī),因其SM2為1,將對(duì)主機(jī)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)信息不予理睬,直到發(fā)來(lái)一個(gè)新的地址幀?！?若主機(jī)需要要與其他從機(jī)聯(lián)系,可再次發(fā)送地址幀來(lái)進(jìn)行從機(jī)尋址,而先前被尋址過(guò)的從機(jī)在分析出主機(jī)發(fā)來(lái)的地址幀是對(duì)其他從機(jī)尋址時(shí),恢復(fù)其自身的SM2為1,對(duì)主機(jī)隨后發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)信息不予理睬。3、紅外通信方式介紹因?yàn)楸鞠到y(tǒng)是面向智能家居而設(shè)計(jì)的,考慮到有線(xiàn)方式給用戶(hù)帶來(lái)的不便,我們選用無(wú)線(xiàn)作為各單片機(jī)間的通信方式。且我們隊(duì)員以前未做無(wú)線(xiàn)通信,希望在這次比賽中鍛煉、提高自己。對(duì)于無(wú)線(xiàn)通信方式,常見(jiàn)的有五種：紅外通信,藍(lán)牙通信,Zigbee通信,GSM通信,GPRS通信。紅外通信是我們?cè)趯W(xué)習(xí)中接觸到最多的,元件材料相對(duì)簡(jiǎn)單、容易獲得,能夠滿(mǎn)足一般家庭應(yīng)用,且紅外通信方面的資料比較多,易學(xué)。藍(lán)牙設(shè)備自制不易,購(gòu)買(mǎi)則增加系統(tǒng)成本。Zigbee、GSM、GPRS則或系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜,或成本高。紅外通信背景介紹：紅外線(xiàn)是波長(zhǎng)在750nm至1000nm間的電磁波,其頻率高于微波而低于可見(jiàn)光,是一種人肉眼看不見(jiàn)的光線(xiàn)。目前無(wú)線(xiàn)電波和微波已被廣泛應(yīng)用在長(zhǎng)距離的無(wú)線(xiàn)通信中,但由于紅外線(xiàn)的波長(zhǎng)較短,對(duì)障礙物的衍射能力差,所以更適合應(yīng)用在需要短距離無(wú)線(xiàn)通信場(chǎng)合點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的直線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?！?紅外收發(fā)器TFDU4100介紹對(duì)于紅外收發(fā)模塊,我們采用TFDU4100紅外收發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。TFDU4100是常用的低電壓紅外收發(fā)模塊,以串行方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,遵循IrDA1.2標(biāo)準(zhǔn),最高通信速率可以達(dá)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(hào)作用描述I/O有效電平1IREDAnode紅外發(fā)射的陽(yáng)極,該引腳通過(guò)一個(gè)外接電阻與Vcc2相接2IREDCathode紅外發(fā)射的陰極,該引腳在模塊內(nèi)部與輸出驅(qū)動(dòng)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(shí)此腳無(wú)效輸出引腳低5NC不用連接6Vcc1/SD電源/關(guān)閉引腳,當(dāng)該腳為低電平時(shí),紅外傳輸模塊關(guān)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(gòu)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(gè)紅外發(fā)射、接收電路：用電阻、電容組成低步振蕩器,頻率調(diào)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(gòu)成放大、解調(diào)電路。但此方案缺點(diǎn)在于電路復(fù)雜、系統(tǒng)穩(wěn)定性不強(qiáng),并且成本與采用TFDU4100設(shè)計(jì)差別不大。〔2串行紅外傳輸控制器TOIM3232介紹根據(jù)IrDA紅外傳輸標(biāo)準(zhǔn),串行紅外傳輸采用特定的脈沖編碼標(biāo)準(zhǔn),該標(biāo)準(zhǔn)與RS232串行傳輸標(biāo)準(zhǔn)不同。若兩設(shè)備之間進(jìn)行串行紅外通訊,就需要一個(gè)傳輸控制器,以進(jìn)行RS232編碼和IrDA編碼之間的轉(zhuǎn)換。TOIM3232串行紅外傳輸控制器就是Vishay公司為配合TFDU4100而設(shè)計(jì)的。其功能結(jié)構(gòu)圖如圖4所示：圖4TOIM3232功能結(jié)構(gòu)框圖在輸出模式下,TOIM3232可把RS232輸出信號(hào)轉(zhuǎn)變成符合IrDA標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)以驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射器；在接收模式下,TOIM3232可把IrDA輸入信號(hào)轉(zhuǎn)變成符合RS232標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)；TOIM3232的紅外傳輸速度范圍為2.4Kbit/s～115.2Kbit/s。TOIM3232內(nèi)部有一個(gè)3.6864MHz的晶振,用以實(shí)現(xiàn)脈沖的擴(kuò)張和壓縮。該時(shí)鐘信號(hào)既可以由內(nèi)部晶振產(chǎn)生也可用外部時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)。該控制器可通過(guò)RS232口進(jìn)行編程控制,其輸出脈沖寬度可程控為1.627μs或3/16位長(zhǎng)。4、主機(jī)模塊介紹 主機(jī)模塊以89C52單片機(jī)為控制核心,外圍主要接有4X4矩陣鍵盤(pán)、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(jī)作為CPU,控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí),默認(rèn)主機(jī)與從機(jī)1建立連接。主機(jī)以串行口中斷方式接受從機(jī)1發(fā)送的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)分析,顯示于1602液晶上,并判斷是否向從機(jī)2發(fā)送控制信息。 本系統(tǒng)中我們使用4*4的非獨(dú)立式矩陣鍵盤(pán),如下圖5所示。將行線(xiàn)、列線(xiàn)分別連接到按鍵開(kāi)關(guān)的兩端,并且連接到單片機(jī)的I/O口。圖54*4矩陣鍵盤(pán)通過(guò)矩陣鍵盤(pán),可以向主機(jī)輸入要尋址的從,以控制主與哪一個(gè)從通信；并能控制與主機(jī)連接的1602液晶,顯示任意一項(xiàng)從機(jī)1測(cè)量的數(shù)據(jù)。下面為4*4矩陣鍵盤(pán)的程序設(shè)計(jì)流程圖如下圖6所示：圖64*4矩陣鍵盤(pán)的程序設(shè)計(jì)流程圖1602液晶是一種專(zhuān)門(mén)用于顯示字母、數(shù)字、符號(hào)的點(diǎn)陣式LCD,它有5*10和5*7兩種點(diǎn)陣字符顯示模式可供選擇,5*7點(diǎn)陣字符下可以顯示2行共32個(gè)字符。一般其主控制驅(qū)動(dòng)電路為HD44780,模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器〔CGROM已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形,每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼,比如大寫(xiě)的英文字母"A"的代碼是01000001B〔41H,顯示時(shí)模塊把地址41H中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來(lái),我們就能看到字母"A"。1602液晶在此模塊內(nèi)的作用,是顯示從機(jī)1測(cè)量的數(shù)據(jù),驗(yàn)證紅外通信的可靠性；當(dāng)主機(jī)要切換要與之通信的從機(jī)時(shí),用1602顯示修改后與之通信的從機(jī)名。紅外通信模塊主要由TFDU4100和TOIM3232構(gòu)成。TFDU4100采用IrDA紅外傳輸標(biāo)準(zhǔn),即串行紅外傳輸?shù)拿}沖編碼,這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)不能和單片機(jī)接口直接兼容。所以用串行紅外傳輸控制器TOIM3232進(jìn)行串碼和IrDA編碼間的轉(zhuǎn)換。TOIM3232可把單片機(jī)輸出的串碼信號(hào)轉(zhuǎn)換成符合IrDA標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)以驅(qū)動(dòng)TFDU4100；它還可以將IrDA輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成串碼信號(hào)送入單片機(jī)。其電路設(shè)計(jì)原理圖如下圖7所示：圖751單片機(jī)、TOIM3232、TFDU4100簡(jiǎn)易連接原理圖主機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)外圍器件的調(diào)度與控制,包括紅外收發(fā)模塊接收數(shù)據(jù)控制、鍵盤(pán)掃描、1602液晶的顯示、是否向從機(jī)2發(fā)送消息。其程序流程圖如下圖8所示：串行口中斷開(kāi)始串行口中斷開(kāi)始數(shù)據(jù)分析單片機(jī)復(fù)位數(shù)據(jù)分析單片機(jī)復(fù)位1602顯示數(shù)據(jù)超過(guò)閥值1602顯示數(shù)據(jù)超過(guò)閥值返回主程序默認(rèn)啟動(dòng)時(shí)與從機(jī)1連接N返回主程序默認(rèn)啟動(dòng)時(shí)與從機(jī)1連接鍵盤(pán)設(shè)置連接從機(jī)21602顯示此時(shí)與從機(jī)1連接Y鍵盤(pán)設(shè)置連接從機(jī)21602顯示此時(shí)與從機(jī)1連接1602顯示連接機(jī)21602顯示連接機(jī)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(jié)束返回主程序結(jié)束圖8主機(jī)程序流程圖5、從機(jī)1模塊介紹 從機(jī)1模塊以89C52單片機(jī)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(qiáng)傳感器。 室內(nèi)溫度的測(cè)量采用溫度傳感器DS18B20。選用此傳感器的原因是它價(jià)格便宜,可以降低系統(tǒng)成本,且對(duì)于一般家庭使用,此傳感器的精度足夠了。使用簡(jiǎn)單,易控制。DS18B20提供9位二進(jìn)制溫度讀數(shù),指示器件的溫度信息,并通過(guò)單線(xiàn)接口送至CPU。DSl820中有用于貯存測(cè)得的溫度值的兩個(gè)8位存貯器RAM編號(hào)為0號(hào)和1號(hào)。將存貯器中的二進(jìn)制數(shù)求補(bǔ)再轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)并除以2就得到被測(cè)溫度值<-550攝氏度--125攝氏度>。光強(qiáng)傳感器采用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)已有的,主要由可見(jiàn)光光敏電阻器、普通電阻等分立器件構(gòu)成。光敏電阻是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強(qiáng)弱而改變的電阻器；入射光強(qiáng)時(shí),電阻減小,入射光弱時(shí),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(jī)處理,必須經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換。模數(shù)轉(zhuǎn)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(kuò)展,需要一個(gè)多通道的A/D,而我們以前做數(shù)電實(shí)驗(yàn)時(shí)用過(guò)的ADC0809正是8位8通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片,它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器,可以和單片機(jī)直接接口。 紅外收發(fā)模塊,則負(fù)責(zé)將傳感器采集的數(shù)據(jù)傳至主機(jī),其結(jié)構(gòu)已在前面介紹過(guò)。 1602液晶在此處的作用是將單片機(jī)接收到的數(shù)據(jù)顯示出來(lái),與傳到主機(jī)的數(shù)據(jù)作對(duì)比,驗(yàn)證紅外通信的可靠性。 從機(jī)1的程序流程圖如下圖9所示：復(fù)位開(kāi)始復(fù)位開(kāi)始N定時(shí)時(shí)間到？1602顯示定時(shí)時(shí)間到？1602顯示紅外向主機(jī)發(fā)送Y紅外向主機(jī)發(fā)送啟動(dòng)A/D,采集數(shù)據(jù)啟動(dòng)A/D,采集數(shù)據(jù)結(jié)束結(jié)束圖9從機(jī)1程序流程圖6、從機(jī)2模塊介紹從機(jī)2模塊以89C52單片機(jī)為控制核心,外圍主要接有紅外收發(fā)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、直流電機(jī)和窗簾模型。紅外收發(fā)模塊負(fù)責(zé)接收主機(jī)發(fā)送來(lái)的信息,經(jīng)單片機(jī)處理,以控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路主要由L298N構(gòu)成。L298N芯片可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)二相電機(jī),也可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)四相電機(jī),輸出電壓最高可達(dá)50V,可以直接通過(guò)電源來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機(jī)的IO口提供信號(hào)；而且電路簡(jiǎn)單,使用比較方便。電路原理圖如下圖10所示：圖10電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖 直流電機(jī)采用德國(guó)FAULHABER-2342電機(jī),其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小,因而動(dòng)態(tài)性能極好；FAULHABER電機(jī)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(jī)控制的實(shí)現(xiàn),在電機(jī)后端我們做一個(gè)窗簾模型,通過(guò)電機(jī)控制窗簾的開(kāi)關(guān)。 89C52單片機(jī)在此模塊中,負(fù)責(zé)控制接收來(lái)自主機(jī)的信息,并產(chǎn)生PWM波驅(qū)動(dòng)電機(jī),以達(dá)到調(diào)速的目的。51沒(méi)有硬件的PWM,全靠軟件模擬。調(diào)速程序可以用定時(shí)器做,首先設(shè)置兩個(gè)定時(shí)用的全局變量,一個(gè)代表高電平時(shí)間,一個(gè)代表低電平時(shí)間。先給定時(shí)器初值〔既那兩個(gè)全局變量中的一個(gè),溢出后觸發(fā)中斷,在中斷里設(shè)置另另一個(gè)初值并且取反PWM的輸出端口,兩個(gè)初值輪流給定時(shí)器,就可