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1、广西大学本科毕业论文 基于单片机的智能开关研制摘 要电力开关作为连接元件在电力电子系统中使用十分广泛，传统开关一般采用机械元件实现电路的分合，在操作过程中易产生电弧和冲击电流。而智能开关是结合电力电子技术和微机技术的一种新型开关，能够通过自动检测，实现电源监控和系统保护的功能。本文将介绍以AVR高性能8位单片机Atmega8为控制核心，传感器和电力电子元件相结合的智能开关的硬件组成及工作原理。并且详细介绍如何实现交流吸合直流维持，如何通过交流电压和电流信号采集，计算出交流电压和电流的有效值、电网频率、周期、相位角、功率因数、视在功率、有功功率和无功功率等全部的电力参数。通过软件编程实现了对开关
2、的智能控制，能够采取相应的过流、欠压、过热、漏电等保护措施。在本设计中，除了在子机上也设置了由键盘组合和液晶显示模块组成的人机交互接口以便在现场进行调试和参数的设定，还配有RS-485通信接口，可与上位计算机机通信，实现电源的集中监控、集中管理。最后还提出应用智能开关技术还有待进一步研究的问题。关键词：智能开关 单片机 传感器 Inventing Intelligence SwitchBase on Single-chip MicrocomputerAbstractSwitching power as connectivity components in power electronic sy
3、stems used very widely, Switches generally use the traditional mechanical components to achieve the division circuit, in the course of operating easily arc and hit Current. Intelligent Switch combines the power electronics and computer technology as a new type of switch, through automatic detection,
4、 Implementation Supervisory and system protection functions. This article introduces a high-performance 8 AVR microcontroller Atmega8 to control the core, sensors and power electronics components combining the intelligent switch hardware and operating principle. And how detailed pull-AC DC maintaine
5、d through the AC voltage and current signals collection, calculated AC voltage and current RMS, power frequency, periodicity, phase angle, power factor, apparent power, active and reactive power of the electricity and all other parameters. Through software programming of the smart switch control to
6、take corresponding flow, undervoltage, overheating, leakage protection measures.In this design, the sub-machine is provided by a combination which consisting of keyboard and LCD module for debugging and setting parameter at the scene. In addition, there is a RS-485 communication interface ,so we can
7、 use the computer to centralized management and monitoring the power by this system . At last ,this text list some problem which the intelligent application switching technology still requires further study.Keywords : intelligent switches, single-chip microcomputer, sensors 目 录第一章 绪论11.1 智能开关研制的目的和意
8、义11.2 智能开关研制的发展状况1第二章 智能开关硬件设计32.1 智能开关硬件结构32.2 5V电源设计32.3 交流吸合直流维持42.4 电压、电流的采集52.5 采样信号保持92.6 三相电压不平衡判断102.7 电网参数的测量112.8 温度测量142.9 过电压保护152.10 漏电保护16第三章 人机交互接口设计173.1 键盘的设计173.2 LCD显示18第四章 数据通信设计204.1 数据通信系统的硬件设计204.2 数据通信系统的软件设计224.3 数据通信中的差错控制技术284.4 RS-485数据通信系统的维护29第五章 软件设计315.1 软件程序的组成315.2
9、软件程序设计325.3 抗干扰34第六章 常用器件介绍386.1 ATmega8的体系结构与主要性能特点386.2 DVDI-001型卧式穿芯小型精密交流电压电流互感器396.3 数字温度传感器DS18B20介绍41第七章 结论44参考文献45致 谢47V第一章 绪论1.1 智能开关研制的目的和意义电力系统关系到国计民生，电力工业是重要的产业部门之一，在国民经济中具有举足轻重的作用，它为现代工业、现代农业、现代科学技术和现代国防提供必不可少的动力，它和我们的日常生活息息相关。电力工业的发展必须优先于其他工业部门的发展，整个国民经济才能不断前进。开关作为人机接口和信号检测的重要元件，在电子和电气
10、各领域得到越来越广泛的应用，品种也发展的越来越多。目前使用的开关大多数采用拔插式结构，在大电流工作的场合，接触电阻是不容忽视的，一旦接触不良，将造成插头处压降增大，发热量增大，加速接插件表面的氧化，进而使接触效果更差，这种恶性循环最终导致插头处烧损。国外的开关使用寿命要长一些，主要是机械加工精度高，接触电阻较小。但是它也还是不能避免接插件表面的氧化。开关的发展除了提高自身的各种性能，还要能够满足电力系统自动化水平发展的要求。因此，从某种程度上说，微机芯片的利用程度体现一个国家工业控制的自动化水平，所以开关也要实现微机控制。智能开关的应用有如下作用和意义：（1）减小对传动元件的机械冲击，消除开关
11、动作过程中的不良影响，提高开关和其他设备的使用寿命；（2）在开关中，采用标准的、开放式的现场总线，将具有通讯能力的开关器件与之相连接（或通过接口单元），能够与上位机（主站）进行数据通讯，实现开关的集中监控、集中管理；（3）实现开关的各种故障判断和保护，提高设备自动化水平；（4）具有节能作用。1.2 智能开关研制的发展状况在我国，对微机技术和电力电子技术在电力系统中的应用是在70年代末期开始的，由于继电保护和励磁的要求，这两项技术一直发展十分迅速，应用范围也越来越广。随着微机技术和电力电子技术的发展，对开关智能化的研究也越来越多。在开关中使用微机芯片控制技术和电力电子元器件，一方面可以减少其选择
12、开关数量，简化硬件电路，很多功能依靠程序实现。另一方面，一些先进的保护，分断技术以及设备的软启动控制技术等也要依靠微机芯片来完成，同时，采用微机技术可对开关设备故障前的状态进行记忆。近年来计算机技术及微电子器件在各方面中应用十分广泛，在此基础上发展起来的智能仪器无论是在测量的准确度、灵敏度、可靠性、自动化程度、运用功能方面或在解决测量技术问题的深度及广度方面都有了巨大的发展，在高准确度、高性能、多功能的仪器中已经很少不采用微计算机的了。这类仪器中含有微处理器、单片计算机或体积很小的微型机，它的功能丰富又很灵巧。开关作为连接和信号检测的重要元件在电力系统中使用十分广泛，对电力系统的稳定性和电能质
13、量都有很大的影响。智能开关正是单片机、传感器和电力电子开关的结合，在电力系统中应用智能开关技术，不仅可以提高电力系统设备的使用寿命，而且能够减少各种设备动作对电网的冲击，提高电力系统的稳定性，同时能够一定程度的节约电能。而且采用微机控制实现智能化管理，可提高电力系统的自动化水平。由此可见，智能开关有着明显的优越性，在智能电器元件的基础上，研制和开发智能开关具有显而易见的意义，在电力系统中应用智能开关技术具有十分光明的前景。第二章 智能开关硬件设计2.1 智能开关硬件结构本智能开关是以Atmega8单片机作为中央控制单元，Atmega8单片机在预先编制好的指令（即软件程序）的驱动下，控制整个硬件
14、电路工作，完成系统各项功能。具有当地无线通讯口，能对下位机进行控制；同时也具备远程数据接口。键盘用于修改和设定定值，电压上下限、电流上限值等；LCD用于显示定值及各种运行状态。单片机获得电压、电流、相位角值后进行分析计算出功率因数、三相不平衡参数等，判断是否正常，进而控制开关的闭合与关断。智能开关的硬件结构框图如图21所示。图21 智能开关硬件结构框图本智能开关可用于单相（220V）和三相（380V）交流电源，适用于额定电流为18A以上的电路，因此，把该智能开关与接触器相联合起使用，使接触器在应用系统中具有带检测和保护的功能，使接触器运行更加可靠、更加稳定和节能。2.2 5V电源设计该系统单片
15、机和数字温度传感器需+5V直流稳压电源，产生该电压的电路原理图如图2-2所示，先利用变压器对220V的交流电降压，然后把变压器次级输出9V的交流电压由整流桥作全波整流，经电容滤波以及稳压芯片7805即可得到所需的电压。图2-2 电源设计原理图2.3 交流吸合直流维持交流接触器能够节电运行的基本原理是采用交流吸合、直流维持的运行方式。交流接触器工作时，电磁系统消耗的有功功率中，铁芯损耗和短路环损耗占绝大部分，而线圈铜损仅占3-5%，改用交流吸合、直流维持的运行方式后，铁芯损耗和短路环损耗几乎为零，只需很小维持电流，就足以使接触器稳定地处于闭合状态，从而大大节约了电能，做到无声运行，提高了可靠性。
16、对交流接触器进行实验测试所得的数据如表2-1所示，由该表也可明显看出对交流接触器采用交流吸合直流维持具有显著的节能效果。表2-1 交流接触器的各种动作电压交流电直流电吸合220V维持160V90V要实现接触器交流吸合直流维持就必须有一个电压的切换电路，该切换电路如图2-3所示：图2-3电压切换电路当单片机PA1引脚输出高电平，PA2引脚输出低电平时，常开触点KM1和常闭触点KM2都闭合，电源电压直接加到接触器绕组上，常开触点KM闭合，3秒钟后PA1引脚和PA2引脚都输出低电平，常开触点KM1断开，常闭触点KM2和常开触点KM继续闭合，电源经二极管整流继续加到接触器绕组上。此后，在交流电的正半周
17、期时二极管VD道通，实现整流作用，接触器KM始终保持在吸合状态，从而实现了交流接触器交流启动直流运行的节电工作状态。图中电容C0可以起到滤波的作用，可避免继电器在直流电压较低时发生抖动，当PA2引脚输出高电平时，常闭触点KM2和常开触点KM断开，接触器停止工作，该电路简单实用、运行可靠，适合所有采用交流接触器的电力线路，节电效果明显，同时还能延长交流接触器的寿命。2.4 电压、电流的采集三相交流电压和电流的测量均采用三个DVDI-001型卧式穿芯小型精密交流电压电流通用互感器，输出交流信号，经过整流电路，再送给A/D转换器采集，最后送给单片机进行计算。在本设计中，采用AVR单片机的片内逐次逼进
18、模数转换器。ATmega8L有一个10位的逐次逼近型ADC。ADC与一个6通道的模拟多路复用器连接，通过分时复用的方式，能对来自端口A 的6 路单端输入电压逐个进行采样。其转换结果为： （2-1）式中，VIN表示被选中的引脚输入电压；VREF为参考电压。使用AVR的ADC需要注意：ADC的分辨范围在以GND为基准的0 V到参考电压的范围内。以使用片内的2.56 V参考电压为例，ADC的分辨范围在0 V与2.56 V之间。因此在进行模数转换前，必须要对电网交流信号加以处理。要获得精确的测量结果，采样频率的选择很重要。如果采样频率选择得过高，即采样间隔小，则每个周期里采样点数过多，造成数据存储量过
19、大和计算时间太长；但如果采样频率过低，会给有效值的近似计算带来误差。综合对电力参数的采集的精度及单片机的处理速度，对工频为50Hz的信号每周期等间隔采集32个采样点。由于AVR的ADC对采集信号的要求，进行交流采集前需要对电压及电流信号加以整形。将具有正负半波的交流信号整形为全部信号均大于“0”。电压电流检测电路设计，电路中的电流和电压值的采集均用DVDI-001型卧式穿芯小型精密交流电压电流通用互感器，为保证精度，不能用电阻法直接获得采集电压，而是用运算放大器等来完成电流、电压信号的获取，并将其转换成0-6V的直流电压。由于直接使用单片机内部的A/D转换器，因此，必须在运放的输出口再接两个电
20、阻，将其变为0-5V的输出，再将其分别送至单片机的A/D转换通道。（1）DVDI-001型互感器作电压互感器使用时，实际上是一种电流型电压互感器，典型应用电路如图2-4所示。按图2-4所示电路应用是性能参数如下表2-2所示。图2-4 电压互感器典型应用电路表2-2 DVDI-001作电压互感器使用时性能参数表输入电压输出电压相移非线性度线性范围额定电流耐压1000Vac1/2倍IC电源电压0.1%2倍额定6mA/6mA3kV在本设计中，电压采样电路如图2-5所示：图2-5 电压采集电路图2-5中仅画出对相电压进行采样，对相电压和的电路原理也是一样的，图中就此省略。对相电压进行采样时，DVDI-
21、001的输入端直接到三相交流电源的220V相电压上。因为DVDI-001匝数比为1:1，额定电流为6mA/6mA，所以使用时必须在互感器的原边初级回路串接电阻和，所接电阻的计算值为：，取其标准值39，公式中为初级线圈电阻。IC为通用运算放大器OP470，运放正负输入端电阻R3、R4为配对的一般电阻，最好取值一致，一般取值为5到10之间，则电阻值。的作用是通过调节其阻值大小得到所需的输出电压。的作用是对输出信号的相移作补偿，在工频下，的经验值为0.01-0.03311，如满足于的相移，则可在经验值范围内，取适当的固定电容值。由于取的标准值与计算值之间有一定的差异，因此会引起输出电压的改变，因此在
22、元件选定后，可先通过调节得到所要的输出电压值，再调使相移满足要求。（2）用DVDI-001用做电流互感器使用时，用户只要在预留的孔内穿一匝母线。将两个线圈按同名端串联起来使用（即：2、3相接，1、4作输出），变化比为3000：1。典型应用电路如图2-6所示，性能参数如下表2-3所示。表2-3 DVDI-001作电流互感器使用时性能参数表额定输入电流额定输出电流额定采样电压相移非线性度线性范围耐压18A6mA1/2倍Ic电源电压0.1%2倍额定6kV图2-6 电流互感器典型应用电路图2-7电路仅对线电流采样，对线电流和采样也是同一原理。图中，的取值方法与在电压采集电路所介绍一样。图2-7 电流采
23、集电路2.5 采样信号保持A/D转换器在转换期间要求输入的模拟量应保持不变，以保证A/D转换的准确进行。因此，采集信号应送至采样保持电路(亦称采样保持器)进行保持。采样保持器对系统精度有很大的影响，特别是对一些瞬变模拟信号更为明显。采样保持电路是数据采集系统的重要部件，对数据采集系统的精度起决定性的作用。采样保持电路作为A/D转换的前级，主要完成信息隔离缓冲作用，如果要对变化速度快的模拟信号进行A/D转换，转换精度要求比较高，这时为了防止A/D转换过程中信号发生变化，就必须用采样保持电路。虽然在AVR单片机的模数转换器中有自带的采样保持电路，但是难以在同一时间内同时进行多路信号的采样保持。在本
24、测量系统中要采集每一相的电流、电压等电网参数，为此在这里选用了多路开关和采样保持器集成芯片LF398配合工作；利用多路开关将各路模拟信号轮流与A/D转换器接通，使一个A/D转换器能完成多个模拟信号的转换，节省硬件开销；使用采样保持器LF398 将同一时刻的电压、电流值锁定， 再分时输入A/D进行转换。本系统采用集成采样保持器LF398，其价格低廉，在国内应用非常广泛。LF398采用了双结型场效应管技术，具有许多优良的特性，如：（1）工作电源范围宽；（2）可在供电电压5V18V下工作；（3）电压跟随时间短(10)，下降率低；（4）输出电压零点可调，高精度的直流误差(0.01%)，低功耗等。如图2
25、-8所示，为了同步锁存两路模拟信号，两个采样保持器共用一个逻辑控制信号。图2-8 采样保持电路A/D转换器是整个系统的重要组成部分，它将模拟量转换为数字量，为计算机进行数字处理提供数据，A/D转换的精度直接关系整个测量系统的测量准确度。只有具有合适的转换精度和转换速率才能保证A/D转换数据的真实可靠，为后面进行准确的分析和处理作好准备。因此，选择A/D转换器要首先确定好采样频率和采样位数。2.6 三相电压不平衡判断在三相电路中，影响功率因数的因素除了电压和电流的相位差、波形畸变外，还有一个因素就是三相不对称，而引起三相电压不平衡的原因有多种，如：单相接地、断线、谐振等。三相负载平衡时，交流三相
26、电压、在电压幅值相等，相位角相差， ；一旦三相负载不平衡时，通常、的幅值就不再相等，或相位角之差不再是，。根据此原理，对、之和进行采集，将采集值与工程实践中得到的阀值进行比较，以判断是否采取保护动作，当采集值达到阀值，单片机发出控制信号指令使主电路中的接触器执行相应的保出动作，实现对电路设备的保护，其原理框图如2-9所示。图2-9 三相不平衡交流检测电路由公式和，得当设定值，即不平衡；当很小或者很大时缺相。同理可以求得、。2.7 电网参数的测量2.7.1 功率因数的计算在三相对称电路中，各相电压、电流均为对称，功率因数也相同。三相电路总的功率因数就等于各相功率因数。所以输电线路的功率因数，实际
27、上就任一相电压与该相电流之间夹角的余弦值。图2-10给出了三相输电线路的相电压、相电流的矢量图，相位角为，则可计算出功率因数。图2-10 相电压、相电流矢量图测量相位角可采用的方法是首先将正弦信号整形为方波，再利用方波的边沿作为中断源触发中断来实现。如图211所示，为将两路正弦波整型为方波的原理图：图2-11 正弦波整型为方波电路具体实现过程为：交流电压和电流信号经过运放分别整形为方波，经过光电隔离加以整理并去掉负半波，再经过施密特触发器整形为TTL电平的波形。获得了电压和电流信号转换来的TTL信号，来求得相位角。在采集过程中，关键是利用AVR单片机的输入捕获引脚：ICP。该引脚的功能为捕捉边
28、沿信号。其特点为能记录当前定时器/计数器1的值。当该引脚边沿触发时，可以将当时的定时器/计数器1的值放入寄存器。整形后的电压信号输入AVR的外部中断引脚，上升沿触发中断。单片机接收到上升沿触发中断后，将定时器/计数器1清零并开始计数，直到下一个上升沿中断的到来，该时间间隔即为一个周期，其倒数即为频率，如图2-12所示：图2-12 正弦波转方波求采样信号周期T 整形后的电流信号输入AVR的输入捕获引脚ICP，通过单片机内部的ICP寄存器读取。由其值与周期值的比值，可计算出相位角，并推断出电压和电流之间的时间关系。其过程可由图213所示：图2-13 采集求相位角的信号使用本方法可以求得一个采集周期
29、内电网的频率、周期、相位角，并求出电压和电流在时间上的关系。2.7.2 功率计算通过前面采集到的交流电压、电流的采样值和功率因数值，由以下方法可以获得系统的视在功率、有功功率和无功功率。经过电流与电压的采样，可获得电压与电流的有效值： （） (2-3) （） （2-4）由公式（2-3）和（2-4）可求得到系统的视在功率： （2-5）有功功率和视在功率、功率因数之间的关系： （2-6）由公式（2-6）可以求得有功功率： （2-7）系统的无功功率Q： （2-8）至此，通过单片机获得了交流电压和电流的有效值、电网频率、周期、相位角、功率因数、视在功率、有功功率和无功功率等全部的电力参数。2.8 温度
30、测量该系统采用温度传感器为DS18B20，把温度直接转换为数字信号传给单片机，测温范围55125，工作电压范围：3.05.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。DS18B20测温系统具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用接线端口少等优点，单点测温电路如2-14所示。图2-14 外部供电方式的单点测温电路要想使DS18B20进行精确的温度转换，I/O线必须保证在温度转换期间提供足够的能量，由于每个DS18B20在温度转换期间工作电流达到1mA，当几个温度传感器挂在同一根I/O线上进行多点测温时，只靠4.7k上拉电阻就无法提供足够的能量，会造成无法转换温度或温度误差极大。为了测温系统稳定可靠
31、，抗干扰能力强，DS18B20采用外部电源供电方式，在外接电源方式下，可以充分发挥DS18B20宽电源电压范围的优点，即使电源电压VCC降到3V时，依然能够保证温度量精度。 在外部电源供电方式下，DS18B20工作电源由VDD引脚接入，此时I/O线不需要强上拉，不存在电源电流不足的问题，可以保证转换精度，同时在总线上理论可以挂接任意多个DS18B20传感器，组成多点测温系统，如图2-15所示。在外部供电的方式下，DS18B20的GND引脚不能悬空，否则不能转换温度，读取的温度总是85。图2-15 外部供电方式的多点测温电路DS18B20虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优
32、点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题： （1）较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS18B20与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对DS18B20进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果； （2）当单总线上所挂DS18B20超过8个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题； （3）连接DS18B20的总线电缆是有长度限制的。当采用普通信号电缆传输长度超过50m时，读取的测温数据将发生错误。当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达150m，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长；（4）在DS18B20测温程序设计中，向
33、DS18B20发出温度转换命令后，程序总要等待DS18B20的返回信号，一旦某个DS18B20接触不好或断线，当程序读该DS18B20时，将没有返回信号，程序将会进入死循环。2.9 过电压保护过电压对于电源来说是一个非常有害的信号，雷电等引起的瞬时高电压如果不加遏制，直接由电源引入RTU（远程终端设备）则会影响其电源模块的正常工作，使各功能模块的工作电压升高而工作不正常，严重时会损坏模块，烧坏元器件（IC）。过电压保护的基本原理是在瞬态过程电压发生时（微秒或纳秒级），通过过电压检测电路对这个信号进行检测。过电压检测电路中主要的元件是压敏电阻。压敏电阻相当于很多串并联在一起的双向抑制二极管。电压
34、超过箝位电压时，压敏电阻导通，从输出端输出脉冲信号，通过脉冲信号来驱动保护电路；电压低于箝位电压时，压敏电阻截止，LM393的输出端为零，不执行保护电路。压敏电阻工作极为迅速，响应时间在纳秒级。过电压检测工作原理图如图2-16所示。图2-16 过电压检测电路原理图2.10 漏电保护图2-17是漏电保护原理图，其中S1是手动开关。在电路正常使用时，零序电流互感器LH二次绕组无输出信号，保护装置不执行动作。当电路发生漏电或人身触电事故时，只要漏电或触电电流达到漏电保护装置的动作电流值时，零序电流互感器二次绕组输出一个信号，使线路中的晶闸管VT1被触发导通，整流桥被短接，使得漏电脱扣器TQ中流过一个
35、较大的电流，脱扣器动作，自动断开电路，切断电源的火线，起到保护作用。图2-17 漏电保护电路原理图第三章 人机交互接口设计在本设计中，除了将信息通过无线电收/发模块传回上位机，在子机上也设置了由键盘组和显示模块组成的人机交互接口以便在现场进行调试和参数的设定，其软件设计及软件流程图如3-1所示。图3-1 软件流程图3.1 键盘的设计系统预留了31的按键组进行人机交互。三个按键分别为确认/翻页键和增大、减小待调整参数值键。在应用于智能开关系统可通过键盘实现显示菜单的翻页及电压、电流的上下限值、三相不平衡度等值的设定。A/D转换的参考电压存在一定温漂，可能出现数据采集系统调校准确，但装机后又出现电
36、压、电流与实际值不符的情况，在本设计中可在装机后通过键盘组精细调节电压、电流值以便校准。键盘扫描电路如图3-2所示，在键盘输入中，因按键是机械结构，在键闭合与弹开的时候，往往会生抖动，如果不经过合理的处理，系统可能会把一次按键误认为是连续按了多次键。因此，必须对按键的抖动作相应的处理。克服按键抖动常用的方法有两种:一种是用硬件消除，即在每个键上加RC滤波电路或用一个RC触发器组成防抖动的电路，如图3-3所示。图3-2 键盘扫描电路 图3-3 防止抖动的电路另一种方法是用软件延时程序，待按键状态稳定后再去读按键的信息，防止误判断。在本设计中采用了第二种方法。在键盘程序的设计中，扫描键盘设定合适的
37、去抖动时间。3.2 LCD显示显示部分可采用北京青云创新科技发展有限公司的FYD12864液晶显示模块，可以通过串行的方式显示128列64行的点阵，也可根据实际情况选择数码管或LCM1602液晶模块作为显示模块。液晶显示器件（Liquid Crystal Display，LCD）以其功耗低、体积小、超簿、色调柔和等一系列优点而被广泛应用。液晶显示器件可分为段式、字符式和点阵式三种。其中点阵式LCD可以通过逐点的点亮液晶来显示图片。但显示字符时需要另外建立字库。由于AVR单片机的存储空间有限，没有大量的存储空间用于存放字库，因此可本设计中选用的FYD12864液晶显示模块为字符式，自带中文字库，
38、可方便地显示中英文字符和数字。当使用FYD12864液晶显示模块时，采用静态扫描的方式，每次参数值发生改变才对显示内容进行刷新。FYD12864液晶显示模块与单片机之间的通信方式可选用并行或串行方式两种。在本设计中，可采用串行方式，仅需片选端（CS）、串行数据输入端（SID）即串行同步时钟（CLK）三个信号管脚便能实现对其控制，有效的节省了单片机的引脚资源。但是目前液晶显示模块的成本仍然较高，所以在实际应用中也可选用数码管组进行显示。当使用数码管进行显示时，采用动态扫描方式。在短时间内逐个扫描数码管，使目测起来数码管总是为点亮状态，该方式的功耗较之静态扫描要小。由于两个数码管组需要8位段码以及
39、8位位码，总共16个引脚进行控制。如果直接与单片机连接对单片机的驱动能力及引脚资源都是一个严峻的考验。可以使用2个8位移位寄存器74HC595，将串联转换为并联的电路来驱动数码管组，其原理图如图34所示。图34 用移位寄存器控制数码管第四章 数据通信设计单片机因其优越的性价比和强大的功能而被广泛的应用于测控领域。PC则因为丰富的软、硬件资源，被广泛应用于网络监控系统中。因而可用一台PC与多台单片机组成主从式网络测控系统。串行通信是计算机和外部设备进行数据交换的重要渠道，由于其成本低，性能稳定并遵循统一的标准，因而在工程中被广泛应用。本章介绍的数据通信的下位机采用单片机ATmega8，总线标准采
40、用的是测控系统常用的RS-485。4.1 数据通信系统的硬件设计尽管RS-232有些缺点，但在两台设备的短距离间信息传输时，RS-232还是可以作为过渡器件使用。但对于多台设备的长距离传输，以往常用的RS232协议在很大程度上就不能满足设计的要求，例如传输速率慢，传输距离短，传输信号易受外界干扰等缺点。而RS-485是一个多引出线接口，这个接口可以有多个驱动器和接收器，可以实现一台PC和多台单片机之间的串行通信；而且RS-485的最长的传输距离为1200m，适合中距离的传输。因此，本文针对工地现场环境对信号采集及传输，采用RS-485通信接口。4.1.1 计算机和RS-485总线的接口该接口的
41、主要功能是完成RS-232到RS-485的转变，完成这个功能的芯片很多，我们的系统采用的是ADAM公司的ADAM4250，RS-232/RS-485转换器，应用原理图如图4-1所示。图4-1 ADAM4250应用原理图4.1.2 单片机和RS-485总线的接口单片机实现与PC机之间的通讯时，因为单片机输出的是TTL电平，必须经过电平转换才能和PC机的一致，因此必须使用电平转换接口芯片。本系统通信中采用的是RS-485协议，单片机需要采用RS-485接口，因此，我们可以采用Maxim公司的一种RS-485接口芯片MAX-485，其引脚结构图如图4-2所示，该芯片采用单一电源+5 V工作，额定电流
42、为300A，采用半双工通讯方式。从图中可以看出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。它完成将TTL电平转换为RS-485电平的功能，应用电路如图4-3所示。图4-2 MAX485引脚和结构图 图4-3 数据通信原理图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
43、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端之间各加一个匹配电阻，一般可选100的电阻。4.1.3 系统的总体连接本系统可采用多点通讯形式，系统的总体连接如图4-4所示，通过发送控制字和工作方式字给相应的单片机，使其进行相应的操作。单片机在接收到数据后，进行数据的采集工作，等到PC机再发指令，将采集到的数据反馈给PC机，PC机对数据进行分析和计算。为了消除反射，吸收噪音，采用2个120的匹配电阻R1和R2连在总线的两端。其中n不大于128。图4-4 多点通讯形式的系统总体连接图
44、4.1.4 RS-485网络的建立RS-485网络通常采用特性阻抗为120双绞线作传输介质，传输速率300b/s115.2kb/s兼容，为异步半双工结构。网络节点数与所选RS-485芯片驱动能力和接收器的输入阻抗有关，如75LBC184标称最大值为64点，MAX1487E标称最大值为128点。实际使用时，因线缆长度、线径、网络分布、传输速率不同，实际接点数均达不到理论值。节点数应按最大值的70选取，传输速率在12009600b/s之间选取，通信距离1km以内，从通信效率、节点数、通信距离等综合考虑选用4800b/s最佳。通信距离1km以上时应通过增加中继模块或降低速率的方法提高传输可靠性。 理
45、论上讲，RS-485节点与主干之间距离即T头越短越好。T头小于10m的节点采用T型连接对网络匹配并无太大影响，可放心使用，但对于节点间距非常小（小于1m，如LED模块组合屏）应采用星型连接，若采用T型或串珠型连接就不能正常工作。RS-485是一种半双工结构通信总线，大多用于一对多点的通信系统，因此主机（PC）应置于一端，不要置于中间而形成主干的T型分布，同时位于总线两端的差分端口VA与VB之间应跨接120匹配电阻，以减少由于不匹配而引起的反射。4.2 数据通信系统的软件设计4.2.1 数据通信协议的设计RS-485通常应用于一对多点的主从应答式通信系统中，相对于RS-232等全双工总线，效率低
46、了许多，因此选用合适的通信协议及控制方式非常重要。由于RS-485通信是一种半双工通信，发送和接受共用同一物理通道，在任意时刻只允许一台单片机处于发送状态，因此要求应答的单片机必须在侦听到总线上呼叫信号已经发送完毕，并且在没有其他单片机应答信号的情况下才能应答。如果在时序上配合不好，就会发生总线冲突，使整个系统的通信瘫痪，无法正常工作。上位机与下位机之间如何进行数据传输，怎么提高通信的效率和可靠性，以及对通信过程中的故障处理，收到的信息是否有错，如果有错怎样通知对方重发，都需要一套详尽的通信协议对数据传送方式的规定，该协议包括数据格式定义和数据位定义等。软件挂钩（握手）信号约定有如下：（1）起
47、始位当通信线上没有数据被传送时，处于逻辑“1”状态。当发送设备要发送一个字符数据时，首先发出一个逻辑“0”信号，这个逻辑低电平就是起始位。起始位通过通信线传向接收设备，接收设备检测到这个逻辑低电平后，就开始准备接收数据位信号。起始位所起的作用就是使设备同步，通信双方必须在传送数据位前协调同步。（2）数据位当接收设备收到起始位后，紧接着就会收到数据位。数据位的个数可以是5、6、7或8，PC机中经常采用7位或8位数据传送。这些数据位被接收到移位寄存器中，构成传送数据字符。在字符数据传送过程中，数据从最低有效位开始发送，依次在接收设备中被转换为并行数据。（3）奇偶校验位数据位发送完之后，便可以发送奇偶校验位。奇偶校验用于有限差错检测，通信双方应约定一致的奇偶校验方式。如果选择偶校验，那么组成数据位和奇偶位的逻辑“1”的个数必须是偶数；如果选择奇校验，那么逻辑“