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1、 摘要 - 论文题目论文题目 基于单片机的 RS485 总线采样节点设计与实现 摘要 - 基于单片机的 RS485 总线采样节点设计与实现 摘 要 本论文介绍了基于 RS485 串行总线标准的温度采集系统的硬件和软件设计。温度 数据的采集由以 AT89S52 单片机为核心的系统完成，采集的数据经 RS485 串行总线上 传给 ARM 微处理器进行存储和处理。系统的软件包括单片机程序和计算机程序，分别 应用 C 语言编写。相应的硬件和软件抗干扰措施保证了系统的稳定性和可靠性。本文 介绍了一种基于 RS-485 的单片机与 ARM 之间文件传输的实现方案。给出了 RS-485 驱动程序的设计方法
2、，详细阐述了自定义通信协和实现程序。 在传统模式下的温度测量采用热电偶或热敏电阻，其输出是模拟信号，必须转换 成数字信号，然后与单片机进行传输。因此，它是相当复杂而且成本高。近年来，美 国生产的 DS18B20，作为一种新的单总线数字温度传感器被广泛使用。在前台实时温 度数据采集和转换，通过传感器 DS18B20 的数字式分为单片机发送给 LED 显示模块。 此外，接收温度数据通过 RS - 485 接口传送到后端的 ARM 中显示。 关键词：关键词：AT98S52， RS485，温度采集，串行通信 东北大学东软信息学院毕业设计（论文） Abstract - Design and realiz
3、ation of the RS485 node sampling based on MCU Abstract The hardware and software design of the temperature acquisition system based on RS485 serial communication criterion is introduced. The acquisition of temperature data is finished by the system taking AT89S52 MCU as core. Collected data can be s
4、ent up to ARM through RS485 serial bus, stored and processed in it. The software of this system includes MCU and ARM pro-grams, programmed with C language. Some corresponding software. And hardware anti -disturbance measures assure this systems stability and reliability. The implement of the file tr
5、ansfer between MCU and ARM based on RS-485 are introduced in this paper. The design method of the RS-485 driver is given. The user- defined communication protocol and the program are discussed in detail. Under the traditional model of the traditional temperature measurement using thermocouples or th
6、ermistor, the output is an analog signal, must be converted into a digital signal and then transmitted with the microcontroller. Therefore, it is quite complicated and costly. In recent years, U.S. production of DS18B20, as a new single-bus digital temperature sensors are widely used. Real-time temp
7、erature data collection in the foreground and conversion, through the sensor into digital DS18B20 send microcontroller LED display modules.In addition, the temperature data received through the RS - 485 Interface transfer to the rear of the ARM in the display. Key words: AT89S52,RS-485,Temperature A
8、cquisition, Serial Communication 东北大学东软信息学院毕业设计（论文） 目 录 - 1 - 目 录 任务书I 摘 要II ABSTRACTIII 第 1 章 绪 论1 1.1 国内外现状1 1.2 应用范围1 第 2 章 关键技术介绍2 2.1 关键性开发技术的介绍2 2.1.1 RS-485 总线介绍2 2.1.2 MAX485 芯片原理3 2.1.3 DS18B20 温度传感器原理3 第 3 章 系统分析4 3.1 构架概述4 3.1.1 系统构架4 3.1.2 数据采集模块构架4 3.2 系统开发环境5 3.3 系统任务的可行性分析5 第 4 章 系统设计
9、7 4.1 设计指导思想和原则7 4.1.1 指导思想7 4.1.2 硬件设计原则7 4.2 系统概述7 东北大学东软信息学院毕业设计（论文） 目 录 - 2 - 4.3 系统的功能结构设计7 4.3.1 DS18B20 接口电路7 4.3.2 LED 数码管的电路设计8 4.3.3 MAX485 串行接口电路设计9 4.3.4 RS232 串口通信电路9 4.3.5 主控制模块电路设计10 4.3.6 电源监测电路11 4.4 DS18B20 硬件设计11 4.5 RS485 串口通信模块设计15 第 5 章 系统实现17 5.1 主程序流程17 5.2 RS-485 串口通信主要程序17
10、5.3 DS18B20 模块程序设计19 5.3.1 DS18B20 的工作过程19 5.3.2 DS18B20 温度传感器主要程序20 第 6 章 系统测试24 6.1 测试方案及测试用例24 6.1.1 电源监测24 6.1.2 LED 检测24 6.1.3 通过 RS485 连接 ARM 共同检测24 第 7 章 结 论25 附 录26 参考文献28 致 谢29 东北大学东软信息学院毕业设计（论文） 第 1 章 绪论 - 1 - 第第 1 章章 绪绪 论论 本篇论文介绍将通过一个单片机系统作为温度采集的一个节点，单片机系统内通 过温度传感器 DS18B20 采集温度，并将温度数据显示到
11、LED 数码管，同时将采集来 的数据通过 RS-485 总线传送到 ARM 级进行显示。 用美国 DALLAS 公司生产的 DS18B20 温度传感器采集温度和 A/D 转换合为一体， 然后输出的数字量，硬件设计电路时结构不复杂，与单片机接口很少需要其他的元件。 广泛运用在距离远、节点分布多的地方，可以广泛的应用。 因为当今数字技术的发展和计算机的应用非常广泛，很多生产技术和工艺都需要 计算机的控制。广泛使用的 RS-485 是因为他的传输距离非常远。并且通过 RS485 总线 构成的分部数据采集与设备设计简单，同时具有成本低，系统不复杂，具有能够远距 离通讯等特点。 1.1 国内外现状国内外
12、现状 当今世界 RS-485 串口被广泛运用于生活生产中。随着 80 年代初单片机技术的成 熟而发展起来的，现在世界仪表市场基本被智能仪表所垄断。究其原因就是企业信息 化的需要，企业在仪表选型时其中的一个必要条件就是要具有联网通信接口。 1.2 应用范围应用范围 仪器仪表：医疗器械、色谱仪、智能仪器、示波器。 工业：过程控制、工业机器人、电机控制、数字控制。 民用：高级电视游戏机、电子玩具、录像机、激光盘驱动。 导航与控制：导弹控制、鱼雷制导控制、智能武器装置、航天导航系统。 东北大学东软信息学院毕业设计（论文） 第 2 章 关键技术介 绍 - 2 - 第第 2 章章 关键技术介绍关键技术介绍
13、 2.1 关键性开发技术的介绍关键性开发技术的介绍 2.1.1 RS-485 总线介绍总线介绍 RS-485 就是电气接口规范，属于 7 层开放系统互连(Open SysyemInterconnection，OSI) 模型物理层的协议标准。他只需要在平衡驱动器和接收 器的电气特性，不需要连接插件、输电线路和通信协议。他支持半双工或全双工模式， 网络拓扑结构通常用终端匹配的总线型，不支持环形或星形网络。由于 RS - 485 接口 是 RS 422 基础发展而来的， RS 485 总线采用平衡传输的方式，需要接到传输线路 终端电阻等。RS - 485 接口可与四线线使用时，同时可以实现真正意义的
14、两线多点双 向通信。而四线连接时，只能实现多点通信，这只能有一个主设备和多个从设备上。 无论二线四线总线连接可以收到多达 32 个设备。的 RS - 485 共模之间-7 至+12 V 输出 电压的 RS - 485 接收器最小输入阻抗为 12k 的 RS - 485 约 1219m 的最大传输速率为 10Mb/s 最大传输平衡双绞线的传输速率是成反比的，在 100KB/s 速率以下的长度，它 可能使用的固定最长长度的电缆长度。只有在很短的距离，获得最高的传输速率。 100m 长的双绞线一般最高只能是 1Mb / s 的传输速率。RS - 485 需要两个终端电阻， 电阻值要求等于传输电缆的特
15、性阻抗。在一定时间没有终端电阻时，传输距离，一般 在 300m 以下的无阻力，终止电阻端接在传输总线的两端。的 RS-485 通常用于平衡传 输和差分接收方式实现通信。使用两种常用的双绞线传输线路，所以一般的模式具有 很强的抗干扰能力。接收灵敏度非常高，可检测电压可低为 200mV，有些芯片已经能 够探测到的电压低至 50mV 的（如 MAX485 等） 。在同一时间，最大传输速率，最大 传输距离也大大提高。RS-485 特点： 1. RS-485 电气特性：逻辑“1”两条线之间的电压差为+（2-6）V 表示，逻辑“0”两 条线之间的电压差为 -（2-6）V 表示。接口比 RS-232 的信号
16、水平降低，就不容易损坏 接口电路芯片，水平和 TTL 电平电路兼容，可方便地连接； 2. .RS-485 最大数据传输速率是 10Mbps； 3. RS-485 接口是由平衡差分接收器和驱动程序组合，抗干扰能力增强，即良好的 噪声抑制性。 4. RS-485 的接口标准，最大传输距离为 4000 米，实际上可以高达 3000 米另外他 东北大学东软信息学院毕业设计（论文） 第 2 章 关键技术介 绍 - 3 - RS-232 接口总线只允许连接一个收发器，就是单站能力。在 RS -485 接口总线可以连 接多达 128 个收发器。具有多站能力，这样用户可以利用单一的 RS -485 网络接口的
17、 优势，易于安装设备。 2.1.2 MAX485 芯片原理芯片原理 采用单一+5 V 电源供应工作，额定 300A 电流，半双工通信。它完成了 TTL 电 平的 RS - 485 功能转换。MAX485 芯片和引脚结构非常简单，包含一个内置驱动器和 接收器。RO 端和 DI 端，分别是接收器和驱动器的输入输出，仅与单片机可以连接到 RXD 和 TXD;RE 为 0 时，启用了接收和发送端，当 DE 逻辑 0 时，该设备是接收状态， 当 DE 为逻辑 1，设备正在发送的状态，因为在半双工状态 MAX485 的工作，所以只 使用一个脚微控制器来控制这两个引脚，A 端跟 B 端分别接收和发送的差分输
18、出端， 当 B 端比 A 端高，代表发送的数据为 1;当 A 低于 B 端水平，代表发送的数据为 0。在 单片机的接线非常简单。MAX485 只有一个信号控制就可以接收和发送。而在 A 和 B 之间的加上匹配电阻，通常可以是 100 电阻。 2.1.3 DS18B20 温度传感器原理温度传感器原理 以前的模拟信号远距离温度测量系统中，必须很好解决引线误差补偿技术、多点 测量切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术问题，才能够达到较高的测量 精度。另外一般监控现场的电磁环境都比较严重，每个干扰信号都非常强，模拟温度 信号容易受到干扰而产生测量误差，影响测量精度。因此，在温度测量系统中，采用
19、抗干扰能力强的新型数字温度传感器是解决这些问题的最有效方案，新型数字温度传 感器 DS18B20 具有体积更小、精度更高、适用电压更宽、采用一线总线、可组网等优 点，在实际应用中取得了良好的测温效果。 东北大学东软信息学院毕业设计（论文） 第 3 章 系统分 析 - 4 - 第第 3 章章 系统分析系统分析 3.1 构架概述构架概述 3.1.1 系统构架系统构架 温度采集及显示系统如图 3.1 所示，整个系统由数据采集（采集温度）模块、RS- 485 通信、基于 ARM 显示模块和基于 ARM 温度报警模块所构成。采用 RS-485 通信 方式，通过 RS-485 总线能提高通信距离，提高可靠
20、性，抗干扰性强。本文重点研究的 是以数据采集模块为核心的，通过 RS-485 总线传输的设计。 温度采集模块温度 ARM显示模块 RS-485传输 图 3.1 系统的功能构架 数据采集模块由单片机系统和 RS-485 传输设备组成，数据采集模传输是通过 RS- 485 传输设备来完成信息的发送与接收，最终用数据采集模块将数据采集后，通过 RS- 485 传输设备发送出去，然后 ARM 的 RS-485 传输设备负责接收，最终在 ARM 的显 示屏上显示出来，达到我们对数据的读取的目的。本设计采用的是宇泰科技生产的 RS-485 传输设备。 3.1.2 核心模块构架核心模块构架 根据需求调研结果
21、确定本系统主要包括以下功能模块，传感器模块、单片机模块、 LED 数码管模块、串口 RS-485 模块，如图 3.2 所示。微控制器 AT89S52，利用 MAX813L 进行电源的检测，温度采集部分使用的是温度传感器 DS18B20，这种传感 器是独特的是单口接线方式传输技术，在与单片机连接时只需要一条口线即可实现单 片机与 DS18B20 的双向通讯，不需要其他任何的器件。传输通信利用 RS-485 传输设 备，RS485 总线为多机通信的在实际生活中有着十分重要的地位，他的其在传输速率、 通信速率、传输距离、多机连接等方面都有着非常大的改善。使用 MAX7219 驱动 8 位 LED 数
22、码管显示，经济高效。 东北大学东软信息学院毕业设计（论文） 第 3 章 系统分 析 - 5 - 温度采集 模块 单片机模块 LED显示模块 RS-485传输 模块 ARM显示模块 核心控制 图 3.2 核心模块构架图 3.2 系统开发环境系统开发环境 硬件配置：硬盘：120GB 内存：2GB 操作系统：WindowsXP 开发工具：Microsoft Visual Studio 2008 Altium Designer 6.9 Keil C51 3.3 系统任务的可行性分析系统任务的可行性分析 由于 RS-485 总线运用了差分电平传输数据，所以传输的距离比 RS-232 长许多， 最长可以达
23、到 3000 m，所以很适合在工业上得到应用。不过与 CAN 总线等更为优秀 的工业总线对比，RS-485 的修改的能力还有一定差距，因此在软件设计的部分还行进 步的注意，尽量避免错误的发生否则会很难实现预期目标。另外，假如系统的数据比 较多需要很大的运算量，需要对其作立即反应的应用场所不适合用 RS-485 总线进行传 输。尽管 RS-485 总线存在一些小毛病，不过因为它的价格相对便宜、线路设计简单、 易操作，只要处理好各个细小漏洞，在某些工程应用中还是可以得到广泛的应用。 由 DS18B20 温度传感器和单片机 AT89S52 组成的温度实时检测装备，可以直接 传输温度的数字信号。因此这
24、样系统的结构相对容易，体积很小，方便移动。使用单 片机控制，软件编程的自由得当，所以本次设计采用 DS18B20 传感器测量温度，输 出信号的全部数字化。节省了一起的测温时的需要很多外围设备，电路方便单片机控 制及处理。DS18B20 的特点在于采用了单总线的数据传输。 1一致性 本次项目设计将会与所做项目的实现各项功能要求相一致。 2合理性 东北大学东软信息学院毕业设计（论文） 第 3 章 系统分 析 - 6 - 本项目设计所提出的设计方法和标准将是合理的、恰当的。 3可追踪性 对项目设计所提出的各项要求将可以得到它的清晰的源流。 东北大学东软信息学院毕业设计（论文） 第 4 章 系统设 计
25、 - 7 - 第第 4 章章 系统设计系统设计 4.1 设计指导思想和原则设计指导思想和原则 4.1.1 指导思想指导思想 （1）坚持统一规划、科学管理、服务应用的指导方针； （2）充分利用现有工作基础和成果，进行改进、提升和整合，避免重复建设。 4.1.2 硬件设计原则硬件设计原则 （1）标准化和规范化原则 （2）安全性原则 （3）完备性原则 4.2 系统概述系统概述 AT89S52 单片机是本次设计的主要部分，获得温度的参数继而转化为十进制和与 之相应的 ASCII 值然后在显示在数码管的温度值，同时通过 RS-485 总线传到 ARM 微处理器进行下一步应用。他的工作过程是先初始化各个器
26、件达到合适环境进行工作， 然后初始化 DS18B20 跟数码管，然后读取检测的温度数据，同时把采集数据进行传送 到数码管上进行显示。并且通过 RS485 总线传送。 4.3 系统的功能结构设计系统的功能结构设计 4.3.1 DS18B20 接口电路接口电路 图 4.1 DS18B20 接口电路 DS18B20 的是本次设计的温度检测部分，它使用独特的单口传输模式，只需要一 个端口线可 DS18B20 的双向通信，而不需要用其他设备，所有的传感器和转换电路都 东北大学东软信息学院毕业设计（论文） 第 4 章 系统设 计 - 8 - 是如集成电路就一个 3 极管，外部电源电压范围 3.05.5V
27、的范围，从-55到+125 温度范围内可编程温度传感器 DS18B20，它可以模拟温度传感器和信号处理电路的通 讯手段与单片机来完成数据收集和处理。其最大的特点是单总线数据传输模式中，I/O 来完成相同的数据。电源 DS18B20 的 2 种方式为：外部电源和寄生电源模式。当寄生 供电模式，VDD 和 GND 接地，它需要一个远程温度探头，而且空间小。但寄生方法 需要一个强大的上拉电源电路，软件控制变得非常复杂，其性能这种芯片也有所下降。 因为作业前 DS18B20 的电流已经为 1 mA 达到，所以 4.7K 上拉电阻不能单独提供电源 工作的时候，许多 DS18B20 的只有一个 I/O 线
28、，同时对温度的转换，这个问题就显得 非常的严重。在这种设计的考虑只是一个单点温度测量，因此采用外部电源供电。 4.3.2 LED 数码管的电路设计数码管的电路设计 图 4.2 MAX7219 驱动数码管电路 图 4.2 为 MAX7219 芯片驱动数码管电路是一种集成化的串行输入/输出共阴极显 示的驱动器,它连接微处理器与 8 位数字的 7 段数字 LED 显示。 东北大学东软信息学院毕业设计（论文） 第 4 章 系统设 计 - 9 - 图 4.3 8 个 7 段数码显示管 图 4.3 为 8 个数码管显示电路，其利用 MAX7219 驱动数码管显示，为数码管链接 电路，利用 8 个三极管提供
29、显示的驱动电流。 4.3.3 MAX485 串行接口电路设计串行接口电路设计 图 4.4 MAX485 电路设计 图 4.4 为芯片 MAX485 电路设计，MAX485 的驱动器不受任何限制，最大时可 以达到 2.5Mbps 的传输速度。这种收发器在驱动器 是禁用的满载或者空载的形式 下，需要的电源电流是 120A 到 500A 内。所有元件都是工作在 5V 单电源下。 MAX485 实用于 RS-485 与 RS-422 通信等低功耗的收发器上。驱动器起到短路电 流限制的作用，而且可以通过关断电路 让他驱动器一直输出高阻抗 的状态。接收 器输入具有对 失去保护特性，当输入 开路时，以确保逻
30、辑高电平 的输出。具备很 好的抗干扰的能力。 东北大学东软信息学院毕业设计（论文） 第 4 章 系统设 计 - 10 - 4.3.4 RS232 串口通信电路串口通信电路 图 4.5 RS232 串口通信电路 图 4.5 为串行通信电路，RS - 232 接口与 PC 机作为串行接口使用最广泛应用的通 信应用，RS - 232 串行数据标准协议 020000bit/ s 的范围之间的数据通信，传输速率 和现在的 DTE 数据终端设备已经成为计算机和数据通信设备 DCE 接口标准。相关数 据：控制信号：信号接通状态，比有效电平大于+3 V。断开状态时，信号无效的要小 于 3V，在实际应用中应保证
31、在（315）V，逻辑“1”的电平低于-3V，逻辑“0” 的电平高于+3V。 4.3.5 主控制模块电路设计主控制模块电路设计 图 4.6 主控制电路 图 4.6 为 AT89S52 单片机一种拥有 40 引脚的双列直插式芯片，AT89S52 单片机 东北大学东软信息学院毕业设计（论文） 第 4 章 系统设 计 - 11 - 微控制器，四个 8 位 I / O 端口（为 P0，P1，P2 和 P3）的，每个 I / O 线可以作为一个 单独的输入或输出使用，是整个电路的核心部分。他的的主控制电路如图 4.6 所示， RST 终端是单片机复位输入端，接上电容，电阻和开关后，可形成上电复位电路。他
32、XTAL1 XTAL2 端的结束，也可用来连接带微调外部晶振跟电容，然后是他在单片机 内部振荡器反相放大器是输入，外部晶振器连接的另一端 XTAL2 上，在这是芯片里振 荡器反相放大器的输出。 4.3.6 看门狗定时电路看门狗定时电路 图 4.7 电源检测电路 图 4.7 为本次设计的电源检测电路，电源监测采用的是 MAX813L，他是专门用来 实现电源电压监测的芯片，它不仅可以对+5V 电源电压进行检测，还能对别的电源电 压(如 12V)进行实现检测，另外它他内部还带有看门狗定时电路，适用于单片机的系统。 在这个系统中，在周期 1.6 秒内单片机为 MAX813L 一直提供喂狗信号，每当信号
33、中断， 芯片自动产生复位信号，使单片机复位。 4.4 DS18B20 硬件设计硬件设计 一DS18B20 温度传感器的特性： (1) 可编程的分辨率为 9 至 12 四个位，相应的温度分别为的 0.5，0.25，0.125 和 0.0625，能够实现高精度温度测量； (2)独特的单线接口，即能通过其它 I/O 口线与微机接口，也可以通过串行口线，无需 变换别的电路，直接输出被测温度值； (3)DS18B20 不需要备份电源，既可用外部电源供电，也可采用数据线供电； (4)温度值会直接输出数字温度的信号，可以运用一个线串行传给单片机，并且也可传 送 CRC 校验码，具有非常好的抗干扰的能力同时找出错误； 东北大学东软信息学院毕业设计（论文） 第 4 章 系统设 计 - 12 - (5)测量范围是-55+12