智能仪器课程设计报告.docx

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智能仪器课程设计报告

智能仪器设计课程设计报告

―――采用RS485标准的主从式多机系统设计

学生姓名：

王**

学号：

*********

班级：

********

任课教师：

***

成绩：

1、设计要求

a）系统基本结构：

1个51系列单片机主机、2个51系列单片机从机（从机1和从机2）、采用RS485组成主从式多机系统；

b）系统基本功能：

在主机键盘上按“1”键，从机1的LED数码显示器上显示“1”，此后从机1键盘上每按下1个数字键，主机LED数码显示器上能显示对应的数字，当从机1键盘上按下“0”键时，此次通信结束，从机1键盘上再按下任意数字键，主机不显示相应数字；在主机键盘上按“2”，从机2的LED数码显示器上显示“2”，此后从机2键盘上每按下1个数字键，主机LED数码显示器上能显示对应的数字，当从机2键盘上按下“0”键时，此次通信结束，从机2键盘上按下任意数字键后，主机不显示相应数字；

c）选做：

从机1和从机2可设计成相关物理量的测量系统，当主机呼叫从机时，从机能把最新的测量值发给主机。

2、方案论证

（1）系统组成：

由三个51单片机构成主从通信系统（本组使用的芯片型号是STC89C52，其功能是一致的），每个单片机搭配LED数码管显示器和键盘；通信采用RS-485标准，可使用MAX485芯片作为通信收发器，单片机控制MAX485的使能端进行发送和接受逻辑控制；单主机多从机的通讯系统需要区分地址信息和数据信息，可利用51串口模式中的模式2进行通信，修改主机的SCON.3状态表明主机发送的是否是地址信息，修改某台从机的SM2状态来建立和主机的唯一通信；数据输入使用键盘输入，数据显示可简单的使用数码管显示。

图1系统结构图

（2）串口模式分析：

51单片机串口的2/3模式下是作为11位异步通信用，8位数据位后的第九位是可编程位SCON.3，主机可以对此位进行0或1赋值，进行地址信息和数据信息的区分，通常赋为1表示地址信息，为0表示数据信息；51单片机的串行口控制寄存器SCON的SM2位是专门用来使通信接口具有识别功能的多机控制位，在串行口以方式2/3接收时，若SM2=1，此时出现两种情况：

第一，接收到的第九位为1（单片机接收时可编程位进入SCON.2），则前8位数据装入SBUF，并置RI为1，产生中断标志；第二，接收到的第九位为0，则不产生中断标志，接收信息被弃。

若SM2=0，则接收到的第九位无论为0还是1，RI均为1，产生中断标志，接收到的前8位数据装入SBUF。

所以多机通信可按下述过程进行：

①参与通信的所有从机的SM2位置1，即从机处于只接收地址帧的状态；

②主机发送一帧地址信息，包括8位地址及第九位地址/数据标志位（该位应为1，表示该帧信息的前8位为地址）；

③由于从机的SM2位已置1，故主机发送的地址信息被所有从机收到，各从机鉴别接收到的地址信息是否与本机地址相同（每个从机已规定其相应的地址）。

对于接收到的地址与本机地址相符的从机，通过程序将其SM2置为0，这样主机之后发送的其他数据信息将被选中的从机接收到，主机与所选的从机之间通信，主机可向从机发送命令数据或从机向主机发送相关的测量结果等。

由于未选中的从机的SM2仍为1，故未选中的从机将不理会主机与选中从机之间传送的数据信息（因为这些信息的第九位均为0），直到主机发送新的地址帧为止。

MAX485芯片的使用：

MAX485是MAXIM公司推出的专门用于RS-485标准通信的接口芯片，它是半双工工作的收发器，其典型工作电路如图2所示：

图2MAX485工作电路

其中管脚

、DE是收发器的控制脚，根据MAX485的逻辑功能表，

、DE都置为高电平，则发送器可工作，接收器不工作；

、DE都置为低电平，则接收器可工作，发送器不工作（发送器和接收器无法同时工作），所以可用单片机的io口使能

、DE来实现半双工通信。

51与MAX485的接口示意图如下：

图3单片机与MAX485连接示意图

（3）键盘设计：

根据题意，主机由于只需使用到两个按键，所以主机的按键可使用独立式按键方式，即两个按键接入单片机的两个io口，通过判断高低电平判断哪个键被按下；从机则需要使用矩阵式键盘，本组使用4×4的矩阵式键盘，并用线反转法进行键值扫描。

（4）显示单元：

由于需要显示的信息比较简单，所以可以简单的使用LED数码管来显示，本组使用的单片机开发板上集成了4个数码管，共用一个译码器，可以通过循环点亮的方式显示多个数字。

3、硬件设计

①主机和从机通过MAX485连接的电气图：

图4主机和从机通过MAX485连接的电气图

②主机和按键、数码管的连接图

③从机和键盘、数码管的连接图

图5主机和按键、数码管的连接图

图6从机和键盘、数码管的连接图

4、软件设计

①led数码管显示子程序：

单片机开发板上的LED数码管是共阳极连接方式，数码管的a-h脚分别连到P0.0-P0.7，四个LED的控制角分别接到P2.0-P2.3；在数码管上需要显示的数字或字符的共阳极代码如下：

显示

内容

共阳极代码

显示

内容

共阳极代码

显示

内容

共阳极代码

显示

内容

共阳极代码

显示

内容

共阳极代码

0

C0H

3

B0H

6

82H

9

6FH

d

A1H

1

F9H

4

99H

7

F8H

E

79H

2

A4H

5

92H

8

80H

N

C8H

程序代码：

#defineucharunsignedchar

sbitP2_0=P2^0;//用来点亮数码管1

sbitP2_1=P2^1;//用来点亮数码管2

sbitP2_2=P2^2;//用来点亮数码管3

sbitP2_3=P2^3;//用来点亮数码管4

ucharcodetable[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,

0xf8,0x80,0x90};//液晶查询表

voiddisplay_1（unsignedintnumber）;

voiddisplay_2（unsignedintnumber）;

voiddisplay_3（unsignedintnumber）;

voiddisplay_4（unsignedintnumber）;

/***********************************

函数名：

voiddisplay_1

参数：

（unsignedintnumber）

作用：

根据输入的数字点亮显示数码管1

************************************/

voiddisplay_1（unsignedintnumber）

{P0=table[number];

P2_0=0;

}

/***********************************

函数名：

voiddisplay_2

参数：

（unsignedintnumber）

作用：

根据输入的数字点亮显示数码管2

************************************/

voiddisplay_2（unsignedintnumber）

{P0=table[number];

P2_1=0;

}

/***********************************

函数名：

voiddisplay_3

参数：

（unsignedintnumber）

作用：

根据输入的数字点亮显示数码管3

************************************/

voiddisplay_3（unsignedintnumber）

{P0=table[number];

P2_2=0;

}

/***********************************

函数名：

voiddisplay_4

参数：

（unsignedintnumber）

作用：

根据输入的数字点亮显示数码管4

************************************/

voiddisplay_4（unsignedintnumber）

{P0=table[number];

P2_3=0;

}

②键盘扫描子程序

使用线反转法扫描键盘，矩阵键盘的1-4行接入P1.7-P1.4，1-4列接入P1.3-P1.0，同时P1.3-P1.0接上拉电阻，线反转法的步骤：

1、将列线作为输出线，行线作为输入线，置输出线全部为0，此时行线中呈低电平0的为按键所在行，如果全部都不是0，则没有按键按下；2、将第一步反过来，即将行线作为输出线，列线作为输入线，置输出线全部为0，此时列线中呈低电平0的为按键所在列，至此便确定了按键的位置，可根据行列参数查询实现写好的键值表，获取键值。

线反转法扫键流程图：

图7键盘子程序流程图

扫描键盘子程序代码：

#include

inthang;//定义行号

intlie;//定义列号

unsignedintKey_Val=1;//保存键值

unsignedintkeymap[]={1,2,3,0,4,5,6,0,7,8,9,0,0,0,0,0};//设置键盘逻辑键值

intKeyScan（）;//扫键子函数

voidDelay（）;//延时

/*************************************

key_Val对应键值

列：

[p13][p12][p11][p10]

↓↓↓↓

行：

[p17]→1

（1）2

（2）3（3）4（A）

[p16]→5（4）6（5）7（6）8（B）

[p15]→9（7）10（8）11（9）12（C）

[p14]→13（*）14（0）15（#）16（D）

**************************************/

voidDelay（）//延时子函数

{

longi;

for（i=1000;i>0;i--）;

}

intKeyScan（）//扫键子函数

{

P1=0xF0;//列输出全0；

if（（P1&0xF0）!

=0xF0）//扫描行，如果不全为0，则进入

{

switch（P1）//获得行号

{

case0x70:

hang=1;

break;

case0xB0:

hang=2;

break;

case0xD0:

hang=3;

break;

case0xE0:

hang=4;

break;

default:

break;

}

Delay（）;//延时去抖动

P1=0x0F;//行输出全0

if（（P1&0x0F）!

=0x0F）//扫描列，如果不全为0，则确认按键按下

{

switch（P1）//获得列号

{

case0x07:

lie=1;

break;

case0x0B:

lie=2;

break;

case0x0D:

lie=3;

break;

case0x0E:

lie=4;

break;

default:

break;

}

return1;//扫描到按键按下，则返回1

}

}

else

return0;//未扫描到按键按下，返回0

}

③主机程序：

在主机主程序中首先进行串口的配置，需要将串口置为模式3；然后程序一直循环查询是否有按键按下（K1或K2），如果有按键按下，则进入与从机通信的子程序。

主机主程序流程图：

图8主机主程序流程图

主机与从机通信的子程序是主机程序的最关键部分，负责主机与从机建立联系、数据通信和终止连接的任务。

以按下按键K1为例，按下K1表示应与从机1通信，程序进入通信子程序，首先主机向所有从机发送从机1的地址“0x01”，然后主机等待从机1的回应（从机1收到请求会发回本机的地址信号0x01作为回应），接收到回应则继续进行通信；然后主机一直处于接收状态，循环接收从机发送的数据，并将数据通过数码管显示，直到接收到数据0，则退出子程序；注意由于单片机外接MAX485进行通信，所以在发送或接收前需要改变控制脚

、DE改变MAX485的收发状态。

图9主机与子程序通信流程图

主机程序代码：

//主机程序

#include

#include

#include

sbitRE=P3^2;//MAX485的控制脚RE和DE

sbitDE=P3^3;//发送时置高，接收时置地

unsignedchartemp=0xff;

sbitKEY1=P2^4;//P2.4,P2.5是两个按键

sbitKEY2=P2^5;//

//延时1ms函数

voiddelay_1ms（unsignedintt）

{

unsignedintx,y;

for（x=t;x>0;x--）

for（y=110;y>0;y--）;

}

//串口初始化函数

voidserial_init（）

{

TMOD=0x20;//定时器1工作于方式2

TH1=0xfd;

TL1=0xfd;//波特率为9600

PCON=0;

SCON=0xd0;//串口工作于方式3

TR1=1;//开启定时器

TI=0;

RI=0;

}

//向指定从机地址发送数据

//和从机通信

voidADDR_data（unsignedaddr）

{

intj=0;

while（temp!

=addr）//主机等待从机返回其地址作为应答信号

{

RE=1;//发送状态

DE=1;

TI=0;//发送从机地址

TB8=1;//发送地址帧

SBUF=addr;

while（!

TI）;

TI=0;

RE=0;//接收状态

DE=0;

RI=0;//接收从机应答信号

while（!

RI）;

temp=SBUF;//从机会发送自己的地址作为回应

RI=0;

}//选通从机后跳出循环

display_1（addr）;//接通后在数码管上显示1或2

//主机循环接收从机发过来的数字信号并在数码管上显示，直到接收到0

do{

RE=0;//接收状态

DE=0;

RI=0;

while（!

RI）;

temp=SBUF;

RI=0;

display_1（temp）;//在数码管上显示数字

}while（temp!

=0）;

//接收到0，表示此次通信结束,数码管闪烁表示

for（j=0;j<50;j++）

{

display_1（addr）;

delay_1ms（10）;

P2_0=1;

P0=0x86;

P2_1=0;

delay_1ms（10）;

P2_1=1;

P0=0xc8;

P2_2=0;

delay_1ms（10）;

P2_2=1;

P0=0xa1;

P2_3=0;

delay_1ms（10）;

P2_3=1;

}

}

voidmain（）

{

RE=1;

DE=1;//初始为发送状态

serial_init（）;

while

（1）

{

if（KEY1==0）

{

delay_1ms（5）;//消抖

if（KEY1==0）

{

while（!

KEY1）;

ADDR_data（0x01）;

}

}

if（KEY2==0）

{

delay_1ms（5）;

if（KEY2==0）

{

while（!

KEY2）;

ADDR_data（0x02）;

}

}

RE=1;

DE=1;//重置为发送状态

}

}

④从机程序：

从机首先进行串口初始化，然后处于循环接收状态，即等待主机的请求，如果接收缓存区有数据，判断是否等于本机地址，等于则表明有主机请求，则再向主机发送本机地址作为回应；然后从机进入读键子程序，循环读出键值并将键值发送到主机，直到有0键按下，从机将0发送后退出子程序，即结束此次通信，重新开始主循环。

注意由于单片机外接MAX485进行通信，所以在发送或接收前需要改变控制脚

、DE改变MAX485的收发状态。

从机主程序流程图：

图10从机程序流程图

从机程序代码（从机1）：

//从机1程序

#include

#include

#include

#include

#defineaddr0x01//从机2的地址

sbitRE=P3^2;//MAX485的控制脚RE和DE

sbitDE=P3^3;//发送时置高，接收时置地

unsignedcharaa=0xff;//主机与从机之间通信标志

//延时1ms函数

voiddelay_1ms（unsignedintt）

{

unsignedintx,y;

for（x=t;x>0;x--）

for（y=110;y>0;y--）;

}

//串口初始化函数

voidserial_init（）

{

TMOD=0x20;//定时器1工作于方式2

TH1=0xfd;

TL1=0xfd;//波特率为9600

PCON=0;

SCON=0xd0;//串口工作于方式3

TR1=1;//开启定时器

TI=0;

RI=0;

}

voidmain（）

{

unsignedintKey;

unsignedintj;

RE=0;

DE=0;//初始为接收状态

serial_init（）;

while

（1）

{

SM2=1;//接收地址帧

while（aa!

=addr）//从机等待主机请求自己的地址

{

RE=0;//接收状态

DE=0;

RI=0;

while（!

RI）;

aa=SBUF;

RI=0;

}

RE=1;//发送状态

DE=1;

TI=0;//一旦被请求，从机返回自己地址作为应答，等待接收数据

TB8=0;

SBUF=addr;

while（!

TI）;

TI=0;

SM2=0;//接收数据帧

for（j=0;j<5;j++）

{

display_1

（1）;

delay_1ms（500）;

P2_0=1;

delay_1ms（500）;

}

//连接成功则进入扫键程序

do//循环扫描键盘

{

Key=KeyScan（）;

if（Key==1）//如果扫描到按键按下

{

Key_Val=keymap[（hang-1）*4+lie-1];//计算得到键值

display_1（Key_Val）;//从机上显示

TI=0;//将按下的数字发送到主机

SBUF=Key_Val;

while（!

TI）;

TI=0;

}

}while（Key_Val!

=0x00）;

P2_0=1;

Key_Val=1;

aa=0xff;

RE=0;

DE=0;//重置为接收状态

}

}

5、系统调试及测试

系统实物图：

首先按下主机的K1按钮，主机显示“1”，从机1闪烁显示“1”，表示已经接通，然后在从机1键盘上按下任何键，从机和主机同时显示键值，按下0键，则主机显示“1END”表示结束，从机数码管灯灭，再按下键盘无反应；再测试从机2，按下主机的K2按钮，主机显示“2”，从机2闪烁显示“2”，表示已经接通，然后在从机2键盘上按下任何键，从机和主机同时显示键值，按下0键，则主机显示“2END”表示结束，从机数码管灯灭，再按下键盘无反应；在某个从机与主机通信时，按下主机另一从机按钮或在另一从机上按下键盘，不影响通信。

6、结论

测试结果表明设计的系统满足题目要求，完成了RS-485标准的主从式多机系统设计任务。

但是本设计并没有体现出通信接口的识别功能这一点（即利用SM2位进行地址信息和数据信息的区分），这主要是因为主机并不需要向从机发送数据信息，只发送了地址信息进行请求。