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东华理工学院毕业设计 摘要摘要摘要 远程测控技术在现代科学技术、工业生产和国防等诸领域中的应用十分广泛。测控技术的现代化，已被公认为科学技术和生产现代化的重要条件和明显标志。随着计算机技术、通信技术和电子技术的飞速发展，在现代远程测控领域中，各先进的测控技术、测控设备和远程通信手段层出不穷。本文主要是介绍基于 RS-485 总线的网络控制系统，该系统由前端和后台两部分组成，前端包括温度采集器和电机控制器两个模块；而后台则是基于 RS-485 总线由 PC 机进行远程测控。实现了对远程温度的检测传输和电机正反转控制。整个系统具有结构简单、可靠性高、功能灵活多样、造价低廉等优点，可以应用于多种场所的各种远程测量控制。关键词关键词：RS-485 总线，温度采集器，电机控制器，远程测控技术，PC 机东华理工学院毕业设计 AbstractAbstractAbstractThe remote monitoring and control technology is applied widely in the modern science and technology, the industrial production and the national defense and in other various domains. The remote monitoring and control technology modernization has been recognized as the important condition and the clear indication of the science and technology and the production modernization. Along with the incresing development of the computer technology, the communication and the electronic technology, in the modern remote monitoring and control domain there are all kinds of advanced monitoring and control technology and equipment and the long-distance means of communication. This article mainly intoduces bus network control system based on the RS-485,. The system is composed by front end and the backstage two parts. Front end includes temperature gathering and electrical machinery controller two modules; But the backstage carried on the remote monitoring and control based on the RS-485 bus by PC machine. Has realized is reversing the control to the long-distance temperature examination transmission and the electrical machinery. The overall system has the structure simply, the reliability high, the function nimble diverse, the construction cost is inexpensive and so on the merit, may be supposed to use in the many kinds of places each kind of long-distance survey control.KeyKey words:words: RS-485 bus, temperature gathering, electrical machinery controller, long-distance observation and control technology, PC machine东华理工学院毕业设计（论文） 第一章 绪论第一章第一章 绪论绪论1.1 课题背景及研究意义随着我们的工业环境越来越复杂，工程师们在让这些设备和环境越来越复杂的同时，也不断的努力让它们越来越“简单”流线型的装配、简单的人机交互。正是他们对这个看似矛盾的理想的追求，才使我们今天出现了这么多的智能化设备。上述这一切都离不开数据采集技术的发展，它是实现人机交互、状态监测、设备控制的基础。随着电子工业的发展，尤其是 PC 的出现，大大的促进了工业自动化的程度，现在越来越多的设备实现了自动控制和无人职守，而这一切又促进了数据采集技术的发展。在科学技术研究的各行各业中，常常利用 PC 或工控机对各种数据进行采集，如液位、温度、压力、频率等。同时随着计算机数字通信技术及信息技术的发展，推动了自动化技术的进步；特别是近十年来兴起的总线技术，是计算机数字通信技术向工业自动化领域的延伸，它的发展将促使自动化系统结构发生重大变革，总线技术的一个显著特点是其开放性，允许并鼓励不同厂家按照总线技术标准，自主开发具有特点及专有技术的产品。依照总线技术规范，不同厂家产品可以方便完成组态与集成，构成面向行业、适合行业特点的自主控制系统。这一特点为更多的自动化产品制造商自主开发并推出自主知识产权的自动化系统提供了可能。也为自动化系统集成商开发面向行业应用的成套技术和自动化系统提供了机会。总线技术以其先进性、实用性、可靠性、开放性的优点，必然成为未来自动化技术发展的主流。基于现在流行的智能化设备和近些年来兴起的总线技术，我的设计课题是基于RS-485 总线的网络测控系统，研究的就是这方面的基本知识。1.2 发展状况从上个世纪 90 年代以来，随着科学技术的迅速发展，人们的生产行为、生活方式都发生了重大的变化，作为生活生产中非常重要的一项技术即测控技术的重要性正在逐渐被人们所认识和重视。测控系统的演变，是一个从集中监控向网络监控的发展历史。早期的测控系统，采用大型仪表集中对各个重要设备的状态进行测控，并通过操作盘来进行集中式操作。而计算机测控系统是以监测控制计算机为主体，加上检测装置、执行机构与被监测控制的对象(生产过程)共同构成的整体。在该系统中，计算机实现了生产过程的检测、监督和控制功能。在现代企业的生产和管理中，大量的物理量、环境参数、工艺数据、特性参数需要进行实时检测、监督管理和自动控制。由于工业生产过程控制要求的高环境适应性、高实时性、和高可靠性等特点，自动控制与检测技术一直沿着自己的道路发展，测控领域所使用的通信技术都自成体系，许多通信协议不开放，而且大多数系统都是面向单台，或单一类型的设备。随着生产力的进步，设备的分布越来越离散单一的，各自独立的测控系统已不能适应工业化的需求，于是便产生了分布式系统。这种系统以计算机网络为基础，使系统资源分配趋于合理。但是由于目前运行的绝大多数分布式监测系统还只东华理工学院毕业设计（论文） 第一章 绪论是在局域网上，通常的测控仅局限于同一地点，所以具有一定的地域局限性。Internet 能实现资源的共享，从而使人们有能力解决以前在极有限的资源下很难解决的问题，为远程监控系统的发展提供了有利的条件。远程测控是本地计算机通过网络系统如 Internet/Intranet，对远端进行测控。1.3 方案确定对于远程测控系统的设计而言，一般有：应用专线的远程测控系统 ，利用公用电话网的远程测控系统，采用 232/422/485 总线，现场总线的远程通信，采用光纤通道的远程测控系统，基于 Internet 的远程测控系统 ，基于无线通信的远程测控系统这六种方案，由此可以知道这个系统的发展正逐步走向多功能化，由于各 485总线的接线少，成本低，通信距离长，因此我的设计选择了基于 RS485 总线远程测控系统这个比较简单的方案。1.4 方案任务设计基于 RS-485 总线的网络测控系统,完成对远端温度的测量和对远端电机的正反控制,有抗干扰的措施,保证数据传输的可靠。（1）基于 RS-485 总线网络的测控系统设计（2）测量温度电路设计（3）报警电路设计（4）控制电机正反转电路设计（5）串行通信电路设计东华理工学院毕业设计（论文） 第二章 系统设计第二章第二章 系统设计系统设计2.1 本方案电路介绍随着串行通信的广泛应用，工业控制，数据通信等各方面都需要用到串行通信，因此本设计的目的也就在于此，然而 RS-485 是美国电器工业联合会制定的利用平衡双绞线作传输线的多点通讯标准，它采用差分信号进行传输，最大传输距离可达1.2Km，最大可以连 32 个驱动器和收发器，接受器最小灵敏度可达到200mv，最大传输速率可达到 2.5Mb/s，因此 RS-485 正是高灵敏度，远距离，多点通讯制定的标准，因此本次设计选用 RS-485 串行通信标准。基于 RS-485 的测控系统，分为软件和硬件两部分， 我设计的是硬件部分，在硬件方面主要包括前端和后台部分。前端包括温度采集器部分，包括传感器，放大器，A/D 转换电路，单片机；电机控制器部分，包括电动机和单片机；后台是监控部分，包括 MAX485，RS232/485 转换器和PC 机。2.1.1 原理描述第一步完成温度采集器的设计，它主要是由与被测控对象相匹配的传感器，将对象的状态放大到合适放大倍数的放大器，将模拟信号转换成数字信号的 A/D 转换器，和对数据进行处理的单片机组成；第二步是完成电机控制器的设计，它主要是由电机和控制电机的单片机组成；第三步是完成测控端的设计，基于 RS-485 总线进行数据的传输，然后我们采用了 RS-232/485 转换器进行电平的转换传送到 PC 机上，实现了对远端温度的测量和远端电机的控制。2.1.2 思路介绍我的总体设计思路是该系统分为两分，第一部分是系统前端，该部分包括温度采集器和电机控制器两部分。第二部分是系统后台，该部分包括 RS-485 网络，RS232/485 转换器和 PC 机三部分。温度采集器设计了信号采集模块，数据处理模块和数据传输模块。信号采集模块是由模拟量输入部分、通道开关部分、放大部分 3 部分组成，其中，模拟量输入部分是用了温度传感器 PT100，传感器是将被测的非电物理量转换为电量的一种装置，利用 PT100 的铂电阻的阻值随温度变化这一原理进行测量，然后通过电路设计把电阻转换成更加稳定更好处理的电压值进入通道开关；通道开关部分是选择了CD4051BC 多路选择开关，由于需要与温度传感器 PT100 相匹配所以选择了多进一出的 CD4051BC 芯片，这种多路选择开关是 3 输入 8 通道的选择实现对于输入信号的选择；放大部分的放大倍数是由 PT100 温度和阻值关系来确定的，通过对所采集的电压信号进行一定值的放大得到比较合适的电压值进入 A/D 转换器。数据处理模块是由 A/D 转换部分组成，其中 A/D 转换部分是将所采到的模拟电压值进行 A/D 转换成东华理工学院毕业设计（论文） 第二章 系统设计为数字电压值，这样才能送进单片机里进行处理，这里我们选择了 0809 芯片，该芯片是一种逐次比较式 8 路模拟输入，8 位数字量输出的 AD 转换器，可以和温度传感器和单片机相匹配；数据传输模块是由单片机部分，存储器部分 2 部分组成，其中单片机部分是硬件电路的核心，这部分是想用 C51 完成的，这里我选择了的是型号为 89C51 的单片机和 5045 可编程看门狗监控 E2PROM 共同实现数据的传输，该部分可以完成输入通道的选择、采集的数据的处理、报警的控制、传输的设置，对波特率的控制，和对 PC 机的控制，另外为了更好的对远程温度进行测量我还设计了报警显示部分，其中针对所采信号超出温度传感器的报警上下限来设计的一个显示模块，电机控制器是通过单片机来控制电机的正反转。整个系统用了单片机 C51 语言进行编写，后台用了 VB 编写，实现了可视化。系统前端和后台是依据 RS-485 标准来实现串行通信的，通信的协议用的是昌晖公司内部的协议。最后本设计采用到的芯片有温度传感器 PT100，通道开关芯片 4051，放大器LF353，A/D 转换芯片 0809，5045 可编程看门狗监控 E2PROM，传输芯片MAX485,RS232/485 转换器和 89C51 单片机。2.1.3 实现方法基于 RS-485 总线的网络测控系统首先完成的是硬件电路原理图的设计，硬件电路板的设计，制板和焊接，然后在完成软件程序的设计和调试。这样便完成了整个系统的设计。东华理工学院毕业设计（论文） 第三章 硬件电路设计第三章第三章 硬件电路设计硬件电路设计3.1 总体硬件结构组成Pc机RS232/485转换器电机控制器2温度采集器3电机控制器4温度采集器1电机控制器N.Rs-485网络后台前端图 3-1 RS-485 网络测控系统硬件方框图3.2 单机版测控系统的实现温度采集器电机控制器PC机 RS232/485转换器前端后台图 3-2 单机版测控系统硬件方框图3.3 前端系统电路设计3.3.1 温度采集器设计东华理工学院毕业设计（论文） 第三章 硬件电路设计温度传感器通道开关A/D转换器单片机图 3-3 温度采集器模块框图3.3.1.1 信号采集模块图 3-4 信号采集电路1.温度传感器本设计所选用的温度传感器是 PT100。那么 Pt100 工作原理及其主要技术参数如下：Pt100 传感器是利用铂电阻的阻值随温度变化而变化、并呈一定函数关系的特性来进行测温，其温度/阻值对应关系为：（1）-200t0时，RPt100=1001+At+Bt2+Ct3（t-100） （1）（2）0t850时，RPt100=100（1+At+Bt2）式中，A=3.9080210-3；B=-5.8010-7；C=4.273510-12。Pt100 温度传感器的主要技术参数如下：测量范围：-200+850；允许偏差值：A 级（0.150.002t） ， B 级（0.300.005t） ；热响应时间30s；最小置东华理工学院毕业设计（论文） 第三章 硬件电路设计入深度：热电阻的最小置入深度200mm；允许通过的电流5mA。另外，Pt100 温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。我们可以对照下表看。表 3-1 PT100 铂热电阻分度表T01234567890100.0100.39100.78101.17101.56101.95102.34102.73103.12103.5110103.90104.29104.68105.07105.46105.85106.24106.63107.02107.4020107.79108.18108.57108.96109.35109.73110.12110.51110.90111.2930111.67112.06112.45112.83113.22113.61114.00114.38114.77115.1540115.54115.93116.31116.70117.08117.47117.86118.24118.63119.0150119.40119.78120.17120.55120.94121.32121.71122.09122.47112.86那么在这里，如图 3-4 所示，PT100 的阻值范围为 18.92390.48（），VCC=+5V，在本试验为了方便实现信号的采集，我们是不可能采集电阻值，而需要采集的是电压值，因为电压值更稳定更好处理，那么接下来关于该模块电路图的设计我们可以这样想：由于 10K 远远大于 390.48，因此可以形成一个类似于恒流源出来的电流 I=U/R=5/10000=0.5mA，所以在这里选择 10K,那么为什么要一个恒流源呢？是因为此装置是需要把电阻转换成电压，在把电压转换到温度，所以有一个恒流源就可以使 U=R*I 的 U 和 R 成线形关系，这样就便于转换。由于铂电阻的阻值比较小，因此考虑到线阻是必要的，但是本次设计采用理想的状态因此我们可以如下计算：比如我们计算在 20的时候：从表中看到 PT100 的阻值为 107.79那么 U=0.0005*107.79=0.05389V这样便可以得出通过温度传感器采得理想电压值.那么接下来之所以接的电阻阻值均为 4.7K，是因为电流从 VCC 流出后会走 RTD1,RTD2.RTD3 然后流到地上，形成一个回路，这过程中便可以采到三点的电压值，由于限流的作用是为本实验的需要是只采电压值。因此选择 4.7K 在这边是因为 4.7K 的作用就是限流。2.通道开关本设计所选用的通道开关是 4051 芯片。由于智能仪器在检验和控制外部装置状态时，常常需要采用许多开关量作输入输出信号。从原理上讲，开关信号的输入/输出比较简单。这些信号只有开和关，通和断或者高电平和低电平两种状态，相当于二进制的 0 和 1。如果要控制某个执行器的工作状态，只须输出 0 和 1，即可接通发光二极管，继电器或无触点开关的通/断，以实现诸如阀门的开启与关闭，超限声光报警或电动机的启动和停止。对以单片机为核心的智能仪器而言，因其内部已具有并行 I/O 端口，有时可以直接检测和接收外界的开关量信号，但外界的开关量信号的电平幅度必须与单片机 I/O 接口的东华理工学院毕业设计（论文） 第三章 硬件电路设计信号电平相符合，若不符，必须对其进行电平转换后，再输入到单片机的 I/O 口上，若要输出控制外部功率较大的开关设备，则应在输出通道中设计功率放大电路，以使输出信号能驱动这些设备。单片机处理开关量信号必须有信号输入接口。其电气接口形式比较多，常见的有 TTL 电平，CMOS 电平，非标准电平，开关或继电器的触点等。由于这些电平信号功率有限，加上外界还存在各种干扰和影响，这些电平一般不能直接用来驱动外部设备，因此在开关量输入输出通道中须采用各种缓冲，放大，隔离和驱动电路等措施。表 3-2 4051 真值表INHCBA405100000000110010200113010040101501106011171*NONE从真值表中可以看出6脚INH必须接地，这样才会有选择，如果ABC取的值不同，则可以决定取X0-X7中的任意一脚。因此4051芯片是通过地址线选择通道，是多进一出的一种芯片，由于PT100铂电阻的阻值比较小，我们是必要考虑到线阻，这样我们的可以模拟线阻通道进行测量，因此就有了多路模拟量输入，具体的说，针对本设计是3路模拟量输入，因此选择了4051多路转换开关。 东华理工学院毕业设计（论文） 第三章 硬件电路设计图 3-5 4051 芯片引脚图3.放大器部分本设计所选用的放大器是LF353同相比例放大器。放大器是信号处理的基本电路，其作用是将微弱信号增强（放大）到所需的数值。放大器是由半导体三极管，电阻，电容及电源等元器件构成的二端口网络，其中输入端接信号源，输出端接负载。放大的含义有两个，一方面是将微弱的电信号增强到人们所需的数值，另一方面是要求放大后的波形与放大前的波形相同或基本相同，即不失真的要求。由于放大器的输出功率有所增强，而增强的功率不是来自于输入端的信号源，而是来自电路中的直流电源，因此，放大的实质是用较小的能量来控制较大的能量。放大器的主要性能指标：增益是衡量放大器放大能力的参数，定义为输出变化量的幅值与输入变化量的幅值之比（称为放大倍数） 。输入电阻和输出电阻 放大器的输入端要从信号源吸取电流，吸取电流的大小表明了放大器对信号源的影响程度，因此放大器的输入端呈现出阻抗特性，其等效阻抗就是放大器的输入阻抗，当信号频率不高不低时，输入电流与输入电压基本同相，可用输入电阻表示，定义为 Vi/Ii=Ri。Ri 越大，放大器从信号源吸取的电流越小，输入端所得的电压 Vi 越接近信号源电压 Vs，所以输入电阻是衡量放大器对信号源影响程度的参数。而输出电阻 Ro 越小，放大器带负载前后的输出电压相差越小，即放大器受负载影响的程度越小，所以输出电阻是衡量放大器带负载能力的参数。理想放大器的 Ri=无穷，Ro=0从信号的观点讲，运算放大器有三个端子，即反相出入端 VN，同相输入端 VP，和输出端 VO，所谓反相输入端就是反相输入端输入（同相输入端接地） ，则输出信号在相位上与输入信号相位相反，那么同相输入端就是同相输入端输入（反相输入端接地） ，则输出信号在相位上也输入信号相位相同。除了这三个端子还有两个电源端和频率补偿端和调零端.运算放大器最重要的特点就是对 VP 和 VN 的差模分量VID=VN-VP 有很强的放大能力，而共模分量 VIC 却很弱。一个理想运算放大器的输出仅仅影响差模信号.对于工作在线形区的理想运放，利用它的理想参数可以导出下面两条重要法则：1，在线形区内，由于 V0 为有限值，而 AVO 趋于无穷，所以VID=VN-VP=VO/AVO 约为 0（VN 约=VP）即理想运放两端间的电压为零，常称为虚短。2，由于 VID 约=0，而 ri 趋于无穷，所以运放的输入电流 Ii=VID/ri 约为 0， ，即理想运放的两输入端不取用电流（但不是断开） ，一般称为虚断。同相输入端的放大比为 1+Rf/R，也就是 U0=UI（1+Rf/R）反相输入端的放大比为-Rf/R，也就是U0=UI（-Rf/R）.如图3-4所示，本设计中放大倍数=1+Rf/R=1+120K/10K=13.此处的4.7K也是限流的作用，为的是进放大器的是电压值，并且选用同相放大器，第一是因为阻抗比较大电流不容易流失，可以顺利的放大。第二是因为我设计的电路的电压值均为正值。东华理工学院毕业设计（论文） 第三章 硬件电路设计3.3.1.2 数据处理模块图3-6 温度处理电路1.A/D转换器本设计选用的A/D转换器是ADC0809芯片用CPU处理模拟信号的前提就是将模拟信号数字化，即进行A/D转换,根据检测精度 ：对于一台具体的设备，其技术指标中包含检测精度指标，通过这个指标就可以换算出所需设备的A/D转换最低指标，只要选择转换精度比最低指标高一些的A/D器件就可以满足设计要求。通常精度和分辨率是不同的，受非线性误差的影响，分辨率高的精度不一定高，当器件的非线性误差控制在1位之内时，A/D转换器件用位数所表示的分辨率与其转换精度基本相同，习惯上就用位数来衡量其转换精度。根据采样频率：被检测信号有其频率特性，为获取该信号的真实数据，采样频率至少要超过信号上限频率的2倍，由于工作原理和制造工艺的不同，A/D转换器件的工作频率也不同。那么下现我们就先来了解一下ADC0809与51 单片机的接口1.ADC0809 的逻辑结构ADC0809 是8位逐次逼近型A/D转换器。它由一个8路模拟开关、一个地址锁存译码器、一个A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8 路模拟量分时输入，共用A/D 转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D 转换完东华理工学院毕业设计（论文） 第三章 硬件电路设计的数字量，当OE 端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。图 3-7 ADC0809 结构图2.ADC0809 的工作原理IN0IN7：8 条模拟量输入通道ADC0809 对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。 输入和控制线：4条ALE 为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A， B，C 三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进入转换器进行转换。A，B 和C 为地址输入线，用于选通IN0IN7 上的一路模拟量输入。表3-3 ACD0809通道选择表CBA选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6东华理工学院毕业设计（论文） 第三章 硬件电路设计111IN7数字量输出及控制线：11 条ST 为转换启动信号。当ST 上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D 转换；在转换期间，ST 应保持低电平。EOC 为转换结束信号。当EOC 为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D 转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE1，输出转换得到的数据；OE0，输出数据线呈高阻状态。D7D0 为数字量输出线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，ADC0809的时钟信号由CLOCK端送入，其最高频率为640MHz，在这个最高频率下ADC0809的AD转换时间为100uS左右。当ADC0809用于AT89C51单片机系统时，若AT89C51采用6MHz的晶振，则ADC0809的时钟信号可以由AT89C51的ALE经过一个二分频电路获取。这时ADC0809的时钟频率为500KHz，AD转换时间为130uS。3.ADC0809 应用说明a.ADC0809 内部带有输出锁存器，可以与AT89S51 单片机直接相连。b.初始化时，使ST 和OE信号全为低电平。c.送要转换的哪一通道的地址到A，B，C 端口上。d.在ST 端给出一个至少有100ns 宽的正脉冲信号。e.是否转换完毕，我们根据EOC 信号来判断。f.当EOC变为高电平时，这时给OE 为高电平，转换的数据就输出给单片机了。4.单片机读取AD转换结果的方法有三种(1)延迟法单片机启动ADC0809后，延时130uS以上，可以读到正确的AD转换结果。(2)查询法EOC必须接到AT89C51的一条IO线上。单片机启动ADC0809后，延迟10uS，检测EOC，若EOC=0则AD转换没有结束，继续检测EOC直到EOC=1。当EOC=1时，AD转换已经结束，单片机读取AD转换结果。(3)中断法EOC必须经过非门接到AT89C51的中断请求输入线INT0或INT1上，AT89C51的中断触发方式为下降沿触发。单片机启动AD转换后可以做其它工作，当AD转换结束时，EOC由O一1经过非门传到INT端，AT89C51收到中断请求信号，若AT89C51开着中断，则进入中断服务程序，在中断服务程序中单片机读取AD转换的结果。本设计是采用中断法读取A/D转换结果，因此在电路中0809芯片的EOC端接到非门在传到INT端。图3-6中为典型的ADC0809与89C51的中断方式接口。在本设计中由于PT100的精度是1，我们所考虑的温度范围是0-200，因此我们选用8位A/D转换器。这样可以和温度传感器相匹配，假设0809的基准电压为0-5V，则如果室内温度为20，则我们把放大倍数设为92倍，这样可以把电压放大到东华理工学院毕业设计（论文） 第三章 硬件电路设计2.5V，通过0809之后便可以得到数字量80H，那么依据这种方法我们设定了同相比例放大器的放大倍数，使得整个系统正常的运行。3.3.1.3 数据传输模块图 3-8 数据传输电路1.看门狗部分本设计选用的是 5045 看门狗芯片。可编程看门狗监控 E2PROM5045 芯片介绍：图 3-9 5045 结构图X5045 把三种常用的功能：看门狗定时器，电压监控和 E2PROM 组合在单个封装之内，这种组合降低了系统成本并减少了对电路板空间的要求。看门狗定时器对微控制器提供了独立的保护系统。当系统故障时，在可选的超时周期之后，X5045 看门狗将以 reset 信号作出响应，用户可从三个预置的值中选择此周期一旦选定，即使在电源周期变化之后，此周期也不变。利用 X5045 低 VCC 检测东华理工学院毕业设计（论文） 第三章 硬件电路设计电路，可以保护系统使之免受低电压状况的影响。当 VCC 降低到最小 VCC 转换点以下时，系统复位。复位一直确保到 VCC 返回且稳定为止。X5045 的存贮器部分是 CMOS 的 4096 位串行 E2PROM，它的内部按 512*8 来组织。X5045 的特点是具有允许简单的三线总线工作的串行外设接口（SerialPerpheral Interface SPI）和软件协议。X4054 利用了icor 公司专有的 Direct Write 晶片，提供最少为 100000 次的使用期限和最小为 100 年的数据保存期。表 3-4 5045 引脚介绍可编程的看门狗定时器的特点，低 VCC 检测，直至 VCC=1V 复位信号有效，1MHZ时钟速率，512*8 位串行 E2PROM，低功耗 CMOS，10UA 等待电流，3MA 工作电流，2.7-5.5V 电源电压，块锁存，片内偶然性写保护，高可靠性。如图 3-8 在这里我们选择 5045 是因为 5045 具有自动复位功能，而且 5045 的看门狗功能也是很好的. 并且也可以存放一些编程所需的临时变量。2.单片机部分本设计选用的 CPU 是 AT89C51 型号的单片机.a)晶振部分为了各功能部件的运行，单片机都是以时钟控制信号为基准的，因此时钟频率东华理工学院毕业设计（论文） 第三章 硬件电路设计也就直接影响了单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响了单片机系统的稳定性。时钟电路一般有两种，一种是内部时钟方式，一种是外部时钟方式。由于本设计只有一片MCS-51单片机，所以我们选用内部时钟方式。下面我们介绍一下内部时钟方式的工作原理。首先MCS-51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反相放大器的输入端为芯片引脚的XTAL1，输出端为引脚的XTAL2，这两个引脚跨越接石英晶体振荡器和微调电路这就构成了一个稳定的自激振荡器。 2个时钟引脚XTAL1,XTAL2外接晶体与片内的反相放大器构成1个振荡器，它为单片机提供时钟控制信号。2个时钟引脚也可以外接独立的晶体振荡器。(1)XTAL1：接外部晶体的1个引脚，该引脚内部是一个反相放大器的输入端。这个反相放大器构成了片内振荡器。如果采用外接晶体振荡器时，此引脚接地。（2）XTAL2:接外部晶体的另一端，此引脚内部接至内部反相放大器的输出端。若采用外部时钟振荡器时，该引脚接收时钟振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。为了对整个系统更加稳定，通常电路中选择的是30Pfd的电容，此处的电容是为了抗干扰。然后再通过D触发器4024分频，这样便可以得到A/D转换器所需要的频率， 。但为了串行通信波特率的设定，所以选用的是11.0592MHz3.3.2 电机控制器1、电动机正、反转控制：可以采用继电器控制，通过开关切换对小车的速度进行调节，但继电器响应时间慢，机械接触易损坏，可靠性不好。可以采用单片机控制达林顿管使之工作在 PWM 占空比可调的开关状态，调整电动机的转速。 达林顿管采用 TIP132，控制电流可达 8A。Q3、Q4、Q5、Q6 为达林顿管，如图 3-10 当 Ug1 为高电平、Ug2 为低电平时，Q3、Q6 导通，Q4、Q5 截止，电动机正转。当 Ug1 为低电平、Ug2 为高电平时，Q4、Q5 导通，Q3、Q6 截止，电动机反转。Ug1、Ug2 采用200Hz 的周期信号控制，通过对信号的占空比的调节来对车速进行调节。这样，假设控制信号最小脉宽为 0.2ms，则速度可分 25 档控制。东华理工学院毕业设计（论文） 第三章 硬件电路设计图 3-10 电动机电路 3.4 后台系统电路设计单片机MAX485RS232/485转换器PC机光电隔离RS-485总线图 3-11 后台模块框图图3-12 RS-485总线电路3.4.1 RS-485网络计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯二种方式。由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯。串行数据传输接口RS-232/422/485，RS-232接口标准是EIA广泛使用的标准，它有许多种不同的版本，例如RS-232-C，RS-232-D，RS-232-E等。RS-232-C标准是20世纪60年代为了利用电话网络作为媒介，通过调制解调器把不同距离范围内的设备相互连接在一起而制定的。由于当时主要采用电话线串行连接实现距离远访问，这使得RS-232-C标准在终端和东华理工学院毕业设计（论文） 第三章 硬件电路设计计算机中被广泛采用。它的全名是数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准,该标准规定采用一个25个脚的DB25连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。一般只使用3-9条引线。RS-232-C最常用的9条引线的信号内容见表3-4表3-4引脚序号 信号名称 符号 流向 功能 2 发送数据 TXD DTEDCEDTE 发送串行数据 3 接收数据 RXD DTEDCEDTE 接收串行数据 4 请求发送 RTS DTEDCEDTE 请求DCE将线路切 换到发送方式 5 允许发送 CTS DTEDCEDCE 告诉DTE线路已接通可以发送数据 6 数据设备准备好 DSR DTEDCEDCE 准备好 7 信号地信号 公共地 8 载波检测 DCD DTEDCE 表示DCE接收到远程载波 20 数据终端准备好 DTR DTEDCE DTE准备好 22 振铃指示 RI DTEDCE 表示DCE与线路接 通,出现振铃一些设备与PC机连接的RS-232-C接口,因为不使用对方的传送控制信号,只需三条接口线,即发送数据、接收数据和信号地。所以采用DB-9的9芯插头座，传输线采用屏蔽双绞线。RS-232-C标准的电器特性是定义了逻辑“1”和逻辑“0”的最高和最低电压，逻辑“1”是从-3V到-25V，通常为-12V；逻辑“0”从3V到25V，通常为12V；而-3V到3V之间的任何电压都处于未定义的逻辑状态。如果线路上没有脉冲则电压应维持在逻辑电平-12V。接收端的0V电压将被释放为线路中断或短路。为了避免通信线路上的噪声干扰，RS-232-C的信号需要大的电压摆幅。由于发送器和接受器之间具有公共的信号地，不可能使用双端信号，从而导致共模噪声会固有的耦合到信号传输系统中经济，除非共模信号能够被清除。TTL电平在逻辑“0”（0.8V或更低）和逻辑“1” （2.0V或更高）之间的电压至少大于1.2V，这样大约0.5V的噪声电压就可能将信号改变，由此可见TTL电平太容易受干扰的影响，不适合于长距离信号传输。而在使用电动机，复印机，打印机以及类似的设备的场合下，共模噪声容易达到几伏电压，迫使RS-232-C标准采用较高传送电压的主要原因就是东华理工学院毕业设计（论文） 第三章 硬件电路设计公共信号地，但即使采用这样的高的电压，RS-232-C标准的信号频率也只能达到20KHz，最大距离也只有30m，因此在这个距离以内信号才能安全地连起来。不仅如此，RS232接口标准是一种广泛的普及标准但此标准推出较早，在现代金融，保险，电信，电子化网络已暴露出明显的问题。一是：两串口设备间收发信号不隔离，经过较长电缆，且直接连一起，能有一发送器发送。半双工方式，主从只能一个发。全双工方式，主站总可发送，从站只能有一个发送。我们在这里选择使用485标准通信。这也是本设计系统立题的依据。本设计我们选用了MAX485芯片。3.4.2 MAX485芯片MAX485 接口芯片是 Maxim 公司的一种 RS485 芯片。 采用单一电源+5V 工作，额定电流为 300 A，采用半双工通讯方式。它完成将TTL 电平转换为 RS485 电平的功能。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。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 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端之间加匹配电阻，一般可选 100 的电阻3.4.3 RS232/485转换器通常PC机都配有RS-232串行标准接口，这样MAX485芯片电平和PC机电平就是不同的，因此需要用一个RS232/485转换器，把RS-232接口转换为RS-485接口，实现依据RS-485标准的远程通信。3.4.4 抗干扰设计 抗干扰设计为了防止打雷之类的意外事件发生，我们在传输的部分加入了光电隔离器， 用光隔的作用是光隔后的地和其他所有的地接的不同是为了实现光隔的目的，实现如果上位机接在外面可以防雷击，即使雷击了也影响不了整个电路的功能实现3.5 多机通信的实现东华理工学院毕业设计（论文） 第三章 硬件电路设计Pc机串行通信接口电机控制器2温度采集器3电机控制器4温度采集器1电机控制器N.Rs-485网络图 3-13 多机通信方框图将一台 PC 机和若干个单片机构成小型分布式测控系统，是目前单片机应用的一大趋势图 3-14 波盘开关接口图 3.5.1 拨盘开关部分在某些单片机系统中，有时需要输入一些控制参数，这些参数一经设定将维持不变，除非给系统断电后重新设定。这时使用数字拨盘既简单直观，又方便可靠拨盘种类很多，但使用最方便的拨盘是十进制输入，BCD 码输出的 BCD 码拨盘。这种拨盘的每片拨盘具有 09 十个位置，每个位置都有相应的数字显示，代表拨盘输入的十进制数，因此，每片拨盘可以代表 1 位十进制数，需要几位十进制数就选择几片 BCD 码拨盘拼接。BCD 码拨盘后面有 5 个接点，其中 A 为输入控制线，另外 4根是 BCD 码输入线。拨盘拨到不同的位置时，输入控制线 A 分别与 4 根 BCD 码输出线中的 某根或某几根接通，其接通的 BCD 码输出线状态正好与拨盘指示的十进制数相一致。单片 BCD 码拨盘可以与任何 1 个 4 位的 I/O 口或扩展的 I/O 口相连，以输入 BCD 码，A 端接+5V。为了使输出端在不与控制端 A 相连时有确定的电平，常将8.4.2.1 输入端通过电阻拉低。控制端 A 接+5V，当拨盘拨至某输入十进制数时，相应的 8.4.2.1 有效端输出高电平， （4.2 端为有效端） ，无效端为低电平。这时拨盘输出的 BCD 码为正逻辑（原码） 。如果控制端 A 接地，8.4.2.1 输入端通过电阻上拉至高电平时，拨盘输出的 BCD 码为负逻辑（反码） 。东华理工学院毕业设计（论文） 第三章 硬件电路设计如图 3-14，在本设计中拨盘开关和上拉电阻设置的原因是为了完全由软件设置波特率和设备号，可以直观的从硬件电路上面设置，选择 1，2，3 脚为设置波特率的脚，这样就有 8 种波特率，300，600，1200，2400，4800，9600 等，因为光耦那边的最大速率只能是 10K，因此 9600 也就差不多了，那么如果拨盘开关的第一个开关毕和开启会有不同的结果，出现 01 的结果，这样便可以调节不同的选择，其余的4，5，6，7，8 均设置为接设备号的。此处的只要设置是通过软件设置八位的状态来决定使用什么波特率和哪几台设备一起执行操作，通过人手动的设置来选择想要的波特率和设备号。这样可以实现多种速率，多机通信。3.6 电源部分小功率直流电源，一般由变压器，整流，滤波和稳压电路四部分组成。其工作过程是：首先由变压器将 220V 的交流电压变换为所需要的交流电压值，然后利用二极管单向导电性将交流电压整流成为单项脉冲的直流电压。再通过电容或电感等储能元件组成的滤波电路减小其脉冲成分，从而得到比较平滑的直流电压，经过整流，滤波后得到的直流电压易受电网波动及负载变化的影响，必须加稳压电路，利用负反馈等措施维持输出直流电压稳定。本设计中用到的大部分是+5V 电源和地，只是电动机部分用到的是 18V，因此在此就没有直接设计电源，为了测试需要直接用到了实验室内的电源。东华理工学院毕业设计（论文） 第四章 调试与改进第四章第四章 调试与改进调试与改进在硬件部分和软件部分都完成之后，要进行整体调试。将程序烧进单片机后，对整个系统进行上电调试。在调试的时候发现了几个问题，下面将对其进行说明。1、在将电源打开后，发现芯片 A/D 转换器的芯片 0809 热得厉害。在对电路原理图和电路板检查后发现，芯片的位置竟然接反了，这是个很低级的错误，由于粗心大意而造成的。再把芯片正确接后，故障排除。2、在打开界面后，运行，发现无法通讯。检查后，发现波特率拨盘与 PC 机设置的波特率不对应。当然无法通讯。由于本系统采用的手动的拨盘与软件共同设置传输波特率，所以在硬件设置的是要特别注意波特率拨盘一定要与软件的选择相对应，这样才能保证通讯正常。3、波特率拨盘置好后，发现仍然无法正常通讯。在问过指导老师后，了解到原来是由于将 485 和 202 两个芯片都是用了，系统无法进行芯片选择，所以无法通讯。解决的方法就是将两个芯片中的任意一个拔掉，既可以实现通讯正常。由于本系统是基于 RS-485 所做，所以将芯片 202 拔掉。重新开机，通讯正常。4、通讯成功后，再次对数据进行测量。系统启动后，报警灯开始点亮，一段时间过后，系统自动复位。经过指导老师讲解后明白，是由于所测的温度超出了所设定的温度上限。所以系统自动报警了，在报警时间超过软件设定时间后，为了防止硬件电路受到损坏，由于看门狗的保护功能系统自动重启。东华理工学院毕业设计（论文） 第五章 印制电路板第五章第五章 印制电路板印制电路板5.1 Protel 基础介绍本文需要用到 PROTEL 设计原理图和 PCB 制板图，是设计的一个必须知识。利用PROTEL 这个强大的软件工具，给设计带来很大的益处。一般来说从电路原理图到电路板的设计过程可以分成以下几个部分：1.电路原理图的设计电路原理图的设计主要是 Protel 99 SE 的原理图设计系统来绘制一张电路原理图。在这一过程中，要充分利用 Protel 99 SE 所提供的各种原理图绘图工具、各种编辑功能，来实现我们的目的，即得到一张正确、精美的电路原理图。2.产生网络表网络表是电路原理图设计（SCH）与印制电路板设计（PCB）之间的一座桥梁，它是电路板自动的灵魂。网络表可以从电路原理图中获得，也可从印制电路板中提取出来。3.电路板的设计印制电路板的设计主要是针对 Protel 99 SE 的另外一个重要的部分 PCB 而言的，在这个过程中，借助 Protel 99 SE 提供的强大功能实现电路板的版面设计，完成高难度的布线等工作,从而设计出符合实际要求并且能够顺利制板的 PCB 板。同时也要给电路板取一个名字以方便制板的后续工作。5.2 Protel 原理图简单的讲原理图的设计流程有一定的规律，得遵守这个顺序才能顺利的完成原理图设计的过程。具体的原理图设计过程如下：1.设计图纸大小运行 Protel 99 SE/ Schematic 后，首先要构思好零件图，设计好图纸大小。图纸大小是根据电路图的规模和复杂程度而定的，设置合适的图纸大小是设计好原理图的第一步。2.设置 Protel 99 SE/Schematic 设计环境设置 Protel 99 SE/Schematic 环境，包括设置格点大小和类型，光标类型等等，大多数参数也可以使用系统默认值。3.旋转零件用户根据电路图的需要，将零件从零件库里取出放置到图上，并对放置零件的序号、零件封装进行定义和设定等工作。4.原理图布线东华理工学院毕业设计（论文） 第五章 印制电路板利用 Protel 99 SE/Schematic 下提供的各种工具，将图上的元件用具有电气意义的导线、符号连接起来，构成一个完整的原理图。5.调整线路6.将初步绘制好的电路图作进一步的调整和修改，使得原理图更加美观。7.报表输出通过 Protel 99 SE/Schematic 下提供的各种报表工具生成各种报表，其中最重要的报表是网络表，通过网络表为后续的电路板设计作准备。8.文件保存及打印输出最后的步骤是文件保存及根据需要打印输出原理图，以便以后参考用。具体原理图设计流程如图所示。5.3 PCB 制板介绍PCB 板的制作是工作的一个重点之一。工作的目的就是能够制出电路板，然而制板的线路也是有技巧的，要依据制板公司的情况而定。遵守以下注意点就可以顺利的制板了。1. 画好电路原理图后，电气规则检查，然后，生成网络表为导入器件作好准备。2.打开 PCB 面板后，根据网络表导入器件，如有提示错误，直到确实错误消失为止，这样就可以导入有网络连接的器件了。3.在 KEEPOUT LAYER 布下制板的范围，如果是正式板的话，尽量紧凑，调试板的话要留有调试空间，可以适当的放宽要求。4.在布线之前，做好最重要的布局工作，布局要讲究整齐、合理各个功能简单、明了。反复修改，达到最佳的要求。5.布局之后，进行布线。布线讲究，先易后难。如果是调试板的话要多加考虑调试的空间；如果是正式的完美板，就要寻求最佳布线。布线的规则要求：a.根据制板厂家的技术确定最小线间隔（比如温州扬升制板，最小间隔就是 10MIL,线的间隔是 10MIL 都能制板。 ） ，b.电源线要求粗，如果是 220V 的话，最好在 40MIL 以上；如果时+5V 之类的话，最好在 1220MIL，如果是信号线最好是 10MIL 或者 8MIL。c.布线要求走线合理，不要走弯路，注意间距配合。d.根据调试方便，引出需要调试的线，以便调试的时候用到e.布线完之后，要整体检查一下看有无错的地方，有的话及时改正。f.最后送出制板，记住，最后留下的都是有用的，就是原理图和 PCB 板两个文件。其他文件没用的删掉，合理管理资源。东华理工学院毕业设计（论文） 第七章 结束语第六章第六章 结束语结束语本文设计的是基于 RS-485 的温度测控系统，系统实现的功能是远程测量温度和控制电机正反转。通过以上设计可以实现远程测控，同时也可以对相关的功能调试。但是，系统实现的功能比较少，只是在探索远程测控系统的初级阶段。由于水平有限，在我们的设计中难免会出现错误和不足，敬请老师批评指正。 通过这次毕业设计，我受益匪浅，我的课题是基于 RS-485 总线的网络测控系统。由于大学四年的学习的大多都是理论知识，动手能力不是很强，这次毕业设计不仅很大程度的增强了我的动手能力，还把四年来学习的知识融会贯通，使我的知识结构体系达到一个新的高度！毕业设计能够从理论设计和工程实践相结合，巩固基础知识与培养创新意识相结合，个人作用与集体协作相结合等方面前面培养学生的全面素质。这对我以后迈入工作岗位有很大的帮助。通过这次毕业设计，我对单片机系统有了更深刻的认识，巩固了 protel 的应用，加强了单片机和智能仪器的学习，对基于 RS-485 总线的网络测控系统有了初步的认识，在硬件和软件的设计方面都取得了一定的成绩。如果没有老师和同学的帮助，我是无法取得这些成果的，而且，朱老师治学严谨的态度让我非常崇敬，在这里，我再一次向朱兆优老师表示谢意。东华理工学院毕业设计（论文） 致谢致谢致谢历时多个月的毕业设计已经结束了，在朱兆优老师精心的指导和实习单位林航工程师的培养下，让我不仅对自动化仪表设计、总线通信技术，小型测控系统以及公司状况有了深刻
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