基于51單片機(jī)的多機(jī)通信系統(tǒng)設(shè)計說明

..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)在實時數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理方面,有著成本低、能滿足一般要求、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn),其在智能家居、計算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通信與數(shù)據(jù)傳輸、工業(yè)控制自動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)計的。在初期,采用紅外無線通信方式,其傳輸距離短,適于一般家庭應(yīng)用,且成本相對較低；待方案成熟、成本允許,可以改用GSM無線通信方式。二、系統(tǒng)原理及方案設(shè)計1、系統(tǒng)框架介紹 本系統(tǒng)為基于51單片機(jī)的多機(jī)紅外無線通信系統(tǒng),由三個51單片機(jī)模塊組成。其中一個作為主機(jī)〔即上位機(jī),負(fù)責(zé)接收來自從機(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)模塊簡圖：圖1系統(tǒng)總體框圖圖2紅外收發(fā)模塊簡圖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,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,還包含一個可編程的第9位數(shù)據(jù)TB8或RB8。主機(jī)可以通過對TB8賦予1或0,來區(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,接收數(shù)據(jù)將被裝入SBUF并將RI標(biāo)志置1,向CPU發(fā)送中斷請求；若接收的是數(shù)據(jù)幀時,則不會產(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)都會被裝入SBUF并置1標(biāo)志位RI,向CPU發(fā)出中斷請求。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),并給每個從機(jī)初始化一個地址值；〔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)從第二幀開始發(fā)送數(shù)據(jù)幀,其中第9位為0。對于已經(jīng)被尋址的從機(jī),因其SM2為0,可以接收主機(jī)發(fā)送來的任何信息,而對于其他從機(jī),因其SM2為1,將對主機(jī)發(fā)送來的數(shù)據(jù)信息不予理睬,直到發(fā)來一個新的地址幀?！?若主機(jī)需要要與其他從機(jī)聯(lián)系,可再次發(fā)送地址幀來進(jìn)行從機(jī)尋址,而先前被尋址過的從機(jī)在分析出主機(jī)發(fā)來的地址幀是對其他從機(jī)尋址時,恢復(fù)其自身的SM2為1,對主機(jī)隨后發(fā)來的數(shù)據(jù)信息不予理睬。3、紅外通信方式介紹因為本系統(tǒng)是面向智能家居而設(shè)計的,考慮到有線方式給用戶帶來的不便,我們選用無線作為各單片機(jī)間的通信方式。且我們隊員以前未做無線通信,希望在這次比賽中鍛煉、提高自己。對于無線通信方式,常見的有五種：紅外通信,藍(lán)牙通信,Zigbee通信,GSM通信,GPRS通信。紅外通信是我們在學(xué)習(xí)中接觸到最多的,元件材料相對簡單、容易獲得,能夠滿足一般家庭應(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,購買則增加系統(tǒng)成本。Zigbee、GSM、GPRS則或系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜,或成本高。紅外通信背景介紹：紅外線是波長在750nm至1000nm間的電磁波,其頻率高于微波而低于可見光,是一種人肉眼看不見的光線。目前無線電波和微波已被廣泛應(yīng)用在長距離的無線通信中,但由于紅外線的波長較短,對障礙物的衍射能力差,所以更適合應(yīng)用在需要短距離無線通信場合點(diǎn)對點(diǎn)的直線數(shù)據(jù)傳輸。〔1紅外收發(fā)器TFDU4100介紹對于紅外收發(fā)模塊,我們采用TFDU4100紅外收發(fā)器來實現(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芯片圖片管腳號作用描述I/O有效電平1IREDAnode紅外發(fā)射的陽極,該引腳通過一個外接電阻與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)送時此腳無效輸出引腳低5NC不用連接6Vcc1/SD電源/關(guān)閉引腳,當(dāng)該腳為低電平時,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)計差別不大?！?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輸出信號轉(zhuǎn)變成符合IrDA標(biāo)準(zhǔn)的信號以驅(qū)動紅外發(fā)射器；在接收模式下,TOIM3232可把IrDA輸入信號轉(zhuǎn)變成符合RS232標(biāo)準(zhǔn)的信號；TOIM3232的紅外傳輸速度范圍為2.4Kbit/s～115.2Kbit/s。TOIM3232內(nèi)部有一個3.6864MHz的晶振,用以實現(xiàn)脈沖的擴(kuò)張和壓縮。該時鐘信號既可以由內(nèi)部晶振產(chǎn)生也可用外部時鐘實現(xiàn)。該控制器可通過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。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、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,控制整個系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。系統(tǒng)啟動時,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,如下圖5所示。將行線、列線分別連接到按鍵開關(guān)的兩端,并且連接到單片機(jī)的I/O口。圖54*4矩陣鍵盤通過矩陣鍵盤,可以向主機(jī)輸入要尋址的從,以控制主與哪一個從通信；并能控制與主機(jī)連接的1602液晶,顯示任意一項從機(jī)1測量的數(shù)據(jù)。下面為4*4矩陣鍵盤的程序設(shè)計流程圖如下圖6所示：圖64*4矩陣鍵盤的程序設(shè)計流程圖1602液晶是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號的點(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個字符。一般其主控制驅(qū)動電路為HD44780,模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器〔CGROM已經(jīng)存儲了160個不同的點(diǎn)陣字符圖形,每一個字符都有一個固定的代碼,比如大寫的英文字母"A"的代碼是01000001B〔41H,顯示時模塊把地址41H中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來,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測量的數(shù)據(jù),驗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,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)輸出的串碼信號轉(zhuǎn)換成符合IrDA標(biāo)準(zhǔn)的信號以驅(qū)動TFDU4100；它還可以將IrDA輸入信號轉(zhuǎn)換成串碼信號送入單片機(jī)。其電路設(shè)計原理圖如下圖7所示：圖751單片機(jī)、TOIM3232、TFDU4100簡易連接原理圖主機(jī)負(fù)責(zé)對外圍器件的調(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：串行口中斷開始串行口中斷開始數(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)超過閥值1602顯示數(shù)據(jù)超過閥值返回主程序默認(rèn)啟動時與從機(jī)1連接N返回主程序默認(rèn)啟動時與從機(jī)1連接鍵盤設(shè)置連接從機(jī)21602顯示此時與從機(jī)1連接Y鍵盤設(shè)置連接從機(jī)21602顯示此時與從機(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)溫度的測量采用溫度傳感器DS18B20。選用此傳感器的原因是它價格便宜,可以降低系統(tǒng)成本,且對于一般家庭使用,此傳感器的精度足夠了。使用簡單,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,并通過單線接口送至CPU。DSl820中有用于貯存測得的溫度值的兩個8位存貯器RAM編號為0號和1號。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就得到被測溫度值<-550攝氏度--125攝氏度>。光強(qiáng)傳感器采用實驗室現(xiàn)已有的,主要由可見光光敏電阻器、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,電阻減小,入射光弱時,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,需要一個多通道的A/D,而我們以前做數(shù)電實驗時用過的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。 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,與傳到主機(jī)的數(shù)據(jù)作對比,驗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)位開始復(fù)位開始N定時時間到？1602顯示定時時間到？1602顯示紅外向主機(jī)發(fā)送Y紅外向主機(jī)發(fā)送啟動A/D,采集數(shù)據(jù)啟動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)動電路主要由L298N構(gòu)成。L298N芯片可以驅(qū)動兩個二相電機(jī),也可以驅(qū)動一個四相電機(jī),輸出電壓最高可達(dá)50V,可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機(jī)的IO口提供信號；而且電路簡單,使用比較方便。電路原理圖如下圖10所示：圖10電機(jī)驅(qū)動電路原理圖 直流電機(jī)采用德國FAULHABER-2342電機(jī),其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小,因而動態(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)控制的實現(xiàn),在電機(jī)后端我們做一個窗簾模型,通過電機(jī)控制窗簾的開關(guān)。 89C52單片機(jī)在此模塊中,負(fù)責(zé)控制接收來自主機(jī)的信息,并產(chǎn)生PWM波驅(qū)動電機(jī),以達(dá)到調(diào)速的目的。51沒有硬件的PWM,全靠軟件模擬。調(diào)速程序可以用定時器做,首先設(shè)置兩個定時用的全局變量,一個代表高電平時間,一個代表低電平時間。先給定時器初值〔既那兩個全局變量中的一個,溢出后觸發(fā)中斷,在中斷里設(shè)置另另一個初值并且取反PWM的輸出端口,兩個初值輪流給定時器,就可