基于MODBUS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、吉林化工學(xué)院信控學(xué)院專業(yè)綜合設(shè)計(jì)說明書 基基于于 M Mo od db bu us s 協(xié)協(xié)議議的的數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)采采集集系系統(tǒng)統(tǒng) 學(xué)生學(xué)號(hào)： # 學(xué)生姓名： # 專業(yè)班級(jí)： # 指導(dǎo)教師： # 職 稱： 教授 起止日期：2014.3.32014.3.23 吉林化工學(xué)院 Jilin Institute of Chemical Technology 專業(yè)綜合設(shè)計(jì)任務(wù)書 一設(shè)計(jì)題目：基于一設(shè)計(jì)題目：基于 MODBUSMODBUS 協(xié)議的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)協(xié)議的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 二二設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)目目的的 1培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力及獨(dú)立分析和解決工程實(shí)際問題的能力； 2培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神、創(chuàng)新意識(shí)、嚴(yán)肅認(rèn)真的治學(xué)態(tài)度和

2、嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的工作作風(fēng)； 3學(xué)習(xí)SST89E516RD 單片機(jī)體系結(jié)構(gòu)及程序開發(fā)； 4學(xué)習(xí)電路的焊裝和硬件調(diào)試； 5. 編寫完整的實(shí)驗(yàn)程序，進(jìn)行整機(jī)調(diào)試； 6. 學(xué)習(xí)撰寫設(shè)計(jì)說明書 。 三三設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)任任務(wù)務(wù)及及要要求求 設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)基于Modbus 協(xié)議的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 。系統(tǒng)具有以下基本功能： 1利用PCF8591 轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)外部數(shù)據(jù)的采集； 2使用Modbus 通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與上位機(jī)的通訊； 3. 通過組態(tài)王軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。 四四設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)時(shí)時(shí)間間及及進(jìn)進(jìn)度度安安排排 設(shè)計(jì)時(shí)間共三周（2014.3.32014.3.23）,具體安排如下表： 周安排設(shè) 計(jì) 內(nèi) 容設(shè)計(jì)時(shí)間 第一周 1.

3、掌握SST89E516RD 單片機(jī)體系結(jié)構(gòu)； 2. 設(shè)計(jì)采樣電路和調(diào)試，并應(yīng)用 Protel 畫出其電路原理圖。 2014.3.32 014.3.9 第二周 1. 學(xué)習(xí)Modbus 通信協(xié)議和組態(tài)王； 2. 編寫實(shí)驗(yàn)程序。 2014.3102 014.3.16 第三周 1. 整機(jī)調(diào)試； 2. 撰寫綜合設(shè)計(jì)報(bào)告； 3. 答辯。 2014.3.17 2014.3.23 五五指指導(dǎo)導(dǎo)教教師師評(píng)評(píng)語(yǔ)語(yǔ)及及學(xué)學(xué)生生成成績(jī)績(jī) 指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ): 年 月 日 成績(jī)指導(dǎo)教師(簽字): 目 錄 專業(yè)綜合設(shè)計(jì)任務(wù)書 I 摘要III 第 1 章 概述1 第 2 章 方案選取2 2.1 通信方式選擇2 2.2 PCF85

4、91 的選擇2 第 3 章 硬件電路設(shè)計(jì)3 3.1 設(shè)計(jì)流程圖3 3.2 RS485 通信電路圖3 3.3 單片機(jī)最小系統(tǒng)4 第 4 章 主要元器件的介紹5 4.1 SST89E516RD 單片機(jī)5 4.1.1 儲(chǔ)存器5 4.1.2 定時(shí)器6 4.1.3 端口輸入/輸出6 第 5 章 系統(tǒng)電源 7 第 6 章 軟件設(shè)計(jì)9 6.1 編程軟件9 6.2 編程語(yǔ)言的介紹10 6.3 組態(tài)王軟件11 結(jié)論15 參考文獻(xiàn)16 附錄 1 電路原理圖17 附錄 2 程序19 摘要 此次專業(yè)綜合設(shè)計(jì)采用89E516RD 單片機(jī)、ADM2582 隔離型RS-485 收發(fā)器，利用SIPEX SP3223EEY 芯

5、片 RS232 轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的系統(tǒng)， 89E516RD 單片機(jī)作為下位機(jī)，應(yīng)用組態(tài)王6.55 軟件 編制的上位機(jī)監(jiān)控程序 ，應(yīng)用單片機(jī)內(nèi)部集成A/D 轉(zhuǎn)換器完成對(duì)實(shí)時(shí)電位器電阻模擬量的采集和 處理，而組態(tài)王用于對(duì)下位機(jī)參數(shù)讀寫、顯示、報(bào)警等，從而實(shí)現(xiàn)了一套完整可靠的 電阻采集監(jiān) 控系統(tǒng)。上位機(jī)和下位機(jī)通過Modbus 通訊協(xié)議來進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。 該系統(tǒng)具有使用方便、測(cè)量精確、穩(wěn)定性高、可性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以在很多領(lǐng)域應(yīng)用，如溫 度、液位、壓力等物理量的采集和監(jiān)控。 關(guān)關(guān)鍵鍵字字：89E516RD，MAX232，PCF8591,組態(tài)王6.52，Modbus 協(xié)議 第 1 章 概述 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信與控

6、制技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)致自動(dòng)化系統(tǒng)的深刻變革。隨著微處理器與計(jì)算 機(jī)功能的不斷增強(qiáng)，價(jià)格急劇降低，計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)得到迅速發(fā)展。而處于企業(yè)生產(chǎn) 過程底層的測(cè)控自動(dòng)化系統(tǒng)，由于設(shè)備之間采用傳統(tǒng)的一對(duì)一連線，用電壓、電流的模擬信號(hào) 進(jìn)行測(cè)量控制，或采用自成體系的封閉式的集散系統(tǒng)，難以實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間以及系統(tǒng)與外界之間 信息變換，使自動(dòng)化系統(tǒng)成為 “信息孤島”。 隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對(duì)工業(yè)設(shè)備的控制逐步從單一獨(dú)立系統(tǒng)向集散控制監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展， 因此，我們?cè)O(shè)計(jì)了基于Modbus 協(xié)議實(shí)現(xiàn)下位機(jī)對(duì)電壓信號(hào)的采集和組態(tài)王通信 的智能工業(yè)控制器 監(jiān)控系統(tǒng)，它的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)由數(shù)據(jù)的發(fā)送設(shè)備、接收設(shè)備、作為傳輸介質(zhì)的

7、總線、通信協(xié)議 組成。本設(shè)計(jì)雖然是簡(jiǎn)單的用單片機(jī)內(nèi)部集成A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電壓采樣，但是利用此原理，并將 設(shè)計(jì)稍加改動(dòng)，就會(huì)演變成很多工業(yè)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，例如對(duì)溫度、壓力、液位等工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)參 數(shù)的精確控制，并且可以利用上位組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)的讀寫、顯示、越限報(bào)警等 實(shí)現(xiàn)了一個(gè) 完整的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)。 現(xiàn)場(chǎng)總線是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。它 的出現(xiàn)，將對(duì)該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展產(chǎn)生重要影響，而本設(shè)計(jì)所運(yùn)用的 Modbus 協(xié)議更是現(xiàn)場(chǎng)總線中 應(yīng)用較為廣泛的一種總線技術(shù)。 第 2 章 方案選取 2.1 通信方式選擇 用通信方式來看，有兩種總線方式即： RS232 總線

8、和RS485 總線。 方案一：采用采用RS232 串行總線方式，它是外部串行總線，通常我們用 9 針線接口進(jìn)行通 信，實(shí)際上只用到TXD、RXD、GND 三根線，單端傳輸方式，最大傳輸距離是15 米，最大傳輸速度 20Kbit/s，具有串行傳輸只需要一根傳輸線即可，在成本上可以有一定的節(jié)約。 但是典型的RS-232 信號(hào)在正負(fù)電平之間擺動(dòng)，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送端的驅(qū)動(dòng)器輸出正電平在 +5+15V，負(fù)電平在-5-15V 之間。當(dāng)沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，線上未TTL,從開始傳輸數(shù)據(jù)到結(jié)束， 線上電平從TTL 電平到RS-232 電平再返回TTL 電平。接收器典型的正工作電平再 +3+12V，負(fù)電 平在-3-

9、12V。由于發(fā)送電平和接收電平的差僅為2V 到3V，所以共模抑制能力差，再加上雙絞 線上的分布電容，其傳送距離最大為15M，最高速率為20Kbit/s。由于RS-232 用于一對(duì)收發(fā)設(shè)備 通訊，所以它只適合本地設(shè)備之間的通訊。 方案二：采用RS485 串行總線方式，它也是外部串行總線， RS-485 可以采用二線與四線方式， 二線制可以真正實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)雙向通訊。而在采用四線連接時(shí)，只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多的通信，也就是只 有一個(gè)主設(shè)備，其他全為從設(shè)備。它的特點(diǎn)是輸入為差分輸入方式，最大傳輸距離為 1200 米，最 大傳輸速率為10Mbit/s，其優(yōu)點(diǎn)是在RS232 基礎(chǔ)上其抗干擾能力極強(qiáng)，同一根電纜線的數(shù)據(jù)

10、傳 輸可以不受其他線路的干擾，還具有總線收發(fā)器靈敏度很高，能檢測(cè)很低的電壓（ 200mV），在遠(yuǎn) 距離傳輸時(shí)也能使信號(hào)得以恢復(fù)。 RS-485 的接口信號(hào)電平較RS-232 低，不易是接口電路的芯片 受到損壞。由于RS-485 的種種優(yōu)點(diǎn)，使它成為眾多工程師的首選串行接口。 所以基于RS-485 的優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)也采用方案二作為通信方式 。 2.2 PCF8591 的選擇 PCF8591 是一個(gè)單片集成、單獨(dú)供電、低功耗、 8-bit CMOS 數(shù)據(jù)獲取器件。PCF8591 具有4 個(gè)模擬輸入、1 個(gè)模擬輸出和1 個(gè)串行IC 總線接口。PCF8591 的3 個(gè)地址引腳A0, A1 和A2 可用

11、于硬件地址編程，允許在同個(gè)IC 總線上接入8 個(gè)PCF8591 器件，而無需額外的硬件。在 PCF8591 器件上輸入輸出的地址、控制和數(shù)據(jù)信號(hào)都是通過雙線雙向 IC 總線以串行的方式進(jìn)行 傳輸。 PCF8591 的功能包括多路模擬輸入、內(nèi)置跟蹤保持、 8-bit 模數(shù)轉(zhuǎn)換和8-bit 數(shù)模轉(zhuǎn)換。 PCF8591 的最大轉(zhuǎn)化速率由IC 總線的最大速率決定。 第 3 章 硬件電路設(shè)計(jì) 3.1 設(shè)計(jì)流程圖 在設(shè)計(jì)方案選定好之后，需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程有個(gè)具體的思考分析，并拿出一個(gè)具 體的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案框圖，將整個(gè)實(shí)現(xiàn)過程模塊化，便于硬件電路的設(shè)計(jì)和分工焊 接，便于硬件的 檢錯(cuò)和硬件的調(diào)試。圖3-1

12、，便是選定的方案一的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖。 圖3-1 工作流程圖 3.2 RS485 通信電路圖 RS-485 數(shù)據(jù)信號(hào)采用差分傳輸方式，也稱作平衡傳輸，它使用一對(duì)雙絞線，將其中一線定 義為A，另一線定義為B。RS-485 可以采用二線與四線方式，二線制可實(shí)現(xiàn)真正的多點(diǎn)雙向通信。 RS-485 總線，在要求通信距離為幾 十米到上千米時(shí)，廣泛采用RS-485 串行總線標(biāo)準(zhǔn)。RS-485 采 用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢 測(cè)低至200mV 的電壓，故傳輸信號(hào)能在千米以外得到恢復(fù)。 RS-485 采用半雙工工作方式，任何時(shí) 候只能有一點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)，因此

13、，發(fā)送電路須由使能信號(hào)加以控制。 RS-485 用于多點(diǎn)互連時(shí)非 常方便，可以省掉許多信號(hào)線。應(yīng)用RS-485 可以聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng)，其允許最多并聯(lián)32 臺(tái)驅(qū) 動(dòng)器和32 臺(tái)接收器。 RS-485 驅(qū)動(dòng)器可以用在RS-422 網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。RS-485 的最大傳輸距離約為 1219 米，最大傳輸速率為10Mbps。平衡雙絞線的長(zhǎng)度與傳輸速率成反比，在100Kbps 速率以下， 才可能使用規(guī)定最長(zhǎng)的電纜長(zhǎng)度。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般 100 米長(zhǎng)雙 絞線最大傳輸速率僅為1Mbps。 在短距離的信息傳輸過程中，可以忽略大部分的干擾，即可以不使用雙絞線。在沒有強(qiáng)干 擾的影響時(shí)，信

14、號(hào)傳輸?shù)慕K端也可以不加抗共模干擾的電阻。有的情況， 485 總線芯片的供電電 源也會(huì)引起干擾，在這種情況下，需要對(duì)供電電源進(jìn)行隔離，圖 3-3 所示的電路就是消除電源干 擾的一種電路設(shè)計(jì)方案。 圖3-2 RS485 通信原理圖 3.3 單片機(jī)最小系統(tǒng) 單片機(jī)最小系統(tǒng)包括電源電路，復(fù)位電路和定時(shí)電路。如圖示為 3-3 單片機(jī)最小系統(tǒng)。 圖3.3 單片機(jī)最小系統(tǒng) 第 4 章 主要元器件的介紹 4.1 SST89E516RD 單片機(jī) STT89E516RD 是8 位集成儲(chǔ)存器的51 系列兼容單片機(jī)，和51 系列單片機(jī)軟件兼容、管腳也 兼容。SST89E516RD 片內(nèi)有兩塊SuperFlashEEP

15、ROM,分為64k 主塊（BLOCK0）和8k 次塊 （BLOCK1）.BLOCK0 的地址范圍是0000hffffIBLOCK1 的地址范圍是10000h11fffh。做仿真器時(shí) BLOCK1 儲(chǔ)存區(qū)燒寫SOFtIC 仿真監(jiān)控程序。SST89E516RD 具有在應(yīng)用可編程（ IAP）和在系統(tǒng)可編 程（ISP）的功能，其中IAP 是通過串口實(shí)現(xiàn)的。仿真器就是利用了SST89E516RD 的IAP 功能。由 于SST89E516RD 具有兩塊獨(dú)立的SuperFlash 程序儲(chǔ)存區(qū)，當(dāng)監(jiān)控程序在Block1 儲(chǔ)存區(qū)運(yùn)行時(shí)可 以改寫B(tài)lock0 程序儲(chǔ)存區(qū)中的程序，這就是仿真器的基本特性。 圖4-1

16、 單片機(jī)原理圖 4.1.1 儲(chǔ)存器 1.程序FLASH存儲(chǔ)器： 單片機(jī)內(nèi)部有兩塊FLASH存儲(chǔ)器，第一塊（BLOCK0）是64Kbyte，第二塊（BLOCK1）是 8Kbyte。因?yàn)槿砍绦虻刂房臻g限制為64Kbyte，SFCF1:0用來控制程序區(qū)的選擇。請(qǐng)參考 圖3-1和圖3-2的程序空間的配置。64K/32K x8的第一塊由512/256個(gè)扇區(qū)組成，每個(gè)扇區(qū)有 128Byte。8K x8的第二塊由64個(gè)扇區(qū)組成，每個(gè)扇區(qū)有128Byte。 2.程序存儲(chǔ)器塊的切換： 單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器塊切換功能使BLOCK1或BLOCK0的低8Kbyte占用程序地址空間的最低 8Kbyte地址。SFCF1:

17、0控制程序存儲(chǔ)器的塊切換。 3.程序存儲(chǔ)器塊切換的復(fù)位初始值： 程序存儲(chǔ)器塊切換的復(fù)位初始值是由起動(dòng)配置位SC0及SC1的狀態(tài)確定。SC0和SC1位可通 過外部主機(jī)模式命令或IAP模式的命令來編程。請(qǐng)看表4-2和表4-7。RESET完成后，SFCF0可 以由程序動(dòng)態(tài)地修改，改變SFCF0值不會(huì)改變SC0位。在改變SFCF0的值時(shí)需要小心，因?yàn)?會(huì)使不同的物理空間印射到邏輯程序地址空間，使用者必須防止在地址范圍0000H到1FFFH執(zhí) 行塊切換指令。 4.數(shù)據(jù)RAM儲(chǔ)存器： 數(shù)據(jù)RAM有1024字節(jié)的內(nèi)部存儲(chǔ)器，RAM能尋址到64Kbyte的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 5.擴(kuò)展數(shù)據(jù)RAM的尋址： SST8

18、9E/V554RC和SST89E/V564RD都有1K的RAM，對(duì)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器有四個(gè)部分： （1）RAM的低128Byte（00H到7FH）可以直接或間接尋址。 （2）RAM的高128Byte（80H到FFH）可以間接尋址。 （3）特殊功能寄存器（80H到FFH）只能直接尋址。 （4）768Byte的擴(kuò)展RAM（00H到2FFH）由轉(zhuǎn)移外部指令MOVX間接尋址和清除EXTRAM位。由 于高位128Byte字節(jié)和SFR占用相同的地址，RAM必須間接訪問，RAM和SFR空間盡管有相同的地 址，但是它們?cè)谖锢砩鲜欠珠_的。當(dāng)指令訪問高位128Byte（高于7FH），單片機(jī)訪問SFR還是 RAM由指令

19、的類型，如果是間接，將訪問RAM；如果是直接，將訪問SFR。 4.1.2 定時(shí)器 器件有3 個(gè)16 位寄存器做定時(shí)器或事件計(jì)數(shù)器。 3 個(gè)定時(shí)器或計(jì)數(shù)器分別是T0、T1 和T2。 每個(gè)都有一對(duì)8 位特殊功能寄存器指定。各自的寄存器是TL0，TH0，TL1，TH1，TL2，TH2。 下面的表提供設(shè)置T0、T1、T2的TMOD值。除了在波特率發(fā)生器模式， T2CON不包括TR2位的設(shè) 置，TR2位需要單獨(dú)設(shè)置來啟動(dòng)定時(shí)器。 4.1.3 端口輸入/輸出 SST89E516 有4 個(gè)8 位I/O 口（32 個(gè)I/O 引腳）和1 個(gè)4 位口，共36 個(gè)I/O 口。SST89E516 端口的工作情況與標(biāo)準(zhǔn)

20、8051 相似,但有一些改進(jìn)。 1.P0 是八位雙向I/O 端口，當(dāng)作輸出口時(shí)每個(gè)引腳可以接收LS TTL 電平輸入，可以寫為1 使其狀態(tài)為懸浮用做高阻輸入。 P0 也可以在訪問外部程序存儲(chǔ)器時(shí)作地址的低字節(jié)，在訪問外 部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)作數(shù)據(jù)總線，此時(shí)通過內(nèi)部強(qiáng)上拉輸出 1。P0 在外部主機(jī)模式編程時(shí)接收代碼， 外部主機(jī)模式校驗(yàn)是輸出代碼。在編程校驗(yàn)或是當(dāng)作通用 I/O 口時(shí)需要外接上拉。 2.P1 口是8 位帶內(nèi)部上拉的雙向I/O 口，P1 輸出可以驅(qū)動(dòng)LS TTL 輸入。向P1 口寫入1 時(shí) P1 口被內(nèi)部上拉為高電平，可用作輸入口。當(dāng)作為輸入腳時(shí)被外部拉低的 P1 口會(huì)因?yàn)閮?nèi)部上拉 而輸出

21、電流(見DC 電氣特性) 。P15，6，7可以驅(qū)動(dòng)16mA 的大電流。P1 口在外部主機(jī)模式編程 和校驗(yàn)時(shí)接收低位地址數(shù)據(jù)。 3.P2 口是8 位帶內(nèi)部上拉的雙向I/O 口。向P2 口寫入1 時(shí)P2 口被內(nèi)部上拉為高電平，可用 作輸入口。當(dāng)作為輸入腳時(shí)，被外部拉低的P2 口會(huì)因?yàn)閮?nèi)部上拉而輸出電流 (見DC 電氣特性)。 在訪問外部程序存儲(chǔ)器和外部數(shù)據(jù)時(shí)分別作為地址高位字節(jié)和 16 位地址(MOVX DPTR)，此時(shí)通過 內(nèi)部強(qiáng)上拉傳送1。P2 口在外部主機(jī)模式編程和校驗(yàn)時(shí)接收一些控制信號(hào)和部分的高位地址數(shù) 據(jù)。 4.P3 口是8 位帶內(nèi)部上拉的雙向I/O 口。P3 口輸出緩沖器可以驅(qū)動(dòng)LS

22、TTL 輸入。向P3 口 寫入1 時(shí)P3 口被內(nèi)部上拉為高電平，可用作輸入口。當(dāng)作為輸入腳時(shí)，被外部拉低的 P3 口會(huì)因 為內(nèi)部上拉而輸出電流 (見DC 電氣特性)。P3 口在外部主機(jī)模式編程和校驗(yàn)時(shí)接收一些控制信號(hào) 和部分的高位地址數(shù)據(jù) . 4.2 數(shù)/模轉(zhuǎn)換元件PCF8591 PCF8591 是一款單電源、低功耗8 位COMS 型A/D、D/A 轉(zhuǎn)換芯片，它具有4 路模擬量輸入通 道、一路模擬量輸出通道和1 個(gè)IC 總線接口。該器件I2C 從地址的低三位由芯片的A0、A1 和 A2 三個(gè)地址引腳決定，所以在不增加任何硬件的情況下同一條 IC 總線最多可以連接8 個(gè)同類型 的器件。 圖4-2

23、 PCF8591 與單片機(jī)轉(zhuǎn)換原理圖 第 5 章 系統(tǒng)電源 本次綜合設(shè)計(jì)中介紹的直流穩(wěn)壓電源一般是線性穩(wěn)壓電源 , 它是將起電壓調(diào)整的作用器件始 終工作在線性放大區(qū)，由50Hz 工頻變壓器、整流器、濾波器和串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓器組成。 它的基本工作原理為：工頻交流電源經(jīng)過變壓器降壓、 整流、濾波、再次濾波后成為一穩(wěn) 定的直流電源。圖中其余部分是起電壓調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓作用的控制部分。電源接上負(fù)載后，通 過采樣電路獲得輸出電壓，將此輸出電壓與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較 。如果輸出電壓小于基準(zhǔn)電壓，則 將誤差值經(jīng)過放大電路放大后送入調(diào)節(jié)器的輸入端，通過調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)使輸出電壓增加，直到與 基準(zhǔn)值相等；如果輸出電壓大于基準(zhǔn)電

24、壓，則通過調(diào)節(jié)器使輸出減小 ，最后直至與基準(zhǔn)電壓相等 。 這種穩(wěn)壓電源具有優(yōu)良的紋波及動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性 。 此次設(shè)計(jì)所用到的電源是5V 直流電源，采用變壓器實(shí)現(xiàn)220V 到5V 的轉(zhuǎn)換，變壓器如下圖； 圖5-1 AY-MPU89C51A 核心板電源連接方式 第 6 章 軟件設(shè)計(jì) 6.1 編程軟件 Keil C51 是美國(guó) Keil Software 公司出品的 51 系列兼容單片機(jī) C 語(yǔ)言軟件開發(fā)系統(tǒng)。 Keil C51 軟件提供豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows 界面。 另外重要的一點(diǎn)，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會(huì)到Keil C51 生成的目標(biāo) 代碼效率非常

25、之高，多數(shù)語(yǔ)句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時(shí)更能 體現(xiàn)高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)。下面詳細(xì)介紹 Keil C51 開發(fā)系統(tǒng)各部分功能和使用。 我們用開發(fā)軟件Keil uVision3 來編寫、修改所需程序和下載程序到單片機(jī)運(yùn)行。其下介紹 Keil uVision3 的使用步驟： 1.雙擊Keil uVision3，得到主畫面，如圖6-1 所示： 2新建界面 Project-new project，如圖6-2 所示： 圖6-1 Keil uVision3 基本畫面 圖6-2 KeiluVision3 的新建界面 3.單片機(jī)的選擇，如圖6-3 所示： 圖6-3 單片機(jī)選擇 4.C 文件的創(chuàng)建

26、和添加，如 圖6-4 所示： 圖6-4 C 文件創(chuàng)建 6.2 編程語(yǔ)言的介紹 C 語(yǔ)言1是一種面向過程的計(jì)算機(jī) 程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，它是目前眾多計(jì)算機(jī)語(yǔ)言中舉世公認(rèn)的優(yōu) 秀的結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言之一。它由美國(guó) 貝爾研究所D.M.Ritchie 于1972 年推出。1978 后，C 語(yǔ)言 已先后被移植到大、中、小及微型機(jī)上。 C 語(yǔ)言發(fā)展如此迅速，而且成為最受歡迎的語(yǔ)言之一， 主要因?yàn)樗哂袕?qiáng)大的功能。許多著名的 系統(tǒng)軟件，如DBASE 都是由C 語(yǔ)言編寫的。用C 語(yǔ) 言加上一些匯編語(yǔ)言子程序，就更能顯示C 語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)了，像PC- DOS 、WORDSTAR 等就是用這 種方法編寫的。 C 語(yǔ)言主要有以下

27、特點(diǎn)： 1.C 是中級(jí)語(yǔ)言。它把高級(jí)語(yǔ)言的基本結(jié)構(gòu)和語(yǔ)句與低級(jí)語(yǔ)言的實(shí)用性結(jié)合起來。 C 語(yǔ)言可 以像匯編語(yǔ)言一樣對(duì)位、字節(jié)和地址進(jìn)行操作， 而這三者是計(jì)算機(jī)最基本的工作單元。 2.C 是結(jié)構(gòu)式語(yǔ)言。結(jié)構(gòu)式語(yǔ)言的顯著特點(diǎn)是 代碼及數(shù)據(jù)的分隔化，即程序的各個(gè)部分除了 必要的信息交流外彼此獨(dú)立。這種結(jié)構(gòu)化方式可使程序?qū)哟吻逦?，便于使用、維護(hù)以及調(diào)試。C 語(yǔ)言是以函數(shù)形式提供給用戶的，這些函數(shù)可方便的調(diào)用，并具有多種循環(huán)、條件語(yǔ)句控制程 序流向，從而使程序完全結(jié)構(gòu)化。 3.C 語(yǔ)言功能齊全。具有各種各樣的 數(shù)據(jù)類型，并引入了指針概念，可使程序效率更高。另 外C 語(yǔ)言也具有強(qiáng)大的圖形功能，支持多種顯示

28、器和驅(qū)動(dòng)器。而且計(jì)算功能、 邏輯判斷功能也比 較強(qiáng)大，可以實(shí)現(xiàn)決策目的的游戲。 4.C 語(yǔ)言適用范圍大。適合于多種 操作系統(tǒng)，如Windows、DOS、UNIX 等等；也適用于多種機(jī) 型。C 語(yǔ)言對(duì)編寫需要硬件進(jìn)行操作的場(chǎng)合，明顯優(yōu)于其它解釋型高級(jí)語(yǔ)言，有一些大型 應(yīng)用軟 件也是用C 語(yǔ)言編寫的。C 語(yǔ)言具有繪圖能力強(qiáng)，可移植性，并具備很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，因此 適于編寫系統(tǒng)軟件， 三維，二維圖形和動(dòng)畫。它是數(shù)值計(jì)算的高級(jí)語(yǔ)言。 基于C 語(yǔ)言的這些特點(diǎn)，我們選用C 語(yǔ)言來作為編程語(yǔ)言。 6.3 組態(tài)王軟件 組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件，是新型的工業(yè)自動(dòng)控系統(tǒng)，它以標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)計(jì)算機(jī)軟、硬 件平臺(tái)構(gòu)成的集

29、成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)。 它具有適應(yīng)性強(qiáng)、開放性好、易于擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。通常可以把這樣 的系統(tǒng)劃分為控制層、監(jiān)控層、管理層三個(gè)層次結(jié)構(gòu)。其中監(jiān)控層對(duì)下連接控制層，對(duì)上 連接管理層，它不但實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，且在自動(dòng)控制系統(tǒng)中完成上傳下達(dá)、 組態(tài)開發(fā)的重要作用。尤其考慮三方面問題：畫面、數(shù)據(jù)、動(dòng)畫。通過對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)要求及 實(shí)現(xiàn)功能的分析，采用組態(tài)王對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 組態(tài)也為試驗(yàn)者提供了可視化監(jiān)控畫 面，有利于試驗(yàn)者實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控。而且，它能充分利用Windows 的圖形編輯功能，方便地 構(gòu)成監(jiān)控畫面，并以動(dòng)畫方式顯示控制設(shè)備的狀態(tài)，具有報(bào)警窗口、實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線等，可 便利

30、的生成各種報(bào)表。它還具有豐富的 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和靈活的組態(tài)方式、數(shù)據(jù)鏈接功能。 下面介紹組態(tài)監(jiān)控界面的建立，其步驟如下： 1.雙擊組態(tài)王6.55，得到主畫面，啟動(dòng)“組態(tài)王”工程管理器（ProjManager） ，選擇菜單 “文件新建工程”或單擊“新建”按鈕，彈出如圖6-5所示 2.點(diǎn)擊下一步，按照步驟進(jìn)行建立工程和存檔，直到出現(xiàn)如下界面則創(chuàng)建成功。如圖 6-6 所 示 圖 6-6 建立工程完成 3.點(diǎn)擊設(shè)備串口設(shè)置，選擇數(shù)據(jù)傳輸波特率等相關(guān)參數(shù)。如圖 6-7 所示 圖6-5新建工程界面 圖 6-7 設(shè)置串口 4.雙擊COM2，新建I/O 設(shè)備，按照提醒設(shè)置需要的參數(shù)。如圖6-8 所示 圖6-8

31、設(shè)備配置向?qū)?5.監(jiān)控畫面的建立，單擊畫面，出現(xiàn)新建畫面，根據(jù)操作手冊(cè)進(jìn)行畫面建立。如圖 6-9 所示 圖 6-9 新畫面 結(jié) 論 本設(shè)計(jì)運(yùn)用組態(tài)王和SST89E516RD 單片機(jī)，串口通信及PCF8951 設(shè)計(jì)的一個(gè)簡(jiǎn)單、實(shí)用、 測(cè)量精度高的電壓采集和組態(tài)監(jiān)控畫面系統(tǒng) 。這是一次將書本知識(shí)與實(shí)際運(yùn)用有效結(jié)合的一次實(shí) 習(xí)。 在這次硬件課程設(shè)計(jì)過程中，我得到了 童老師和楊老師悉心的指導(dǎo)，是我在短期內(nèi)學(xué)會(huì)了 MODBUS 通信協(xié)議和CRC 校驗(yàn)的計(jì)算方法，以及組態(tài)王上位機(jī)與下位機(jī)通信的 波特率等參數(shù)設(shè)定。 我學(xué)會(huì)了如何去調(diào)試硬件電路以及怎樣利用萬用表等器件去檢測(cè)電路的通斷與線路連接是否有 錯(cuò)。這次

32、設(shè)計(jì)不僅讓我在知識(shí)上有所增長(zhǎng)，動(dòng)手設(shè)計(jì)能力有所提高，還讓 我學(xué)會(huì)了團(tuán)隊(duì)合作的重 要性，團(tuán)隊(duì)的高效率才是整個(gè)設(shè)計(jì) 學(xué)習(xí)過程的高效率。知識(shí)的應(yīng)用和經(jīng)驗(yàn)的積累還是來源于自己 動(dòng)手操作，讓我鞏固了課本知識(shí)，學(xué)會(huì)應(yīng)用到實(shí)際。 一次簡(jiǎn)單的課程設(shè)計(jì)過程包含著多種技巧，老師的經(jīng)驗(yàn)傳授讓我更加容易的去面對(duì)設(shè)計(jì)中 的各種困難，感謝童老師和楊老師的悉心講授。 我深刻地認(rèn)識(shí)到學(xué)好專業(yè)知識(shí)的重要性，也理解了理論聯(lián)系實(shí)際的含義，并且檢驗(yàn)了 這一年 的學(xué)習(xí)成果。雖然在這次設(shè)計(jì)中對(duì)于知識(shí)的運(yùn)用和銜接還不夠熟練。但是我將在以后的工作和 學(xué)習(xí)中繼續(xù)努力、不斷完善。這三 星期的設(shè)計(jì)是對(duì)過去所學(xué)知識(shí)的系統(tǒng)提高和擴(kuò)充的過程，為今 后的

33、發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。 參考文獻(xiàn) 1 翟玉文，梁偉， 艾學(xué)忠.電子設(shè)計(jì)與實(shí)踐. 中國(guó)電力出版社，2005.5 2 童詩(shī)白，華成英. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ). 高等教育出版社出版社， 2009.3 3 閻石. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版） M. 高等教育出版社，2006.5 4 時(shí)景榮，李立春. C 語(yǔ)言程序設(shè)計(jì). 中國(guó)鐵道出版社，2008.12 5 張齊，朱寧西. 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā) . 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2008.8 6 張毅剛. 單片機(jī)原理及應(yīng)用. 北京：高等教育出版社， 2008 7 申琢玉.吉林化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 .2009.6.12 8 黃松嶺,吳靜. 虛擬儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教程 .

34、北京：清華大學(xué)出版社2008.10 附錄1 電路原理圖 串口轉(zhuǎn)換電路 A/D 轉(zhuǎn)換電路 單片機(jī)最小系統(tǒng) 采集器原理圖 附錄 2 程序 #include #include sbit LED=P00; sbit SDA=P37; sbit SCL=P36; bit ack; #define AddWr 0 x90 /寫數(shù)據(jù)地址 #define AddRd 0 x91 /讀數(shù)據(jù)地址 unsigned char rd_dat20,td_dat20,rd_cont,ad10;/*CRC 發(fā)送校驗(yàn),函數(shù)返回校驗(yàn)結(jié)果,整 形*/ unsigned int td_crc(unsigned char td_co

35、nt) unsigned int idata b=65535,c=40961,l; unsigned char idata i,j,k; for(i=0;i8; l=l8; k=b; k=ktd_dati; b=l+k; for(j=0;j8;j+) k=b; k=k7; b=b1; if(k=1) b=bc; return(b); Delay(unsigned long xxxx) while(xxxx-); /*當(dāng)數(shù)據(jù)流中斷達(dá)到2MS 時(shí),T1 中斷.這個(gè)過程有串口中斷控制 .它首先判斷數(shù)據(jù)流的長(zhǎng)度 ,標(biāo)準(zhǔn) 應(yīng)該為8 字節(jié)*/ /*(MODBUS 的03,06 功能號(hào))長(zhǎng)度.然后判斷命令類

36、型,做相應(yīng)處理.*/ /*T0 超時(shí)中斷*/ serial_t0() interrupt 1 unsigned char idata i,k; unsigned int idata j; TR0=0; ET0=0; if(rd_cont=8) td_dat0=rd_dat0; td_dat1=rd_dat1; td_dat2=2*rd_dat5; for(i=0;i8; td_dati*2+4=adrd_dat3+i; j=td_crc(3+2*rd_dat5); td_dat3+2*rd_dat5=j; td_dat4+2*rd_dat5=j8; for(i=0;i=9)rd_cont=0;

37、 /*最多接受8 個(gè)字符*/ TR0=0; /*每接受一個(gè)字符,重新置超時(shí)計(jì)數(shù)器*/ TH0=0 xc3;/*數(shù)據(jù)流中斷1.5 字節(jié),外加0.25 毫秒,認(rèn)為一 組數(shù)據(jù)結(jié)束*/ TL0=0 x0f; TR0=1; ET0=1; /啟動(dòng)總線 void Start_I2c() SDA=1; /發(fā)送起始條件的數(shù)據(jù)信號(hào) _nop_(); SCL=1; _nop_(); /起始條件建立時(shí)間大于4.7us,延時(shí) _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); SDA=0; /發(fā)送起始信號(hào) _nop_(); /起始條件鎖定時(shí)間大于4 _nop_(); _nop_(); _nop_()

38、; _nop_(); SCL=0; /鉗住I2C 總線，準(zhǔn)備發(fā)送或接收數(shù)據(jù) _nop_(); _nop_(); /結(jié)束總線 void Stop_I2c() SDA=0; /發(fā)送結(jié)束條件的數(shù)據(jù)信號(hào) _nop_(); /發(fā)送結(jié)束條件的時(shí)鐘信號(hào) SCL=1; /結(jié)束條件建立時(shí)間大于4 _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); SDA=1; /發(fā)送I2C 總線結(jié)束信號(hào) _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); /*- 字節(jié)數(shù)據(jù)傳送函數(shù) 函數(shù)原型: void SendByte(unsigned char c); 功能: 將數(shù)據(jù)

39、c 發(fā)送出去,可以是地址,也可以是數(shù)據(jù),發(fā)完后等待應(yīng)答,并對(duì) 此狀態(tài)位進(jìn)行操作.(不應(yīng)答或非應(yīng)答都使ack=0 假) 發(fā)送數(shù)據(jù)正常，ack=1; ack=0 表示被控器無應(yīng)答或損壞。 -*/ void SendByte(unsigned char c) unsigned char BitCnt; for(BitCnt=0;BitCnt8;BitCnt+) /要傳送的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為8 位 if(cBitCnt) /判斷發(fā)送位 else SDA=0; _nop_(); SCL=1; /置時(shí)鐘線為高，通知被控器開始接收數(shù)據(jù)位 _nop_(); _nop_(); /保證時(shí)鐘高電平周期大于4 _nop_(); _nop_(); _nop_(); SCL=0; _nop_(); _nop_(); SDA=1; /8 位發(fā)送完后釋放數(shù)據(jù)線，準(zhǔn)備接收應(yīng)答位 _n