1、本科毕业论文系列开题报告电气工程及其自动化基于 RS485 总线的多机通信系统设计1、 课题研究意义及现状单片机是微型计算机的一个重要的分支。自 1976 年 Intel 推出第一款 8 位单片机 MCS-48 开始，单片机在短短的几十年间获得了长足的发展。随着计算机的发展，单片机的应用领域也越来越广泛，其最明显的优势就是可以嵌入到各种仪器设备中，得以在工业控制上，数据采集上以及仪器仪表自动化等许多领域上起着十分重要的作用。如 DCS，数据采集系统；高速公路收费系统；过程控制及制造；电力系统采集与控制系统；远程终端互连等领域。如远程抄表系统（智能水、电、气三表及数据采集器） ；智能停车场系统；
2、智能控制系统；对讲门铃、门禁、考勤系统、一卡通系统、监控系统；云台控制器；光端机（视频光端机、数据光端机、音频光端机等） ；网络摄像机；智能仪器仪表等。单片机所集成的部件越来越多：NS（美国国家半导体）公司的单片机已把语音、图像部件也集成到单片机中，也就是说，单片机的意义只是在于单片集成电路，而不在于其功能了；如果从功能撒谎那个讲它可以讲是万用机。原因是其内部已集成了各种应用电路。机械自动化控制系统的控制端采用 RS485 总线方式。RS485 作为一种传统工业总线，在工业控制上有广泛的应用。在工业控制设备之间中长距离通信的诸多方案中，RS-485 系统总线因硬件设计简单、控制方便、成本低廉等
3、优点广泛应用于工厂自动化、工业控制、小区监控、楼宇自控、水利自动测控等领域。随着 RS485 总线系统的广泛应用，RS485 总线系统也越来越大，RS485 总线外挂的 485 设备越来越多，从而导致 485 总线的稳定性越来越差。随着单片机的发展, 其应用已从单机逐渐转向多机或连网，其中远程通讯具有很强的实际意义，在实践中得到越来越广泛的应用。现在市场上已经有可以负载 128，256 台甚至400 台 485 设备的转换器，由于 485 总线使用总线连接形式，形成如果有一个 485 设备出现问题，就导致整个 485 总线出现问题的现象。所以从 485 总线的稳定性来说，当设备达到一定数量的时
4、候，一些细节的处理不当常会导致通信失败甚至系统瘫痪等故障，因此提高 RS485 总线的运行稳定性及可靠性至关重要。二、课题研究的主要内容和预期目标设计并制作一个多机通信系统，系统的结构框图如下：主单片机从 单 片 机 1 从 单 片 机 2 从 单 片 机 n温 度 等 数 据 温 度 等 数 据 温 度 等 数 据R S 4 8 5 总 线基本要求：完成从机的温度、开关量等数据的采集，实现主、从单片机之间的 RS485串行通信。三、课题研究的方法及措施本课题的硬件部分：主单片机与各个从单片机系统的数据通信系统.图 2主从单片机都选用 AT89C51 该单片机具有集成的 ROM 和 RAM，而
5、且 MCS-51 系列单片机高度兼容，其内部有一个功能很强的全双工串行口，该串行口有 4 种工作方式，能满足本课题的要求。本设计 RS485 接口芯片采用 MAX485，MAX485 是 Maxim 公司的生产的一种 RS485 数据通讯接口芯片。 RS485 通讯是一种半双工通讯，发送和接收共用同一物理信道。在任意时刻，只允许一台单机处于发送状态。该产品将光电耦合器、变压器、DC-DC 转换器和二极管等器件组装于单一 28 引脚封装内，构成一个完整的 RS-485 收发器，是专为半双工通信通迅模式设计的。温湿度检测模块由采用 DHT11 温湿度传感器，它是一款含有已校准数字信号输出的温从单片
6、机温湿度检测模块RS485 接口芯片主单片机外围设备 1602 显示报警电路1602 显示湿度复合传感器。另外还有一些外围设备如报警器，键盘输入等。四、课题研究进度计划2010 年 10 月 20 日至 12 月 4 日（第一学期）明确设计任务，收集资料，确定设计方案，完成外文翻译、文献综述及开题报告。2010 年 12 月 4 日至 2011 年 4 月 20 日2010 年 12 月 4 日-12 月 20 日：完成硬件选择，主电路的设计；2010 年 12 月 21 日-2011 年 1 月 23 日：完成主体硬件的设计与测试；2011 年 1 月 24 日-3 月 1：完成系统的软件设
7、计，并去除程序 Bug；2011 年 3 月 2 日-4 月 10 日：撰写、修改与完善毕业论文；2011 年 4 月 11 日-4 月 20 日：做好毕业论文答辩的 PPT，准备答辩。五、参考文献1 任波，乔莉，李环编著.现场总线技术及应用M.北京：航空工业出版社 2008,7.2 刘凤新，黄玉金，潘小莉编著.计算机辅助测试技术导论M.北京：电子工业出版社，2004,2.3 耿恒山主编.微机原理与接口M.北京：中国水利水电出版社， 2005,4 求是科技编著.单片机通信技术与工程实践M.北京：人民邮电出版社 ,2005,1.5 段永霞，徐玓，周建渡.基于 RS485 多机通信网络系统的实现J
8、.中国科技纵横，2010,20,98（3）:61-62.6 张艳丰.MAX-487 在远距离多机通信系统中的应用J.济源职业技术学院学报，2005，6：18-21.7 薛艳等. 基于 RS232 无线多机通信系统设计与实现J.中国仪器仪表学会第九届青年学术会议论文集，2009，6：768-771.8 彭佳文等.一种单片机多机通信系统的设计J.微计算机信息（嵌入式与 SOC） ，2008，24：131-133.9 李勇.提高单片机多机通信系统可靠性的方法J.工矿自动化，2004 ，2：47-49.10 刘萍先等.基于 RS232/485 协议的多机通信系统的设计J. 南昌工程学院学报，2008，
9、12：16-20.毕业论文文献综述电气工程及自动化多机通信系统的通信总线综述摘要：本文对比较分析了几种有代表性的通信总线的优缺点。对多机通信协议做了一个较为简洁的介绍。关键词：RS485；通信接口；串行通信1.引言随着计算机技术的发展，单片机的应用领域也越来越广泛，在工业控制、数据采集以及仪器仪表自动化等许多领域都起着十分重要的作用。但在实际应用中，在要求响应速度快、实用性强、控制量多的应用场合，单个单片机就往往难以胜任，这时使用多个单片机结合 PC 机组成分布式系统是一个比较好的解决方案。这样，单片机的数据通信技术就变得十分的重要。2.现场总线及接口简介所谓现场总线，按照国际电工委员会 IE
10、C/SC65C 的定义，是指安装在制造或过程区域的现场装置之间，以及现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、双向串行、多节点的通信总线，以现场总线为基础而发展起来的全数字控制系统称作现场控制系统。它具有以下一些优势：(1)数字化， （2）分布式， （3 ）开放性， （4）双向串行传输， （5）互操作性， （6 ）节省布线空间， （ 7）智能自诊断性。微机的系统总线是主机与外部设备之间进行数据交换的重要通道。采用系统总线连接外设是一种采用的接口方法，即所谓总线接口技术 1。接口系统为多机通信系统中任何两台仪器的数据交换提供可能，并且能够协调高速仪器设备与低速仪器设备的数据传输。接口系统主要
11、由三大基本模块组成：接口系统功能模块、编码模块和数据收发模块。接口功能是通用接口系统研究的核心 2。3.串行通信总线（一）RS232 总线RS-232C 是一种串行通信总线标志，是数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间的接口标准，1969 年由美国电子工业协会（EIA）从 CCITT 远程通信标准中导出的一个标准。不同厂家所生产的设备，只要他们都具有 RS-232C 标准接口，则不需要任何转换电路，就可以相互插接起来 3。RS-232C 接口在推出的几十年来虽然得到了极为广泛的应用，但随着通信要求的不断提高，RS-232C 标准在很多方面已经不能满足实际通信应用的需要。其最为主要的
12、缺点表现在以下几个方面：1）数据通信速率低 RS-232C 规定的最高传输速率 20kbit/s 虽然可以满足一般的异步通信需要，但并不能满足同步传输的要求。2）通信距离短 使用 RS-232C 接口的通信线路在 15m 左右可以达到正常通信要求，但无法满足更长的通信距离，即使使用极好的线路器件和优良的信号条件，也无法使用电缆长度超过 60m。3）抗干扰能力差 通信两端的电平转换电路均为单端电路，无法抑制共模干扰，各信号间也易受到串干扰 4。（二）RS422 总线RS422 属于一种平衡通信接口，采用全双工通信模式，传输速率高达 10Mb/s，传输距离长 2000m，并允许在一条平衡总线上连接
13、最多 10 个接收器 5。RS422 采用平衡输出的发送器，差分输入的接收器。由于 RS422 线路是完全平衡的，它比 RS423 有更高的可靠性，传送更快更远。一般情况下，RS422 线路不使用公共地线，这使得通信双方由于地电位不同为对通信线路产生的干扰减至最小。双方地电位不同产生的信号成为共模干扰会被差分接收器滤掉。但是必须注意，由于接收器所允许的共模干扰范围的有限的。如果超过了也会使信号传送错误，或导致芯片损坏 3。（三）RS485 总线RS485 总线通讯方式以其简洁灵活、硬件接口简单、软件易实现、性价比较高、传输距离较远、误码率较低、抗干扰能力强等优点在工业控制系统中特别是中小型数据
14、采集和控制系统得到了广泛的应用 6。通常，一般测控系统采用普通的双绞线就能满足要求。在某些特定应用场合,则要求采用带屏蔽层的同轴电缆。由于受信号失真及噪声等因素影响，数字信号所允许的最大电缆长度与信号传输的波特率成反比,RS485 的理论最大传输距离为 1200m，但受到实际应用环境的限制， 实际往往达不到此理论值。一般情况下，RS485 最多可以挂 32 个底层模块，且在传输过程中，还可以利用中继器放大信号，这样，RS-485 的最大理论传输距离可以达到 9.6km，可以挂 256 个底层模块 7。RS485 能很好的应用在远距离传输小模块数据上，RS485 标记是极其灵活的。当一个网络需要
15、做一些远距离传输数据时，RS485 接口是最多被选择的。网络节点可以是个人计算机、单片机或者是任何有可能的异步通信设备。相比较以太网和其他网络接口，RS485 的硬件和协议要求更为简单实用。RS485 标准可以更为灵活的根据电缆长度、数据速率、节点数和电压去选择驱动、接收器和其他元件 8。 4.通信协议（一）RS232/RS485 端口转换多分布式数据采集和控制系统中，为克服单片机的功能不足都引入了 PC 机，并采用 “PC 一单片机”主从结构模式，即以 PC 机为主机、分布在现场的各个单片机系统为从机的系统结构模式。一般的 PC 机串行接口为标准 RS232 口，实际应用中常采用 RS485
16、 收发器。鉴于此，系统设计时首先要考虑的问题是通信，而做到有效、可靠的实现 RS232 与 RS485之间的转换是实现系统通信的前提 9。RS-485 网络为两线制半双工工作，而 RS-232 多采用三线制、全双工工作。因此，在物理层数据传输中，应根据各自不同的传输特点做相应的通信协议转换。根据是否由 PC 机直接控制 RS485 的发送/接受方向与否，可设计出两种不同的协议转换器：直接方向控制式的通信协议转换器和透明式通信协议转换器 10。（二）多机通信协议在 RS485 的通信上收发都是共享相同的线路 RS485 总线，在通信开始前必须先指定某一个设备或计算机有控制权，其他节点各有一个 I
17、D 码，主控者可以指定哪一个节点动作及送回数据，其余被动者只能依照有控制权者的指示来送出数据，而且绝对不允许私自送出数据。这些种种的限制是要保持线路数据的通畅，如果没有这些严谨的规定时，大家都把数据往在线丢，除了会造成大多数数据碰撞在一起外，接收端也无法取得正确的数据 11。一般通信协议都有通用标准，协议较为完善，但较复杂。为简单了解单片机多机通信程序的基本原理，这里仅规定以下几条最基本的协议。1）系统中从机容量为 255 台，地址分别是 00H0FEH。2）地址 0FFH 是对所有从机都起作用的控制命令，命令各机恢复 SM2=1（SM 为多机通信控制位）的状态。3）制定主机发送控制命令的代码
18、，代码按 00H，01H，02H，顺序设置，其他均为非法代码。4）数据块长度为 16bytes。5）从机状态字表明从机的工作状态 12。5.结论从过去的 RS232 的广泛应用到现在 RS485 的大力推广，从过去的低速、短距离、低抗干扰性到现在的高速、长距离和强抗干扰的传输可以看到多机通信对我们生活和生产带来了不可磨灭的贡献。同时，为了更好的利用这些技术，我们伟大的科研人员又在坚持不懈的研究开发新的技术和理论来完善现有的成果。参考文献1 任波，乔莉，李环编著.现场总线技术及应用M.北京：航空工业出版社 2008,7.2 刘凤新，黄玉金，潘小莉编著.计算机辅助测试技术导论M.北京：电子工业出版
19、社，2004,2.3 耿恒山主编.微机原理与接口M.北京：中国水利水电出版社，2005,54 求是科技编著.单片机通信技术与工程实践M.北京：人民邮电出版社,2005,1.5 TIA/EIA Electrical Characteristics Of Balanced Voltage Digital Interface CircuitsZ.TIA/EIA RS 422-BI TIA/EIA 1994,8-9.6 段永霞，徐玓，周建渡.基于 RS485 多机通信网络系统的实现J.中国科技纵横，2010,20,98（3）:61-62.7 王文华，王志新.基于 RS-485 总线的能量源计量系统设计
20、研究J.自动化仪表,2008,2,29(2):41-48.8 Jan Axelson.Designing RS-485 Circuits.J.Circuit Cella,1999,6,107:20-24.9 崔魏.对 RS232/RS485 转换器设计的一种改进J.长江大学学报（自科版） ，2006,3,3（1）：69-70.10 刘建昌，周玮，王明顺.计算机控制网络M.北京：清华大学出版社,2006,10.11 林伸茂.8051 单片机彻底研究实习篇M.北京：人民邮电出版社，2004,5.12 欧位明等.单片机原理与应用系统设计M.北京：电子工业出版社，2009,7.毕业设计（20_ _届）
21、基于 RS485 总线的多机通信系统设计摘 要RS-485系统总线因硬件设计简单、控制方便、成本低廉等优点广泛应用于工厂自动化、工业控制、小区监控、楼宇自控、水利自动测控等领域。本设计主要由主控单片机模块和从单片机模块两大模块组成。单片机采用单片机AT89C51 ，温湿度采用 DHT11温湿度传感器，显示采用LCD1602液晶。单片机构成的各个从机通过DHT11温湿度传感器获得温湿度数据，然后对数据进行处理和显示；再通过RS485 总线通讯送给主机单片机进行处理，处理后在液晶上显示出来，同时在主机上设置报警上限和下限值，并可以调节报警值。整个系统的制作从元器件的选取、电路的设计制作、程序的调试
22、等多个环节进行，所用的温湿度芯片可以检测温度和湿度，并且精确度高；RS485通讯方便，数据传输准确；本系统电路简化，编程方便，性价比高；液晶显示使本设计更加显示明了。关键词：单片机；DHT11；RS485Abstract As the simple hardware design, convenient control, and lower cost, RS-485 system bus is widely used in factory automation, industrial control, residential surveillance, building automation,
23、 automatic water monitoring and other fields The design mainly consists of main control module, temperature and humidity module, liquid crystal display module, keyboard circuit, alarm circuit module. Master module uses microcontroller AT89C51, temperature and humidity modules DHT11 temperature and h
24、umidity sensor, liquid crystal display module uses LCD1602. Consisting of all the slave microcontroller DHT11 temperature and humidity sensor obtained by temperature and humidity data, and then process the data; then sent through the RS485 communication bus host microcontroller for processing, proce
25、ssed displayed on the LCD, set the alarm on the host while the upper and lower limit, and can adjust the alarm value.Design the entire system from components selection, circuit design, debug and many other parts. The temperature sensor chip can be used to detect temperature, humidity, and with high precision. RS485 communication is convenient, with accurate data. The system circuit is simple, programming convenient and cost-effective. LCD display makes the design more clear.Key words: MCU; DHT11; RS485
