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沈陽航空航天大學(xué)
課程設(shè)計
（論文）
題目 單片機與PC機RS-485的串行通信設(shè)計
班 級
學(xué) 號
學(xué) 生 姓 名
指 導(dǎo) 教 師
目 錄
0 前言 1
1 總體方案設(shè)計 2
2 硬件電路設(shè)計 2
2.1 AT89C51單片機 2
2.2 時鐘電路 4
2.3 按鍵復(fù)位電路 4
2.4 MAX485轉(zhuǎn)換芯片 4
2.5 PC機RS-485 通信的接口電路 5
3 軟件設(shè)計 6
4 調(diào)試分析 8
5 結(jié)論及進(jìn)一步設(shè)想 8
參考文獻(xiàn) 8
課設(shè)體會 10
附錄1 電路原理圖 11
附錄2 程序清單 12
單片機與PC機RS-485串行通訊設(shè)計
摘要：本文提出了一種PC機與單片機進(jìn)行串行通信的方案，該方案通過PC機的RS232串口、485總線實現(xiàn)與51單片機的串口通信，PC機送出的信號進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后送到485總線，單片機則接受MAX485芯片轉(zhuǎn)換得到的信號，從而進(jìn)行串行通信。該系統(tǒng)的特點是電路設(shè)計簡單可行、通信穩(wěn)定、實用性強。
關(guān)鍵詞：PC機；單片機；串口通信；MAX485芯片；
0 前言
在計算機測控領(lǐng)域經(jīng)常會采用一臺PC 機與一個或多個單片機組成小型的測控網(wǎng)絡(luò)， 這種測控系統(tǒng)充分發(fā)揮了單片機功能強， 抗干擾性能好， 溫度適應(yīng)范圍寬，面向控制的優(yōu)點， 同時又可以利用計算機彌補單片機在數(shù)據(jù)處理和交互性等方面的不足。在測控系統(tǒng)中一般是以PC 機作為主控機，采用串行通訊定時掃描以單片機為核心的智能控制器（從機） 以便采集數(shù)據(jù)或發(fā)送信號。PC機的串口一般采用RS—232的總線標(biāo)準(zhǔn)，但由于RS—232接口標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布較早，難免有不足之處，主要體現(xiàn)在以下四點：1、接口信號的電平值較高，已損壞接口電路芯片，又因為與TTL電平不兼容故需使用電平轉(zhuǎn)換電路方能與TTL電路連接；2、傳送速率較低，在異步傳送時，波特率為20Kbps;3、接口使用一根信號線和一根信號返回線而構(gòu)成共地的傳輸形式，這種共地傳輸容易產(chǎn)生共模干擾，所以抗噪聲干擾性弱；4、傳輸距離有限，最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)為50英尺，實際上也只能用在50m左右。
針對RS-232的不足， 于是先后又出現(xiàn)了一些新的接口標(biāo)準(zhǔn)RS-485 就是其中之一。RS—485總線標(biāo)準(zhǔn)是美國電氣工業(yè)協(xié)會（EIA）公布的平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣性能標(biāo)準(zhǔn)，是為改善RS-232標(biāo)準(zhǔn)的電氣特性，又參考RS-232兼容而制定的。RS-485標(biāo)準(zhǔn)與RS-232標(biāo)準(zhǔn)相比具有以下優(yōu)點：1、RS-485的電氣性能：邏輯“1”以兩線間的電壓差為+（0.2-6）V表示；邏輯“0”以兩線間的電壓差為-（0.2-6）V表示。接口信號電平比RS-232降低了，就不易損壞接口電路芯片，且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL電路連接。2、RS-485的數(shù)據(jù)最高傳送速率為10Mbps。3、RS-485接口是采用平衡驅(qū)動器和和差分接收器的組合，抗共模干擾能力強，抗噪聲干擾性好。4、RS-485最大的通信距離約為1219m，傳輸速率與傳輸距離成反比，在100kb/s的傳輸速率下才可以達(dá)到最大的通信距離，如需傳輸更長的距離，需加485中繼器。RS-485總線最大支持32節(jié)點。由于RS-485接口具有良好的抗干擾性，較長的傳輸距離和多站通信能力等優(yōu)點，使其成為首選的串行接口。RS-485接口組成的半雙工網(wǎng)絡(luò)，一般只需兩根連線，所以RS-485總線接口均采用雙絞線傳輸。
1 總體方案設(shè)計
針對本課題的設(shè)計任務(wù)，進(jìn)行分析得到：本次設(shè)計用RS-485標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行單片機與PC機的串行通信，PC機發(fā)出的數(shù)據(jù)經(jīng)過RS-232/485轉(zhuǎn)化器后發(fā)送，再經(jīng)過單片機端的MAX485芯片把信號轉(zhuǎn)換成TTL電平送給單片機，單片機接收到PC機發(fā)來的數(shù)據(jù)后再回送給PC機。
該串行通信系統(tǒng)設(shè)計，在總體上大致可分為以下幾個部分組成：1、RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換電路，TTL電平轉(zhuǎn)換芯片，單片機最小系統(tǒng)。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)原理框圖
2 硬件電路設(shè)計
2.1 單片機介紹
圖2 AT89C51
引腳說明
VCC：接+5V電壓，
GND：接信號地。
I/O口部分
P0口：（P0.0～P0.7）P0口為一個8位雙向I/O口，在不接片外存儲器和不擴展I/O口時，可作為準(zhǔn)雙向輸入/輸出口。在接片外存儲器或擴展I/O口時，P0口分時復(fù)用為地8位地址總線和雙向數(shù)據(jù)總線�！ �
P1口：(P1.0～P1.7)P1口是一個8位雙向I/O口�！ �
P2口：(P2.0～P2.7)P2口為8位準(zhǔn)雙向I/O口，在接有片外存儲器或擴展I/O口且尋址范圍超過256B時，P2口用作高8位地址總線。
P3口：(P3.0～P3.7)P3口是一個8位雙向I/O口。它還有第二功能如表1所示。
表1 P3口第二功能表
管腳
第二功能
P3.0
RXD（串行輸入口）
P3.1
TXD（串行輸出口）
P3.2
（外部中斷0）
P3.3
（外部中斷1）
P3.4
T0（定時/計數(shù)器0計數(shù)脈沖輸入端）
P3.5
T1（定時/計數(shù)器1計數(shù)脈沖輸入端）
P3.6
（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通信號輸出端）
P3.7
（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通信號輸出端）
控制與復(fù)位部分
RST：復(fù)位信號。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。
ALE/：地址鎖存允許輸出。當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。
：外部程序存儲器的選通信號。當(dāng)讀外部ROM時，有效，實現(xiàn)從片外程序存儲器的讀操作。
/V：為片外程序存儲器選用端。當(dāng)保持低電平時，只選用片外部程序存儲器。否則，單片機上電或復(fù)位后選用片內(nèi)程序存儲器。
外接晶振部分
XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。
XTAL2：反向振蕩器的輸出。
2.2 時鐘電路
圖3 時鐘電路
外接晶振X1以及電容C1、C2構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生自激振蕩，一般晶振可在2～12MHz之間任選，本系統(tǒng)選用的晶振頻率為12MHz。對外接電容值雖然沒有嚴(yán)格的要求，但電容的大小多少會影響振蕩頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性，根據(jù)經(jīng)驗本系統(tǒng)所接電容C1、C2為22pF如圖3所示。
2.3 按鍵復(fù)位電路
圖4 復(fù)位電路
上電自動復(fù)位是通過給電容充電進(jìn)而給RST引腳一個高電平信號，此信號隨著VCC對電容C的充電過程而逐漸回落，即RST引腳上的高電平持續(xù)時間取決于電容C充電時間，為保證系統(tǒng)可靠復(fù)位，RST引腳上的高電平必須維持足夠長的時間，按鍵復(fù)位由此產(chǎn)生，當(dāng)按下復(fù)位按鈕，電容對R1迅速放電，RST端變?yōu)楦唠娖�，按鈕松開后，電容通過電阻R2進(jìn)行充電，使RST端恢復(fù)低電平，本系統(tǒng)采用按鍵復(fù)位電路如圖4所示。
2.4 MAX485轉(zhuǎn)換芯片
圖5 MAX485芯片
MAX485接口芯片是Maxim公司的一種RS－485芯MAX485是專用于RS-485 通訊的小功率收發(fā)器， 它采用8 腳DIP/SO 封裝， 內(nèi)含一個驅(qū)動器和一個發(fā)送器。其驅(qū)動器采用限斜率設(shè)計， 這樣可以將電磁干擾（EMI）減至最小，并減小因電纜不匹配而產(chǎn)生的影響， 因此， 能夠以高達(dá)250kb/s 的速率無誤差地傳送數(shù)據(jù)。當(dāng)RE為低電平時，MAX485數(shù)據(jù)輸入有效；當(dāng)DE為高電平時，MAX485數(shù)據(jù)輸出有效。在半雙工使用中，通�？梢詫⑦@兩個腳直接相連，然后由PC或者單片機輸出的高低電平就使MAX485在接收和發(fā)送狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換了。MAX485芯片采用單一電源+5 V工作，額定電流為300 μA，采用半雙工通訊方式。A端和B端分別為接收和發(fā)送的差分信號端,當(dāng)A引腳的電平高于B時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為1；當(dāng)A的電平低于B端時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為0。在與單片機連接時接線非常簡單，只需要一個信號控制MAX485的接收和發(fā)送即可，同時將A和B端之間加匹配電阻，一般可選100Ω的電阻。
2.5 PC 機RS-485 通信的接口電路
圖6 PC 機RS-485通信的接口電路
在上圖中，MAX485是通過兩個引腳RE（2腳）和DE（3腳）來控制數(shù)據(jù)的輸入和輸出。當(dāng)RE為低電平時，MAX485數(shù)據(jù)輸入有效；當(dāng)DE為高電平時，MAX485數(shù)據(jù)輸出有效。在半雙工使用中，通常可以將這兩個引腳直接相連，然后由PC或者單片機輸出的高低電平就可以讓MAX485在接收和發(fā)送狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換了。本電路使用TX線和MAX232的另外一個通道來控制MAX485的狀態(tài)切換。平時MAX232的9腳輸出低電平，使MAX485的RE和DE為低電平而處于數(shù)據(jù)接收狀態(tài)。當(dāng)PC機發(fā)送數(shù)據(jù)時，MAX232的9腳輸出高電平，使MAX485的RE和DE為高電平而處于數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)。
3 軟件設(shè)計
89C51單片機是本次設(shè)計的核心部分，所有的程序都將寫入到單片機里。在本次的設(shè)計中，單片機的在電路中的主要目的就是對PC機發(fā)來的的數(shù)據(jù)在回送給pc機，在串口調(diào)試助手中顯示，其中數(shù)據(jù)的流向是通過單片機控制MAX485芯片來實現(xiàn)的。
設(shè)計單片機通信程序時，必須充分發(fā)揮單片機的效率，由于單片機多應(yīng)用于實時性較強的控制場合，因此， 應(yīng)將及時響應(yīng)和控制對象的動作放在優(yōu)先考慮的位置，以盡量減少通信等輔助性操作所占用的CPU時間�；谏鲜隹紤]，在設(shè)計單片機通信程序時，將通信程序分為發(fā)送處理程序、接收中斷處理程序，從而構(gòu)成整個單片機的通信程序。當(dāng)系統(tǒng)上電后，單片機程序初始化芯片的端口及變量初始化賦值， 串口中斷發(fā)生時，自動進(jìn)入中斷服務(wù)程序，其主程序的流程圖如圖7所示。
N
Y
圖7 系統(tǒng)主程序流圖
當(dāng)程序?qū)懞煤�，通過燒寫器完成程序的調(diào)試工作，然后就是用串口線將實驗板和PC機相連起來，同時給實驗板接上電源，然后就是通過PC機軟件來發(fā)數(shù)據(jù)了，要在PC機上向串口發(fā)送數(shù)據(jù)一定要借助相應(yīng)軟件，串口調(diào)試軟件，它設(shè)置方便、靈活，界面簡潔明。串口調(diào)試助手支持常用的300bps～115200bps波特率，能設(shè)置校驗、數(shù)據(jù)位和停止位，能以ASCII碼或十六進(jìn)制接收或發(fā)送任何數(shù)據(jù)或字符。
為了能夠在計算機端看到單片機發(fā)出的數(shù)據(jù)，我們必須借助一個WINDOWS軟件進(jìn)行觀察，這里利用計算機串口調(diào)試軟件來觀察如圖8所示。
圖8 串口調(diào)試軟件
這里我們需要設(shè)置一下串口通訊的參數(shù)，將波特率調(diào)整為9600，串口選擇為COM1，校驗位：無；數(shù)據(jù)位：8位；停止位：1位；當(dāng)然AT89C51單片機實驗板的串口也要和電腦的COM1連接，將燒寫程序的單片機插入單片機實驗板的萬能插座中，并接通AT89C51單片機實驗板的電源這樣就可以實現(xiàn)PC機與單片機的串口通信了。
4 調(diào)試分析
PC機的串口調(diào)試助手無任何顯示。這是因為燒寫的程序出現(xiàn)了錯誤，應(yīng)在發(fā)送程序中把TI清零。
PC機的串口調(diào)試助手出現(xiàn)亂碼，不能正確的收到單片機發(fā)送的字符。這是因為選取的波特率不匹配，或控制MAX485芯片的單片機引腳發(fā)出的控制命令時間太短，芯片來不及轉(zhuǎn)換狀態(tài)，解決方法是選擇相匹配的波特率，適當(dāng)增加延時函數(shù)。
5 結(jié)論及進(jìn)一步設(shè)想
根據(jù)實驗結(jié)果，本設(shè)計基本完成了設(shè)計要求，但由于系統(tǒng)存在內(nèi)部和外部的各種電氣干擾、焊接硬件時的不牢固、外部環(huán)境條件等影響，數(shù)據(jù)流可能會有誤碼，嚴(yán)重時可能會使控制狀態(tài)失靈。如果時間允許我會自己設(shè)計一個PCB板來承載各種元件，這樣元件連接的靠性就會大大增加，出錯的概率也會減少。
參考文獻(xiàn)
[1] 劉復(fù)華.單片機及其應(yīng)用系統(tǒng).北京:清華大學(xué)出版社,1992
[2] 李朝青.PC機及單片機數(shù)據(jù)通信技術(shù)[M]，北京航空航天大學(xué)出版社，2002
[3] 王仲文.精通串行口通訊[M] ，北京電子工業(yè)出版社，1995
[4] 李華.MCS-51系列單片機實用接口技術(shù)[J]，北京航空航天大學(xué)出版社，1993
[5] 李響初.數(shù)字電路基礎(chǔ)與應(yīng)用[M]，機械工業(yè)出版社，2008
課設(shè)體會
經(jīng)過一段時間的收集資料，我的課程設(shè)計終于完成，看著自己的成果，有說不出的感觸。通過這段時間的努力，對我這學(xué)期的學(xué)習(xí)有了系統(tǒng)的總結(jié)。
本設(shè)計利用AT89C52單片機串行口，實現(xiàn)與PC機通訊。本設(shè)計中包括了單片機通訊的編制，串行通訊的硬件環(huán)境，數(shù)據(jù)格式的協(xié)議，數(shù)據(jù)交換的協(xié)議等多方面的知識，在這個單片機串行口與PC機通訊設(shè)計中，用一個相對簡單的實驗來實現(xiàn)這個功能。其次，在連接各個模塊編譯程序的時候一定要注意各個變量的定義和功能，因為每個定義和功能不一樣的，會影響實驗結(jié)果，再者就是程序需規(guī)范化，語法不能出錯，編譯才能通過，試驗才能成功。
在測試通訊時，遇到了很多的困難，想要的結(jié)果總是不能正確的顯示，后來，在多次的修改程序，調(diào)試電路之后，才發(fā)現(xiàn)是因為延時函數(shù)的時間太長了。經(jīng)過屢次調(diào)試，終于找到了比較合適的輸入數(shù)值，終于成功了。通過此實驗，讓我看到了自己的水平和差距，雖然我有還很多不足，但是在我的努力下，彌補了我的缺憾。此次學(xué)習(xí)使我受益匪淺。從中學(xué)到很多以前沒有接觸到的知識，及其解決辦法和一些程序的設(shè)計方法。增加了自己在編程方面的功底。
通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。同時讓我學(xué)會了分析問題、處理問題的方法，可以說達(dá)到了舉一反三的目的，為以后工作、學(xué)習(xí)都打下了堅實的基礎(chǔ)。
[2013年7月 12日完成]
附錄1 電路原理圖
附錄2 程序清單
#include <REG52.H>
#include <stdio.h>
sbit RE=P2^7; //定義485的使能腳
sbit DE=P2^6;
bit SendFlag;
unsigned int ReData,SenData;
/**************************************
延時程序
**************************************/
void delay(unsigned char i)
{
unsigned char j;
for(i; i > 0; i--)
for(j = 200; j > 0; j--);
}
void main (void)
{
SCON = 0x50; //REN=1允許串行接受狀態(tài)，串口工作模式1
TMOD= 0x20; //定時器1工作方式2
TH1 = 0xFD; // 波特率9600、數(shù)據(jù)位8、停止位1。效驗位無 (12M)
TL1 = 0xFD;
TR1 = 1; //開定時器
ES = 1; //開串口中斷
EA = 1; // 開總中斷
while(1)
{
if (SendFlag==1) // max485(半雙工通信) RE/DE定義 RE=0為接受狀態(tài) DE=1為發(fā)送狀態(tài)
{ RE=1; // DE=1為發(fā)送狀態(tài)
DE=1;
SBUF=SenData; //發(fā)送數(shù)據(jù)
delay(50);
}
else
{
RE=0; //接收狀態(tài)
DE=0;
}
}
}
/****************************************************
串口中斷程序
******************************************************/
void ser_int (void) interrupt 4 //4為中斷號
{
if(TI == 1)
{
TI = 0; //發(fā)送中斷標(biāo)志位置零
SendFlag = 0;
}
if(RI == 1) //RI接受中斷標(biāo)志
{
RI = 0; //清除RI接受中斷標(biāo)志
ReData = SBUF; //SUBF接受/發(fā)送緩沖器
SenData=ReData;
SendFlag = 1;
}
}
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