基于RS485的远程采集与控制系统的设计_毕业设计(论文) 精品.docx
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南华大学
毕业设计 （论文 ）
题 目 基于RS485的远程采集与控制器设计
专业名称 通 信 工 程
论文（设计）内容及要求：
一、 论文内容
1.完成硬件电路的设计，主要包括处理器最小系统、3路AD/DA采集电路、组继电器控制电路、RS485通信电路等；
2.完成软件程序的编写，主要包括系统初始化、AD/DA驱动、485通信协议等；
3.所设计的采集与控制器能够通过RS485远程通信采集3路节点信号，并能反馈2路模拟控制量。
二、论文基本要求
1.了解远程采集与控制器设计的发展动态；
2.了解目前主流有线通信协议，例：
RS232、RS485、CAN-BUS等，及各自优缺点；
3.掌握RS485关键通信协议；
4.掌握常用AD/DA电路，以及控制电路的设计方法；
5.掌握利用keil软件进行单片机系统开发；
6.熟练应用C语言编写相关驱动算法；三、写作要求
1.阅读和翻译3000字以上本课题英文资料；
2.完成设计，做出实物并上交论文，论文格式参照国家相关标准和南华大学毕业设计要求，并提供对应的电子文档；
3.论文字数不少于15000字，A4纸打印（WORD2003排版）四、时间要求
①2012年12月24日—2013年1月10日理解设计要求，查阅相关资料；
②2013年2月12日—2013年4月10日根据所查阅的资料，完成部分论文初稿；
③2013年4月11日—2013年5月10日完成毕业设计初稿；
④2013年5月11日—2013年5月30日完成完整的毕业设计论文；
⑤2013年5月31日—2013年6月8日准备毕业论文答辩。
⑥2013年6月9日—2013年6月12日毕业论文答辩。
指导老师：
年 月 日
南华大学船山学院毕业设计（论文）
基于RS485通信的远程采集与控制器设计
摘要：
在一些环境条件恶劣、异常危险的环境中，如深井、对人体危害极大强辐射空间、人体活动不便的空间，要做到现场数据综合分析并做出现场决策，几乎是不可能做到的。
在这些环境中，远程数据采集与控制系统有着其巨大优势。
还有一些管理分散，数据采集量大的工作条件下，人到现场去采集数据就变得非常繁琐了，这时，远程数据采集就是一种非常简单而且有效的方法。
所以本文便提出一种基于RS485通信的远程数据采集与控制的方法。
本文设计的目的是实现3路数据采集处理，2路数据反馈装置，2路继电器控制远程控制。
本文首先对涉及的RS485协议进行介绍，其次会给出远程数据采集与控制系统的硬件设计方案，硬件设计中包括单片机应用电路、电源稳压电路、AD采集电路、DA电路、RS485接口电路、继电器控制电路几个部分的硬件电路设计。
最后给出切实可行的软件设计方案，在这个方案中会给出通信协议、整体设计与实现、系统的初始化、RS485总线程序、继电器控制程序、DA输出控制程序、AD采集程序的设计。
本设计的的采集模块不局限某一单一用途，可以完成温度、湿度、压力、流量、位移、电压、电流等模拟量的采集。
系统接口简单可靠，用途多样，具有一定灵活性。
关键词：
RS485；远程通信；数据采集；远程控制
i
南华大学船山学院毕业设计（论文）
DesignoftheRemoteAcquisitionandControllerbasedonRS485Communication
Abstract:
Insomepoorandverydangerousconditions,suchasdeepwell,strongradiationspacewhichdoharmtohumanbeingsandthespacewhichisinconvenientforhuman'sactivities,it'salmostimpossibletomakeon-the-spotcomprehensivedataanalysisanddecisions.Intheseconditions,remotedataacquisitionandcontrolsystemhasitsgreatadvantage.Insomeotherconditionswhosemanagementisdecentralizedanddatacollectionislarge,tomakeon-the-spotdataacquisitionbecomesverycomplicated,soremotedataacquisitionisagoodandconvenientway.
ThisarticlewillputforwardaremotedataacquisitionandcontrolmethodthatisbasedonRS485communication.Itspurposeofthedesignistorealizethree-channeldataacquisitionprocessing,two-channeldatafeedbackdevice,two-channelwayrelaycontrolremotecontrol.First,thisarticlewillintroducetheRS485protocol.Then,thisarticlewillgivethehardwaredesignschemeofremotedataacquisitionandcontrolsystem.Thehardwaredesignincludesmicrocontrollerapplicationcircuit,powersupplyvoltageregulatorcircuit,ADsamplingcircuitandDAcircuit,RS485interfacecircuit and relay control circuit part of the hardware circuit design.Finally,practicalsoftwaredesignschemewillbegiven.Thisdesignschemeincludestheoveralldesignandimplementation,systeminitialization,RS485bus,relaycontrol,DAoutputcontrolprogram,theADacquisitionprogramdesign. Collectionmoduleofthisdesignisnotlimited,andnotjustforasingleuse,itcancompletemanycollection,forexample,temperature,humidity,pressure,flow,displacement,analogquantitiesvoltage,andcurrent.Thesysteminterfaceissimpleandreliable,anditsusesisvariousandflexible.
Keywords:
RS485; remote communications; data acquisition and control
iv
目录
1绪 论 1
1.1研究的背景与意义 1
1.2国内外研究现状 2
1.3本文主要工作内容 3
1.4系统分析 4
1.4.1任务要求 4
1.4.2设计方案论证 4
1.4.3总体设计 6
1.5本文章节安排 7
2.1RS-232/422/485标准 8
2.1.1RS-232标准 9
2.1.2RS-422/485标准 9
2.2RS-485通讯协议 12
2.2.1ModBus协议（RTU模式） 12
2.2.2多功能电能表通讯规约（DL/T645-1997） 15
2.3RS-485应用要点 16
2.4本章小结 16
3基于RS485通信远程采集与控制器的硬件设计 17
3.1硬件系统总体设计 17
3.2单片机应用电路 18
3.3电源模块电路 20
3.4主从机RS485接口电路设计 21
3.5继电器控制电路 24
3.62路DA转换电路 25
3.6.1TLC5615简介 25
3.6.2TLC5615功能框图 25
3.6.3TLC5615引脚功能 26
3.6.4TLC5615推荐工作条件 26
3.6.5TLC5615的时序 27
3.6.6TLC5615的两种工作方式 27
3.6.7DA电路 28
3.73路AD转换电路 28
3.8本章小结 29
4基于RS485通信远程采集与控制器的软件设计 30
4.1通信协议的设计 30
4.2主程序流程 32
4.2.1主机主程序流程 32
4.2.2从机主程序流程 36
4.3系统初始化 41
4.3.1主机系统初始化 41
4.3.2从机系统初始化 43
4.4RS485总线的程序设计 45
4.5继电器控制程序的设计 46
4.62路DA输出控制程序设计 46
4.73路AD采集程序设计 47
4.8本章小结 50
5总结与展望 51
5.1总结 51
5.2展望 51
谢 辞 53
参考文献 54
附件一电路原理图 56
附件二PCB图 59
南华大学船山学院毕业设计（论文）
1绪 论
1.1研究的背景与意义
数据采集与控制技术是信息科学的重要分支之一，它研究数据的采集、存储、处理以及控制等问题。
其任务是对生产现场各种参数进行采集，然后送入计算机，根据不同的需要由计算机进行相应的计算和处理，得到所需的数据。
与此同时，将计算得到的数据按要求进行显示并判断作出决定，以便实现对某些物理量的监视控制。
在一些环境条件恶劣、异常危险的环境中，如深井、对人体危害极大强辐射空间、人体活动不便的空间，要做到现场数据综合分析并做出现场决策，几乎是不可能做到的。
在这些环境中，远程数据采集与控制系统有着其巨大优势。
还有一些管理分散，数据采集量大的工作条件下，人到现场去采集数据就变得繁重而繁琐了，这时，远程数据采集就是一种非常简单而且有效的方法[1]。
由此可见，对远程数据的采集和控制方面的研究是非常有必要的。
近年来，大规模集成电路的飞速发展，计算机技术不断地推广应用，传统的仪器仪表、数字测量技术在数据采集方面升华到一个全新的阶段[2]。
而随着科学技术的进步，数据采集与控制系统越来越趋向数字化、智能化、远距离方向发展。
远程数据采集技术，广泛用于工业生产和民用生活，特别是智能化小区水、电、气、暖的抄表监控以及工业测量仪表的数据采集和监控等方面的应用非常普遍。
它结合了计算机、网络通信和自动化管理等现代化技术，并不断融合更多更新的通信技术[3，4]。
远程数据采集技术发展时间不长，其发展也是伴随着相关技术的进步才逐渐实用化，不过这一技术的应用很快发展成为一个潜力巨大、市场广阔的产业[5]。
目前国内外采用的数据采集方案和运行方式多种多样，其所达到的目的和要求也不同。
远程数据采集并没有规定一个固有的模式，包括其内容和形式都不断发展和变化。
远程数据采集技术在国内外应用普遍,研究成果很多,数据采集形式和技术各异，所达到的目标和要求也不同[6]。
由于形式复杂和多样，问题和实用性也比较多，许多技术目的单一，并不成系统。
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页共59页
论文的目标是设计一个当前在国内的实际状况下通用、开放的系统，因此采用了通用的标准去设计方案。
本文设计的目的是实现基于RS-485总线上的数据通信与远程控制的系统，利用单片机对数据采集系统进行控制。
可采集脉冲或电压、电流、温度等信号,即采集现场各种仪表数据信号，送给单片机的处理。
单片机根据采集的数据通过继电器开关再对外部装置进行控制。
1.2国内外研究现状
数据采集系统（DataAcquisitionSysteln）简称DAS系统,是对工业过程数据进行运算、显示、储存及各种控制的装置。
在很多行业都有较广应用。
过程对象需检测的参数经转换元件转换成可测数字信号，再经转换器变换成单片机、计算机能处理的信号，再送入系统的I/O模块，I/O模块也可设计成直接接收现场来的电压、电流、电阻或脉冲信号，经过A/D转换器转换成数字信号由中央处理器处理。
DAS系统在硬件配置上的独特要求,在进行具体结构设计时应综合考虑各种因素以满足用户的需求[7，8]。
软件功能则更丰富，根据用户需要,可编制控制和服务程序,如操作指导、统计分析等、实现实时或即时打印或通信[9]。
20世纪90年代至今，由于集成电路制造技术的不断提高，出现了高性能、高可靠性的单片数据采集系统DAS。
数据采集系统发生了极大的变化。
工业计算机、单片机和大规模集成电路的组合，用软件管理，使系统的成本降低，体积减小，功能成倍增加，数据处理能力大大加强。
出现了高性能、高可靠性的单片数据采集系统[10]。
目前数据采集技术已经成为一种专门的技术，在工业领域得到了广泛的应用，数据采集系统采用更先进的模块式结构,根据不同的应用要求，通过简单的增加和更改模块，并结合系统编程，就可扩展或修改系统，迅速地组成一个新的系统[11，12]。
现阶段并行总线数据采集系统向高速、模块化和即插即用方向发展。
串行总线数据采集系统向分布式系统结构和智能化方向发展。
可靠性不断提高，数据采集系统物理层通信,由于采用RS485、双绞线、电力载波、无线和光纤，所以其技术得到了不断发展和完善。
其在工业现场数据采集和控制等众多领域得到了广
泛的应用[13]。
远程数据采集技术在国内外应用普遍,研究成果很多,数据采集形式和技术各异，所达到的目标和要求也不同。
由于形式复杂和多样，问题和实用性也比较多，且许多技术目的单一，并不成系统。
国外起步较早，某些地区在此领域己制订了相关行业数据采集标准，技术也较先进，并不断地开发新技术。
国外应用比较先进，普遍的主要数据采集技术有电力线载波系统、手持或车载式无线遥读遥控方式、电话线数据采集系统、GSM（GPRS）无线数据采集等[14，15]，但国外此行业的许多技术和运行方式在国内并不适用。
一些采用新技术的方案也仅仅限于理论探讨，实际的市场实用性并不大。
国内自九十年代初开始研制远程数据系统，由于中国的实际国情，长期一直没有相应的行业标准。
远程数据采集产品市场广阔,发展潜力很大,到现在各种产品种类繁多,形式复杂,缺少一个统一的规范。
在目前国内现有技术和现状的情况下，参照了欧洲类似的行业标准（ModBus），制订了远程数据采集的一些要求和规范，该标准规定了计量仪表数据传输的基本原则、接口形式及物理性能、数据链路、数据标识及数据安全和数据表达格式的要求，对技术的采用并没有提出太多限制[16]。
就目前国内的远程数据采集技术来说，大多是采用国外此行业类似技术和芯片，或采用一些成熟的数据通讯技术，并根据国内需求定制和发展，许多新技术不断出现和尝试，可以说这个行业正处于一个不断发展并完善的阶段。
1.3本文主要工作内容
本论文的是对基于RS485通信的数据采集与控制器设计的研究，因此要用一个章节介绍RS485同信协议。
数据采集与控制的核心部件单片机是软硬件配合工作的，在系统硬件电路设计好以后还要分别设计配合主从机使用的软件。
其中硬件电路的说明应分模块功能不同详细说明，对于其中用到的芯片，也要加以介绍。
软件设计部分则根据硬件模块用C语言编写进行面向数据采集与控制过程的配套程序。
程序设计为硬件服务，说明时画出流程图，以增强程序可读性。
工作安排流程图如下：
开始
阅读资料，可行性分析
系统整体设计
硬件设计
硬件各部分分别设计
软件整体设计
软件各部分分别设计
软硬件调试
结束
图1.1工作安排流程图
1.4系统分析
1.4.1任务要求
（1）研究RS485总线技术的运用，即如何进行通信协议的设计；
（2）采集3路节点信号；
（3）反馈2路模拟控制量（最大输出电压能达到10V）；
（4）2路继电器远程控制。
1.4.2设计方案论证
论文设计的是一个通用、开放的系统方案，设计充分考虑实际应用和对现有设备的兼容性，设计的的采集模块可以完成温度、湿度、压力、流量、位移、电
压、电流等模拟量的采集。
系统接口简单可靠，用途多样，具有一定灵活性。
在计算机技术，微电子技术和网络技术等的迅速发展下，远程数据采集方案也层出不穷。
各种方案都有其特点，有其相适应的应用环境和存在的条件，不能一概而论，甚至在特殊情况下还需要将其结合在一起，扬长避短可发挥出更大的优势。
对于以上方案，应该说是各有优势，并不能对比否决某种技术方案，论文方案的选择也仅仅是特定条件下的技术应用，以下对上述几种方案进行分析。
1主机部分方案论证
根据系统的要求，主机需要完成的功能是读取从机采集回来信息，并且对从机的外设进行控制，设计了以下三个方案。
方案
（一）：
以ARM处理器为控制核心，优点是系统外设丰富，可以节省大量的外围设备及布线面积。
缺点是只能采用贴片的封装，但是由于工艺的原因，需要花费大量的时间在硬件电路的制作上。
方案
（二）：
以PC机为控制核心，由上位机来统一控制信息的采集，优点是可以实现丰富的控制功能。
缺点是PC体积都较大，且成本很高。
方案（三）：
以52系列单片机为控制核心，优点是系统结构简单，利于各部分功能，且成本较低、体积较小，方便安装等。
缺点是功能较少，如需要增加其它功能需要加入相应的硬件，但根据本系统的要求，以52单片机为核心，再加上DS18B20等信息转换模块就完成系统要求的功能
综合以上三个主机方案，最终选择以52单片机为控制核心，来完成系统对信息的采集。
2通讯总线接口方案论证
系统的要求是一台主机，多台从机，这就需要将主机和所有的从机全部都要连到一根总线，以满足主机读取从机的信息要求，至于通信方式是全双工还是半双工没关系，只要主机能读取从机采集回来的信息即可，根据以上要求，设计了以下两个方案。
方案
（一）：
采用RS-232标准，优点实现简单，模块设计相当成熟，且成本也较低。
非常适合点对点的通讯。
缺点是：
接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接；传输速率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps。
现在由于采用新的UART
芯片16C550等，波特率达到115.2Kbps；接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱；传输距离有限，最大传输距离标准值为50米，实际上也只能用在15米左右。
方案
（二）：
采用RS-485标准，它采用平衡发送和差分接收方式实现通信：
发送端将串行口的TTL电平信号转换成差分信号A、B两路输出，经过线缆传输之后在接收端将差分信号还原成TTL电平信号。
由于传输线通常使用双绞线，又是差分传输，所以又极强的抗共模干扰的能力，总线收发器灵敏度很高，可以检测到低至200mV电压，最高的通讯高达2.5Mbps。
故传输信号在千米之外都是可以恢复，而且RS-485允许最大的从机数量达到128台，具强大的扩展能力。
综合以上两个方案，本系统最终选择RS-485为系统的通信总线，这符合本系统的点对多点的非平衡通讯模式和远距离传输模式。
1.4.3总体设计
本系统选择RS-485为系统的通信总线，以52单片机为控制核心，设计的目的是实现基于RS-485总线上的数据通信与远程控制。
整个系统分为两个部分：
主机部分与从机部分。
根据系统的要求，主机部分需要完成的功能是读取并显示从机采集回来的实时数据信息，并且对从机的外设进行控制。
从机部分需要完成的功能是负责采集相关信息传回给主机，并等待主机的控制命令。
处于设计与使用的方便考虑,主机硬件电路跟从机硬件电路采用相同的电路,只是在软件设计上加以区分。
这样，在不通过RS485总线的情况下系统也能进行2路继电器开关控制、反馈2路本地模拟控制量和采集3路本地节点信号的工作，只是无法远程通信。
主从机系统框图如下：
图2.1远程采集与控制器的系统框图
主机单片机发送信号通过RS485总线传给从机,从机判断主机发过来信息再通过继电器控制电路控制AD电路和DA电路工作，最后又通过RS485总线传回信息给主机。
如此循环，达到主机对从机的控制功能。
1.5本文章节安排
根据研究目标,将本文分为五章，内容作如下安排:
第一章：
介绍远程数据采集与控制技术研究的额背景与意义，国内外数据采集研究现状，本文主要工作内容。
然后根据本文任务要求对系统方案进行论证。
第二章：
介绍RS485通信协议，主要分3个方面进行介绍：
RS485标准、
RS485通讯协议、RS485应用要点。
第三章：
系统的硬件设计，其中包括：
单片机应用电路、AD采集电路、DA电路、RS485接口电路、继电器控制电路的设计。
第四章：
系统的软件设计，其中包括：
通信协议的设计、整体程序流程、系统初始化、RS485总线程序设计、继电器控制程序设计、DA输出控制程序设计、AD采集程序设计。
第五章：
对全文进行总结，分析文章的创新之处与不足之处，最后提出继续完善本设计的研究方向。
2RS-485协议规范
通常的微处理器都集成有1路或多路硬件UART通道，可以非常方便地实现串行通讯。
在工业控制、电力通讯、智能仪表等领域中，也常常使用简便易用的串行通讯方式作为数据交换的手段。
但是，在工业控制等环境中，常会有电气噪声干扰传输线路，使用RS-232通讯时经常因外界的电气干扰而导致信号传输错误；另外，RS-232通讯的最大传输距离在不增加缓冲器的情况下只可以达到15米。
为了解决上述问题，RS-485/422通讯方式就应运而生了。
本章将详细介绍485标准、通讯规约、应用要点。
2.1RS-232/422/485标准
RS-232、RS-422与RS-485最初都是由电子工业协会（EIA）制订并发布的。
RS-232在1962年发布，命名为EIA-232-E，作为工业标准，以保证不同厂家产品之间的兼容。
RS-422是由RS-232发展而来，它是为弥补RS-232之不足而提出的。
为改进RS-232
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