智能仪器课程设计报告.docx
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智能仪器课程设计报告
智能仪器设计课程设计报告
―――采用RS485标准的主从式多机系统设计
学生姓名：
王**
学号：
*********
班级：
********
任课教师：
***
成绩：
1、设计要求
a）系统基本结构：
1个51系列单片机主机、2个51系列单片机从机（从机1和从机2）、采用RS485组成主从式多机系统；
b）系统基本功能：
在主机键盘上按“1”键，从机1的LED数码显示器上显示“1”，此后从机1键盘上每按下1个数字键，主机LED数码显示器上能显示对应的数字，当从机1键盘上按下“0”键时，此次通信结束，从机1键盘上再按下任意数字键，主机不显示相应数字；在主机键盘上按“2”，从机2的LED数码显示器上显示“2”，此后从机2键盘上每按下1个数字键，主机LED数码显示器上能显示对应的数字，当从机2键盘上按下“0”键时，此次通信结束，从机2键盘上按下任意数字键后，主机不显示相应数字；
c）选做：
从机1和从机2可设计成相关物理量的测量系统，当主机呼叫从机时，从机能把最新的测量值发给主机。
2、方案论证
（1）系统组成：
由三个51单片机构成主从通信系统（本组使用的芯片型号是STC89C52，其功能是一致的），每个单片机搭配LED数码管显示器和键盘；通信采用RS-485标准，可使用MAX485芯片作为通信收发器，单片机控制MAX485的使能端进行发送和接受逻辑控制；单主机多从机的通讯系统需要区分地址信息和数据信息，可利用51串口模式中的模式2进行通信，修改主机的SCON.3状态表明主机发送的是否是地址信息，修改某台从机的SM2状态来建立和主机的唯一通信；数据输入使用键盘输入，数据显示可简单的使用数码管显示。
图1系统结构图
（2）串口模式分析：
51单片机串口的2/3模式下是作为11位异步通信用，8位数据位后的第九位是可编程位SCON.3，主机可以对此位进行0或1赋值，进行地址信息和数据信息的区分，通常赋为1表示地址信息，为0表示数据信息；51单片机的串行口控制寄存器SCON的SM2位是专门用来使通信接口具有识别功能的多机控制位，在串行口以方式2/3接收时，若SM2=1，此时出现两种情况：
第一，接收到的第九位为1（单片机接收时可编程位进入SCON.2），则前8位数据装入SBUF，并置RI为1，产生中断标志；第二，接收到的第九位为0，则不产生中断标志，接收信息被弃。
若SM2=0，则接收到的第九位无论为0还是1，RI均为1，产生中断标志，接收到的前8位数据装入SBUF。
所以多机通信可按下述过程进行：
①参与通信的所有从机的SM2位置1，即从机处于只接收地址帧的状态；
②主机发送一帧地址信息，包括8位地址及第九位地址/数据标志位（该位应为1，表示该帧信息的前8位为地址）；
③由于从机的SM2位已置1，故主机发送的地址信息被所有从机收到，各从机鉴别接收到的地址信息是否与本机地址相同（每个从机已规定其相应的地址）。
对于接收到的地址与本机地址相符的从机，通过程序将其SM2置为0，这样主机之后发送的其他数据信息将被选中的从机接收到，主机与所选的从机之间通信，主机可向从机发送命令数据或从机向主机发送相关的测量结果等。
由于未选中的从机的SM2仍为1，故未选中的从机将不理会主机与选中从机之间传送的数据信息（因为这些信息的第九位均为0），直到主机发送新的地址帧为止。
MAX485芯片的使用：
MAX485是MAXIM公司推出的专门用于RS-485标准通信的接口芯片，它是半双工工作的收发器，其典型工作电路如图2所示：
图2MAX485工作电路
其中管脚
、DE是收发器的控制脚，根据MAX485的逻辑功能表，
、DE都置为高电平，则发送器可工作，接收器不工作；
、DE都置为低电平，则接收器可工作，发送器不工作（发送器和接收器无法同时工作），所以可用单片机的io口使能
、DE来实现半双工通信。
51与MAX485的接口示意图如下：
图3单片机与MAX485连接示意图
（3）键盘设计：
根据题意，主机由于只需使用到两个按键，所以主机的按键可使用独立式按键方式，即两个按键接入单片机的两个io口，通过判断高低电平判断哪个键被按下；从机则需要使用矩阵式键盘，本组使用4×4的矩阵式键盘，并用线反转法进行键值扫描。
（4）显示单元：
由于需要显示的信息比较简单，所以可以简单的使用LED数码管来显示，本组使用的单片机开发板上集成了4个数码管，共用一个译码器，可以通过循环点亮的方式显示多个数字。
3、硬件设计
①主机和从机通过MAX485连接的电气图：
图4主机和从机通过MAX485连接的电气图
②主机和按键、数码管的连接图
③从机和键盘、数码管的连接图
图5主机和按键、数码管的连接图
图6从机和键盘、数码管的连接图
4、软件设计
①led数码管显示子程序：
单片机开发板上的LED数码管是共阳极连接方式，数码管的a-h脚分别连到P0.0-P0.7，四个LED的控制角分别接到P2.0-P2.3；在数码管上需要显示的数字或字符的共阳极代码如下：
显示
内容
共阳极代码
显示
内容
共阳极代码
显示
内容
共阳极代码
显示
内容
共阳极代码
显示
内容
共阳极代码
0
C0H
3
B0H
6
82H
9
6FH
d
A1H
1
F9H
4
99H
7
F8H
E
79H
2
A4H
5
92H
8
80H
N
C8H
程序代码：
#defineucharunsignedchar
sbitP2_0=P2^0;//用来点亮数码管1
sbitP2_1=P2^1;//用来点亮数码管2
sbitP2_2=P2^2;//用来点亮数码管3
sbitP2_3=P2^3;//用来点亮数码管4
ucharcodetable[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,
0xf8,0x80,0x90};//液晶查询表
voiddisplay_1（unsignedintnumber）;
voiddisplay_2（unsignedintnumber）;
voiddisplay_3（unsignedintnumber）;
voiddisplay_4（unsignedintnumber）;
/***********************************
函数名：
voiddisplay_1
参数：
（unsignedintnumber）
作用：
根据输入的数字点亮显示数码管1
************************************/
voiddisplay_1（unsignedintnumber）
{P0=table[number];
P2_0=0;
}
/***********************************
函数名：
voiddisplay_2
参数：
（unsignedintnumber）
作用：
根据输入的数字点亮显示数码管2
************************************/
voiddisplay_2（unsignedintnumber）
{P0=table[number];
P2_1=0;
}
/***********************************
函数名：
voiddisplay_3
参数：
（unsignedintnumber）
作用：
根据输入的数字点亮显示数码管3
************************************/
voiddisplay_3（unsignedintnumber）
{P0=table[number];
P2_2=0;
}
/***********************************
函数名：
voiddisplay_4
参数：
（unsignedintnumber）
作用：
根据输入的数字点亮显示数码管4
************************************/
voiddisplay_4（unsignedintnumber）
{P0=table[number];
P2_3=0;
}
②键盘扫描子程序
使用线反转法扫描键盘，矩阵键盘的1-4行接入P1.7-P1.4，1-4列接入P1.3-P1.0，同时P1.3-P1.0接上拉电阻，线反转法的步骤：
1、将列线作为输出线，行线作为输入线，置输出线全部为0，此时行线中呈低电平0的为按键所在行，如果全部都不是0，则没有按键按下；2、将第一步反过来，即将行线作为输出线，列线作为输入线，置输出线全部为0，此时列线中呈低电平0的为按键所在列，至此便确定了按键的位置，可根据行列参数查询实现写好的键值表，获取键值。
线反转法扫键流程图：
图7键盘子程序流程图
扫描键盘子程序代码：
#include
inthang;//定义行号
intlie;//定义列号
unsignedintKey_Val=1;//保存键值
unsignedintkeymap[]={1,2,3,0,4,5,6,0,7,8,9,0,0,0,0,0};//设置键盘逻辑键值
intKeyScan（）;//扫键子函数
voidDelay（）;//延时
/*************************************
key_Val对应键值
列：
[p13][p12][p11][p10]
↓↓↓↓
行：
[p17]→1
（1）2
（2）3（3）4（A）
[p16]→5（4）6（5）7（6）8（B）
[p15]→9（7）10（8）11（9）12（C）
[p14]→13（*）14（0）15（#）16（D）
**************************************/
voidDelay（）//延时子函数
{
longi;
for（i=1000;i>0;i--）;
}
intKeyScan（）//扫键子函数
{
P1=0xF0;//列输出全0；
if（（P1&0xF0）!
=0xF0）//扫描行，如果不全为0，则进入
{
switch（P1）//获得行号
{
case0x70:
hang=1;
break;
case0xB0:
hang=2;
break;
case0xD0:
hang=3;
break;
case0xE0:
hang=4;
break;
default:
break;
}
Delay（）;//延时去抖动
P1=0x0F;//行输出全0
if（（P1&0x0F）!
=0x0F）//扫描列，如果不全为0，则确认按键按下
{
switch（P1）//获得列号
{
case0x07:
lie=1;
break;
case0x0B:
lie=2;
break;
case0x0D:
lie=3;
break;
case0x0E:
lie=4;
break;
default:
break;
}
return1;//扫描到按键按下，则返回1
}
}
else
return0;//未扫描到按键按下，返回0
}
③主机程序：
在主机主程序中首先进行串口的配置，需要将串口置为模式3；然后程序一直循环查询是否有按键按下（K1或K2），如果有按键按下，则进入与从机通信的子程序。
主机主程序流程图：
图8主机主程序流程图
主机与从机通信的子程序是主机程序的最关键部分，负责主机与从机建立联系、数据通信和终止连接的任务。
以按下按键K1为例，按下K1表示应与从机1通信，程序进入通信子程序，首先主机向所有从机发送从机1的地址“0x01”，然后主机等待从机1的回应（从机1收到请求会发回本机的地址信号0x01作为回应），接收到回应则继续进行通信；然后主机一直处于接收状态，循环接收从机发送的数据，并将数据通过数码管显示，直到接收到数据0，则退出子程序；注意由于单片机外接MAX485进行通信，所以在发送或接收前需要改变控制脚
、DE改变MAX485的收发状态。
图9主机与子程序通信流程图
主机程序代码：
//主机程序
#include
#include
#include
sbitRE=P3^2;//MAX485的控制脚RE和DE
sbitDE=P3^3;//发送时置高，接收时置地
unsignedchartemp=0xff;
sbitKEY1=P2^4;//P2.4,P2.5是两个按键
sbitKEY2=P2^5;//
//延时1ms函数
voiddelay_1ms（unsignedintt）
{
unsignedintx,y;
for（x=t;x>0;x--）
for（y=110;y>0;y--）;
}
//串口初始化函数
voidserial_init（）
{
TMOD=0x20;//定时器1工作于方式2
TH1=0xfd;
TL1=0xfd;//波特率为9600
PCON=0;
SCON=0xd0;//串口工作于方式3
TR1=1;//开启定时器
TI=0;
RI=0;
}
//向指定从机地址发送数据
//和从机通信
voidADDR_data（unsignedaddr）
{
intj=0;
while（temp!
=addr）//主机等待从机返回其地址作为应答信号
{
RE=1;//发送状态
DE=1;
TI=0;//发送从机地址
TB8=1;//发送地址帧
SBUF=addr;
while（!
TI）;
TI=0;
RE=0;//接收状态
DE=0;
RI=0;//接收从机应答信号
while（!
RI）;
temp=SBUF;//从机会发送自己的地址作为回应
RI=0;
}//选通从机后跳出循环
display_1（addr）;//接通后在数码管上显示1或2
//主机循环接收从机发过来的数字信号并在数码管上显示，直到接收到0
do{
RE=0;//接收状态
DE=0;
RI=0;
while（!
RI）;
temp=SBUF;
RI=0;
display_1（temp）;//在数码管上显示数字
}while（temp!
=0）;
//接收到0，表示此次通信结束,数码管闪烁表示
for（j=0;j<50;j++）
{
display_1（addr）;
delay_1ms（10）;
P2_0=1;
P0=0x86;
P2_1=0;
delay_1ms（10）;
P2_1=1;
P0=0xc8;
P2_2=0;
delay_1ms（10）;
P2_2=1;
P0=0xa1;
P2_3=0;
delay_1ms（10）;
P2_3=1;
}
}
voidmain（）
{
RE=1;
DE=1;//初始为发送状态
serial_init（）;
while
（1）
{
if（KEY1==0）
{
delay_1ms（5）;//消抖
if（KEY1==0）
{
while（!
KEY1）;
ADDR_data（0x01）;
}
}
if（KEY2==0）
{
delay_1ms（5）;
if（KEY2==0）
{
while（!
KEY2）;
ADDR_data（0x02）;
}
}
RE=1;
DE=1;//重置为发送状态
}
}
④从机程序：
从机首先进行串口初始化，然后处于循环接收状态，即等待主机的请求，如果接收缓存区有数据，判断是否等于本机地址，等于则表明有主机请求，则再向主机发送本机地址作为回应；然后从机进入读键子程序，循环读出键值并将键值发送到主机，直到有0键按下，从机将0发送后退出子程序，即结束此次通信，重新开始主循环。
注意由于单片机外接MAX485进行通信，所以在发送或接收前需要改变控制脚
、DE改变MAX485的收发状态。
从机主程序流程图：
图10从机程序流程图
从机程序代码（从机1）：
//从机1程序
#include
#include
#include
#include
#defineaddr0x01//从机2的地址
sbitRE=P3^2;//MAX485的控制脚RE和DE
sbitDE=P3^3;//发送时置高，接收时置地
unsignedcharaa=0xff;//主机与从机之间通信标志
//延时1ms函数
voiddelay_1ms（unsignedintt）
{
unsignedintx,y;
for（x=t;x>0;x--）
for（y=110;y>0;y--）;
}
//串口初始化函数
voidserial_init（）
{
TMOD=0x20;//定时器1工作于方式2
TH1=0xfd;
TL1=0xfd;//波特率为9600
PCON=0;
SCON=0xd0;//串口工作于方式3
TR1=1;//开启定时器
TI=0;
RI=0;
}
voidmain（）
{
unsignedintKey;
unsignedintj;
RE=0;
DE=0;//初始为接收状态
serial_init（）;
while
（1）
{
SM2=1;//接收地址帧
while（aa!
=addr）//从机等待主机请求自己的地址
{
RE=0;//接收状态
DE=0;
RI=0;
while（!
RI）;
aa=SBUF;
RI=0;
}
RE=1;//发送状态
DE=1;
TI=0;//一旦被请求，从机返回自己地址作为应答，等待接收数据
TB8=0;
SBUF=addr;
while（!
TI）;
TI=0;
SM2=0;//接收数据帧
for（j=0;j<5;j++）
{
display_1
（1）;
delay_1ms（500）;
P2_0=1;
delay_1ms（500）;
}
//连接成功则进入扫键程序
do//循环扫描键盘
{
Key=KeyScan（）;
if（Key==1）//如果扫描到按键按下
{
Key_Val=keymap[（hang-1）*4+lie-1];//计算得到键值
display_1（Key_Val）;//从机上显示
TI=0;//将按下的数字发送到主机
SBUF=Key_Val;
while（!
TI）;
TI=0;
}
}while（Key_Val!
=0x00）;
P2_0=1;
Key_Val=1;
aa=0xff;
RE=0;
DE=0;//重置为接收状态
}
}
5、系统调试及测试
系统实物图：
主机
首先按下主机的K1按钮，主机显示“1”，从机1闪烁显示“1”，表示已经接通，然后在从机1键盘上按下任何键，从机和主机同时显示键值，按下0键，则主机显示“1END”表示结束，从机数码管灯灭，再按下键盘无反应；再测试从机2，按下主机的K2按钮，主机显示“2”，从机2闪烁显示“2”，表示已经接通，然后在从机2键盘上按下任何键，从机和主机同时显示键值，按下0键，则主机显示“2END”表示结束，从机数码管灯灭，再按下键盘无反应；在某个从机与主机通信时，按下主机另一从机按钮或在另一从机上按下键盘，不影响通信。
6、结论
测试结果表明设计的系统满足题目要求，完成了RS-485标准的主从式多机系统设计任务。
但是本设计并没有体现出通信接口的识别功能这一点（即利用SM2位进行地址信息和数据信息的区分），这主要是因为主机并不需要向从机发送数据信息，只发送了地址信息进行请求。
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