基于单片机的RS232转485总线毕业设计论文.docx
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基于单片机的RS232转485总线毕业设计论文
学号：
0121009310106
学生实习报告书
实习执行大纲
一、实习目的
1、巩固《单片机原理与应用》理论课的理论知识；
2、熟悉单片机应用系统的硬件设计及软件设计的基本方法；
3、将《单片机原理与应用》理论课的理论知识应用于实际的应用系统中；
4、训练单片机应用技术，锻炼实际动手能力。
二、实习纪律与要求
1、实习纪律
1）参加实习的学生必须按照实习大纲的要求，在指导教师的指导下，全面完成实习任务；
2）听从指导教师安排，严格遵守实习纪律；
3）因故在实习期间缺勤累计超过规定时间的三分之一，不得参加本次实习考核，但可在补足所缺天数后再给予考核并评定实习成绩。
2、基本要求
1）利用PROTEL等软件进行硬件设计；
2）利用KeiluV2软件完成应用系统软件设计；
3）利用stc-isp软件完成在系统编程、下载，并完成系统软件调试；
4）题目由指导教师提供；
5）要求每个学生单独完成硬件软件设计、仿真、焊接、调试任务；
6）写出实习报告，实习报告主要包括以下内容：
目录、摘要、关键词、基本原理、方案论证、硬件设计、软件设计（带流程图、程序清单）、仿真结果、实物运行结果照片、结论、参考文献等；
7）实习完成后通过答辩；
8）答辩时交实习报告电子文档，通过答辩后根据修改意见修改并打印、装订成册。
三、实习地点
武汉理工大学信息工程学院通信实验室。
四、实习时间
2012年12月10日---2013年1月10日。
实习单位：
武汉理工大学信息工程学院
参观考察单位：
（1）武汉理工大学信息工程学院国创课题小组
（2）武汉理工大学信息工程学院开放实验室
（3）武汉理工大学电工电子实习中心
（4）
（5）
（6）
实习开始时间：
2012年12月10日，实习时间共20天。
完成实习报告时间：
2013年1月10日。
目录
摘要I
AbstractII
1、引 言1
2、设计方案2
3、电路基本知识3
3.1.1、RS-232引脚及其含义3
3.1.2、RS-232接口电平4
3.1.3、RS-232的不足之处4
3.2.1、RS-485简介5
3.2.2、RS-485引脚说明5
3.2.3、RS-485特点6
3.3.1、MAX232芯片简介6
3.3.2、MAX232芯片引脚图7
3.3.3、MAX232引脚功能说明7
3.4.1、MAX485芯片简介8
3.4.2、MAX485芯片引脚图及其说明8
3.4.3、MAX485芯片的主要特性10
4、单元电路设计11
5、电路调试15
6、电路实物图16
7、心得体会17
8、参考文献18
附录：
程序19
摘要
RS-232只能进行短距离的通信，推出为10米左右。
并且抗干扰能力不是很理想。
而RS-485与RS-232相比有很多优点，首先，它的通信距离比前者远得多，通常可以达到数百米甚至千米以上，而且还可以实现多点通信方式，从而建立一个小范围的局域网，因而更有使用价值。
并且它采用差模信号传输方式，与地电平关系不大，因而它的抗干扰能力远比前者强多了。
本文介绍了如何设计一个RS-232转RS-485的电平转化电路，介绍了基于RS485实现的PC机与单片机串行通信控制系统.通过RS485与RS232信号转换电路,PC机根据下位机的地址不间断采集下位机的数据,经过处理后,将控制信号传给下位机,从而实现PC机与单片机之间的多路远程数据采集和远程控制。
关键词:
RS485;单片机;串行通信
Abstract
RS-232onlyforashortdistancecommunication,introducedforthe10meters.Andtheanti-interferenceabilityisnotveryideal.ComparedwithRS-232andRS-485hasalotofadvantages,firstofall,thecommunicationdistanceisfarmorethantheformer,usuallycanbehundredsofmetersorevenkilometersabove,butalsocanrealizemulti-pointcommunicationmode,soastoestablishasmallLAN,somoreusevalue.Anditusesthedifferentialmodesignaltransmissionmode,andagroundlevelrelationshipisnot,soitsanti-interferenceabilityisfarstrongerthantheformerstract.
ThispaperintroduceshowtodesignaRS-232transferRS-485thelevelconversioncircuit,basedonRS485implementationofthePCserialcommunicationbetweenSCMandPCcontrolsystemthroughtheRS485andRS232signalconversioncircuit,PCmachineaccordingtothemachineaddressofuninterruptedcollectedunderthecrewofthedata,aftertreatment,thecontrolsignalistransmittedtothenextmachine,therebyrealizingbetweenPCandsingle-chipmicrocomputermultichannelremotedatacollectionandcontrol.
Keywords:
RS-232；RS485;Singlechipmicrocomputer;Serialcommunication
基于单片机的RS-232
转485总线设计
1、引 言
目前PC机与多台单片机构成的分布式工业控制系统、数据传输系统等在工业现场的应用越来越广泛.它既利用了单片机功耗低、价格便宜、功能强大、抗干扰能力好等优点构建适宜分布于工业现场、使用方便灵活的监控站或下位机,又结合PC机丰富的软硬件资源,提供管理功能强大、人机界面友好的操控平台.而随着近几年来变频技术的不断发展,多单片机应用系统又以由单片机实现的变频控制为突出代表.
在这类控制系统中,稳定可靠、方便快捷的数据通信是实现系统功能的基础和保障.因此,根据系统的实际工作环境条件,选择恰当的接口形式和通信协议,设计合理通信软件和硬件控制电路就显得十分重要.RS485是工业界使用最为广泛的双向、平衡传输线标准接口,它以半双工方式通信,支持多点连接,允许创建多达32个节点的网络（某些驱动器模块可增加至128个）,具有传输距离远（最大传输距离为1200m）,传输速率快（1200m时为100kbit/s）等优点,用于多站互连时,便于组建成本低廉、可靠性高及分布范围较广的总线网络.文章结合聊城自来水公司利用PC机集中监控多台变频器实现供水的工程项目简要介绍RS485串行通信部分的设计与调试.
2、设计方案
方案说明：
此次PC机与单片机之间的通信接口电路RS232-485转换器主要包括了电源、232电平转换、485电路三部分。
本电路的232电平转换电路采用了NIH232或者也可以直接使用MAX232集成电路，485电路采用了MAX485集成电路。
为了使用方便，电源部分设计成无源方式，整个电路的供电直接从PC机的RS232接口中的DTR（4脚）和RTS（7脚）窃取。
PC串口每根线可以提供大约9mA的电流，因此两根线提供的电流足够供给这个电路使用了。
PC机的串行接口为RS232接口，RS485总线标准采用平衡发送和差分接收，具有抗干扰能力强、灵敏度高、数据传输距离远等优点，所以本系统选用RS485总线进行数据传输。
（即用3.8V～5V表示“1”,0V～0.3V表示“0”），故在数据传输时需要先进行RS232/RS485电平转换，本系统选用MXA232芯片实现上位机端RS232电平与TTL电平的转化，然后通过MAX485芯片将TTL电平转换为RS485标准电平。
在下位机端MAX485将RS485标准电平转换为TTL电平接入处理器的异步串行通信口（UART），实现RS485网络的半双工通信。
图1系统框图
3、电路基本知识
3.1、RS-232介绍
3.1.1、RS-232引脚及其含义
RS-232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。
上位机通常需要同时对多个检测监控设备进行指令下发，并及时搜集下位机传送来的数据，进行通信的前提是要保证串口连接正确并且工作正常。
RS232是单端输入输出，双工工作时至少需要数字地线。
发送线和接受线三条线（异步传输），还可以加其它控制线完成同步等功能。
RS-232C标准规定通信双方采用有25个引脚的DB-25连接器，并对连接器的每个引脚的信号内容和各种信号的电平加以规定。
后来IBM的PC机将RS-232C简化成了DB-9连接器，从而成为事实标准。
图2是DB-9的连接器的引脚分布，表一为其各个引脚功能说明。
图2RS-232串口DB-9引脚
表一DB-9连接器的引脚意义
3.1.2、RS-232接口电平
RS232采用负逻辑电平：
-15~-3：
逻辑1；
+15~+3：
逻辑0；
电压值通常在7V左右。
3.1.3、RS-232的不足之处
由于RS232接口标准出现较早，难免有不足之处，主要有以下四点：
（1）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。
（2）传输速率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps；因此在“南方的老树51CPLD开发板”中，综合程序波特率只能采用19200，也是这个原因。
（3）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。
（4）传输距离有限，最大传输距离标准值为50英尺，实际上也只能用在50米左右。
3.2、RS-485接口介绍
3.2.1、RS-485简介
为扩展应用范围，EIA又于1983年在RS-422基础上制定了RS-485标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，后命名为TIA/EIA-485-A标准。
由于EIA提出的建议标准都是以RS作为前缀，所以在通讯工业领域，仍然习惯将上述标准以RS作前缀称谓。
RS-485标准是为弥补RS-232通信距离短、速率低等缺点而产生的。
RS-485标准只规定了平衡发送器和接收器的电特性，而没有规定接插件、传输电缆和应用层通信协议。
3.2.2、RS-485引脚说明
1、连接主机端的RS485接口。
----信号定义如下：
----RS485接口--------信号含义
----3-----------BRXD-接收数据
----4------------ARXD+接收数据
----5------------YTXD+发送数据
----7------------ZTXD-发送数据
2、-连接从机端的RS485接口。
----信号定义如下：
----RS485接口---------信号含义
----3------------ZTXD-发送数据
----4------------YTXD+发送数据
----5------------ARXD+接收数据
----7------------BRXD-接收数据
3.2.3、RS-485特点
RS-485具有以下特点：
（1）RS-485的电气特性：
逻辑“1”以两线间的电压差为+（2―6）V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-（2―6）V表示。
接口信号电平比RS-232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。
（2）RS-485的数据最高传输速率为10Mbps。
（3）RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好。
（4）RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺，实际上可达3000米，另外RS-232-C接口在总线上只允许连接1个收发器，即单站能力。
而RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。
即具有多站能力,这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。
3.3、MAX232芯片
3.3.1、MAX232芯片简介
MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的接口电路,使用+5v单电源供电。
MAX232是一种双组驱动器/接收器，片内含有一个电容性电压发生器以便在单5V电源供电时提供EIA/TIA-232-E电平。
每个接收器将EIA/TIA-232-E电平输入转换为5VTTL/CMOS电平。
这些接收器具有1.3V的典型门限值及0.5V的典型迟滞，而且可以接收±30V的输入。
每个驱动器将TTL/CMOS输入电平转换为EIA/TIA-232-E电平。
所有的驱动器、接收器及电压发生器都可以在德州仪器公司的LinASICTM元件库中得到标准单元。
MAX232的工作温度范围为0℃至70℃，MAX232I的工作温度范围为-40℃至85℃。
3.3.2、MAX232芯片引脚图
从RS-232转RS-485电平转换电路图中，我们可以看见与PC机接口的芯片为MAX232.
MAX232的结构图如下：
图3MAX232结构图
3.3.3、MAX232引脚功能说明
内部结构基本可分三个部分：
第一部分：
是电荷泵电路。
由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。
功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。
第二部分：
是数据转换通道。
由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。
其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。
8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。
TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。
第三部分：
是供电，15脚GND、16脚VCC（+5v）。
3.4、MAX485芯片
3.4.1、MAX485芯片简介
MAX485采用单一电源+5V工作，额定电流为300μA，采用半双工通讯方式。
它完成将TTL电平转换为RS－485电平的功能。
其引脚结构图如图4所示。
从图中可以看出,MAX485芯片的结构和引脚都非常简单,内部含有一个驱动器和接收器。
RO和DI端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，与单片机连接时只需分别与单片机的RXD和TXD相连即可；/RE和DE端分别为接收和发送的使能端，当/RE为逻辑0时，器件处于接收状态；当DE为逻辑1时，器件处于发送状态，因为MAX485工作在半双工状态，所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚即可；A端和B端分别为接收和发送的差分信号端,当A引脚的电平高于B时，代表发送的数据为1；当A的电平低于B端时，代表发送的数据为0。
在与单片机连接时接线非常简单。
只需要一个信号控制MAX485的接收和发送即可。
同时将A和B端之间加匹配电阻，一般可选100Ω的电阻。
可以串行口取电，可以驱动MAX232与MAX485实现通信。
没加负载时电压有5.16V，加负载后降制3V左右。
3.4.2、MAX485芯片引脚图及其说明
MAX485接口芯片是Maxim公司的一种RS－485芯片，该芯片引脚图如图4所示：
图4MAX485引脚图
MAX485是用于RS-485和RS-422通信的低功率收发器，芯片中包含有1个驱动器和1个接收器，它的电气特性如表3所示：
MAX485芯片由8个管脚组成，其功能如下：
（1）RO脚（接收器输出端）：
若A比B大200mV,RO为高；若A比B小200mV，则RO为低。
（2）/RE脚（接收器输出使能端）：
/RE为低时，RO有效;/RE为高时，RO成高阻状态。
（3）DE（引脚3）：
输出信号的控制引脚。
当这个引脚低电平时，输出驱动器无效；当这个引脚高电平时，输出驱动器有效，来自DI引脚的输出信号通过A和B引脚被加载到总线上。
是COMS电平，可以直接连接到单片机。
（4）DI（引脚4）：
输出驱动器的输入引脚。
是COMS电平，可以直接连接到单片机。
当DE是高电平时，这个引脚的信号通过A和B脚被加载给总线。
（5）GND（引脚5）：
电源地线。
（6）A（引脚6）：
连接到RS485总线的A端。
（7）B（引脚7）：
连接到RS485总线的B端。
（8）Vcc（引脚8）：
电源线引脚。
电源4.0≤Vcc≤5.0V
3.4.3、MAX485芯片的主要特性
图5MAX485内部电路与引脚图关系
表2MAX485主要特点
MAX485是用于RS-485与RS-422通信的低功耗收发器。
MAX485的驱动器摆率不受限制,可以实现最高2.5Mbps的传输速率。
这些收发器在驱动器禁用的空载或满载状态下，吸取的电源电流在120μA至500μA之间。
所有器件都工作在5V单电源下。
驱动器具有短路电流限制，并可以通过“热关断电路”将驱动器输出置为高阻状态。
接收器输入具有失效保护特性，当输入开路时，可以确保逻辑高电平输出，具有较高的抗干扰性能。
MAX485是市面上最为常见的RS422芯片，亦是用量最大的RS422芯片，性价比高，优质，供货稳定是大部分厂家采用它的主要原因。
4、单元电路设计
4.1、MAX232芯片引脚连接电路图
图6MAX232芯片引脚连接电路图
4.2、MAX232与RS-232连接图
图7MAX232与RS-232连接图
4.3、MAX485和单片机的连接
在一般情况下，可以直接把MAX485和单片机连接在一起，连接方法如图8所示。
图8 单片机和MAX485连接
MAX485的控制引脚2和引脚3可以分别控制，也可以共同控制如图8所示，在图8中当P1.0为高电平时，MAX485作为输出驱动器使用，来自单片机TXD的输出信号通过A和B引脚加载到RS485总线上；当P1.0为低电平时，MAX485作为信号接收器使用，来自RS485总线的信号通过RO（1号引脚）被读到单片机的RXD。
MAX485的控制引脚2和3无论是分别控制还是共同控制，接收器和驱动器都不能够同时工作，因此MAX485只能工作在`单工状态下或半双工状态下。
4.4、使用MAX485的多机通讯
可以很方便地由MAX485组成标准的RS485通讯系统，连接方法如图9所示：
图9 由RS485组成的多机系统
这个多机通讯系统由一台主机和多台副机组成，在通过MAX485和总线连接时，主机和副机连接方法相同，因此可以指定系统中的任一台设备作为主机，系统总线的使用权由主机控制。
在系统开始工作时，主机的MAX485处于数据发送状态，也既引脚2和3是高电平；而所有副机的MAX485处于接收状态，也既引脚2和3是低电平。
如果主机想要通过总线读取n号副机的数据，主机可以向这个副机发出呼叫信号，然后出让总线的使用权，也既使主机的MAX485处于接收信号状态，而被呼叫的副机被允许使用总线，它的MAX485处于发送数据状态，向总线加载数据，一旦加载数据完成，总线的使用权重新交给主机。
需要注意的是，在图9中，所有的MAX485的A引脚必须连接在同一条总线上，所有MAX485的B引脚也必须连接载同一条总线上。
4.5、电平转换接口总体电路图
RS232-485转换器主要包括了电源、232电平转换、485电路三部分。
如图10所示，本电路的232电平转换电路采用了NIH232或者也可以直接使用MAX232集成电路，485电路采用了MAX485集成电路。
使用本电路需注意PC程序必须使串口的DTR和RTS输出高电平，经过D3稳压后得到VCC，经过实际测试，VCC电压大约在4.7V左右。
因此，电路中要说D3起的作用是稳压还不如说是限压功能。
MAX485是通过两个引脚RE（2脚）和DE（3脚）来控制数据的输入和输出。
当RE为低电平时，MAX485数据输入有效；当DE为高电平时，MAX485数据输出有效。
在半双工使用中，通常可以将这两个脚直接相连，然后由PC或者单片机输出的高低电平就可以让MAX485在接收和发送状态之间转换了。
由于本电路DTR和RTS都用于了电路供电，因此使用TX线和HIN232的另外一个通道及Q1来控制MAX485的状态切换。
平时NIH232的9脚输出高电平，经Q1倒相后，使MAX485的RE和DE为低电平而处于数据接收状态。
当PC机发送数据时，NIH232的9脚输出低电平，经Q1倒相后，使MAX485的RE和DE为高电平而处于数据发送状态。
图10电平转换总体电路图
5、电路调试
焊接完成电路后，为了能便于观察和检查转换器是否正常工作，特意在转换器上增加了两个发光二极管作为指示器，一个用于指示装换器的工作电源，另一个用于指示数据传输过程中数据的传输情况和连接情况。
在第一次软件调试过程中，由于一心想到只要证明传输了数据，哪怕一位，也可说明设计的转换器成功了，在设计通信的程序的时候，指设计传输了一个数，传输一次。
然后，想通过流水灯直观地将数据显示出来。
可是，两个单片机通信的时候，启动和软件运行时，不能刚好同步，导致数据传输过程中数据丢失。
第二天重新回顾和理清思路，又重新将学过的单片机的教材看了一遍，特别是串口通信的部分。
再第三天，三个人一起讨论后，决定将程序改为传输全0和全1，同时，将程序改为重复发送这一数据。
为了避免通信失败后不知道出错的原因，没有直接进行通信，而是分别观察两个转换器的数据指示灯，并通过改变延时时间和传输的数据，确定两个转换器正常工作后，才将两个转换器用数据线连接，这个时候，虽然接受收方的单片机还没有用程序显示数据，但是，接收方的指示灯已经表明数据同步传输了。
之后，修改接收方单片机的程序，使其实时显示接收的数据，实现双机的实时通信，而通信的过程，是通过可以远距离
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