上下位机测控系统.docx
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上下位机测控系统
专业综合设计报告
题目：
上、下位机测控系统
姓名：
石建刚李宗为刘欢李晶辉杨帅
专业班级：
电科08——4班
指导教师：
刘海
日期：
2011年11月22日
摘要：
设计介绍一种上、下位机测控系统，采用双工通信方式实现单片机与PC机之间的串行通信，用51单片机实现对外部温度等数据的采集和处理，通过MAX232进行电平转换，并通过PC机的RS232串行接口将信号送至上位机，用同样的方式实现PC机对单片机的控制。
为实现微机和单片机之间的数据交换，人们用不同的方法实现串行通信，在现代工业控制领域经常涉及到的语言中，汇编语言以其强大的功能，极强的灵活性而受广大软件开发者的青睐，被广泛应用与各个领域。
为实现数据传输的独立性，可以利用汇编语言，实现基于Windos平台的PROTEL调试。
设计中介绍了Windows环境下应用单片机语言实现PC与单片机的通信，以及单片机控制PC机的读写，给出了汇编语言编写的单片机控制PC机读写的通信程序和PC机对单片机的控制程序，应用方便，灵活度高。
关键词：
双工通信，温度测控，串行接口
目录
1引言4
2系统总体方案及硬件电路设计4
2.1系统总体方案4
2.2硬件电路设计5
2.2.1电平转换模块5
2.2.2RS232串口特性5
2.2.3单片机模块6
2.2.4温度采集模块7
2.2.5显示模块7
2.2.6电路图8
3软件设计方案8
3.1工作原理8
3.2软件流程图9
3.3程序设计10
4总结11
5参考文献11
1引言
随着计算机技术尤其是单片机技术的发展，人们已越来越多地采用单片机来对一些工业控制系统中如温度、湿度等参数进行检测和控制。
PC机具有强大的监控和管理功能，而单片机则具有快速及灵活的控制特点，通过PC机的RS232串行接口与外部设备进行通信，是许多测控系统中常用的一种通信解决方案，实现PC机与单片机之间的通信具有非常重要的现实意义。
本设计采用MCS51系列单片机，它的CPU由运算器和控制器组成，运算器由ALU、ACC、暂存器和标志寄存器等组成；控制器包括定时控制逻辑电路、指令寄存器、译码器、地址指针DPTR及程序计数器PC、堆栈指针SP等，是CPU的神经中枢；存储器是单片机的另一个重要组成部分，每个存储单元对应一个地址，每个存储单元可存放一个八位二进制信息，分为程序存储器和数据存储器；另外还有一些特殊功能寄存器。
MCS51共有立即寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、变址寻址、相对寻址和位寻址7种寻址方式，内部包含4k字节ROM、128字节RAM、21个特殊功能寄存器、32根I/O线、可寻址的64k字节外部数据、程序存贮空间、2个16位定时器、计数器中断等结构，其各部分通过内部总线有机的连接起来。
2系统总体方案及硬件电路设计
2.1系统总体方案
此双工无线通信系统的总体框图如图2.1所示。
由于此系统可实现双工通信，因此它每一步的传输均为双向，PC机（上位机）通过上位机程序界面发送数据给单片机，单片机接受外界温度数据发送给PC机，并在PC机程序界面上显示出来。
图2.1
开发应用系统可采用将普通仿真器的仿真插头引出仿真2051的方法,可以运用单步、断点的调试方法。
利用MCS51单片机设计的系统也比较稳定，调试方便容易。
设计中主要用到了AT89C2051的P1口与P3口的第二功能，串行口输入端P3.0/RXD和串行口输出端P3.1/TXD。
2.2硬件电路设计
2.2.1电平转换模块
PC机的串行口采用的是标准的RS232接口，单片机的串行口电平是TTL电平，而TTL电平特性与RS232的电气特性不匹配，因此为了使单片机的串行口能与RS232接口通信，必须将串行口的输入／输出电平进行转换，通常用MAX232芯片来完成电平转换。
MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS232标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5v单电源供电。
它符合所有的RS232技术标准，只需要单一电源供电，其片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V和-10V电压，并且具有功耗低高集成度的特点。
由于RS232电平较高，在接通时产生的瞬时电涌非常高，很有可能击毁MAX232，所以在使用中应尽量避免热插拔。
图2.2.1MAX232与串口的连接
2.2.2RS232串口特性
RS232串口通信最远距离是15m，可以做到双向传输、全双工通讯，最高传输速率20kbps。
传送的数字量采用负逻辑，通信时标准规定的数据传输速率为每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。
通信参数中的数据位标准值是5、7和8位，如何设置取决于传送的信息。
停止位用于表示单个包的最后一位，典型的值为1，1.5和2位。
由于数是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备间出现了微小的不同步，因此停止位不仅仅是表示传输的结束，还能提供给计算机校正时钟同步的机会。
串口引脚的定义如下表所示：
9芯
信号来源
缩写
描述
1
调制解调器
CD
载波检测
2
调制解调器
RXD
接收数据
3
PC
TXD
发送数据
4
PC
DTR
数据终端准备好
5
GND
信号地
6
调制解调器
DSR
通讯设备准备好
7
PC
RTS
请求发送
8
调制解调器
CTS
允许发送
9
调制解调器
RI
响铃指示器
表2.2.2串口引脚定义
2.2.3单片机模块
单片机模块电路包括单片机、复位电路和时钟电路。
它将串口送过来的数据传输给PC机。
单片机的复位电路和时钟电路是单片机工作所必需的。
2.2.4温度采集模块
选用适当的温度测量传感器进行实时温度的采集，其原理为环境温度的变化导致传感器（如热敏电阻）某种物理属性发生变化，与其内置相应标准对比可得出环境温度的变化情况。
热敏电阻按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻。
热敏电阻的典型特点是对温度敏感，不同的温度下表现出不同的电阻值。
正温度系数热敏电阻在温度越高时电阻值越大，负温度系数热敏电阻在温度越高时电阻值越低，它们同属于半导体器件。
热敏电阻的主要优点是灵敏度较高、工作范围宽、体积小、使用方便、稳定性好等，缺点在于温度变化与阻值变化的非线性和热敏电阻之间较差的互换性。
当电路正常工作时，热敏电阻温度与室温相近，电阻很小，串联在电路中不会阻碍电流通过；而当环境温度变化时，热敏电阻的阻值就会发生变化，导致电路中的电流发生变化，进而可以对被测量进行检测。
设计采用正温度系数的电阻。
2.2.5显示模块
设计采用两位七段数码管显示。
按发光二极管单元连接方式可将数码管分为共阳极数码管和共阴极数码管，共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极的数码管，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮，相反则不亮；共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极的数码管，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段点亮。
显示方式又分为静态和动态两种，静态驱动也称直流驱动，是指每个数码管的每一个段码都由一个的I/O端口进行驱动，优点是编程简单，显示亮度高；缺点是占用I/O端口多，增加了硬件电路的复杂性。
动态显示是将所有数码管的8个显示段连在一起，另外为每个数码管的公共极增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，哪个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通端电路的控制。
动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗低。
设计采取共阴极接法，使用动态显示。
2.2.6电路图
图2.2.6电路图
3软件设计方案
3.1工作原理
RS232是异步通信，开始时，信号线为空闲,当检测到由1到0的跳变时开始计数，当计到8个时钟时，对输入信号进行检测，若仍为低电平，则确认这是“起始位”，而不是干扰信号。
接收端检测到起始位后，隔16个接收时钟，对输入信号检测一次，把对应的值作为D0位数据。
若为逻辑1,作为数据位1；若为逻辑0，作为数据位0。
再隔16个接收时钟，对输入信号检测一次，把对应的值作为D1位数据，直到全部数据位都输入。
当本帧信息全部接收完，把线路上出现的高电平作为空闲位，当信号再次变为低时，开始进入下一帧的检测。
3.2软件流程图
3.3程序设计
ORG30H
SJMPSTART
START:
MOVTMOD,#20H；设置定时方式寄存器
MOVPCON,#0；设置电源寄存器
MOVTH1,#0E6H
MOVTL1,#0E6H；装入初值
SETBTR1；开中断
CLRES；开中断允许
MOVSP,#5FH
LOOP:
MOVSCON,#50H；串行口接收数据工作方式
JNBRI,#1；判断RI是否为0
NOP
NOP
NOP
CLRRI；清零
MOVA,SBUF；读进收到的数据
NOP
NOP
NOP
NOP
NOP
MOVSBUF,A；启动发送
PD：
JNBTI,#1；判断TI是否为0
NOP
NOP
RETURN：
SJMPPD；重复判断
END
4总结
本次课程设计我们所选的题目综合性较高，涵盖了单片机与接口知识、数字电路知识、半导体物理知识以及微电子知识等等，通过查找大量相关书籍和资料，我们才能完成这份报告，这过程当中又将以往学习过的知识复习了一遍，并且对于部分以前没有弄明白的地方有了新的理解，对于书本知识的实际运用也有了一些心得体会。
设计中我们发现，单片机与微机的串行通信可以弥补单片机在数据处理方面的不足和PC机在控制方面的欠缺。
单片机靠程序运行，通过不同的程序实现不同的功能，灵活多变，实时控制，方便快捷；PC机功能强大，运行稳定，数据处理复杂度高，与单片机配合使用，取长补短，快速高效。
设计中的时间开销主要在通信上，因为串行通信方式只用一根传输导线，将组成一个数据的各个二进制位按先后顺序逐位进行传送，而由于一根导线在同一时刻只能有一种电平出现，所以组成一个数据的二进制位只能分时传送，因此其传送速度相对较慢。
改进的办法是用一根较短的导线连接PC机与单片机，这样不仅可以提高速度，还能增加数据传输的准确率。
通过课程设计，锻炼了我们综合运用所学知识，发现、提出、分析和解决实际问题的能力，也锻炼了我们的动手实践能力，是对我们实际工作能力、自学能力、检索文献、撰写论文等等各方面能力的具体训练和考察过程，提高了我们对于课本知识的理解程度，加强了我们理论和实践相结合的能力。
经过这次的课程设计，我们收获很多，相信在毕业设计中会有更好的表现。
5参考文献
[1]张琳娜,刘武发．传感检测技术及应用[M].中国计量出版社,1999
[2]胡汉才.单片机原理及系统设计[M].清华大学出版社，2004
[3]李东生.Protel99SE电路设计教程[M].电子工业出版社，2007
[4]李景峰，杨丽娜，潘恒.VisualC++串口通信技术详解[M].机械工艺出版社，2010
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