基于51单片机的多机通信系统设计.docx

1、基于51单片机的多机通信系统设计单片机多机通信系统一 、引言随着单片机技术的不断发展，单片机的应用已经从单机向多机互 联化方向发展。单片机在实时数据采集和数据处理方面， 有着成本低、 能满足一般要求、开发周期短等优点，其在智能家居、计算机的网络 通信与数据传输、工业控制自动化等方面有着广泛的应用。本系统是面向智能家居应用而设计的。在初期，采用红外无线通 信方式，其传输距离短，适于一般家庭应用，且成本相对较低；待方 案成熟、成本允许，可以改用 GSM 无线通信方式。二 、系统原理及方案设计1 、系统框架介绍本系统为基于 51单片机的多机红外无线通信系统，由三个 51 单 片机模块组成。其中一个作

2、为主机（即上位机） ，负责接收来自从机 1（即下位机）采集的数据信息，以及向从机 2（即下位机）发送控制信息。从机 1 是数据采集模块，采集温度、光强等室内数据，并将 其发送给主机。主机经分析处理，作出相应判断，并给从机 2 发送控 制信息，使由从机 2 控制的电机作出相应反应，调节室内环境状况。系统总体框图如下图 1 所示，图 2 为红外收发模块简图：图1系统总体框图图2红外收发模块简图2、多机通信原理介绍在多机通信系统中，要保证主机与从机间可靠的通信，必须要让 通信接口具有识别功能，51单片机串行口控制寄存器 SCON中的控 制位SM2正是为了满足这一要求而设置的。当串行口以方式 2或方式

3、3工作时，发送或接收的每一帧信息都是 11位的，其中除了包含 SBUF寄存器传送的8位数据之外，还包含一个可编程的第 9位数据 TB8或RB8。主机可以通过对TB8赋予1或0来区别发送的是数据 帧还是地址帧。根据串行口接收有效条件可知，若从机的SCON控制位SM2为1, 则当接收的是地址帧时，接收数据将被装入 SBUF并将RI标志置1, 向 CPU 发送中断请求； 若接收的是数据帧时， 则不会产生中断标志， 信息将被丢弃。若从机的 SCON 控制位 SM2 为 0，则无论主机发送 的是地址帧还是数据帧，接收数据都会被装入 SBUF 并置 1 标志位 RI ， 向 CPU 发 出 中 断 请 求

4、 。那么，我们规定如下通信协议：(1)置1所有从机的SM2位，使之处于只能接收地址帧的状态， 并给每个从机初始化一个地址值；(2)主机发送地址帧，其中包含 8位地址信息，第 9位为 1，进 行从机寻址；(3)从机接收到地址后，将 8 地址信息与其自身地址值相比较， 若相同则清“ 0 “控制位SM2,若不同则保持SM2位为1；(4)主机从第二帧开始发送数据帧，其中第 9 位为 0。对于已经被寻址的从机，因其SM2为0,可以接收主机发送来的任何信息，而 对于其他从机，因其SM2为1,将对主机发送来的数据信息不予理睬， 直到发来一个新的地址帧。( 5)若主机需要要与其他从机联系, 可再次发送地址帧来

5、进行从 机寻址,而先前被寻址过的从机在分析出主机发来的地址帧是对其他 从机寻址时，恢复其自身的SM2为1,对主机随后发来的数据信息不 予理睬。3 、红外通信方式介绍 因为本系统是面向智能家居而设计的,考虑到有线方式给用户带 来的不便, 我们选用无线作为各单片机间的通信方式。 且我们队员以 前未做无线通信,希望在这次比赛中锻炼、提高自己。对于无线通信方式，常见的 有五种：红外通信，蓝牙通信，Zigbee通信，GSM通信，GPRS通信。红外通信是我们在学习中接触到最多的，元件材料相对简单、容 易获得，能够满足一般家庭应用，且红外通信方面的资料比较多，易 学。蓝牙设备自制不易，购买则增加系统成本。

6、Zigbee GSM、GPRS则或系统设计复杂，或成本高。红外通信背景介绍：红外线是波长在 750nm至1000nm间的电磁 波，其频率高于微波而低于可见光，是一种人肉眼看不见的光线。目 前无线电波和微波已被广泛应用在长距离的无线通信中， 但由于红外线的波长较短，对障碍物的衍射能力差，所以更适合应用在需要短距 离无线通信场合点对点的直线数据传输。（1）红外收发器TFDU4100介绍对于红外收发模块，我们采用 TFDU4100红外收发器来实现。TFDU4100是常用的低电压红外收发模块，以串行方式进行数据交换， 遵循lrDA1.2标准，最高通信速率可以达到 115.2Kbps,最大传输距 离为3

7、.0m。TFDU4100芯片图片和管脚定义分别如图3、表1所示TFDV4100Baby Fare fL-niversal图 3 TFDU4100 芯 片 图 片管脚号作用描述I/O有效电平1IRED红外发射的阳极，该引脚通过一个外Anode接电阻与Vcc2相接2IRED红外发射的阴极，该引脚在模块内部Cathode与输出驱动相连3TXD发送数据的输入端输入引脚高4RXD接收数据的输出端，不需要上拉或下输出引脚低拉电阻，数据发送时此脚无效5NC不用连接6Vcc1/SD电源/关闭引脚，当该脚为低电平时，红外传输模块关闭7SC灵敏度控制端输入引脚高8GND接地端表1 TFDU4100管脚定义除了使用

8、TFDU4100构成红外收发模块外，还可以选用其他的方 案。比如用分立元件搭建一个红外发射、接收电路：用电阻、电容组 成低步振荡器，频率调在38KHz左右，由红外发光二极管发射载波； 红外接收部分采用普通的红外接收头，比如 LF0038U,再用二极管、晶体管、电容、电阻构成放大、解调电路。但此方案缺点在于电路复 杂、系统稳定性不强，并且成本与采用 TFDU4100设计差别不大。(2)串行红外传输控制器TOIM3232介绍根据IrDA红外传输标准，串行红外传输采用特定的脉冲编码标 准，该标准与RS232串行传输标准不同。若两设备之间进行串行红外 通讯，就需要一个传输控制器，以进行 RS232编码

9、和IrDA编码之间的转换。TOIM3232串行红外传输控制器就是Vishay公司为配合TF DU4100而设计的。其功能结构图如图4所示：rug卜mi. i-HE?I b-图4 TOIM3232功能结构框图在输出模式下，TOIM3232可把RS232输出信号转变成符合IrDA 标准的信号以驱动红外发射器；在接收模式下，TOIM3232可把IrDA输入信号转变成符合RS232标准的信号；TOIM3232的红外传输速度 范围为 2.4Kbit/s 115.2Kbit/s。TOIM3232 内部有一个 3.6864MHz的 晶振，用以实现脉冲的扩张和压缩。该时钟信号既可以由内部晶振产 生也可用外部时

10、钟实现。该控制器可通过RS232口进行编程控制，其 输出脉冲宽度可程控为1.627或3/16位长。4 、 主 机 模 块 介 绍主机模块以89C52单片机为控制核心，外围主要接有 4X4矩阵键盘、1602液晶显示屏、TFDU4100红外收发器、串行红外传输控制器TOIM3232。此模块中89C52单片机作为CPU,控制整个系统的运转。 系统启动时，默认主机与从机1建立连接。主机以串行口中断方式接 受从机1发送的数据。数据经单片机分析，显示于 1602液晶上，并 判断是否向从机2发送控制信息。本系统中我们使用4*4的非独立式矩阵键盘，如下图5所示。将 行线、列线分别连接到按键开关的两端，并且连接

11、到单片机的I/O 口通过矩阵键盘，可以向主机输入要寻址的从，以控制主与哪一个从通信；并能控制与主机连接的1602液晶，显示任意一项从机1测 量的数据。下面为4*4矩阵键盘的程序设计流程图如下图6所示：图6 4*4矩阵键盘的程序设计流程图1602液晶是一种专门用于显示字母、数字、符号的点阵式 LCD , 它有5*10和5*7两种点阵字符显示模式可供选择，5*7点阵字符下可 以显示2行共32个字符。一般其主控制驱动电路为 HD44780,模块 内部的字符发生存储器(CGROM)已经存储了 160个不同的点阵字 符图形，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B

12、(41H)，显示时模块把地址41H中的点阵 字符图形显示出来，我们就能看到字母“ A602液晶在此模块内的作用，是显示从机1测量的数据，验证红外通信的可靠性；当主机 要切换要与之通信的从机时，用1602显示修改后与之通信的从机名。红外通信模块主要由TFDU4100和TOIM3232构成。TFDU4100采用IrDA红外传输标准，即串行红外传输的脉冲编码，这个标准不能和单 片机接口直接兼容。所以用串行红外传输控制器 TOIM3232进行串码 和IrDA编码间的转换。TOIM3232可把单片机输出的串码信号转换成 符合IrDA标准的信号以驱动TFDU4100；它还可以将IrDA输入信号转 换成串码

13、信号送入单片机。其电路设计原理图如下图 7 所示：ncc|-q图7 51单片机、TOIM3232、TFDU4100简易连接原理图主机负责对外围器件的调度与控制，包括红外收发模块接收数据控制、键盘扫描、1602液晶的显示、是否向从机2发送消息。其程序 流程图如下图8所示:开始r 一 r单片机复位广默认启动时与从机1连接丄 1602显示此时与从机1连接 J1 串行口中断While(1)死循环返回主程序结束图8主机程序流程图5、从机1模块介绍从机1模块以89C52单片机为控制核心，外围主要接有1602液晶 显示屏、TFDU4100红外收发器、串行红外传输控制器 TOIM3232、 ADC0809、温

14、度传感器、光强传感器。室内温度的测量采用温度传感器DS18B2Q选用此传感器的原因 是它价格便宜，可以降低系统成本，且对于一般家庭使用，此传感器 的精度足够了。使用简单，易控制。 DS18B2C提供9位二进制温度读数，指示器件的温度信息，并通过单线接口送至 CPU。DSI82C中有用 于贮存测得的温度值的两个8位存贮器RAM编号为0号和1号。将存贮 器中的二进制数求补再转换成十进制数并除以 2就得到被测温度值 （-550摄氏度-125摄氏度）。光强传感器采用实验室现已有的， 主要由可见光光敏电阻器、 普通电阻等分立器件构成。光敏电阻是利用半导体的光电效应制成的 一种电阻值随入射光的强弱而改变的

15、电阻器；入射光强时，电阻 减小，入射光弱时，电阻增大。所有传感器输出的数据均为模拟量，要输入单片机处理，必须经 过A/D转换。模数转换芯片采用 ADC0809,主要原因是采集数据的 路数较多（以后还可扩展），需要一个多通道的 A/D，而我们以前做数电实验时用过的ADC0809正是8位8通道的模数转换芯片，它 是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。红外收发模块，则负责将传感器采集的数据传至主机，其结构已 在前面介绍过。1602液晶在此处的作用是将单片机接收到的数据显示出来，与传 到主机的数据作对比，验证红外通信的可靠性。从机1的程序流程图如下图9所示：1602显示 X6、从机2模块介绍从机2模块以89C52单片机为控制核心，外围主要接有红外收发 模块、电机驱动电路、直流电机和窗帘模型。红外收发模块负责接收主机发送来的信息，经单片机处理，以控 制电机运转。电机驱动电路主要由L298N构成。L298N芯片可以驱动两个二相 电机，也可以驱动一个四相