基于51单片机的多机通信系统设计[参考]

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1、单单 片片 机机 多多 机机 通通 信信 系系 统统 一一 、引言、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。 二二 、系统原理及方案设计、系统原理及方案设计 1 1 、系统框架介绍、系统框架介绍 本系统为基于 51 单片机的多

2、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 2 、多机通信原理介绍、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，

3、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 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 S

4、CON 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。 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，

5、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 3 、红外通信方式介绍、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

6、，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。 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 1）红外收发器

7、）红外收发器 TFDU4100TFDU4100 介绍介绍 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 IrDA1.2 标准，最高通信速率可以达到 115.2Kbps，最大传输 距离为 3.0m。 TFDU4100 芯片图片和管脚定义分别如图 3、表 1 所示 图 3 TFDU4100 芯片图片 管脚 号 作用描述 I/O 有效 电平 1IRED Anode 红外发射的阳极， 该引脚通过一个 外接电阻与 Vcc2 相接 2IRED Cathode 红外发射的阴极，该 引脚在模块内 部与输出驱动相连

8、 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 拉电阻，数据发送时此脚无效 输出引脚低 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 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

9、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 2）串行红外传输控制器串行红外传输控制器 TOIM3232TOIM3232 介绍介绍 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 T FDU4100 而设计的。其功能结构图如图 4 所示： 图 4 TOIM3232 功能结构框图 在输出模式下，TO

10、IM3232 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/s115.2Kbit/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 1.627s 或 3/16 位长。 4 4 、主机模块介绍、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

11、 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，并且连接到单片机的 I/O 口。 图 5 4*4 矩阵键盘 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

12、 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（41H） ，显示时模块把地址 41H 中的点阵 字符

13、图形显示出来，我们就能看到字母“A” 。1602 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 转换成串码信号送入单片机。其电路设计

14、原理图如下图7所示： 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： N Y 开始 单片机复位 默认启动时与从机 1 连接 1602 显示此时与从机 1 连 接 While(1)死循环 串行口中断 数据分析 超过阀值 1602 显示数据 返回主程序 键盘设置连接从机 2 红外发送数据 1602 显示 连接机2 图 8 主机程序流程图 5 5 、从机、从机 1 1 模块介绍模块介绍 从机 1 模块以 89C52 单片

15、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、温度传感器、光强传感器。 室内温度的测量采用温度传感器DS18B20。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。DS18B20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。DSl820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 2就得到被测温度值 (-550摄氏度-125摄氏度)。 光强传感

16、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。 结束返回主程序 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： N