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1、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、工业控制白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 GShMc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。其中一个作为主机（即上位机），负责接收来白从机 1 （即下
2、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I89C52 I串行红外传输控红外收发器RIdJD 制菖 TON323Z D TFDU41D0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SCO成的控制 位SM还是为了满足这一要求而设置的。
3、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 SCO成制位SM为1, 则当接收的是地址帧时，接收数据将被装入SBUF将RI标志置1, 向CP成: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 SCO够制位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置1标志位RI, 向CPU出中断请求。那么，我们规定如下通信协议
4、：(1) 置1所有从机的SM2B,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地址信息与其白身地址值相比较， 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SM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SM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
5、主机发来的地址帧是对其他 从机寻址时，恢复其白身的SM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、提高白己。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!信,GPRSS 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。蓝牙设备白制不易，购买则增加系统成本。Zigbee、GSM GPRS则或系统设计复杂，或成本
6、高。红外通信背景介绍：红外线是波长在750nn 1000nm司的电磁波， 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/T绍对于红外收发模块，我们采用TFDU4100红外收发器来实现。TFDU4100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。TFDU410说片图片和管脚定义分别如图3、表1所示T
7、FDU4100Baby Fa快(Iujvej sal)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
8、、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 TFDU410股计差别不大。(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 RS23端码和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TF
9、D U4100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，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 v s或3/16位长。4、主机模块介绍主
10、机模块以89C52单片机为控制核心，夕卜围主要接有 4X4矩阵键 盘、1602液晶显示屏、TFDU4100!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1
11、602液晶，显示任意一项从机量的数据。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(CGRQ帕经存储了 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01000001EB (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“ A。1602液晶在此模块内的作用
12、， 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TFDU4100TQIM3232勾成。TFDU4100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TQIM3232S行串码和 IrDA编码间的转换。TQIM323M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。其电路设计原理图如下图 7所示：图751单片机、TQIM3232、TFDU4100简易连接原理图主机负
13、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单片机复位 JJJ默认启动时与从机1连接、一 Y1602显示此时与从机1连接While(1)死循环图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，
14、易控制。DS18B2铤供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RA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
15、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ADC080旺是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：结束图9从机1程序流程图6、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电机，输出电压最高可达 50V,可以直接 通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的 IO 口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。电路原理图如下图10所示:图10 电机驱动电路原理图斜据EHEM.直流电机采用德国FAULHABER-2342电机，其转子转动惯量小, 因而动态性能极好；FAULHA
