【正文】 ① 2020 年 12 月 24 日 —2020 年 1 月 10 日 理解設計要求，查閱相關(guān)資料； ② 2020 年 2 月 12 日 —2020 年 4 月 10 日 根據(jù)所查閱的資料，完成部分論文初稿； ③ 2020 年 4 月 11 日 —2020 年 5 月 10 日 完成畢業(yè)設計初稿； ④ 2020 年 5 月 11 日 —2020 年 5 月 30 日 完成完整的畢業(yè)設計論文； ⑤ 2020 年 5 月 31 日 —2020 年 6 月 8 日 準備畢業(yè)論文答辯。最后給出切實可行的軟件設計方案，在這個方案中會給出通信協(xié)議、整體設計與實現(xiàn)、系統(tǒng)的初始化、 RS485 總線程序、繼電器控制程序、 DA輸出控制程序、 AD 采集程序的設計。其任務是對生產(chǎn)現(xiàn)場各種參數(shù)進行采集，然后送入計算機，根據(jù)不同的需要由計算機進行相應的計算和處理，得到所需的數(shù)據(jù)。遠程數(shù)據(jù)采集技術(shù)，廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)和民用生活，特別是智能化小區(qū)水、電、氣、暖的抄表監(jiān)控以及工業(yè)測量儀表的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控等方面的應用非常普遍。本文設計的目的是實現(xiàn)基于 RS485 總線上的數(shù)據(jù)通信與遠程控制的系統(tǒng)，利用單片機對數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)進行控制。 20 世紀 90 年代至今，由于集成電路制造技術(shù)的不斷提高，出現(xiàn)了高性能、高可靠性的單片數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) DAS。其在工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和控制等眾多領(lǐng)域得到了廣南華大學船山學院畢業(yè)設計（論文） 第 3 頁 共 59 頁 泛的應用 [13]。 在目前國內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)和現(xiàn)狀的情況下，參照了歐洲類似的行業(yè)標準(ModBus)，制訂了遠程數(shù)據(jù)采集的一些要求和規(guī)范，該標準規(guī)定了計量儀表數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕驹瓌t、接口形式及物理性能、數(shù)據(jù)鏈路、數(shù)據(jù)標識及數(shù)據(jù)安全和數(shù)據(jù)表達格式的要求，對技術(shù)的 采用并沒有提出太多限制 [16]。 設計方案論證 論文設計的是一個通用、開放的系統(tǒng)方案，設計充分考慮實際應用和對現(xiàn)有設備的兼容性，設計的的采集模塊可以完成溫度、濕度、壓力、流量、位移、電 開始 閱讀資料，可行性分析 系統(tǒng)整體設計 硬件設計 硬件各部分分別設計 軟件整體設計 軟件各部分分別設計 化函數(shù) 軟硬件調(diào)試 結(jié)束 南華大學船山學院畢業(yè)設計（論文） 第 5 頁 共 59 頁 壓、電流等模擬量的采集。 方案（二）： 以 PC 機為控制核心，由上位機來統(tǒng)一控制信息的采集，優(yōu) 點是可以實現(xiàn)豐富的控制功能?，F(xiàn)在由于采用新的 UART 南華大學船山學院畢業(yè)設計（論文） 第 6 頁 共 59 頁 芯片 16C550 等，波特率達到 ；接口使用一根信號線和一根信號返回線而構(gòu)成共地的傳輸形式， 這種共地傳輸容易產(chǎn)生共模干擾，所以抗噪聲干擾性弱；傳輸距離有限，最大傳輸距離標準值為 50 米，實際上也只能用在 15 米左右。從機部分需要完成的功能是負責采集相關(guān)信息傳回給主機，并等待主機的控制命令。 第三章：系統(tǒng)的硬件設計，其中包括： 單片機應用電路、 AD 采集電路、 DA電路、 RS485 接 口電路、繼電器控制電路的設計。 RS232/422/485 標準 RS23 RS422 與 RS485 最初都是由電子工業(yè)協(xié)會（ EIA）制訂并發(fā)布的。但由于 PC 上的串行數(shù)據(jù)通訊是通過 UART 芯片 (較老版本的 PC 采用 I8250 芯片或 Z8530 芯片 )來處理的，其通訊協(xié)議也規(guī)定了串行數(shù)據(jù)單元的格式（ 8N1 格式）： 1 位邏輯 0 的起始位， 6/7/8 位數(shù)據(jù)位， 1 位可選擇的奇 (ODD)/偶 (EVEN)校驗位， 1/2 位邏輯 1 的停止位。15V 10V～ +10V 7V～ +12V 接收器輸入門限 177。RS422/485標準與 RS232 標準不一樣，數(shù)據(jù)信號采用差分傳輸方式（ Differential 南華大學船山學院畢業(yè)設計（論文） 第 10 頁 共 59 頁 Driver Mode），也稱作平衡傳輸。在 RS485 器件中，一般還有一個 ―使能 ‖控制信號。 6V 最小差動輸出 177。如果采用光電隔離方式，則通訊速率一般還會受到光電隔離器件響應速度的限制。但是基于在 RS485 總線上任一時刻只能存在一個主機的特點，它往往應用在集中控制樞紐與分散控制單元之間 [17]。 關(guān) 于 詳 細 的 ModBus 協(xié) 議 ， 用 戶 可 以 從 ModBusIDA 協(xié)會 () 網(wǎng)站下載具體的內(nèi)容。數(shù)據(jù)段包括了從設備收集的資料：象寄存器值或狀態(tài)。可以使用的傳輸字符是十六進制的 0...9,A...F。這將導致一個錯誤，因為在最后的 CRC 域的值不可能是正確的。 主設備應用程序得到異議響應后，典型的處理過程是重發(fā)消息，或者診斷發(fā)自從設備的消息并報告給操作員。 命令碼：執(zhí)行操作的依據(jù)。 本章小結(jié) 本章圍繞 RS485 標準、通信規(guī)約、應用要點幾個方面，詳細介紹 RS485協(xié)議規(guī)范。將編譯好的程序通過下載接口燒錄到單片機后，而單片機連接 外部各個器件，統(tǒng)一處理接收到的數(shù)據(jù)和傳送指令到各個器件以便執(zhí)行相關(guān)程序。 4．用戶應用程序空間 12K/10K/8K/6K/4K/2K 字節(jié)。 12．共 2 個 16 位定時器 /計數(shù)器?？梢哉f STC12C5410AD 單片機幾乎包含了數(shù)據(jù)采 集和控制中所需的所有單元模塊，可稱得上一個片上系統(tǒng)（ SOC），可以很容易地構(gòu)成典型的測控系統(tǒng)。 圖 為 STC12C5410AD 單片機的最小系統(tǒng)： 南華大學船山學院畢業(yè)設計（論文） 第 20 頁 共 59 頁 圖 STC12C5410AD 單片機最小系統(tǒng) 電源模塊電路 能否給單片機提供穩(wěn)定可靠的電源是影響單片機工作的一個重要因素，由于本設計對檢測的精度要求較高，因此需要設計一個穩(wěn)定可靠的電源以使單片機正常穩(wěn)定的工作。如 7805 的輸出電壓是 5V，但實際電壓可能是 到 ，用戶需要精度要求比較高的話，可在出廠時將實際測出的工作電壓值記錄在單片機內(nèi)部的 EEPROM 里面，以供計算。 南華大學船山學院畢業(yè)設計（論文） 第 19 頁 共 59 頁 ： PDIP28， SOP28， PDIP20， SOP20， PLCC32,TSSOP20(超 小封狀 ，定貨 )本系統(tǒng)采用的是 POSP28 封裝單片機。 10．內(nèi)部集成 MAX810 專用復位電路（外部晶振 20M 以下時，可省外部復位電路）。 2．工作電壓： ~（ 5V 單片機） /~（ 3V 單片機）。 在該系統(tǒng)中，單片機是整個系統(tǒng)的核心，整個系統(tǒng)運行的控制由單片機進行處理。終端匹配電阻的大小由傳輸電纜的特性阻抗所決定。 0 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 P 1 起始位 0 8位數(shù)據(jù) D0～ D7 偶校驗位 停止位 1 傳送方向從低到高位，一個起始位、一個停止位、一個偶校驗位、 8 位數(shù)據(jù)位，總共 11位。 例如：從一個主設備發(fā)往從設備的消息要求讀一組保持寄存器，將產(chǎn)生如下功能代碼： 0 0 0 0 0 0 1 1 （十六進制 03H） 對正常響應，從設備僅響應同樣的功能代碼。如果在幀完成之前有超過 個字符時間的停頓，接收設備將刷新不完整的消息并假定下一字節(jié)是一個新消息的地址域。在網(wǎng)絡波特率下多樣的字符時間，這是最容易實現(xiàn)的 (如圖 124 的 T1T2T3T4 所示 )。錯誤檢測域為從設備提供了一種驗證消息內(nèi)容是否正確的方法。 下面將分 別對 ModBus 協(xié)議 (RTU 模式 ) 、多 功能電 能表通 訊規(guī)約(DL/T6451997)進行簡單介紹。 在過去的 20 年時間里，建議性標準 RS485 作為一種多點差分數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾姎庖?guī)范，被應用在許多不同的領(lǐng)域 ，作為數(shù)據(jù)傳輸鏈路。一般來說， 15 米長雙絞線最大傳輸速率僅為 1Mbps。 定義邏輯 1（正邏輯電平）為 B＞ A 的狀態(tài)，邏輯 0為 A＞ B 的狀態(tài)， A、 B 之間的壓差不小于 200mV。 圖 RS485 發(fā)送器的示意圖 圖 RS485 接收器的示意圖 通常情況下，發(fā)送發(fā)送器 A、 B 之間的正電平在 +2～ +6V，是一個邏輯狀態(tài)；負電平在 2～ 6V，是另一個邏輯狀態(tài)。在此區(qū)域內(nèi)的信號處理將由通訊接口的 RS232 收發(fā)器決定。6V 177。由于EIA 提出的建議標準都是以 ―RS‖作為前綴，所以在通訊工業(yè)領(lǐng)域，仍然習慣將上述標準以 RS 作前綴稱謂。為了解決上述問題， RS485/422 通訊方式就應運而生了。然后根據(jù)本文任務要求對系統(tǒng)方案進行論證。整個系統(tǒng)分為兩個部分：主機部分與從機部分。非常適合點對點的通訊。 方案（一）： 以 ARM 處理器為控制核心，優(yōu)點是系統(tǒng)外設豐富，可以節(jié)省大量的外圍設備及布線面積。程序設計為硬件服務，說明時畫出流程圖，以增強程序可讀性。 國內(nèi)自九十年代初開始研制遠程數(shù)據(jù)系統(tǒng)，由于中國的實際國情，長期一直沒有相應的行業(yè)標準。串行總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)向分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和智能化方向發(fā)展。 DAS 系統(tǒng)在硬件配置上的獨特要求 ,在進行具體結(jié)構(gòu)設計時應綜合考慮各種因素以滿足用戶的需求 [7， 8]。由于形式復雜和多樣，問題和實用性也比較多，許多技術(shù)目的單一，并不成系統(tǒng)。 近年來，大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展，計算機技術(shù)不斷地推廣應用，傳統(tǒng)的儀器 儀表、數(shù)字測量技術(shù)在數(shù)據(jù)采集方面升華到一個全新的階段 [2]。 remote munications。 本文設計的目的是實現(xiàn) 3 路數(shù)據(jù)采集處理， 2 路數(shù)據(jù)反饋裝置， 2 路繼電器控制遠程控制。 涉密論文按學校規(guī)定處理。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。 ⑥ 2020 年 6 月 9 日 —2020 年 6 月 12 日 畢業(yè)論文答辯。本設計的的采集模塊不局限某一單一用途，可以完成溫度、濕度、壓力、流量、位移、電壓、電流等模擬量的采集。與此同時，將計算得到的數(shù)據(jù)按要求進行顯示并判斷作 出決定，以便實現(xiàn)對某些物理量的監(jiān)視控制。它結(jié)合了計算機、網(wǎng)絡通信和自動化管理等現(xiàn)代化技術(shù)，并不斷融合更多更新的通信技術(shù) [3， 4]。 可采集脈沖或電壓、電流、溫度等信號 ,即采集現(xiàn)場各種儀表數(shù)據(jù)信號，送給單片機的處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)生了極大的變化。 遠程數(shù)據(jù)采集技術(shù)在國內(nèi)外應用普遍 ,研究成果很多 ,數(shù)據(jù)采集形式和技術(shù)各異，所達到的目標和要求也不同。就目前國內(nèi)的遠程數(shù)據(jù)采集技術(shù)來說，大多是采用國外此行業(yè)類似技術(shù)和芯片，或采用一些成熟的數(shù)據(jù)通訊技術(shù)，并根據(jù)國內(nèi)需求定制和發(fā)展，許多新技術(shù)不斷出現(xiàn)和嘗試，可以說這個行業(yè)正處于一個不斷發(fā)展并完善的階段。系統(tǒng)接口簡單可靠，用途多樣，具有一定靈活性。缺點是 PC 體積都較大，且成本很高。 方案（二）：采用 RS485 標準，它采用平衡發(fā)送和差分接收方式實現(xiàn)通信：發(fā)送端將串行口的 TTL 電平信號轉(zhuǎn)換成差分信號 A、 B 兩路輸出，經(jīng)過線纜傳輸之后在接收端將差分信號還原成 TTL 電平信號。處于設計與使用的方便考慮 ,主機硬件電路跟從機硬件電路采用相同的電路 ,只是在軟件設計上加以區(qū)分。 第四章：系統(tǒng)的軟件設計，其中包括：通信協(xié)議的設計、整體程序流程、系統(tǒng)初始化、 RS485 總線程序設計、繼電器控制程序設計、 DA 輸出控制程序設計、AD 采集程序設計。RS232在 1962 年發(fā)布，命名為 EIA232E，作為工業(yè)標準 ，以保證不同廠家產(chǎn)品之間的兼容?；?PC 的 RS23 RS422 與 RS485南華大學船山學院畢業(yè)設計（論文） 第 9 頁 共 59 頁 標準均采用同樣的通訊協(xié)議。3V 177。 由于 RS422/485 標準在電氣特性上非常相近，在傳輸方式上有所區(qū)別；為便于理解，下面將主要介紹應用比較 普遍的 RS485 標準，并簡單介紹 RS422 標準與 RS485 標準的區(qū)別。 ―使能 ‖信號用于控制發(fā)送發(fā)送器與傳輸線的切斷與連接，當 ―使能 ‖端起作用 時，發(fā)送發(fā)送器處于高阻狀態(tài)，稱作 ―第三態(tài) ‖，它是有別于邏輯 ―1‖與 ―0‖的第三種狀態(tài)。 接收器敏感度 177。 RS485 網(wǎng)絡采用直線拓樸結(jié)構(gòu)，需要安裝 2 個終端匹配電阻，其阻值要求等于傳 輸電纜的特性阻抗（一般取值為 120Ω）。 南華大學船山學院畢業(yè)設計（論文） 第 12 頁 共 59 頁 RS485 通訊協(xié)議 RS485 標準只對接口的電氣特性做出規(guī)定，而不涉及接插件、電纜或協(xié)議；因此，用戶需要在 RS485 應用網(wǎng)絡的基礎(chǔ)上建立自己的應用層通信協(xié)議。 1． 查詢 —響應周期 ModBus 協(xié)議遵循 ―查詢 —響應 ‖模式，如圖 所示。如果有錯誤發(fā)生，功能代碼將被修改以用于指出響應消息是錯誤的，同時數(shù)據(jù)段包含了描述此錯誤信息的代碼。網(wǎng)絡設備不斷偵測網(wǎng)絡總線，包 括停頓間隔時間。一典型的消息幀如下表 所示： 表