蔬菜大棚溫室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

蔬菜大棚溫室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸模塊

設(shè)計：張達韋、馬瑞一.基于串口的數(shù)據(jù)傳輸模式1.串口通訊協(xié)議A）串行通信：是將數(shù)據(jù)字節(jié)分成一位一位的形式在一條傳輸線上逐個地傳送是將數(shù)據(jù)字節(jié)分成一位一位的形式在一條傳輸線上逐個地傳送。如下圖：串行通信的特點:傳輸線少，長距離傳送時成本低，且可以利用電話網(wǎng)等現(xiàn)成的設(shè)備，傳送距離可以從幾米到幾千公里。但數(shù)據(jù)

的傳送控制比并行通信復(fù)雜。2.串行通信的基本方式2.1異步通訊方式異步通信是指通信中兩個幀之間的時間間隔是不固定的，而在一個幀內(nèi)各位的時間間隔是固定的。在異步通信中有兩個比較重要的指標：幀格式和波特率。2.1.1幀格式數(shù)據(jù)通常以字符或者字節(jié)為單位組成字符幀傳送.格式如下圖（1）起始位：位于字符幀的開頭，只占一位，始終為邏輯“0”（低電平），用于向接收設(shè)備表示發(fā)送端開始發(fā)送一幀信息。（2）數(shù)據(jù)位：緊跟起始位置后，用戶根據(jù)情況可取5位、6位、7位或8位，低位在前高位在后，若所傳數(shù)據(jù)為ASCII字符，則常取

7位。(3)奇偶校驗為：位于數(shù)據(jù)位后，僅占一位，用來表征串行通信中采用奇校驗還是偶校驗，由用戶根據(jù)需要決定(4)停止位：位于字符幀末尾，位邏輯“1”(高電平)，通常取1位、1.5位、或2位，用于向接收端表示一幀字符信息已經(jīng)發(fā)送完畢，也為下一幀字符做準備。異步傳送示意圖：2.1.2波特率波特率即數(shù)據(jù)傳送速率，表示每秒鐘傳送二進制代碼的位數(shù)，它的單位是bit/s波特率是串行通信的重要指標，用于表征數(shù)據(jù)傳

輸?shù)乃俣?。波特率越高傳輸速度越快，波特率還

和通道的頻帶有關(guān)，波特率越高，信道頻帶越寬，因此波特率也是衡量通道頻寬的重要指標，在異步通信中的波特率在50bit/s~9600bit/s之間，它通常是時鐘頻率1/16或1/64。同步通信是一種連續(xù)串行傳送數(shù)據(jù)的通信方式，

一次通信只傳送一幀信息。這里的信息幀與異步

通信中的字符幀不同，通常含有若干個字符。傳

送信息的位數(shù)幾乎不受限制，通常一幀有幾十到

幾千個字節(jié)，通信效率較高。通?？蛇_5600bit/s或更高。由于要求在通信中保持精確的同步時鐘，所以其發(fā)送器和接收器比較復(fù)雜，成本也較高同步傳送示意圖：4.串行通信分類單工方式：通信線的一端接發(fā)送器，另一端接接收器，它們形成單向連接，只允許數(shù)據(jù)按照一個固定的方向傳送。數(shù)據(jù)只能單方向傳送。半雙工方式：系統(tǒng)中的每個通信設(shè)備都由一個發(fā)送器和一個接收器組成，通過收發(fā)開關(guān)接到通信線上。數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)雙方向傳送，但任何時刻只能由其中的一方發(fā)送數(shù)據(jù)，另一方接收數(shù)據(jù)。其收發(fā)開關(guān)并不是實際的物理開關(guān)，而是由軟件控制的電子開關(guān)，通信線兩端通過半雙工協(xié)議進行功能切換。全雙工方式：系統(tǒng)的每端都含有發(fā)送器和接收器，數(shù)據(jù)可以同時在兩個方向上傳送。5.串行通信接口電路串行接口電路芯片的種類和型號很多。能夠完成異步通信的硬件電路稱為UART，即通用異步接收器/發(fā)送器(Universal

AsynchronousReceive/Transmitter)；能夠完成同步通信的硬件電路稱為USRT(Universal

Synchronous

Receive/Transmitter)；既能異步又能同步通信的硬件電路稱為USART(UniversalSynchronous

Asynchronous

Receive/Transmitter)。從本質(zhì)上說，所有的串行接口電路都是以并行數(shù)據(jù)形式與CPU接口、而以串行數(shù)據(jù)形式與外部邏輯接口傳送數(shù)據(jù)。它們的基本功能都是從外部邏輯接收串行數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)后傳送給CPU，或從CPU接收并行數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)后輸出給外部邏輯。USRT的硬件框圖如下;工作原理串行發(fā)送時，CPU可以通過數(shù)據(jù)總線把8位并行數(shù)據(jù)送到“發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖器”，然后并行送給“發(fā)送移位寄存器”，并在發(fā)送時鐘和發(fā)送控制電路控制下通過TxD線一位一位

地發(fā)送出去。起始位和停止位是由UART在發(fā)送時自動添加上去的。UART發(fā)送完一幀后產(chǎn)生中斷請求，CPU響應(yīng)后可

以把下一個字符送到發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖器，然后重復(fù)上述過程。串行接收時，UART監(jiān)視RxD線，并在檢測到RxD線上有一個低電平(起始位)時就開始一個新的字符接收過程。UART每接收到一位二進制數(shù)據(jù)位后就使“接收移位寄存器”左移

一次。連續(xù)接收到一個字符后并行傳送到“接收數(shù)據(jù)緩沖

器”，并通過中斷促使CPU從中取走所接收的字符。UART對RxD線的采樣UART對數(shù)據(jù)的采樣，如下圖：UART對RxD線的采樣是由接收時鐘RxC完成的。其周期TC和所傳數(shù)據(jù)位的傳輸時間Td(位速率的倒數(shù))必須滿足如下關(guān)系：式中，K=16或64?，F(xiàn)以K=16來說明UART對RxD線上字符幀的接收過程。平常，UART按RxC脈沖上升沿采樣RxD線。當(dāng)連續(xù)采到RxD線上8個低電平(起始位二分之一位置)后，UART便確認對方在發(fā)送數(shù)據(jù)(不是干擾信號)。此后，UART便每隔16個RxC脈沖采樣RxD線一次，并把采到的數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)，以移位方式存入接收移位寄存器。MCS-51的串口接口MCS-51有兩個獨立的接收、發(fā)送緩沖器SBUF(屬于特殊功能寄存器)，一個用作發(fā)送，一個用作接收。發(fā)送緩沖器只能寫入不能讀出；接收緩沖器只能讀出不能寫入，兩者共用一個字節(jié)地址(99H)。串行接口結(jié)構(gòu)如下圖所示。在發(fā)送時，CPU由一條寫發(fā)送緩沖器的指令把數(shù)據(jù)

(字符)寫入串行口的發(fā)送緩沖器SBUF(發(fā))中，然后從TXD端一位位地向外發(fā)送。與此同時，接收端

RXD也可一位位地接收數(shù)據(jù)，直到收到一個完整的字符數(shù)據(jù)后通知CPU，再用一條指令把接收緩沖器

SBUF(收)的內(nèi)容讀入累加器。可見，在整個串行收發(fā)過程中，CPU的操作時間很短，使得CPU還可以從事其他的各種操作(指工作在中斷方式下)，從而大大提高了CPU的效率。串行接口數(shù)據(jù)緩沖器SBUFSBUF是兩個在物理上獨立的接收、發(fā)送緩沖器，可同時發(fā)送、接收數(shù)據(jù)。兩個緩沖器只用一個字節(jié)地址99H，可通過指令對

SBUF的讀寫來區(qū)別是對接收緩沖器的操作還是對發(fā)送緩沖器的操作。CPU寫SBUF，就是修改發(fā)送緩沖器；讀SBUF，就是讀接收緩沖器。串行口對外也有兩條獨立的收發(fā)信號線RxD(P3.0)、TxD(P3.1)，因此可以同時發(fā)送、接收數(shù)據(jù)，實現(xiàn)

全雙工。串行口控制寄存器SCON串口控制寄存器用于監(jiān)視串口的工作狀態(tài)。在系統(tǒng)復(fù)位時，SCON中的所有位都被清除,其格式如下圖SM0、SM1：串口操作模式選擇位：當(dāng)SM0、SM1為00時，串口工作于模式0，8位同步移位寄存器，波特率為fosc/1當(dāng)SM0、SM1為01時，串口工作于模式1，8位異步收發(fā)，波特率由定時器控制當(dāng)SM0、SM1為10時，串口工作于模式2，9位異步收發(fā)，波特率為fosc/32或fosc/64當(dāng)SM0、SM1為10時，串口工作于模式3，9位異步收發(fā)，波特率由定時器控制SM2：多機通信控制位。因為多機通信是在方式2和方式3下進行的，因此SM2主要用于方式2和方式3。當(dāng)串行口以方式2和方式3接收數(shù)據(jù)時，SM2=1，則只有在接收到的第9位數(shù)據(jù)(RB8)為1時才將接收到的前8位數(shù)據(jù)送入SBUF，并置位RI產(chǎn)生中斷請求；否則將接收到的前8位數(shù)據(jù)丟棄。SM2=0，則不論第9位數(shù)據(jù)是0還是1，都將前8位數(shù)據(jù)裝入SBUF中，并產(chǎn)生中斷請求。在方式0時，SM2必須為0REN：允許接收控制位,該位由軟件置位或復(fù)位。REN=0時禁止串行口接收。REN=1時允許串行口接收。TB8：發(fā)送數(shù)據(jù)位在方式2或方式3時，TB8是發(fā)送數(shù)據(jù)的第9位，根據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)的需要由軟件置位或復(fù)位?？勺鳛槠媾夹ｒ炍?單機通信)?？稍诙鄼C通信中作為發(fā)送地址幀或數(shù)據(jù)幀的標志位。多機通信時，一般約定：發(fā)送地址幀時，設(shè)置TB8=1；發(fā)送數(shù)據(jù)幀時，設(shè)置TB8=0。在方式0和方式1中，該位未用。RB8：接收數(shù)據(jù)位在方式2和方式3時，存放接收數(shù)據(jù)的第9位。可以是約定的奇偶校驗位?？梢允羌s定的地址/數(shù)據(jù)標志位，可根據(jù)RB8被置位的情況對接收到的數(shù)據(jù)進行某種判斷。在多機通信時，若RB8=1，說明收到的數(shù)據(jù)為地址幀；RB8=0，說明收到的數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)幀。在方式1下，若SM2=0，則RB8用于存放接收到的停止位方式；方式0下，該位未用。TI：發(fā)送中斷標志位用于指示一幀數(shù)據(jù)發(fā)送完否。在方式0下，發(fā)送電路發(fā)送完第8位數(shù)據(jù)時，

TI由硬件置位。在其他方式下，TI在發(fā)送電路開始發(fā)送停止位時置位，這就是說：TI在發(fā)送前必須由軟件復(fù)位，發(fā)送完一幀后由硬件置位。因此，

CPU查詢TI狀態(tài)便可知一幀信息是否已發(fā)送完畢。RI：接收中斷標志位用于指示一幀信息是否接收完。在方式1下，RI在接收電路接收到第8位數(shù)據(jù)時由硬件置位。在其他方式下，RI是在接收電路接收到停止位的中間位置時置位的，RI也可供CPU查詢，以決定CPU是否需要從“SBUF(接收)”中提取接收到的字符或數(shù)據(jù)。RI也由軟件復(fù)位。在進行串行通信時，一幀發(fā)送完后，必須用軟件來設(shè)置SCON的內(nèi)容。當(dāng)由指令改變SCON的內(nèi)容時，改變的內(nèi)容在下一條指令的第一個周期的S1P1狀態(tài)期間才鎖存到SCON寄存器中，并開始有效。如果此時已開始進行串行發(fā)送，那么TB8送出去的仍是原有的值而不是新值。在進行串行通信時，一幀發(fā)送完畢后，發(fā)送中斷標志置位，向CPU請求中斷；當(dāng)一幀接收完畢時，接收中斷標志置位，也向CPU請求中斷。若CPU允許中斷，則要進入中斷服務(wù)程序。CPU事先并不能區(qū)分是RI請求中斷還是TI請求中斷，只能在進入中斷服務(wù)程序后，通過查詢來區(qū)分，然后進入相

應(yīng)的中斷處理。電源控制寄存器PCONPCON寄存器主要是為CHMOS型單片機的電源控制設(shè)置的專用寄存器，單元地址為87H，不能位尋址。其格式如下：各位定義如下：SMOD:串行口波特率的倍增位。在HMOS單片機中，該寄存器中除最高位之外，其他位都是虛設(shè)的。在單片機工作在方式1、方式2和方式3時，SMOD=1，串行口波特率提高一倍。SMOD=0，則波特率不加倍。系統(tǒng)復(fù)位時SMOD=0。GF1、GF0：通用標志位，由軟件置位、復(fù)位。PD：掉電方式控制位，PD=1，則進入掉電方式。IDL：待機方式控制位，IDL=1，則進入待機方式。MCS-51串行口的工作方式方式0串行接口工作方式0為同步移位寄存器方式，其波特率是固定的，為fosc(振蕩頻率)的1/12。方式0發(fā)送數(shù)據(jù)從RxD引腳串行輸出，TxD引腳輸出同步脈沖。當(dāng)一個數(shù)據(jù)寫入串行口發(fā)送緩沖器時，串行口將8位數(shù)據(jù)以fosc/12的固定波特率從RxD引腳輸出，從低位到高位。發(fā)送后置中斷標志TI為1，請求中斷，在再次發(fā)送數(shù)據(jù)之前，必須用軟件將TI清零。方式0接收在滿足REN=1和RI=0的條件下，串行口處于方式0輸入。此時，RxD為數(shù)據(jù)輸入端，TXD為同步信號輸出端，接收器也以fosc/12的波特率對RxD引腳輸入的數(shù)據(jù)信息采樣。當(dāng)接收器接收完8位數(shù)據(jù)后，置中斷標志RI=1為請求中斷，在再次接收之前，必須用軟件將RI清零。在方式0工作時，必須使SCON寄存器中的SM2位為“0”，這并不影響TB8位和RB8位。方式0發(fā)送或接收完數(shù)據(jù)后由硬件置位TI或RI，CPU在響應(yīng)中斷后要用軟件清除TI或RI標志。應(yīng)用實例如下圖CD4014是8位并行輸入/串行輸出的移位寄存器。它有并行輸入和串行輸出兩種工作狀

態(tài)。通過8051的一個GPIO引腳控制CD4014的工作狀態(tài)。當(dāng)該引腳輸出高電平時，并行

數(shù)據(jù)輸入CD4014；當(dāng)該引腳輸出低電平時，

CD4014處于串行移位狀態(tài)方式1工作方式1時，串行口被設(shè)置為波特率可變的8位異步通信接口。(1)方式l發(fā)送串行口以方式1發(fā)送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)位由TxD端輸出，

1幀信息包含10位，即一位起始位、八位數(shù)據(jù)位(先低位后高位)和一個停止位“1”。CPU執(zhí)行一條數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖器SBUF的指令，就啟動發(fā)送器發(fā)送數(shù)據(jù)：發(fā)送完數(shù)據(jù)后，就置中斷標志TI為1。方式1所傳送的波特率取決于定時器T的溢出率和特殊功能寄存器PCON中SMOD的值。(2)方式1接收當(dāng)串行口工作在方式1下，且REN=1時，串行口處于方式1的輸入狀態(tài)。它以所選波特率的16倍的速率對RxD引腳狀

態(tài)采樣。當(dāng)采樣到由1到0的負跳變時，啟動接收器，接收的值是3次采樣中至少兩次相同的值，以保證可靠無誤。

當(dāng)檢測到起始位有效時，開始接收一幀的其余信息。一幀

信息包含10位，即一位起始位、八位數(shù)據(jù)位(先低位后高位)和一個停止位“1”。使用方式1接收時，必須同時滿

足以下兩個條件：即RI=0和停止位為1或SM2=0，若滿足條件則接收數(shù)據(jù)進入SBUF，停止位進入RB8，并置中斷請求

標志RI為1。若上述兩個條件不滿足，則接收數(shù)據(jù)丟失，不再恢復(fù)。這時將重新檢測RxD上1到0的負跳變，以接收下

一幀數(shù)據(jù)。中斷標志也必須由用戶在中斷服務(wù)程序中清零。(3)參考程序#include<reg51.h>code

unsigned

char

send_txt[]={"Helloworld!\n\r"};//定義要發(fā)送的字符void

init_serial(void){TMOD=0x20;//定時器1，工作方式2TL1=0xfd;TH1=0xfd;//定時器初值，和波特率有關(guān)SCON=0x50;//初始化串口控制寄存器PCON=0x00;//設(shè)置波特率IE=0x90;//開中斷

TR1=1;//Timer1的運行控制位

}void

test_serial(void){char

i;EA=0;//關(guān)中斷for(i=0;i<sizeof(send_txt);i++){SBUF=send_txt[i];//發(fā)送數(shù)據(jù)

while(TI==TI=0;}EA=1;//開中斷

}main()

{init_serial();while(1)test_serial();}方式2串行口工作在方式2下時，被定義為9位異步通信接口。(1)方式2發(fā)送發(fā)送數(shù)據(jù)由TxD端輸出，一幀信息包含11位，即一位起始位(0)、八位數(shù)據(jù)位(先低位后高位)、一位附加可控位(1或0)和一位停止位“1”。附加的第9位數(shù)據(jù)為SCON中的

TB8，它由軟件置位或清零，可作為多機通信中地址／數(shù)據(jù)信息的標志位，也可作為數(shù)據(jù)的奇偶校驗位。以TB8作為奇偶校驗位，處理方法為數(shù)據(jù)寫入SBUF之前，先將數(shù)據(jù)的奇偶位寫入TB8。CPU執(zhí)行一條寫SBUF的命令后，便立即啟動發(fā)送器發(fā)送，送完一幀信息后，TI被置1，再次向CPU申請中斷。因此在進入中斷服務(wù)程序后，在發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)之前，必須將TI清零。(2)方式2接收當(dāng)串行口置為方式2，且REN=1時，串行口以方式2接收數(shù)

據(jù)。方式2的接收與方式1基本相似。數(shù)據(jù)由RxD端輸入，

接收11位信息，其中，一位起始位(0)、八位數(shù)據(jù)位(先低位后高位)、一位附加可控位(1或0)和一位停止位“1”。當(dāng)采樣到RxD端由1到0的負跳變，并判斷起始位有效后，

便開始接收一幀信息，當(dāng)接收器接收到第9位數(shù)據(jù)后，當(dāng)

RI=0且SM2=0或接收到的第9位數(shù)據(jù)為1時，將收到的數(shù)據(jù)送入SBUF(接收數(shù)據(jù)緩沖器)，第9位數(shù)據(jù)送入RB8，并將RI置1；若以上兩個條件不滿足，接收信息丟失。若附加的第9位為奇偶校驗位，在接收中斷服務(wù)程序中應(yīng)作檢驗。(3)方式3應(yīng)用如下圖方式3方式3為波特率可變的9位異步通信方式，除了波特率有所區(qū)別之外，其余都與方式2相同。MCS-51串行通信的波特率串行口的通信波特率恰到好處地反映了串行傳輸

數(shù)據(jù)的速率。通信波特率的選用，不僅和所選通

信設(shè)備、傳輸距離有關(guān)，還受傳輸線狀況所制約。用戶應(yīng)根據(jù)實際需要加以正確選用。1.方式0下的波特率在方式0下，串行口通信的波特率是固定的，其值為fosc/12(fosc為主機頻率)。2.方式2下的波特率在方式2下，通信波特率為fosc/32或fosc/64。用戶可以根據(jù)PCON中SMOD位的狀態(tài)來驅(qū)使串行口在哪個波特率下工作。選定公式為：這就是說，若SMOD=0，則所選波特率為fosc/64；若SMOD=1，則波特率為fosc/32。3.方式1或方式3下的波特率在這兩種方式下，串行口波特率是由定時器的溢出率決定的，因而波特率也是可變的。相應(yīng)公式為：定時器T1溢出率的計算公式為：式中，K為定時器T1的位數(shù)，它和定時器T1的設(shè)定方式有關(guān)。若定時器T1為方式0，則

K=13；若定時器T1為方式1，則K=16；若定時器T1為方式2或3，則K=8。4.注意：定時器T1通常采用方式2，因為定時器T1在方式2下工作時TH1和TLl分別設(shè)定為兩個8位重裝計數(shù)器

(當(dāng)TL1從全“1”變?yōu)槿?”時，TH1重裝TLl)。使用這種方式，不僅可使操作方便，也可避免因重裝初值(時間常數(shù)初值)而帶來的定時誤差。由上兩式可知，方式1或方式3下所選波特率常常需要通過計算來確定初值，因為該初值是要在定時器T1初值化時使用的。二.MAX232芯片1.MAX232資料簡介該產(chǎn)品是由德州儀器（TI）推出的一款兼容RS232標準的芯片，由于電腦串口RS232電平時-10v~+10v，而一般的單片機應(yīng)用系統(tǒng)的系統(tǒng)的信號電壓是TTL電平0~+5v，MAX232就是用來進行電平轉(zhuǎn)換的，該器件包含2驅(qū)動器、2接收器和一個電壓發(fā)生器電路提供TIA/EIA-232-F電平。2.MAX232工作原理MAX232包含4個部分，雙路電荷泵DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器、RS-232驅(qū)動器、RS-232接收器，以及接收器與發(fā)射器使能控制輸入。如圖內(nèi)部有兩個電荷泵，將+5V轉(zhuǎn)換為+10V或-10V（空載），為RS-232驅(qū)動器提供工作電壓。第一個轉(zhuǎn)換器利用電容C1將+5V輸入加倍，得到V+輸出端C3上的+10V；第二個轉(zhuǎn)換器利用電容C2將+10V轉(zhuǎn)換為V-輸出端C4上的-10V?？梢詮?/p>

V+和V-輸出端獲取少量的電源功率，為外部電路供電，但由于V+、V-未經(jīng)穩(wěn)壓，所以輸出電壓會隨負載電流增大而下降。當(dāng)V+、V-為外部電路提供電流時，注意不要因為所假負載的原因，使V+、V-低于輸出電壓最小值的限制。如果負載是標準值為5KΩ的RS-232接收器，且Vcc=+5V時，驅(qū)動器輸出電壓擺幅的典型值為+8V~-8V?？蛰d時驅(qū)動器輸出電壓范圍是（V+-1.3V）~（V-+0.5V）。主要特點：1）5v電源工作2）LinBiCMOSTM3）兩個驅(qū)動器及兩個接收器4）+/-30輸入電平5）低電平電流：典型值是8mA6）符合甚至由于ANSI標準EIA/TIA-232-E及ITU推薦標準7）ESD保護MAX232芯片引腳及電路原理圖二.基于USB接口的傳輸模式1.摘要：當(dāng)速度要求不太高時，可采用iic總線的USB接口控制芯片來控制USB接口，可以減少對單片機引腳的使用，簡化連接電路。相比傳統(tǒng)的串口傳輸，USB傳輸速度更快，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)精度更高，能滿足一般的非大容量存儲設(shè)備的需要。本次項目采用

Ph

ilips公司的USB接口芯片PDIUSBD112.USB相關(guān)知識簡介2.1USB背景介紹USB是一些PC廠商為解決日益增加的PC外設(shè)與有限

的主板插槽和端口間的矛盾制定的一種串行通信

標準USB,是英文Universal

Serial

BUS（通用串行線）的縮寫，而其中文簡稱為“通串線，是一個

外部總線標準，用于規(guī)范電腦與外部設(shè)備的連接

和通訊。是應(yīng)用在PC領(lǐng)域的接口技術(shù)。USB接口支持設(shè)備的即插即用和熱插拔功能。USB