./串口通信課程總結(jié)題目：溫度實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)目錄緒論21.1研究課題的目的及意義21.2國外現(xiàn)狀21.3本設(shè)計的目標(biāo)32開發(fā)工具介紹42.1keil簡介42.2C++Build簡介43下位機(jī)設(shè)計53.1下位機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計53.2下位機(jī)的程序設(shè)計53.3DS18B20模塊設(shè)計63.5串口模塊設(shè)計94上位機(jī)設(shè)計124.1上位機(jī)系統(tǒng)簡介124.2溫度顯示部分124.3數(shù)據(jù)庫存儲部分134.4溫度曲線部分145調(diào)試過程155.1下位機(jī)調(diào)試155.2上位機(jī)調(diào)試156系統(tǒng)總結(jié)17[參考文獻(xiàn)]18緒論1.1研究課題的目的及意義實(shí)時測量溫度是在當(dāng)今的自動化控制領(lǐng)域尤為重要,比如電機(jī)運(yùn)行時溫度的升高會直接影響其壽命和可靠性；液體混合加熱時,溫度過低過高都有可能液體混合的效果。所以,實(shí)時溫度監(jiān)控就像人的一雙眼睛,把無形的溫度,轉(zhuǎn)換成我們可見的信號。通過這個系統(tǒng),我們就能輕松地管理好溫度并對其做出相應(yīng)的判斷。最傳統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)控溫度系統(tǒng)是由溫度計直接完成。隨著科技的發(fā)展,電子溫度計取代了傳統(tǒng)的溫度計,由MCU控制溫度芯片,加上顯示部件,就構(gòu)成了第二代溫度監(jiān)控系統(tǒng)。隨著PC的普及,以及遠(yuǎn)程監(jiān)控的優(yōu)越性,第三代溫度監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。第三代溫度監(jiān)控系統(tǒng)是由MCU控制溫度傳感器,將采集到的溫度數(shù)據(jù)實(shí)時傳送到上位機(jī),并在上位機(jī)上將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,最終講結(jié)果返還,同時還可以通過上位機(jī)直接去操作實(shí)物,從而達(dá)到了非接觸式的效果,這大提高了效率,同時穩(wěn)定性和可靠性也相應(yīng)有個提高。那么,對于我們來說,實(shí)時溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計是讓我們掌握并鞏固所學(xué)的知識,提高自己動手能力的一個重要的途徑。通過對它的設(shè)計,我們可以掌握實(shí)時溫度監(jiān)控系統(tǒng)的精髓從而使能力得到很大的提高,這樣就有利于我們今后自身的發(fā)展。1.2國外現(xiàn)狀目前計算機(jī)硬件技術(shù)朝著巨型化、微型化和單片化三個方向發(fā)展,單片機(jī)代表著計算機(jī)技術(shù)的一個發(fā)展方向,先后經(jīng)歷了4位機(jī)、8位機(jī)、16位機(jī)、32位機(jī)和64位機(jī)等幾個發(fā)展階段。雖然單片機(jī)經(jīng)過幾個階段的發(fā)展,但從實(shí)際情況來看,并沒有出現(xiàn)像微機(jī)處理那樣推出新、更新?lián)Q代的局面,這也是單片機(jī)發(fā)展的一大特點(diǎn)。4位、8位、16位、32位都存在于市場中,各有應(yīng)用領(lǐng)域。不過,各類單片機(jī)為適應(yīng)市場需求,都要求在原來的基礎(chǔ)上采用新技術(shù)、提高性能,推出新產(chǎn)品。下圖是電子工程師對單片機(jī)選型的市場調(diào)查,從中可以看到,8位單片機(jī)仍然是市場的主流產(chǎn)品,但32位單片機(jī)發(fā)展很迅速。從單片機(jī)30多年的發(fā)展例程可以看到,單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展以微處理器技術(shù)及超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展為新導(dǎo),體系上,由SCM過渡到MCU,最后向SOC方向發(fā)展。同時,單片機(jī)速度越來越快,工作電壓和功耗降低,引入了低噪聲和高可靠的技術(shù),并由原來的一次性寫入,變成了可多次編程以及在線仿真等等。1.3本設(shè)計的目標(biāo)〔1掌握PCF8563、DS18B20以及串口中斷、定時器等模塊知識,深化C語言語法,進(jìn)一步熟悉單片機(jī)編程方法?！?掌握C++Build的常規(guī)使用,并會簡單的開發(fā)?！?掌握利用ACCESS建立數(shù)據(jù)庫并會SQL的一般查詢?！?實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)的基本通信。2開發(fā)工具介紹2.1keil簡介KeilC51是美國KeilSoftware公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng),與匯編相比,C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢,因而易學(xué)易用。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在的完整開發(fā)方案,通過一個集成開發(fā)環(huán)境〔uVision將這些部分組合在一起。運(yùn)行Keil軟件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系統(tǒng)。如果你使用C語言編程,那么Keil幾乎就是你的不二之選,即使不使用C語言而僅用匯編語言編程,其方便易用的集成環(huán)境、強(qiáng)大的軟件仿真調(diào)試工具也會令你事半功倍。2.2C++Build簡介C++Builder是由Borland公司推出的一款可視化集成開發(fā)工具。C++Builder具有快速的可視化開發(fā)環(huán)境：只要簡單地把控件〔Component拖到窗體〔Form上,定義一下它的屬性,設(shè)置一下它的外觀,就可以快速地建立應(yīng)用程序界面；C++Builder置了100多個完全封裝了Windows公用特性且具有完全可擴(kuò)展性〔包括全面支持ActiveX控件的可重用控件；C++Builder具有一個專業(yè)C++開發(fā)環(huán)境所能提供的全部功能：快速、高效、靈活的編譯器優(yōu)化,逐步連接,CPU透視,命令行工具等。它實(shí)現(xiàn)了可視化的編程環(huán)境和功能強(qiáng)大的編程語言〔C++的完美結(jié)合。C++Builder優(yōu)化的32位原碼〔NativeCode編譯器建立在Borland公司久經(jīng)考驗的編譯技術(shù)基礎(chǔ)之上,提供了高度安全性、可靠性、快速性的編譯優(yōu)化方法,完全編譯出原始機(jī)器碼而非中間碼,軟件執(zhí)行速度大大提高。在編譯和連接過程中,C++Builder自動忽略未被修改的原代碼和沒有使用的函數(shù),從而大大提高了編譯和連接速度。C++Builder的CPU透視工具包括五個獨(dú)立的小面板,可以對正在運(yùn)行程序從部進(jìn)行深層次的了解。3下位機(jī)設(shè)計3.1下位機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計該溫度實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)組成的基本硬件模塊主要有5V電源、DS18B20溫度傳感器、PCF8563時鐘芯片、串口、STC89C52以及數(shù)碼管組成。這些模塊都是比較基礎(chǔ)。以下是下位機(jī)系統(tǒng)框圖：STCSTC89C52PCF8563時鐘芯片DS18B20溫度傳感器數(shù)碼管顯示串口由于時間有限,這次沒有做板,這次所用的是一塊以前電裝實(shí)習(xí)焊的開發(fā)板,它集成了以上用到的所有模塊。3.2下位機(jī)的程序設(shè)計一般的單片機(jī)程序設(shè)計,都是先把小模塊程序調(diào)試成功,然后進(jìn)行封裝,最后再把各個已封裝好的小模塊進(jìn)行組合,在主函數(shù)中直接調(diào)用并綜合運(yùn)用。本次的設(shè)計思路就是這樣。其流程如下圖所示開始開始初始化8563寫時間8563讀時間溫度數(shù)據(jù)處理溫度顯示0.1S定時器發(fā)送數(shù)據(jù)到上位機(jī)串口中斷3.3DS18B20模塊設(shè)計DS18B20只有三個管腳,是典型的一線總線封裝。所以它的原理圖也很簡單,一根電源線和一根底線再加上一根數(shù)據(jù)線。下圖圖是它的原理圖：讀寫18B20,需要很嚴(yán)格的時序控制。以下是18B20的讀寫控制時序圖：18B20寫一個字節(jié)的時序圖18B20讀一個字節(jié)的時序圖讀寫18B20,就是根據(jù)它的時序圖,定義變量,然后拉高拉低,控制延時時間就可以了。事實(shí)上,大部分芯片都是通過看它的時序圖來編寫程序的,所以學(xué)會看時序圖,也是編程的一門必修課。一個封裝好的18B20模塊,應(yīng)該包括下面幾個部分：18B20初始化讀一個字節(jié)子程序18B20初始化讀一個字節(jié)子程序?qū)懸粋€字節(jié)子程序18B20讀取溫度PCF8563是低功耗的CMOS實(shí)時時鐘/日歷芯片,它提供一個可編程時鐘輸出,一個中斷輸出和掉電檢測器,所有的地址和數(shù)據(jù)通過I2C總線接口串行傳遞,是很典型的I2C總線芯片。PCF8563是DIP8封裝,它的引腳圖以及引腳說明如下圖：根據(jù)它的引腳圖,很容易就可以畫出它的原理圖,一下是它的原理圖：以下是PCF8563的各種工作時序圖：I2C總線的起動和停止條件PCF8563讀一個字節(jié)程序PCF8563寫一個字節(jié)程序讀寫一個I2C程序,要注意的是時序的延時時間要精確,不能超過圍,以及SCL和SDA的先后順序要清楚。寫它的程序時,先根據(jù)時序圖寫出讀寫一個字節(jié)以及初始化等最小模塊,然后通過這些最小模塊,編寫讀寫日期等操作,最后將它們封裝成一個PCF8563.c 文件,這樣不僅方便別人看我們的程序,也非常方便去調(diào)試程序。一下是PCF8563程序的模塊框圖：初始化PCF8563初始化PCF8563讀一個字節(jié)寫一個字節(jié)PCF8563讀日期PCF8563寫日期3.5串口模塊設(shè)計串口通信主要分成串行通信和并行通信,該系統(tǒng)用到的是串行通信。串行通信傳輸?shù)乃俾孰m然小于并行通信,但是可以節(jié)省很多IO口,這對于單片機(jī)等IO資源較少的MCU來說,是非常重要的。串行口的控制可由其部的控制寄存器SCON來設(shè)定,它可以設(shè)定工作方式、接收發(fā)送控制以及設(shè)置狀態(tài)標(biāo)志,下圖是控制寄存器：如上圖,SM0、SM1是串口工作方式選擇位,通過它們的不同組合,可形成4中不同的工作方式,如下圖：SM2：多機(jī)通信控制位,只在工作方式2和工作方式3使用。REN：允許串行接收控制位,當(dāng)REN=1時允許接收。TB8：發(fā)送數(shù)據(jù)D8位,在方式2和方式3時,TB8為所要發(fā)送的第9位數(shù)據(jù)。在多機(jī)通信中,以TB8位的狀態(tài)表示主機(jī)發(fā)送的是地址還是數(shù)據(jù)：TB8=0為數(shù)據(jù),TB8=1為地址。RB8：接收數(shù)據(jù)D8位,在方式2和方式3時,接收到的第9位數(shù)據(jù)可作為奇偶校驗位或地址幀或數(shù)據(jù)幀的標(biāo)志。在方式1時,若SM2=0,則RB8是接收到的停止位。在方式0時,不使用RB8位。TI：發(fā)送中斷標(biāo)志位,在方式0時,當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)第8位結(jié)束后,或在其它方式發(fā)送停止位后,由部硬件使TI置位,向CPU請求中斷。CPU在響應(yīng)中斷后,必須用軟件清0。RI：接收中斷標(biāo)志位,在方式0時,當(dāng)接收數(shù)據(jù)的第8位結(jié)束后,或在其它方式接收到停止位的的中間由部硬件使RI置位,向CPU請求中斷。同樣,也必須在CPU響應(yīng)中斷后,必須用軟件清0。串口通信,就是根據(jù)上面幾個參數(shù),控制串口的工作狀態(tài)。先讓串口初始化,關(guān)閉串口,接著把所要寫的數(shù)據(jù)放入SBUF當(dāng)中,然后開啟中斷,這樣就可以向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。同樣道理,定義一個數(shù)組變量,把SBUF的容寫到變量當(dāng)中,也可以接收到上位機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)。一個完整的串口封裝,它的程序框圖應(yīng)該包括下面幾項：串口初始化串口初始化發(fā)送一個字節(jié)程序接收一個字節(jié)程序發(fā)送一個字符串程序接收一個字符串程序使用51單片機(jī),通常我們用的串口是RS232,它是由MAX232芯片和9針的串口加上合適的電容電阻組成,它的硬件原理圖如下圖：4上位機(jī)設(shè)計4.1上位機(jī)系統(tǒng)簡介本次上位機(jī)是實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時顯示,以及查詢歷史溫度,并且用曲線去顯示溫度的變化趨勢。所以,該系統(tǒng)主要分為三大部分：溫度顯示部分、數(shù)據(jù)庫存儲部分、溫度曲線部分。下圖是完成后的整個上位機(jī)截圖：該系統(tǒng)由于下位機(jī)沒有時間的校正,與時間存在一定的差別,所以時間的顯示時,直接獲取電腦的時間。當(dāng)然,在數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲時,還是用下位機(jī)傳送的時間數(shù)據(jù)。由于查詢數(shù)據(jù)庫時,不能同時又進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的存儲,所以在上位機(jī)上添加了"返回實(shí)時接收"的功能。該系統(tǒng)上下位機(jī)的串口通信協(xié)議為：FFFATempHTempLyeamondayhouminsec。4.2溫度顯示部分溫度顯示是該系統(tǒng)最為直觀也是首要完成的任務(wù),因為它能直觀地實(shí)時顯示出溫度。由4.1節(jié)最后的上下位機(jī)通信協(xié)議我們可以很清楚的知道：要能顯示數(shù)據(jù),首先是能接收到下位機(jī)傳送上來的數(shù)據(jù)。所以在接收溫度和時間等數(shù)據(jù)時,首先要根據(jù)通信協(xié)議,判斷接收到的字符串的前兩個數(shù)是不是FF、FA,如果是,則開始接收數(shù)據(jù),接收到的數(shù)據(jù)將在接收數(shù)據(jù)的Memo里顯示,如右下圖：下位機(jī)傳送上來的是十六進(jìn)制數(shù),我們要先把接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行十進(jìn)制轉(zhuǎn)換,然后再轉(zhuǎn)換成字符串,之后截取數(shù)組的長度,把溫度的數(shù)據(jù)加上溫度符號發(fā)送到相應(yīng)的位置進(jìn)行顯示。到此位置,溫度顯示部分就完成了。4.3數(shù)據(jù)庫存儲部分?jǐn)?shù)據(jù)庫存儲是該系統(tǒng)比較重要的一部分,也是上位機(jī)的難點(diǎn)之一。由于時間倉促,這次數(shù)據(jù)庫只是拿老師課件里的數(shù)據(jù)庫改了一下,功能還沒有很完善,查詢數(shù)據(jù)庫的圍很小。數(shù)據(jù)庫部分需要掌握的知識,主要有利用Access創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫,添加系統(tǒng)所需要的ID,然后在上位機(jī)C++Build的窗體中添加ADOConnection、ADOQuery和DataSource三個控件,并新建一個DBGrid用來顯示數(shù)據(jù)庫的容。下圖是用Access建好的數(shù)據(jù)庫：由于數(shù)據(jù)庫不能同時進(jìn)行查詢和添加數(shù)據(jù)兩個操作,所以在查詢的時候要暫停對數(shù)據(jù)庫的寫操作,當(dāng)查詢完推出數(shù)據(jù)庫以后,如果要繼續(xù)記錄數(shù)據(jù),要點(diǎn)擊DBGrid旁邊的"返回實(shí)時接收按鈕"。如果要查詢某一時間段溫度的數(shù)據(jù),在右邊的提示框里面寫入相應(yīng)的正確格式的時間。如：要查詢"20XX4月"的數(shù)據(jù),只需在提示框里面輸入"20XX4月"等字樣。如果要查詢更小圍的數(shù)據(jù),比如查詢20XX4月24號11點(diǎn)17分,在提示框里面輸入"2012年4月24日11：17”4.4溫度曲線部分該系統(tǒng)描繪溫度曲線有實(shí)時溫度曲線和歷史溫度曲線兩部分。實(shí)時溫度曲線實(shí)時描繪當(dāng)前的溫度變化,而歷史溫度曲線更直觀地分析以往溫度數(shù)據(jù)。溫度曲線是每變化0.1℃溫度曲線用到的控件是Win32里面的Image 控件。使用該控件時,可用C++語言對其進(jìn)行顏色、坐標(biāo)等設(shè)置。在該控件上面,添加了ScrollBar1和ScrollBar2,分別用來改變位置和調(diào)整圖像大小。我們根據(jù)接收到的數(shù)據(jù),將畫圖坐標(biāo)進(jìn)行設(shè)置：X坐標(biāo)對應(yīng)的是時間的刻度,Y坐標(biāo)對應(yīng)的是溫度,這樣就可以描出點(diǎn)來,Image可以將這些點(diǎn)進(jìn)行整合成曲線并顯示出來,從而達(dá)到描繪溫度曲線的功能。5調(diào)試過程5.1下位機(jī)調(diào)試本次下位機(jī)不算復(fù)雜,PCF8563和DS18B20以前都用過,本來打算用液晶LCD1602作為顯示輸出裝置,但是由于開發(fā)板上沒有給液晶預(yù)留接口,使用起來不方便,加上上位機(jī)輸出比較直觀,所以下位機(jī)只用開發(fā)板上的4個一位數(shù)碼管顯示溫度。這次下位機(jī)程序,主要的故障是串口部分,以往都是簡單的串口發(fā)送接收,對這一塊沒有深入了解。由于是先做下位機(jī),所以只是拿單片機(jī)串口調(diào)試小助手來調(diào)試下位機(jī)。在輸出時間溫度都已經(jīng)正常的基礎(chǔ)上,怎么協(xié)調(diào)地把時間和溫度發(fā)送到上位機(jī),思路不是很明白。我原來只是想到要建一個數(shù)組,然后把溫度和時間依次寫到數(shù)組里面,然后把數(shù)組依次寫到SBUF里面,加上相應(yīng)的定時器定時讀取時間和溫度,通過中斷把它們發(fā)送到上位機(jī)。可是在調(diào)試過程中,我并沒有發(fā)現(xiàn)自己想要的效果,串口調(diào)試小助手接收到的是一串亂碼。為了縮減檢查圍,把原來的時間寫到數(shù)組的數(shù)據(jù)全部注解掉了,只留下溫度,用同樣的方法去調(diào)試,結(jié)果很明顯：還是一串亂碼。懷疑是進(jìn)制轉(zhuǎn)換出了差錯,于是我連溫度都不要了,直接把一個已知的數(shù)據(jù)〔0XFF裝到SBUF里面,驗證十六進(jìn)制輸出是否正常,得到的結(jié)果不正常。于是又把0XFF改成1,驗證十進(jìn)制是否正常,結(jié)果還是不正常。我就怪了,這樣的話,就不是進(jìn)制轉(zhuǎn)換的問題了。感覺沒有什么思路了,隨便在1后面加上0X30,奇怪,這次發(fā)送到上位機(jī)的正確了。我突然醒悟,不是進(jìn)制問題,是沒有把字符轉(zhuǎn)換成ASCII碼！后來,我發(fā)現(xiàn),其實(shí)裝入SBUF的默認(rèn)是16進(jìn)制,即使不加0X30,在串口調(diào)試小助手里面選擇以HEX形式接收,依然可以接收到正常的16進(jìn)制數(shù)。有了這個基礎(chǔ)上,再加上一定的協(xié)議,下位機(jī)算是完成了。5.2上位機(jī)調(diào)試本次上位機(jī)調(diào)試花了很長一段時間,其實(shí)糾結(jié)的問題最大的還不是程序。而是軟件的安裝和串口控件的安裝。很早就寫好了下位機(jī)并在串口調(diào)試助手調(diào)試成功,等待在做好上位機(jī)的時候再次進(jìn)行調(diào)試。后來在同學(xué)的幫助下才成功解決這兩個問題。該系統(tǒng)上位機(jī)的左上角發(fā)送和接受部分,就是為了方便上位機(jī)。下位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)將在"接收"的Memo以16進(jìn)制的方式顯示出來。剛開始,我的上位機(jī)并沒有想到用這個模塊,在調(diào)試溫度顯示時要時常打開串口調(diào)試小助手,非常麻煩,于是添加了這個部分,這樣就可以避免了調(diào)試時要時常切換窗口而導(dǎo)致不必要的麻煩。到此,我們就可以進(jìn)行溫度顯示以及數(shù)據(jù)庫顯示等部分的代碼的編寫了。如果代碼編寫完后溫度顯示部分出問題,而"接收"的Memo顯示出來的16進(jìn)制正常,則說明是溫度顯示的代碼編寫出問題而不是串口接收出問題,同樣道理,數(shù)據(jù)庫也可以用此方法進(jìn)行調(diào)試。數(shù)據(jù)庫的調(diào)試花費(fèi)的時間最多,參照老師的課件,做一個數(shù)據(jù)庫,然后連接到上位機(jī),可是就是寫不進(jìn)數(shù)據(jù),仔細(xì)檢查每一步后,最后發(fā)現(xiàn)字符長度除了問題。該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫查詢可以精確到秒,查詢起來比較方便。溫度曲線畫圖部分,剛做好的時候感覺變化圍比較小,就是一條近似的直線一樣,本來想改大一點(diǎn)刻度,但是后來想想,如果改大刻度,雖然是可以比較直觀地看到溫度的變化,但是在溫度變化圍比較大的時候就不能顯示一個完整的曲線了。所以,權(quán)衡利弊,還是取消了改大刻度的決定。溫度曲線顯示的形式,我采用了從右邊開始顯示,然后左移的