基于单片机智能交流电压表的设计

基于单片机智能交流电压表的设计

摘要

电工参数一般包括电压、电流、功率、频率、功率因数等。在电网调度自动化的设备中需要配置多只测量显示上述电工参数的镶嵌式面板表，如电压表、电流表、功率表等等，其一般均为指针式面板表，精度低，可视距离近，数据需要人工抄录，浪费人力资源，数据管理不便，容易出错。近年来，随着微电子技术的迅速发展和超大规模集成电路的出现，特别是单片机的出现，正在引起测量控制仪表领域的新的技术革命。

本文在研究国内外有关智能仪器仪表最新科研成果的基础上，采用单片机为测量仪器的主控制器，设计出可与上位计算机进行通信的新型智能交流电压表。

这种以单片机为主体的新型智能仪表将计算机技术与测量控制技术结合在一起，在测量过程自动化，测量结果数据处理以及功能的多样化方面都取得了巨大的进步。

关键词:单片机，智能仪表，数据处理，通信

如需此论文Word版本，单片机程序/单片机技术支持，请访问: 嵌入式应用软件园。

Intelligence alternating voltage meter

on Single-chip Microcomputer

Abstract

Electrical parameter includes voltage, current, power, frequency power factor ,and soon .The adjustment system of electrical network needs many panel instruments that can show the electrical parameter, such as voltage, current, power, cycle etc. Usually these instrument is not accurate, wastes manpower resource, and the management of the data is inconvenient and easy to mistake. Recently the development of micro-electronics technology and the advent of SLSI, especially the advent. Of single chip, lead to a new revolution in the field of instrument.

In this paper，on the basis of studying the up to date fruit of instrument ,a new intellective instrument which adopts single chip as control core and which can communicate with the PC is designed.

This appliance which bases on the single chip compounds the technology of computer and measure. It is improved very much on processing result and the diversification of function.

Key words: single chip, intellective instrument, data process, communication.

目录

引言 (6)

第一章方案选择 (7)

1.1设计结构图 (7)

1.2芯片的选择 (7)

第二章硬件电路设计 (9)

2.1总硬件电路设计 (9)

2.2A T89S51单片机简介 (9)

2.2.1 芯片特点 (9)

2.2.2 芯片管脚介绍 (10)

2.3电压信号采样 (12)

2.3.1 设计原理简介 (12)

2.3.2 精密电压互感器SPT205B (12)

2.4A/D转换电路 (14)

2.4.1 A/D转换芯片介绍 (14)

2.4.2 TLC1549与单片机的连接 (15)

2.5显示单元 (16)

2.5.1 MAX7219芯片的介绍 (16)

2.5.2 引脚说明 (16)

2.5.3 工作原理 (17)

2.5.4 显示单元与单片机连接电路 (18)

2.6通信接口硬件设计 (18)

2.6.1 数据通信基础 (19)

2.6.2 RS-232标准接口总线 (19)

2.6.3 芯片MAX485介绍 (20)

第三章软件部分 (23)

3.1软件整体结构 (23)

3.2电压采集模块 (24)

3.2.1 数字滤波 (24)

3.2.2 A/D转换 (25)

3.3显示模块 (26)

3.4通讯模块 (27)

结论和展望 (29)

参考文献 (30)

致谢 (31)

附录A 电压表电路图 (32)

附录B 源程序 (33)

附录C 外文文献及其译文 (34)

附录D 参考文献摘要 (36)

插图清单

图1-1 整体结构图 (7)

图2-1 单片机引脚图 (10)

图2-2 采样部分的原理图 (12)

图2-3 尺寸结构图 (13)

图2-4 交流互感器部分电路图 (14)

图2-5 TLC1549引脚排列 (15)

图2-6 TLC1549方式1的时序图 (15)

图2-7 TLC1549与单片机A T89S51的连接图 (16)

图2-8 MAX7219芯片实物封装图 (17)

图2-9 MAX7219芯片工作时序图 (18)

图2-10 MAX7219与51单片机的接线电路 (18)

图2-11 MAX485芯片引脚介绍 (21)

图2-12 PC与单片机串行通讯 (22)

图3-1 总体软件流程 (23)

图3-2 数字滤波的流程图 (25)

图3-3 A/D转换流程图 (26)

图3-4 显示模块流程图 (27)

图3-5A 单片机与微机信的软件框图 (28)

图3-5B 初始化框图 (28)

表格清单

表2-1精密电压互感器SPT205B性能指标表 (12)

引言

电力系统参数一般包括电压、电流、功率、频率、功率因数等。在电网调度自动化的设备中需要配置多只测量显示上述电工参数的镶嵌式面板表，如电压表、电流表、功率表等等，其一般均为指针式面板表，精度低，可视距离近，数据需要人工抄录，浪费人力资源，数据管理不便，容易出错。近年来，随着微电子技术的迅速发展和超大规模集成电路的出现，特别是单片机的出现，正在引起测量控制仪表领域的新的技术革命。

本文在研究国内外有关智能仪器仪表最新科研成果的基础上，采用单片机作为测量仪器的主控制器，设计出可与上位计算机进行通信的新型智能交流电压表。这种以单片机为主体的新型智能仪表将计算机技术与测量控制技术结合在一起，在测量过程自动化，测量结果数据处理以及功能的多样化方面都取得了巨大的进步。

第一章方案选择

1.1 设计结构图

本设计是基于单片机智能交流电压表的设计，设计中使用了精密交流互感器，桥式整流器，∏式滤波单元，串行A/D转换器，MCS-51系列单片机，显示驱动器，LED数码管，上位通信单元几部分组成。

整体结构图如下1-1

图1-1 整体结构图

被测交流电压由精密交流互感器降压得到与输入被测电压成比例的交流电压值：经整流滤波得到与输入电压成比例的直流电压值。由AD转换芯片TLC1549转换成相应的数值量；再由单片机存储在内存单元，做相应的数字信号处理(算法)；然后通过显示驱动器MAX 7219驱动四个LED数码管显示结果，并通过MAX485收发器芯片与上位机相连。

智能电压表有简单的监控功能，能实时显示并记录当前电压情况。通过智能交流电压表，达到了监控交流电压有效值变化的目的。

1.2芯片的选择

电力系统参数一般包括电压、电流、功率、频率、功率因数等等。在电网调度自动化的设备中需要配置多只测量显示上述电_工参数的镶嵌式面板表，如电压表、电流表、功率表等等，其一般均为指针式面板表，精度低，可视距离近，数据需要人工抄录，浪费人力资源，数据管理不便，容易出错。

本设计采用A TMEL生产的MCS-51系列的A T80S51单片机芯片作为主芯片。没有采用其他公司芯片的理由是我们单片机课程详细修过MCS-51系列单片机，且MCS-51单片机所占的市场分额很大，在单片机领域影响力很大，几十年居于单片机领域领头羊地位，其产品大量作为单片机教材范例使用。本想用最常见并主修过的A T89C51，但现在，89S51目前已经成为了实际应用市场上新的宠儿，89S51在工艺上进行了改进，89S51采用0.35新工艺，成本降低,而且将功能提升,增加了竞争力，并增加了很多新功能，内置看门狗记时器，所以我选择它。

整流电路方面本来使用双二极管进行整流，但考虑到更高的精确性，使用了简单实用的桥式整流电路，并采用成本低廉，电路简单的∏型滤波电路进行滤波。使用精密电压互感器SPT205B进行电压信号的降压处理，是为了更高的信号采样精密度，SPT205B实际上是一款毫安级精密电流互感器，精密度很高。本想使用电阻级联进行分压，但其精确度和抗干扰性就大大差远了，极大的影响了测量的精确性，所以采用了电压互感器降压。

A/D转换部分采用的TLC1549芯片是TI工公司生产的10位逐次逼近模数转换器，该器件具有两个数字输入端和一个3态输出端。没有采用同系列的8位A/D转换芯片TLC549，是因为本芯片精度更高，可以达到令人满意的效果。

显示方面采用了美国MAXIM公司生产的串行输入/输出共阴极显示驱动器系列芯片MAX7219，以其功能强大，编程简单，控显可靠，可泛用于工业控制器等力一面的数码显示驱动，比较成熟的应用即为与单片机的结合。选用LED数码管显示电压值，精度高，可视距离远。并利用上位PC机对电压值进行监控，完成了机械式面板表和一般数字式电压表不能完成的工作。LED数码管简单经济，使我放弃了本想使用的液晶显示单元，虽然先进有挑战性，但却极大的增加了成本，对产品的功能设计而言毫无意义，所以最后选择了LED数码管作为显示单元。在于上位机相连模块，采用了MAX485收发器芯片，可实现多片并联并通过MAX232与上位机通讯，节省了通讯资源和上位机的利用率，故我选择它。

第二章硬件电路设计

2.1总硬件电路设计

在智能电压表的设计中主要包括硬件、软件、及仪表工艺三方面的问题。硬件方面采用了桥式整流及N式滤波环节，A/D转换芯片TLC1549与单片机配合完成A/D转换的工作。选用MCS-51系列A T80S51芯片进行数据处理。四块八段LED进行显示。MAX485作为电平转换芯片，用于通信部分的设计。

2.2 A T89S51单片机简介

2.2.1 芯片特点

说到A T89S51单片机就不得不说他的原形A T89C51单片机。A T89C51是一种带4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用A TMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，A TMEL的A T89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

其特点如下：

· 8031CPU与MCS-51 兼容

· 4K字节可编程FLASH存储器(寿命：1000写/擦循环)

·全静态工作：0Hz-24KHz

·三级程序存储器保密锁定

· 128*8位内部RAM

· 32条可编程I/O线

·两个16位定时器/计数器

· 6个中断源

·可编程串行通道

·低功耗的闲置和掉电模式

·片内振荡器和时钟电路

不过在市场化方面，89C51受到了PIC单片机阵营的挑战，89C51最致命的缺陷在于不支持ISP（在线更新程序）功能，必须加上ISP功能等新功能才能更好延续MCS-51的传奇。89S51就是在这样的背景下取代89C51的，现在，89S51目前已经成为了实际应用市场上新的宠儿，89S51在工艺上进行了改进，89S51采用0.35新工艺，成本降低,而且将功能提升,增加了竞争力。89SXX可以像下兼容89CXX等51系列芯片。同时A TMEL不再接受89CXX的定单，大家在市场上见到的89C51实际都是A TMEL前期生产的巨量库存而以。

89S51相对于89C51增加的新功能包括：

-- 新增加很多功能，性能有了较大提升;

-- ISP在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离。是一个强大易用的功能。

-- 工作频率为33MHz，大家都知道89C51的极限工作频率只有24M，就是说S51具有更高工作频率，从而具有了更快的计算速度。

-- 具有双工UART串行通道。

-- 内部集成看门狗计时器，不再需要像89C51那样外接看门狗计时器单元电路。

-- 双数据指示器。

-- 电源关闭标识。

-- 全新的加密算法，这使得对于89S51的解密变为不可能，程序的保密性大大加强，这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。

-- 兼容性方面：向下完全兼容51全部字系列产品。比如8051、89C51等等早期MCS-51兼容产品。在89c51上一样可以照常运行，这就是所谓的向下兼容。

2.2.2 芯片管脚介绍

我所采用的MCS-51是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片，引脚分布请参照单片机引脚图2-2-1。

图2-1 单片机引脚图

引脚功能：

MCS-51是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片，引脚分布请参照以上单片机引脚图：

VCC：供电电压。

GND：接地。

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL 门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL 门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：

口管脚备选功能

P3.0 RXD（串行输入口）

P3.1 TXD（串行输出口）

P3.2 /INT0（外部中断0）

P3.3 /INT1（外部中断1）

P3.4 T0（记时器0外部输入）

P3.5 T1（记时器1外部输入）

P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）

P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两

次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：来自反向振荡器的输出。

2.3电压信号采样

2.3.1 设计原理简介

我所设计的电压信号采样模块中，被测电压信号经过电压互感器，幅值降低1000倍，再由桥式线性整流，整流后的脉动直流经∏型滤波电路滤波得到平直的直流信号，送到TLC1549的电压输入端。图2-2为采样部分的原理图。

图2-2 采样部分的原理图

2.3.2 精密电压互感器SPT205B

本设计电压采集部分采用电压互感器进行降压处理，采用精密电压互感器SPT205B，它使用了精密小巧的PCB板焊接安装，高隔离度耐冲击的全树脂密封。性能指标如下表2-1

性能指标：

表2-1精密电压互感器SPT205B性能指标表

10mA任选，输入/输出电流为3：1，一般额定输入电流为3mA，额定输出则为1mA。用户使用时需要将电压信号变为电流信号，初级直接串联一个电阻使输入电压信号被限流变换成电流信号。次级并联一个电阻使输出电流信号变换成电压信号，这样能得到线性度优于0.1%的输出电压信号。输出电压最大8伏。例如，输入120V，串联30K的电阻，输出3.5V，并联2.625K的电阻。

设原边电压为U1，副边为U2，公式如下

U2×3R1=U1×R2 （3-1）SPT205B的相移和次级回路电阻大小成正比，负载电阻为1K时，补偿后可使相移小于10′。要求得到相同输出电压，增大输入额定电流，可减小负载电阻，从而减小相移。线性范围为、0~10MA，额定输入(不考虑相移)最大负载为8000Ω。额定输入/输出为3mA/1mA，非线性度＜1%。尺寸结构图如下2-3

图2-3 尺寸结构图

交流互感器部分电路图如下2-4

图2-4 交流互感器部分电路图

2.4 A/D转换电路

本电路设计A/D转换部分主要核心部分就是我精选的高性价比的A/D转换芯片TLC 1549 ，以下会详细介绍

2.4.1 A/D转换芯片介绍

TLC1549是TI工公司生产的10位逐次逼近模数转换器，该器件具有两个数字输入端和一个3态输出端，它们提供与微处理器串行端口的3线接口。具备自动采样保持功能，采取差分基准电压高阻输入，可按比例量程校准转换范围，实现低误差的转换。

TLC1549的性能特点如下：

10位分辨率A/D转换器;

内在的采样和保持;

总不可调整误差±1LSB MAX.

片内系统时钟;

CMOS工艺。

TLC 1549的极限参数如下：

电源电压范围:-0.5V至6.5V；

输入电压范围:-0.3V至Vcc+0.3V；

输出电压范围:-0.3V至Vcc+0.3V；

正基准电压:Vcc+0.lV；

负基准电压:-0.1V；

峰值输入电流:±20mA；

峰值总输入电流:±30mA。

TLC1549的引脚功能如下：

TLC1549有D，JG，P，FK等封装形式，其P封装的引脚排列如图2-5所示。其中CS位芯片选择端，低电平有效;ANALOG IN为模拟信号输入端，DA TA OUT为转换结果输出端，在时钟信号的作用下，前次转换结果以串行方式依次由该引脚送出;I/O CLOCK为输入/输出时钟;REF+为基准电压的高端值（通常为Vcc）加至该引脚，最大输入电压范围加至REF+和REF-的电压差决定;REF-为基准电压的低端值（通常为地)加至该引脚;Vcc为正电源电压。

图2-5 TLC1549引脚排列

TLC1549的工作原理如下：

在芯片选择CS 无效情况下，I/0 CLOCK 被禁止且DATA OUT 处于高阻状态。当串行接口把CS 拉至有效时，转换时序开始，允许I/0 CLOCK 工作并使DATAOUT 脱离高阻状态。串行接口把输入/输出时钟序列提供给1/0 CLOCK ，并从DATA OUT 接收前次转换结果。I/0 CLOCK 从主机串行接口接收长度在10和16个时钟之间的输人序列。开始10个1/0时钟提供采样模拟输入的控制时序。

在CS 的下降沿，前次转换的MSB 出现在DATA OUT 端。10位数据通过DATA OUT 被发送到主机串行接口。为了开始转换，最少需要10个时钟脉冲。如果I/0 CLOCK 传送大于10个时钟长度，那么在第

10个时钟的下降沿，内部逻辑把DATA OUT 拉至低电平以确保其余位的值为零。根据I/0 CLOCK 的速度和CS 的操作，TLC1549有6种基本的串行接口定时方式，图2-6所示为方式1的时序图。

图2-6 TLC1549方式1的时序图

TLC1549具有转换误差小，与单片机接口简单的特点，可方便应用于测控仪表、工业现场检测等场合。目前，利用TLC1549构成的温度检测控制器已经应用到某宾馆的供热系统中，长期运行结果表明，该系统控制精度高、可靠性好、极大节约了人力资源。 2.4.2 TLC1549与单片机的连接

本设计采用TLC1549与单片机AT89S51相连实现电信号的转换与采集，连接图如下图2-7

模拟信号输入

图2-7 TLC1549与单片机A T89S51的连接图

2.5 显示单元

本设计显示单元由显示驱动器驱动四个LED数码管组成，具有简单实惠，性价比高的特点。现在随着芯片集成技术的发展，使得许多仪器越来越微型化，功能也更强大，对人机交互的要求也越来越高。其中应用非常广泛的一种方法就是LED的对外显示。美国MAXIM公司生产的串行输入/输出共阴极显示驱动器系列芯片，以其功能强大，编程简单，控制可靠，可广泛用于工业控制器等力一面的数码显示驱动，比较成熟的应用即为与单片机的结合。但是，在实际使用的过程中，单片机的串行发送/接收常常被占用掉，去实现其他的数据交换。如MCS一51系列的8031单片机，其内部有一个可编程全双工串行通信接口，他有4种工作方式，主要用于外接移位寄存器，以扩展I/0电路，或者用于双机通信以及构成分布多计算机系统;而与此同时，部分接口却并没有完全加以利用。由此就必然存在着井u与M AX7219的通信及综合有效利用硬件资源的问题。

2.5.1 MAX7219芯片的介绍

主要特性如下：

MAX7219芯片可直接驱动最多8b7段数字LED显示器，或64个LED和条形图显示器。该芯片的位选力方式独具特色，他允许用户选择多种译码力一式译码选位，而且每个显示位都能个别寻址和刷新而小需要重写其他的显示位。这使得软件编程十分简单且灵活。另外，他具有数字和模拟亮度控制以及与MOTOROLA SPI, QSPI 及MA TIONAL MICROWIRE串行口相兼容等特点，在实际仪表仪器设计中具有较强的实用性。

2.5.2 引脚说明

该芯片采用24脚DIP和SO封装，工作电压4. 0~5.5 V .最大功耗1.1W

实物封装如图2-8所示。

图2-8 MAX7219芯片实物封装图

引脚说明如下所示：

名称功能说明：

DIN 串行数抓输入端。在CLK的上升沿数据被锁入内部16 b移位寄存器

DIG0~DIG7 8 b Led位选线从共阴极Led中吸入电流

GND 地线（两个GND必须接在一起）

LOAD锁入输入的数据。在LoaD的上升沿最后的16 b串行数据被锁入

CLK 时钟输入，最高时钟频率为10 M HZ在CLK的上升

降沿数据被锁入。在CLK的下降延数据从D-OUT脚被输出

SEGA

SEGG 7段驱动和小数点驱动

ISET通过电阻与V+相连设置峰值段电流

V+电源电压+5V

D-OUT 串行数据输出，输入到DIN的数据在1. 5个时钟周期后在D -OUT脚发出该脚用于级联扩展。

2.5.3 工作原理

串行数据是以16b。数据包的形式从DIN脚串行输入，在CLK的每一个上升沿一位一位地诸位送入芯片内部16b移位寄存器，而小管LOAD脚的状态如何。但LOAD 脚必须在第16个CLK上升沿出现的同时或之后但在下一个CLK上升沿之前变为高电平，否则移入的数据将丢失。同时，在新数据被接收以前，由片内结构电路进行刷新，完成数据的保存和显示。工作时序图如图2-9所示

图2-9 MAX7219芯片工作时序图

2.5.4 显示单元与单片机连接电路

MAX7219与51单片机的连接形式有2种,一种是将MAX7219的3个输入端DIN, CLK和L OAD与51单片机的任意3个端口连接;一种则是直接与51单片机的串行接口相连。本设计采用第一种方法。与单片机任意3个端口连接的方式的

接线电路图如下2-10。

图2-10 MAX7219与51单片机的接线电路

2.6 通信接口硬件设计

在工业自动控制、智能仪器仪表中，单片机的应用越来越广泛，随着应用范围的扩大以及根据解决问题的需要，对某些数据要做较复杂的处理，或是需要对前沿单片机、现场电器进行远程控制，单片机与上位机之间实现通信就显得尤为重要。

2.6.1 数据通信基础

数据通信方式有两种，即并行数据通信和串行数据通信。并行数据通信是指数据的各位同时进行发送或接收传送的通信方式，其优点是传递速度快;缺点是数据有多少位，就需要多少根传送线。串行数据通信是指通信的发送方和接收方之间数据信息的传输是在单根数据线上，以每次一个二进制位一位一位顺序传送，它的突出优点是只需一对传送线进行传送信息，其成本低，适用于远距离通信。串行通信方式和通信制式的不同，其通信的硬件设计也存在较大的区别，下面我们着重介绍一下串行通信的分类和通信制式。

1.串行通信的分类

按照串行数据的同步方式，串行通信可以分为同步通信和异步通信两类。

（1）异步通信

异步通信是一种利用字符的再同步技术的通信方式。在异步通信中，数据通常是以字符(或字节)为单位组成字符帧传送的。字符帧由发送端一帧一帧的发送，通过传输线为接收设备一帧一帧地接收。发送端可以有各自的时钟来控制数据的发送和接收，这两个时钟彼此独立，互不同步。

(2)同步通信

同步通信是一种连纯串行传输数据的通信方式，一次通信只能传送一帧信息，并按照软件设别同步字符来实现数据的发送和接收。

在同步通信中，同步字符可以采用统一标准格式，也可由用户约定。数据的传输速率较高，但同步通信要求发送时钟和接收时钟保持严格同步，在硬件的实现上比较复杂，系统成本高。

因此在本设计中选择串行异步通信方式。

2.串行通信的制式

在串行通信中，数据是在两个站之间发送的。按照数据传送方向，串行通信可分为半双工和全双工两种制式。

(1)半双工(Half Duplex )

在半双工方式下，A站和B站之间只有一个通信回路，故数据要么由A站发送而为B站接收，

要么由B站发送为A站接收。因此，A, B两站之间只要一条信号线和一条接地线，如图所示。

(2)全双工(Full Duplex)

在全双「方式下，A站和B站之间有两个独立的通信回路，两站都可以同时发送和接收数据。因此，在全双工方式下的A, B两站之间至少需要三条传输线，分别用于发送、接收、信号地。

半双工配置是一对单向配置，它要求两端的通信设备都具有完整和独立的发送和接收能力。但在同一时刻一方只能发或收。本设计采用半双工方式来实现下位机(MCU)和上位机(PC)间的通信。

2.6.2 RS-232标准接口总线

在实现计算机与计算机、计算机与外设间的串行通信时，通常采用标准的通信接口，只有选择好标准总线接口，才能很方便地把各种计算机、外部设备、测量仪器等有机地

连接起来，进行串行通信。

所谓标准通信接口，就是明确定义若干信号线，使接口电路标准化、通用化，借助串行通信标准接口，不同类型的数据通信设备可以很容易实现它们之间的串行通信连接，常用的标准异步串行通信接口有以下几类:

1. 20mA电流环;

https://www.360docs.net/doc/2219242396.html,B通用接口:

3. RS-232C;

4. RS-422，RS-423和RS-485。

20mA电流环是一种美国电子工业协会(EIA)未经正式颁布的非标准串行接口电路，它具有简单、对电器噪声不敏感的优点，但由于PC机中的多功能卡上没有预留20mA 电流环的器件，所以为了避免另作硬件的麻烦，节约系统成本，不采用此接口电路:USB 通用接口是最近提出的外部输入/输出接口的新规格，这种接口支持热插拔，是今后发展的总趋势，但对于本应用系统来说，它的价格不菲，而且实现起来将提高系统硬件的复杂性，甚至需要开发USB器件的驱动程序，提高了系统成本，加大了开发难度。RS-232C 接口电路是最常用的接口之一，它已经被内置于每一台PC机中，而且也被内置于多种类型的电脑和与它们相连的设备中，它是实现通信的最简便易行的方法，虽然为了提高数据传输速率和通信距离，又公布了RS-422, RS-423和RS-485接口，它们都是与RS-232兼容而制定的，由于一般PC机内部只有RS-232C接口，如果选用RS-422, RS-423或RS-485接口实现与PC机通信，就需增加一个RS-232-485转换器，鉴于本应用系统为试验阶段，选用实现通信最方便的RS-232串行通行接口，不仅能够达到预先通信的日的，而且线路简单易行。RS-232C标准接口总线是由美国电子工业协会(EIA)正式公布的，在异步串行通信中应用最广的标准总线，它的全称是“使用二进制进行交换的数据终端设备(DTE)和数据通信设备(DEC)之间的接口”。计算机、外设、显示终端等都属于数据终端设备，而调制解调器则是数据通信设备。它包括了按位串行传输的电气和机械方面的规定，适用于短距离或带调制解调器的通信场合，这种标准接口总线最高的数据速率为19. 2kb/s "RS-232C”中的RS是Recommended Standard的缩写，232是标识符，C表示此标准修改了三次。为了保证二进制数据能够正确传送，设备控制准确完成，有必要使所用的信号电平保持一致，为了满足此要求，RS-232C标准规定了数据和控制信号的电压范围，由于RS-232C是在TTL集成电路之前研制的，所以它的电平不是+5V 和地，RS-232标准中规定:信号源点的逻辑“0"(空号)电平范围为+5V~+15V,逻辑1 (传号)电平范围为-5V~15V;目的点的逻辑“0”为+3V~+15V，逻辑“1”为-3V~-15V。通常，RS-232总线逻辑电平采用+12V表示“0"，-12V表示“1", RS-232标准定义了25根引线，但在实际应用中，使用其中多少信号并无拘束非常灵活，在本设计中，只需使用串行输入RXD,串行输出TXD和地线GND来实现通信功能。

2.6.3 芯片MAX485介绍

引脚图如下2-12