单片机RS485通信接口、控制线、原理图及程序实例

RS232 标准是诞生于 RS485 之前的，但是 RS232 有几处不足的地方：

接口的信号电平值较高，达到十几 V，使用不当容易损坏接口芯片，电平标准也与TTL 电平不兼容。传输速率有局限，不可以过高，一般到一两百千比特每秒(Kb/s)就到极限了。接口使用信号线和 GND 与其它设备形成共地模式的通信，这种共地模式传输容易产生干扰，并且抗干扰性能也比较弱。传输距离有限，最多只能通信几十米。通信的时候只能两点之间进行通信，不能够实现多机联网通信。

针对 RS232 接口的不足，就不断出现了一些新的接口标准，RS485 就是其中之一，它具备以下的特点：

采用差分信号。我们在讲 A/D 的时候，讲过差分信号输入的概念，同时也介绍了差分输入的好处，最大的优势是可以抑制共模干扰。尤其当工业现场环境比较复杂，干扰比较多时，采用差分方式可以有效的提高通信可靠性。RS485 采用两根通信线，通常用 A 和 B 或者 D+和 D-来表示。逻辑“1”以两线之间的电压差为+(0.2~6)V 表示，逻辑“0”以两线间的电压差为-(0.2~6)V 来表示，是一种典型的差分通信。RS485 通信速率快，最大传输速度可以达到 10Mb/s 以上。RS485 内部的物理结构，采用的是平衡驱动器和差分接收器的组合，抗干扰能力也大大增加。传输距离最远可以达到 1200 米左右，但是它的传输速率和传输距离是成反比的，只有在 100Kb/s 以下的传输速度，才能达到最大的通信距离，如果需要传输更远距离可以使用中继。可以在总线上进行联网实现多机通信，总线上允许挂多个收发器，从现有的 RS485芯片来看，有可以挂 32、64、128、256 等不同个设备的驱动器。RS485 的接口非常简单，与 RS232 所使用的 MAX232 是类似的，只需要一个 RS485转换器，就可以直接与单片机的 UART 串口连接起来，并且使用完全相同的异步串行通信协议。但是由于 RS485 是差分通信，因此接收数据和发送数据是不能同时进行的，也就是说它是一种半双工通信。那我们如何判断什么时候发送，什么时候接收呢？

RS485 转换芯片很多，这节课我们以典型的 MAX485 为例讲解 RS485 通信，如图 18-1所示。

图 18-1 MAX485 硬件接口

MAX485 是美信(Maxim)推出的一款常用 RS485 转换器。其中 5 脚和 8 脚是电源引脚；6脚和 7 脚就是 RS485 通信中的 A 和 B 两个引脚；1 脚和 4 脚分别接到单片机的 RXD 和 TXD引脚上，直接使用单片机 UART 进行数据接收和发送；2 脚和 3 脚是方向引脚，其中 2 脚是低电平使能接收器，3 脚是高电平使能输出驱动器，我们把这两个引脚连到一起，平时不发送数据的时候，保持这两个引脚是低电平，让 MAX485 处于接收状态，当需要发送数据的时候，把这个引脚拉高，发送数据，发送完毕后再拉低这个引脚就可以了。为了提高 RS485 的抗干扰能力，需要在靠近 MAX485 的 A 和 B 引脚之间并接一个电阻，这个电阻阻值从 100欧到 1K 都是可以。

在这里我们还要介绍一下如何使用 KST-51 单片机开发板进行外围扩展实验。我们的开发板只能把基本的功能给同学们做出来提供实验练习，但是同学们学习的脚步不应该停留在这个实验板上。如果想进行更多的实验，就可以通过单片机开发板的扩展接口进行扩展实验。大家可以看到蓝绿色的单片机座周围有 32 个插针，这 32 个插针就是把单片机的 32 个 IO 引脚全部都引出来了。在原理图上体现出来的就是 J4、J5、J6、J7 这 4 个器件，如图 18-2 所示。

图 18-2 单片机扩展接口

这 32 个 IO 口中并不是所有的都可以用来对外扩展，其中既作为数据输出，又可以作为数据输入的引脚是不可以用的，比如 P3.2、P3.4、P3.6 引脚，这三个引脚是不可用的。比如P3.2 这个引脚，如果我们用来扩展，发送的信号如果和 DS18B20 的时序吻合，会导致 DS18B20拉低引脚，影响通信。除这 3 个 IO 口以外的其它 29 个，都可以使用杜邦线接上插针，扩展出来使用。当然了，如果把当前的 IO 口应用于扩展功能了，板子上的相应功能就实现不了了，也就是说需要扩展功能和板载功能之间二选一。

在进行 RS485 实验中，我们通信用的引脚必须是 P3.0 和 P3.1，此外还有一个方向控制引脚，我们使用杜邦线将其连接到 P1.7 上去。RS485 的另外一端，大家可以使用一个 USB转 RS485 模块，用双绞线把开发板和模块上的 A 和 B 分别对应连起来，USB 那头插入电脑，然后就可以进行通信了。

学习了第 13 章实用的串口通信方法和程序后，做这种串口通信的方法就很简单了，基本是一致的。我们使用实用串口通信例程的思路，做了一个简单的程序，通过串口调试助手下发任意个字符，单片机接收到后在末尾添加“回车+换行”符后再送回，在调试助手上重新显示出来，先把程序贴出来。

程序中需要注意的一点是：因为平常都是将 MAX485 设置为接收状态，只有在发送数据的时候才将 MAX485 改为发送状态，所以在 UartWrite()函数开头将 MAX485 方向引脚拉高，函数退出前再拉低。但是这里有一个细节，就是单片机的发送和接收中断产生的时刻都是在停止位的一半上，也就是说每当停止位传送了一半的时候，RI 或 TI 就已经置位并且马上进入中断（如果中断使能的话）函数了，接收的时候自然不会存在问题，但发送的时候就不一样了：当紧接着向 SBUF 写入一个字节数据时，UART 硬件会在完成上一个停止位的发送后，再开始新字节的发送，但如果此时不是继续发送下一个字节，而是已经发送完毕了，要停止发送并将 MAX485 方向引脚拉低以使 MAX485 重新处于接收状态时就有问题了，因为这时候最后的这个停止位实际只发送了一半，还没有完全完成，所以就有了 UartWrite()函数内DelayX10us(5)这个操作，这是人为的增加了 50us 的延时，这 50us 的时间正好让剩下的一半停止位完成，那么这个时间自然就是由通信波特率决定的了，为波特率周期的一半。

/****************************RS485.c 文件程序源代码*****************************/

#include <reg52.h>#include <intrins.h>sbit RS485_DIR = P1^7; //RS485 方向选择引脚bit flagFrame = 0; //帧接收完成标志，即接收到一帧新数据bit flagTxd = 0; //单字节发送完成标志，用来替代 TXD 中断标志位unsigned char cntRxd = 0; //接收字节计数器unsigned char pdata bufRxd[64]; //接收字节缓冲区extern void UartAction(unsigned char *buf, unsigned char len);/* 串口配置函数，baud-通信波特率 */void ConfigUART(unsigned int baud){RS485_DIR = 0; //RS485 设置为接收方向SCON = 0x50; //配置串口为模式 1TMOD &= 0x0F; //清零 T1 的控制位TMOD |= 0x20; //配置 T1 为模式 2TH1 = 256 - (11059200/12/32)/baud; //计算 T1 重载值TL1 = TH1; //初值等于重载值ET1 = 0; //禁止 T1 中断ES = 1; //使能串口中断TR1 = 1; //启动 T1}/* 软件延时函数，延时时间(t*10)us */void DelayX10us(unsigned char t){do {_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();} while (--t);}/* 串口数据写入，即串口发送函数，buf-待发送数据的指针，len-指定的发送长度 */void UartWrite(unsigned char *buf, unsigned char len){RS485_DIR = 1; //RS485 设置为发送while (len--){ //循环发送所有字节flagTxd = 0; //清零发送标志SBUF = *buf++; //发送一个字节数据while (!flagTxd); //等待该字节发送完成}DelayX10us(5); //等待最后的停止位完成，延时时间由波特率决定RS485_DIR = 0; //RS485 设置为接收}/* 串口数据读取函数，buf-接收指针，len-指定的读取长度，返回值-实际读到的长度 */unsigned char UartRead(unsigned char *buf, unsigned char len){unsigned char i;//指定读取长度大于实际接收到的数据长度时，//读取长度设置为实际接收到的数据长度if (len > cntRxd){len = cntRxd;}for (i=0; i<len; i++){ //拷贝接收到的数据到接收指针上*buf++ = bufRxd[i];}cntRxd = 0; //接收计数器清零return len; //返回实际读取长度}/* 串口接收监控，由空闲时间判定帧结束，需在定时中断中调用，ms-定时间隔 */void UartRxMonitor(unsigned char ms){static unsigned char cntbkp = 0;static unsigned char idletmr = 0;if (cntRxd > 0){ //接收计数器大于零时，监控总线空闲时间if (cntbkp != cntRxd){ //接收计数器改变，即刚接收到数据时，清零空闲计时cntbkp = cntRxd;idletmr = 0;}else{ //接收计数器未改变，即总线空闲时，累积空闲时间if (idletmr < 30){ //空闲计时小于 30ms 时，持续累加idletmr += ms;if (idletmr >= 30){ //空闲时间达到 30ms 时，即判定为一帧接收完毕flagFrame = 1; //设置帧接收完成标志}}}}else{cntbkp = 0;}}/* 串口驱动函数，监测数据帧的接收，调度功能函数，需在主循环中调用 */void UartDriver(){unsigned char len;unsigned char pdata buf[40];if (flagFrame){ //有命令到达时，读取处理该命令flagFrame = 0;len = UartRead(buf, sizeof(buf)-2); //将接收到的命令读取到缓冲区中UartAction(buf, len); //传递数据帧，调用动作执行函数}}/* 串口中断服务函数 */void InterruptUART() interrupt 4{if (RI){ //接收到新字节RI = 0; //清零接收中断标志位//接收缓冲区尚未用完时，保存接收字节，并递增计数器if (cntRxd < sizeof(bufRxd)){bufRxd[cntRxd++] = SBUF;}}if (TI){ //字节发送完毕TI = 0; //清零发送中断标志位flagTxd = 1; //设置字节发送完成标志}}

/*****************************main.c 文件程序源代码******************************/

#include <reg52.h>unsigned char T0RH = 0; //T0 重载值的高字节unsigned char T0RL = 0; //T0 重载值的低字节void ConfigTimer0(unsigned int ms);extern void UartDriver();extern void ConfigUART(unsigned int baud);extern void UartRxMonitor(unsigned char ms);extern void UartWrite(unsigned char *buf, unsigned char len);void main(){EA = 1; //开总中断ConfigTimer0(1); //配置 T0 定时 1msConfigUART(9600); //配置波特率为 9600while (1){UartDriver(); //调用串口驱动}}/* 串口动作函数，根据接收到的命令帧执行响应的动作buf-接收到的命令帧指针，len-命令帧长度 */void UartAction(unsigned char *buf, unsigned char len){//在接收到的数据帧后添加换车换行符后发回buf[len++] = ' ';buf[len++] = ' ';UartWrite(buf, len);}/* 配置并启动 T0，ms-T0 定时时间 */void ConfigTimer0(unsigned int ms){unsigned long tmp; //临时变量tmp = 11059200 / 12; //定时器计数频率tmp = (tmp * ms) / 1000; //计算所需的计数值tmp = 65536 - tmp; //计算定时器重载值tmp = tmp + 33; //补偿中断响应延时造成的误差T0RH = (unsigned char)(tmp>>8); //定时器重载值拆分为高低字节T0RL = (unsigned char)tmp;TMOD &= 0xF0; //清零 T0 的控制位TMOD |= 0x01; //配置 T0 为模式 1TH0 = T0RH; //加载 T0 重载值TL0 = T0RL;ET0 = 1; //使能 T0 中断TR0 = 1; //启动 T0}/* T0 中断服务函数，执行串口接收监控 */void InterruptTimer0() interrupt 1{TH0 = T0RH; //重新加载重载值TL0 = T0RL;UartRxMonitor(1); //串口接收监控}

现在看这种串口程序，是不是感觉很简单了呢？串口通信程序我们反反复复的使用，加上随着学习的模块越来越多，实践的越来越多，原先感觉很复杂的东西，现在就会感到简单了。从设备管理器里可以查看所有的 COM 口号，我们下载程序用的是 COM4，而 USB 转RS485 虚拟的是 COM5，通信的时候我们用的是 COM5 口，如图 18-3 所示。

图 18-3 RS485 通信试验设置和结果

单片机实例分享，感应式收纳桶

几年前和电子系的朋友一起研究电路，做些小作品，那时真的很开心。记得在学校时，和他们一起做过一个小制作——感应式垃圾桶。当然，那时做得很简陋，用蒙牛的纸盒包装做外壳，用步进电机和一条细线来驱动纸质的盖子，用一体化的人体感应模块(买来时几十元)做传感器。这次为什么又会做类似的一个东西呢?因为一次在超市购物时，我买了瓶木糖醇口香糖，送了个漂亮的收纳桶(见图14.1)。这让我想起了以前一起参与动手制作的朋友们，可能是对过去学校生活的怀念吧，我决定用这个收纳桶再做一个感应式垃圾桶。

图14.1 买口香糖赠送的收纳桶

感应式收纳桶能做些什么呢?有用吗?每次我跟朋友说起这个制作时，他们往往会问这个问题，如何回答这个问题呢，就让我们一起动手来实现一下吧。

主要部件及材料

本制作的主要材料只有3个：ATmega8单片机、9g舵机和光电传感器(见图14.2)。

图14.2 单片机、舵机、光电传感器

(1)单片机大家也可以选择51单片机，如STC12C2052AD，只要带A/D转换即可。不带A/D转换的单片机也能实现功能，不过感应距离可能只有1cm。

(2)除了9g舵机，大家还可以选择微型舵机，这样会美观些。

(3)光电传感器我用的是TCRT5000，这个型号我不是特意挑选的，仅仅是我在淘宝上买电子零件时挑选的比较便宜的(不到1元)，顺带买了3个。你也可以选择RPR220或LTH1550-01光电传感器。不过，我目前也没条件实验它们的效果。这两个传感器的光电特性和我目前用的，可能会有感应距离上的差别。

(4)电源我使用的是4节1.2V的充电电池，你完全可以使用单片机下载线的电源而不用电池。

(5)在这次制作中，我固定各个部件用的是热熔胶，这么做能确保当我有新想法时也可以很容易地通过加热拆下它。

制作过程

准备好零件和工具就可以开始进行制作了。

先焊接好单片机插座、插针，这是为了让器件拆卸方便。在反面用有绝缘外皮的连线连接相应的电气位置(见图14.3)，要根据原理图连接，不然提供的程序你可要自己修改。然后，用热熔胶把万用板、电池盒、收纳桶固定下来。这时你就可以通过ISP下载线给ATmega8单片机烧录程序了。

图14.3 制作好的电路实物

最后再固定传感器和舵机到合适的位置，这样你就可以调整它们到最佳的状态。传感器我放到了收纳桶最上方的位置。如果有3个传感器，分别成120°放置的话，可能感应的效果就更完美了。

至此，“善解人意”的收纳桶就做好了，当手在传感器上方15cm左右的距离时，收纳桶的盖子就能自己打开。当手离开至距离20cm左右，它又会自动关盖了。

电路原理

这个制作的电路原理图如图14.4所示。电路中没有晶体振荡器，其实原来我在外部使用了12MHz的晶体振荡器，但后来发现这个制作不需要就取消了。通过ISP下载线设置，使用ATmega8单片机的内部8MHz RC振荡器。电源除了给单片机VCC供电外，还要给单片机内部的AD供电，AD的供电引脚分别为AVCC和AGND。

图14.4 电路原理图

为了更简化电路，通过程序设置，我让AREF引脚连接到内部的AVCC。这样设置后，可以节省外部参考电压源。为了使采集到的电压更稳定，应该在AREF引脚上接个电容到GND。

普通舵机的控制信号由singal接收，接收信号通常是频率为50Hz的PWM波(见图14.5)。通过调整高电平的宽度实现位置的调整，高电平的宽度就代表了舵机相应的角度，通常1500μs的高电平长度是舵机的中立点，1000μs对应-90°的位置，2000μs就对应90°的位置了(由于舵机的齿轮比不同，这个角度也不是绝对的)。这样，程序产生不同长度的高电平就能控制舵机拉杆的位置了，也就能拉动收纳桶的盖子了。

刚拿到TCRT5000传感器时，区分它的4个引脚还真花了我不少时间，结构如图14.6所示。首先可以明确的是，蓝色透明的是发射管，黑色不透明的是接收管。

图14.5 PWM波长短控制舵机角度

图14.6 TCRT5000传感器结构图

1. 如何区别发射管的 a 引脚和 k 引脚

毕竟它发射的是红外光，人的眼睛看不到。后来一次偶然的机会，笔者发现，打开手机的摄像头就能看到它发的红外光了，不过在屏幕上显示的是淡紫色的。通过这种方法不仅能确认a、k引脚，还能确定它是否完好。

2. 如何区别接收管的 c 引脚和 e 引脚

在确保发射管正常发射且用手遮挡的情况下，一端接高电平，另一端的电平也接近高电平，那么接近高电平的就是e引脚了。除去发射信号，此时已经判断出的e引脚应该就接近低电平了。原理是这样的：当有红外光照射到光电三极管时，c与e之间就会导通，导通电压在0.4V左右。

经过这样的判断与测试过程，大家是否自己也能编写相应的程序，来判断是否有物体接近传感器了呢?不过在这次应用中，我并没有让c引脚接高电平，从而判断e引脚的状态。因为这样的话，传感器的e引脚要接一个下拉电阻。而ATmega8单片机的引脚仅仅能设置上拉电阻。因此，为了简化制作，我通过程序设置传感器的e引脚输出低电平，传感器的c引脚通过ATmega8单片机的PC5上拉。这样，当手靠近传感器时，就会因为手反射回的红外光，而使得c引脚接近低电平。同样，红外遥控器对着它照射也会拉低c引脚。因此，在单片机的程序中，我们不能仅仅通过读取c引脚的电压值是否接近0来判断手是否靠近收纳桶。

程序编写

程序可以说相当简单，舵机仅仅用了10次循环来实现10次50Hz(其实舵机可以接收50～333Hz的频率)的PWM波，并延时产生相对应的高电平脉冲，从而实现舵机的运转。传感器的判断状态也就写了几十行的代码。单片机通过让发射管发射、关闭红外光，然后再检测传感器c引脚电压差的方法，来判断手是否靠近传感器。

由于程序不多且简单，我就直接贴出3个关键函数了。

void _00(void)

{

unsigned char i=0;

for(i=0;i<10;i++)

{

PORTB.1=1;

delay_us(1000);//1ms

PORTB.1=0;

delay_us(19000);

}

void _90(void)

{

unsigned char i=0;

for(i=0;i<10;i++)

{

PORTB.1=1;

delay_us(2145);//2ms

PORTB.1=0;

delay_us(18000);

}

这两个函数可以控制舵机转到两个极限的角度，起到拉升盖子的作用。_00( ) 这个函数的实际作用效果是打开盖子，而_90( ) 这个函数则是用于关闭盖子。大家可以调整PORTB.1=1语句后面的延时时间参数(延时时间就是高电平的时间)，来微调该舵机的两个相对位置。

void read_ir(void)

{

while(1)

{

PORTC.2=1;

delay_ms(2);

H=read_adc(5);

PORTC.2=0;

delay_ms(1);

L=read_adc(5);

if(H-L<=6||H

{count1++;count2=0;

if(count1>=20)

{count1=0;state=1;return;} }

if(H-L>=12&&H>L)

{count2++;count1=0;

if(count2>=20)

{count2=0;state=2;return;}}

看这个函数的名字，大家就能想到它的作用了吧?这是读红外传感器的状态函数，当全局变量state=1时，表示没有物体遮挡、盖子关闭。当全局变量state=2时，表示有物体遮挡、盖子打开。PORTC.2控制着传感器发射的状态，当PORTC.2=1时，关闭红外的发射，等于0时开启红外发射。由于我们是要判断手是否靠近传感器，如果简单地判断ADC的数值是否接近0的话，那是不行的，因为在阳光下，ADC的数值就接近0。所以，我们实际要判断的是物体靠近而引起的变化，即程序中的H-L。

由于开启和关闭传感器需要时间，ADC转换也同样需要时间，这段时间完全有可能因为你看电视机时换频道而错误触发(遥控器发射红外光嘛)，因此程序采样了20次。如果20次总计100ms左右的时间内，差值一致的话，则判断有人手靠近，否则从头再检测20次。这样就保证了稳定而可靠的感应。

大家可以通过修改H-L的值，来改变感应的实际距离。当H-L≥6时，感应的距离约为20cm。H-L的值并非和距离成线性关系，它在接近1时感应的距离最远，约30cm。但是你也不希望当手在30cm时，盖子连续不断地抖动开关吧。所以，在程序中我就设置H-L≤6(≤20cm距离)时就关闭盖子，当H-L≥12(≤15cm距离)时就打开盖子。

制作好的效果图如图14.7所示，相关程序可以到qq群657864614进行浏览。

图14.7 效果图

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