基于MODBUS数据采集系统的设计毕业设计

吉林化工学院信控学院专业综合设计说明书基于Modbus协议的数据采集系统吉林化工学院Jilin Institute of Chemical Technology吉林化工学院信息与控制工程学院专业综合设计说明书独创声明本人郑重声明：所呈交的毕业设计(论文)，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。

尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。

本声明的法律后果由本人承担。

作者签名:二〇一〇年九月二十日毕业设计（论文）使用授权声明本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。

本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。

（保密论文在解密后遵守此规定）作者签名:二〇一〇年九月二十日基于Modbus协议的数据采集系统专业综合设计任务书一．设计题目：基于MODBUS协议的数据采集系统二．设计目的1．培养学生实践动手能力及独立分析和解决工程实际问题的能力；2．培养学生的团队协作精神、创新意识、严肃认真的治学态度和严谨求实的工作作风；3．学习C8051F350单片机体系结构及程序开发；4．学习电路的焊装和硬件调试；5. 编写完整的实验程序，进行整机调试；6. 学习撰写设计说明书。

三．设计任务及要求设计并实现基于Modbus协议的数据采集系统。

系统具有以下基本功能：1．利用C8051F350片上系统的24位AD转换模块实现对外部数据的采集；2．使用Modbus通讯协议实现单片机与上位机的通讯；3. 通过组态王软件实现数据的实时显示。

四．设计时间及进度安排设计时间共三周（2007.12.10～2007.12.28）,具体安排如下表：吉林化工学院信息与控制工程学院专业综合设计说明书目录专业综合设计任务书I摘要IV第1章概述1第2章方案选取22.1 通信方式选择 (2)2.2 ADM2852的选择 (2)第3章硬件电路设计33.1 RS484通信电路图 (3)3.3 单片机最小系统 (4)3.4 供电电源 (5)第4章核心元器件的介绍74.1 C8051F350微控制器 (7)4.1.1 24或16位模/数转换器(ADC0) (8)4.1.2 端口输入/输出 (8)4.1.2电压基准选择 (8)4.1.3 定时器 (9)第5章系统电源9第6章结论18参考文献19附录1 电路原理图20附录2 程序21基于Modbus协议的数据采集系统摘要此次专业综合设计采用C8051F350单片机、ADM2582隔离型RS-485收发器，HT7133稳压芯片、集成RS485转RS232转换器构成的系统，C8051F350单片机作为下位机，应用组态王6.55软件编制的上位机监控程序，应用单片机内部集成A/D转换器完成对实时电压模拟量的采集和处理，而组态王用于对下位机参数读写、显示、报警等，从而实现了一套完整可靠的电压采集监控系统。

上位机和下位机通过Modbus通讯协议来进行数据的采集。

该设计电压采集范围在0～2.2V，误差范围可控制在±0.5mV。

该系统具有使用方便、测量精确、稳定性高、可性强等优点，可以在很多领域应用，如温度、液位、压力等物理量的采集和监控。

关键字：C8051F350，ADM2582，组态王6.55，Modbus协议第1章概述计算机网络、通信与控制技术的发展，导致自动化系统的深刻变革。

随着微处理器与计算机功能的不断增强，价格急剧降低，计算机与计算机网络系统得到迅速发展。

而处于企业生产过程底层的测控自动化系统，由于设备之间采用传统的一对一连线，用电压、电流的模拟信号进行测量控制，或采用自成体系的封闭式的集散系统，难以实现设备之间以及系统与外界之间信息变换，使自动化系统成为“信息孤岛”。

随着现代工业的发展，对工业设备的控制逐步从单一独立系统向集散控制监控系统发展，因此，我们设计了基于Modbus协议实现下位机对电压信号的采集和组态王通信的智能工业控制器监控系统，它的数据通信系统由数据的发送设备、接收设备、作为传输介质的总线、通信协议组成。

本设计虽然是简单的用单片机内部集成A/D转换器进行电压采样，但是利用此原理，并将设计稍加改动，就会演变成很多工业自动化监控系统，例如对温度、压力、液位等工业现场参数的精确控制，并且可以利用上位组态软件实现现场参数的读写、显示、越限报警等实现了一个完整的工业监控系统。

现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。

它的出现，将对该领域的技术发展产生重要影响，而本设计所运用的Modbus 协议更是现场总线中应用较为广泛的一种总线技术。

第2章方案选取2.1 通信方式选择用通信方式来看，有两种总线方式即：RS232总线和RS485总线。

方案一：采用采用RS232串行总线方式，它是外部串行总线，通常我们用9针线接口进行通信，实际上只用到TXD、RXD、GND三根线，单端传输方式，最大传输距离是15米，最大传输速度20Kbit/s，具有串行传输只需要一根传输线即可，在成本上可以有一定的节约。

但是典型的RS-232信号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端的驱动器输出正电平在+5～+15V，负电平在-5～-15V之间。

当没有数据传输时，线上未TTL,从开始传输数据到结束，线上电平从TTL电平到RS-232电平再返回TTL电平。

接收器典型的正工作电平再+3～+12V，负电平在-3～-12V。

由于发送电平和接收电平的差仅为2V到3V，所以共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大为15M，最高速率为20Kbit/s。

由于RS-232用于一对收发设备通讯，所以它只适合本地设备之间的通讯。

方案二：采用RS485串行总线方式，它也是外部串行总线，RS-485可以采用二线与四线方式，二线制可以真正实现多点双向通讯。

而在采用四线连接时，只能实现点对多的通信，也就是只有一个主设备，其他全为从设备。

它的特点是输入为差分输入方式，最大传输距离为1200米，最大传输速率为10Mbit/s，其优点是在RS232基础上其抗干扰能力极强，同一根电缆线的数据传输可以不受其他线路的干扰，还具有总线收发器灵敏度很高，能检测很低的电压（200mV），在远距离传输时也能使信号得以恢复。

RS-485的接口信号电平较RS-232低，不易是接口电路的芯片受到损坏。

由于RS-485的种种优点，使它成为众多工程师的首选串行接口。

所以基于RS-485的优点，本设计也采用方案二作为通信方式。

2.2 ADM2852的选择RS485 电路总体上可以分为隔离型与非隔离型。

隔离型比非隔离型在抗干扰、系统稳定性等方面都比较好，但有一些要求比较低的场合也可以用非隔离型。

为防止电磁干扰或者电源尖峰脉冲干扰，所以尽管本设计电路较为简单，传输距离较近，但为了安全，选用隔离型电路。

ADM2582是高集成度数据收发器，支持±15 kVESD保护及信号和电源隔离，该器件适合用于多点传输线上的高速通信，内部集成隔离式DC-DC电源，无需外加DC-DC模块。

采用5V或3.3V供电，实现完全集成的信号与电源隔离RS-485解决方案。

ADM2582驱动器具有高电平有效使能特性，也具有低电平有效接收器使能特性，禁止时可使接收器输出进入高阻抗状态。

第3章硬件电路设计在设计方案选定好之后，需要对整个系统的实现过程有个具体的思考分析，并拿出一个具体的系统实现方案框图，将整个实现过程模块化，便于硬件电路的设计和分工焊接，便于硬件的检错和硬件的调试。

图3-1，便是选定的方案一的系统实现框图。

图3-1 工作流程图3.1 RS484通信电路图RS-485数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输，它使用一对双绞线，将其中一线定义为A，另一线定义为B。

RS-485可以采用二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双向通信。

RS-485总线，在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485串行总线标准。

RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。

加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。

RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。

RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。

应用RS-485 可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。

RS-485驱动器可以用在RS-422网络中应用。

RS-485的最大传输距离约为1219米，最大传输速率为10Mbps。

平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100Kbps速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。

只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。

一般100米长双绞线最大传输速率仅为1Mbps。

在短距离的信息传输过程中，可以忽略大部分的干扰，即可以不使用双绞线。

在没有强干扰的影响时，信号传输的终端也可以不加抗共模干扰的电阻。

有的情况，485总线芯片的供电电源也会引起干扰，在这种情况下，需要对供电电源进行隔离，图3-3所示的电路就是消除电源干扰的一种电路设计方案。

图3-2 RS485通信原理图3.3 单片机最小系统如下图3-3所示是单片机最小系统3.4 供电电源本次设计采用+5V电源供电，由于C8051F350单片机的工作电压范围为2.7V - 3.6V，所以选择LM1117T-3.3作为电源稳压器，输出稳定的3.3V电压为单片机和ADM2582E使用。

如图3-4所示。

第4章核心元器件的介绍4.1 C8051F350微控制器C8051F350器件是完全集成的低功耗混合信号片上系统型MCU，具有片内上电复位、VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F41x器件是真正能独立工作的片上系统。

FLASH存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。

用户软件对所有外设具有完全的控制，可以关断任何一个或所有外设以节省功耗。

片内Silicon Labs二线（C2）开发接口允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。

调试逻辑支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、单步、运行和停机命令。

在使用C2进行调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。