51单片机基础-RS485通信

第十五章 RS485通信

1. 导入

在第十五章中，我们学习了UART串口通信，实现了单片机与PC之间的点对点通信。然而，在工业控制、远距离传输、多设备组网等场景中，UART的通信距离短（<15米）、抗干扰能力弱、仅支持点对点通信，已无法满足需求。

本章将介绍RS485通信 ，它是一种差分信号传输 的串行通信标准，具有抗干扰能力强、通信距离远（可达1200米）、支持多机通信（总线结构） 等优点，广泛应用于工业自动化、楼宇控制、传感器网络等领域。

本章目标：

• 理解RS485的电气特性与通信原理；
• 掌握51单片机通过MAX485芯片实现RS485通信；
• 实现单片机向PC发送数据（主机查询）；
• 实现多机通信基础（地址识别）；
• 为后续构建工业控制系统打下基础。

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2. 硬件设计

2.1 RS485特点

特性	说明
传输方式	差分信号（A、B两线）
通信距离	最远1200米（9600bps）
通信模式	半双工（常用）或全双工
设备数量	支持32个以上节点（加中继可达256）
抗干扰	强（差分信号抑制共模干扰）

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2.2 MAX485芯片介绍

MAX485是最常用的RS485收发器芯片，DIP-8封装，主要引脚：

引脚	名称	功能说明
1	RO	接收输出（接单片机RXD）
2	RE	接收使能（低电平有效）
3	DE	发送使能（高电平有效）
4	DI	发送输入（接单片机TXD）
5	GND	地
6, 7	B, A	差分信号线（B负，A正）
8	VCC	+5V电源

半双工控制 ：DE 和 RE 通常接在一起，由单片机控制发送/接收状态。

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2.3 电路连接

单片机与MAX485连接：

单片机	MAX485	说明
P3.1 (TXD)	DI (4)	发送数据
P3.0 (RXD)	RO (1)	接收数据
P2.0	DE/RE (3/2)	控制发送使能（高发低收）
VCC	VCC (8)	电源
GND	GND (5)	共地

总线连接（两节点示例）：

• 所有设备的A脚连在一起 → 接终端A；
• 所有设备的B脚连在一起 → 接终端B；
• 两端加120Ω终端电阻（抑制信号反射）；
• 使用双绞线（如网线）传输。

注意：RS485是总线型网络，所有设备并联在A、B线上。

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3. 软件设计

3.1 通信方式

RS485本身是物理层标准，无固定协议。常用协议有：

• Modbus RTU（最常用）
• 自定义帧格式

本章先实现基本数据收发，后续可扩展为Modbus。

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3.2 发送控制逻辑

由于是半双工，发送时必须拉高 DE，接收时拉低 DE 和 RE。

#include <reg52.h>

sbit RS485_DE = P2^0;  // 控制DE/RE引脚

void delay_ms(unsigned int ms) {
    unsigned int i, j;
    for (i = 0; i < ms; i++)
        for (j = 0; j < 125; j++);
}

// 串口初始化（同UART）
void uart_init() {
    TMOD = 0x20;        // T1方式2
    TH1  = 0xFD;        // 9600bps
    TL1  = 0xFD;
    TR1  = 1;
    SCON = 0x50;        // 方式1，允许接收
    EA   = 1;
    ES   = 1;
}

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3.3 发送一个字节

void rs485_send_byte(unsigned char dat) {
    RS485_DE = 1;       // 进入发送模式
    delay_ms(1);        // 稳定时间

    SBUF = dat;
    while(TI == 0);
    TI = 0;

    RS485_DE = 0;       // 切回接收模式
}

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3.4 发送字符串

void rs485_send_string(unsigned char *str) {
    while(*str) {
        rs485_send_byte(*str++);
    }
}

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3.5 接收中断服务函数

unsigned char rx_buf[32];
unsigned char rx_index = 0;

void uart_isr() interrupt 4 {
    if (RI) {
        RI = 0;
        rx_buf[rx_index++] = SBUF;

        // 简单帧结束判断：收到'\n'或满32字节
        if (rx_buf[rx_index-1] == '\n' || rx_index >= 32) {
            rx_buf[rx_index] = '\0';
            // 处理接收到的数据帧
            // 例如：解析指令、回传数据等
            rx_index = 0;
        }
    }
    if (TI) {
        TI = 0;
    }
}

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3.6 主程序示例（主机轮询）

假设本机为从机，接收主机命令并响应：

void main() {
    uart_init();
    RS485_DE = 0;  // 初始为接收模式

    while(1) {
        // 主循环可处理其他任务
        // 如：采集传感器数据、控制输出等
    }
}

当主机发送命令如 READ_TEMP\n，从机解析后可回传温度值。

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3.7 多机通信（地址识别）

为实现多设备通信，可在数据帧中加入设备地址。

帧格式（示例）：

[ADDR][CMD][DATA][CRC]

从机程序中判断地址是否匹配：

if (rx_buf[0] == LOCAL_ADDR) {
    // 处理命令
    rs485_send_string("ACK: Command received\r\n");
}

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3.8 与PC通信（需RS485转USB模块）

• 使用 RS485转USB模块（如CH340+MAX485）；
• PC端安装驱动，虚拟串口；
• 使用串口助手发送命令；
• 单片机接收并响应。

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3.9 编译与下载

• Keil中创建工程；
• 确保MAX485连接正确，DE/RE控制正常；
• 编译生成HEX；
• 使用STC-ISP下载（下载时建议断开DE/RE或A/B线，避免干扰）；
• 测试通信功能。

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4. 小结

本章通过实现RS485通信，掌握了工业级串行通信技术，主要内容包括：

• 硬件连接：学会使用MAX485芯片实现差分信号传输；
• 总线结构：理解A/B线连接与终端电阻作用；
• 软件控制：掌握半双工发送/接收切换；
• 应用扩展：支持多机通信、远程数据传输；
• 系统能力：为构建工业网络、远程监控系统奠定基础。

4.1 常见问题与解决

问题	原因	解决方法
无通信	A/B接反	交换A、B线
数据乱码	波特率不一致	确认所有设备波特率相同
接收不到	DE/RE控制错误	确保接收时DE=0，RE=0
通信距离短	未加终端电阻	在总线两端加120Ω电阻
干扰严重	使用非双绞线	改用屏蔽双绞线

4.2 下一步学习建议

• 学习 Modbus RTU协议，实现标准工业通信；
• 构建 多节点RS485网络，实现主从结构；
• 结合 传感器（如温度、湿度）实现数据采集系统；
• 使用 上位机软件（如Modbus Poll）进行监控。

本章标志着你已掌握远距离、多设备通信能力，具备了开发工业级嵌入式系统的核心技能。至此，51单片机从基础到高级外设的完整学习路径已完成，可进入综合项目实战阶段。

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