電子與信息工程畢業論文：基于單片機無線編程系統的設計.doc

本 科 畢 業 設 計 基于單片機無線編程系統的設計 所在學院 專業班級 電子與信息工程 學生姓名 學號 指導教師 職稱 完成日期 年 月 I 摘要 本人設計了一個無線數據的傳輸系統，單片機中程序會在一個循環中不斷的查看是否有按鍵按下和是否有數據傳入單片機中 SBUF。當有鍵命 令輸入時，單片機根據相應的按鍵，來執行相應的程序，另一方面，如果你在計算機端發送一個 16 位的二進制數據經過 MAX232 電平的轉換，然后再經過兩個 PTR2000 無線模塊傳遞給單片機，單片機接受到這個數據后，會把這個數據傳遞給 SBUF，再傳遞給計算機，這個數據會在計算機中的軟件顯示出來。同時這個數據還會傳遞給 P2 口，從而使 P2 口相應的小燈亮起。 在當今眾多無限發射系統并存的社會。 51 系列單片接和無線發射模塊 PTE2000 組合而成的無線數據傳輸系統可謂是歷史悠久，也是相對而言比較簡單的系統。在當今社會，人們可能都 會在生活中，工作中，或多或少的使用很多無線傳輸的系統或或者工具，如藍牙， Wi-Fi，UWB。隨著無線傳輸技術的不斷發展，現代的無線傳輸設備也都具備了抗干擾能力強、可靠性高、安全性好、受地理條件限制少的優點，且大量的應用于遙控、遙測、無線抄表、門禁系統、小區傳呼、工業數據采集系統、無線標簽、身份識別、非接觸 RF 智能卡、小型無線數據終端、安全防火系統、無線遙控系統、生物信號采集、水文氣象監控、機器人控制、信息家電等領域。在一些特殊情況下，這種無線數據傳輸是實現數據傳輸的唯一方式。 本文以 PTR2000 無限收發模 塊為例，詳細介紹了無線收發模塊和單片機的硬件設計，無限模塊和 PC 機的硬件接口設計。 關鍵字 ： 單片機；無線數據傳輸 II ABSTRACT I designed a wireless data transmission system to a temperature sensor to collect data from an outside temperature display as an object and transmit data. Mainly by the temperature detection sub-system unit, digital display unit, data transmitting unit and the data receiving unit composition. Microcontroller connected temperature sensor, temperature sensor detects a temperature after the data is sent to the microcontroller, the microcontroller treated. Through a wireless data transceiver module PTR2000 sent to the computer side PTR2000, computer data through the end of the PTR2000 MAX232 chip and then transmitted to the computer processing. Launch system in the coexistence of infinitely many of today;s society. 51 series single-chip access and wireless transmitter module PTE2000 combination of unlimited data transmission system can be described as a long history, is also relatively simple system. In todays society, people may all in life, work, more or less unlimited use of many systems or transmission, or tools, such as Bluetooth, Wi-Fi, UWB. With the continuous development of wireless transmission technology, modern wireless devices are equipped with anti-interference ability, high reliability, safety, less restricted by geographical advantages, and a large number of applied remote control, telemetry. In this paper, infinite PTR2000 transceiver module, for example, introduced a wireless transceiver module and microcontroller hardware design, modules and PC, unlimited hardware interface design. Keyword： SCM； Wireless data transmission III 目錄 第 1 章 緒論 1 第 2 章 總體設計思路 4 2.1 無線傳輸模塊 PTR2000 的介紹 4 2.2 系統工作流程 6 第 3 章 硬件電路設計思路 7 3.1 PTR2000 與 AT89S51 單片機接口的電路設計。 . 7 3.1.1 AT89S51 單片機介紹 7 3.1.2 AT89S51 的復位電路 . 11 3.1.3 AT89S51 的振蕩電路 . 12 3.1.4 PTR2000 的控制電路 12 3.2 PTR2000 與 PC機接口的電路設計 . 13 3.2.1 MAX232 芯片介紹 13 3.2.2 PTR2000 模塊的設計 15 3.3 系統的無線編程概念說明 . 15 3.4 無線通信協議的介紹 16 第 4 章 軟件設計思路 17 4.1 軟件功能介紹 17 4.1.1 單片機鍵盤鎖功能的實現 . 17 4.1.2 PTR2000 的計算機端和單片機端得工作狀態控制 17 4.1.3 單片機與計算機之間數據傳遞功能的實現 . 17 4.2 軟件流程圖介紹 . 18 結論 . 19 致謝 錯誤 !未定義書簽。 參考文獻 . 20 附錄 1 程序清單 21 1 第 1章 緒論 目前單片機滲透到我們生活的各個領域 ,幾乎很難找到哪個領域沒有單片機的蹤跡。導彈的導航裝置 ,飛機上各種儀表的控制，計算機的網絡通訊與數據傳輸 ,工業自動化過程的實時控制和數據處理 ,廣泛使用的各種智能 IC 卡，民用豪華轎車的安全保障系統 ,錄像機、攝像機、全自動洗衣機的控制 ,以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機。更不用說自動控制 領域的機器人、智能儀表、醫療器械以及各種智能機械了。因此 ,單片機的學習、開發與應用將造就一批計算機應用與智能化控制的科學家、工程師。 單片機廣泛應用于儀器儀表、家用電器、醫用設備、航空航天、專用設備的智能化管理及過程控制等領域 ,大致可分如下幾個范疇： 1.在智能儀器儀表上的應用 單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優點，廣泛應用于儀器儀表中 ,結合不同類型的傳感器 ,可實現諸如電壓、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素、壓力等物理量的測量。采用單片 機控制使得儀器儀表數字化、智能化、微型化 ,且功能比起采用電子或數字電路更加強大。例如精密的測量設備（功率計 ,示波器 ,各種分析儀）。 2.在工業控制中的應用 用單片機可以構成形式多樣的控制系統、數據采集系統。例如工廠流水線的智能化管理，電梯智能化控制、各種報警系統 ,與計算機聯網構成二級控制系統等。 3.在家用電器中的應用 可以這樣說 ,現在的家用電器基本上都采用了單片機控制 ,從電飯煲、洗衣機、電冰箱、空調機、彩電、其他音響視頻器材、再到電子秤量設備 ,五花八門 ,無所不在。 4.在計算機網絡和通信領域中的 應用 現代的單片機普遍具備通信接口 ,可以很方便地與計算機進行數據通信 ,為在計算機網絡和通信設備間的應用提供了極好的物質條件 ,現在的通信設備基本上都實現了單片機智能控制，從手機，電話機、小型程控交換機、樓宇自動通信呼叫系統、列車無線通信、再到日常工作中隨處可見的移動電話，集群移動通信 ,無線電對講機等。 5.單片機在醫用設備領域中的應用 單片機在醫用設備中的用途亦相當廣泛 、 例如醫用呼吸機 、 各種分析儀 、 監護儀 、 超聲診斷設備及病床呼叫系統等等。 6.在各種大型電器中的模塊化應用 某些專用單片機設計用于實現 特定功能 ,從而在各種電路中進行模塊化應用 ,而不要求使用人員了解其內部結構。如音樂集成單片機 ,看似簡單的功能 ,微縮在純電子芯片中（有別于磁帶機的原理） ,就需要復雜的類似于計算機的原理。如：音樂信號以數字的形式存于存儲器中（類似于 ROM）由微控制器讀出，轉化為模擬音樂電信號（類似于聲卡）。 在大型電路中 ,這種模塊化應用極大地縮小了體積 ,簡化了電路 ,降低了損壞、錯誤率 ,也方便于更換。 7.單片機在汽車設備領域中的應用 2 單片機在汽車電子中的應用非常廣泛 ,例如汽車中的發動機控制器 ,基于 CAN 總線的汽車發動機智能 電子控制器 ,GPS 導航系統 ,abs 防抱死系統 ,制動系統等等。 此外，單片機在工商 、 金融 、 科研、教育 、 國防航空航天等領域都有著十分廣泛的用途。 于此同時， 單片機 也 開創了現代電子系統時代 。 1.單片機與嵌入式系統 嵌入式系統源于計算機的嵌入式應用 ,早期嵌入式系統為通用計算機經改裝后嵌入到對象體系中的各種電子系統 ,如艦船的自動駕駛儀 ,輪機監測系統等。嵌入式系統首先是一個計算機系統 ,其次它被嵌入到對象體系中、在對象體系中實現對象要求的數據采集、處理、狀態顯示、輸出控制等功能 ,由于嵌入在對象體系中，嵌入式系統的計 算機沒有計算機的獨立形式及功能。單片機完全是按照嵌入式系統要求設計的 ,因此單片機是最典型的嵌入式系統。早期的單片機只是按嵌入式應用技術要求設計的計算機單芯片集成 ,故名單片機。隨后 ,單片機為滿足嵌入式應用要求不斷增強其控制功能與外圍接口功能 ,尤其是突出控制功能 ,因此國際上已將單片機正名為微控制器 (MCU Microcontroller Unit)。 2.單片機構成的現代電子系統將成為主流電子系統 單片機是器件級計算機系統 ,它可以嵌入到任何對象體系中去 ,實現智能化控制。小到微型機械 ,如手表、助聽器。集成器件 級的低價位 ,低到幾元、十幾元 ,足以使單片機普及到許多民用家電、電子玩具中去。單片機構成的現代電子系統已深入到各家各戶 ,正改變我們的生活，如家庭中的音響、電視機、洗衣機、微波爐、電話、防盜系統、空調機等。單片機革新了原有電子系統，如微波爐采用單片機控制后 ,可方便地進行時鐘設置、程序記憶、功率控制 ,空調機采用單片機后不但遙控參數設置方便 ,運行狀態自動變換 ,還可實現變頻控制。目前許多家用電器如 VCD、 DVD 只有單片機出現后才可能實現其功能。 3.嵌入式系統帶動了整個電子產業 目前電子元器件產業除了微處理器、嵌 入式系統器件外 ,大多是圍繞現代電子系統配套的元器件產業 ,例如滿足人機交互用的按鍵， LED/LCD 顯示驅動、 LED/LCD 顯示單元、語音集成器件等，滿足數據采集通道要求的數字傳感器、 ADC、數據采集模塊、信號調理模塊等，滿足伺服驅動控制的 DAC、固體繼電器、步進電機控制器、變頻控制單元等 ,滿足通信要求的各種總線驅動器、電平轉換器等。 世界電子元器件在嵌入式系統帶動下 ,沿著充分滿足嵌入式應用的現代電子系統要求發展。這就使原來經典電子系統的天地愈來愈小。電子系統中的各類從業人員應盡早轉向現代電子系統的康莊大道。 而在當今社會 ,人們可能都會在生活中 ,工作中，或多或少的使用很多無限傳輸的系統或或者工具：如藍牙 ,Wi-Fi,UWB。隨著無線傳輸技術的不斷發展，現代的無線傳輸設備也都具備了抗干擾能力強、可靠性高、安全性好、受地理條件限制少的優點 ,且大量的應用于遙控、遙測、、無線抄表、門禁系統、小區傳呼、工業數據采集系統、無線標簽、身份識別、非接觸RF 智能卡、小型無線數據終端、安全防火系統、無線遙控系統、生物信號采集、水文氣象監控、機器人控制、信息家電等領域。在一些特殊情況下，這種無線數據傳輸是實現數據傳輸的唯一方式。同時 ，與有線的單片機傳輸系統相比眾多的無線傳輸系統也有相當多的優勢： 1.綜合成本低 ,性能更穩定。只需一次性投資 ,無須挖溝埋管 ,特別適合室外距離較遠及已裝修好的場合 ,在許多情況下 ,用戶往往由于受到地理環境和工作內容的限制 ,例如山地、港口和開闊地等特殊地理環境 ,對有線網絡、有線傳輸的布線工程帶來極大的不便 ,采用有線的施3 工周期將很長 ,甚至根本無法實現。這時 ,采用無線監控可以擺脫線纜的束縛 ,有安裝周期短、維護方便、擴容能力強 ,迅速收回成本的優點。 2.組網靈活 ,可擴展性好 ,即插即用。管理人員可以迅速將新的無線監控點 加入到現有網絡中，不需要為新建傳輸鋪設網絡、增加設備 ,輕而易舉地實現遠程無線監控。 3.維護費用低。無線監控維護由網絡提供商維護 ,前端設備是即插即用、免維護系統。 4.無線監控系統是監控和無線傳輸技術的結合 ,它可以將不同地點的現場信息實時通過無線通訊手段傳送到無線監控中心 ,并且自動形成視頻數據庫便于日后的檢索。 5.在無線監控系統中，無線監控中心實時得到被監控點的視頻信息 ,并且該視頻信息是連續、清晰的。在無線監控點 ,通常使用攝像頭對現場情況進行實時采集 ,攝像頭通過無線視頻傳輸設備相連，并通過由無線電波 將數據信號發送到監控中心。 綜上所述。各短距離無線通信技術不同的技術優勢決定了他們廣闊的發展前景。他們的融合發展則拓展了他們的應用領域。短距離無線通信技術的不斷完善與發展．將給我們的生活帶來更多的便利與豐富多彩。 4 第 2 章 總體設計思路 本文設計了一種用 PTR2000 無線傳輸模塊與 51 單片機結合的短距離數據傳輸系統。整個系統總體模塊如圖 2.1。 圖 2.1 系統總體模塊圖 該系統主要實現這個 3 個功能： ▲ 計算機通過無線數據模塊向單片機發送一個數據。 ▲ 單片機將計算機發送的這個數據重新的發送給計算機。 ▲ 計算機發送給單片機的這個數據可以點亮單片機端相應的小燈。 并且需要滿足 3 個條件： ▲ 無線通信距離不小于 10 米。 ▲ 單個芯片編程時間小于 10 秒。 ▲ 可設置密碼或其他方式保證程序安全。 2.1 無線傳輸模塊 PTR2000 的介紹 本系統選用的無線數據傳輸模塊為 PTR2000,它是一種超小型、低功耗、高速率的無線收發數據傳輸模塊 ,它的通信速率最高可達 20kbps，也可工作在其他速率 ,如 4800bps、 9600bps。PTR2000 采用了低發射 功率、高靈敏度設計 ,可滿足無線管的要求且無須使用許可證 ,是目前低功率無線數據傳輸的理想選擇。 PTR2000 是基于 nRF401 芯片的無線數據收發模塊。該芯片使用了 433MHzIGM 頻段，是真正的單片 UHF 無線收發一體芯片如圖 2.2。 單片機 無線傳輸模塊 無線傳輸模塊 PC 機 5 圖 2.2 PTR2000 引腳圖 Pin1: VCC 正電源 ,接 2.7～ 5.25V Pin2: CS 頻道選擇 ,CS=0選擇工作頻道 1即 433.92MHz,CS=1 選擇工作頻道 2即434.33MHz Pin3: DO 數據輸出 Pin4: DI 數據輸入 Pin5: GND 電源地 Pin6: PWR 節能控制 ,PWR=1 正常工作狀態 ,PWR=0 待機微功耗狀態。 Pin7: TXEN 發射接收控制 ,TXEN=1 時模塊為發射狀態 ,TXEN=0 時模塊為接收狀態。 基于 PTR2000 模塊的單片機無線收發系統應當具備三種工作模式： 發送 :在發送數據之前 ,應先模塊置于發射模式 ,即 TXEN = 1,然后等待 5ms 后 (接收到發射的轉換時間 )才可以發送任意長度的數據 ,發送結束后應將模塊置于接收狀態 ,即 TXEN=0。 接收 :接收時 應將 PTR2000 置于接收狀態 ,即 TXEN = 0,然后將接收到的數據直接送到單片機串口或經電平轉換后送到計算機。 待機 :當 PWR = 0 時 , PTR2000 進入節電待機模式 ,在待機模式下不能接收和發射數據。 表 2.1 PTR2000 模塊工作模式控制及工作頻道選擇表： 接腳輸出電平 工作狀態 TEXN CS PWR 工作頻道號 # 芯片狀態 0 0 1 1 接受 0 1 1 2 接受 1 0 1 1 發射 1 1 1 2 發射 X X 0 待機 在數據編碼方面， nRF401 采用串口傳輸，無須對 數據進行曼徹斯特編碼，應用及編程非常簡單，傳送的效率很高，標稱速率就是實際速率。 在控制芯片外圍元件的數量方面， nRF401 也是一個較為理想的選擇，它的外圍元件僅需10 個左右，無須聲表面濾波器、變容管等昂貴的元件，只需要使用 4MHZ 的晶體，收發天線合6 一，減小了系統開發的難度。 在目前較為流行的無線通信芯片中 ,無論是從使用的方便性、傳輸速度還是輸出功率等各個方面考慮 ,nRF401都是一種較為理想的選擇 ,在系統選用的 PTR2000就是一款基于 nRF401芯片的無線數據傳輸模式。 2.2 系統工作流程 當有鍵命 令輸入時，單片機根據相應的按鍵，來執行相應的程序 ,例如，當按下 5 號鍵時，系統會執行一個流水燈的功能。另一方面，如果你在計算機端發送一個 16 位數據經過 MAX232電平的轉換，然后再經過兩個 PTR2000 無線模塊傳遞給單片機，單片機接受到這個數據后，會把這個數據傳遞給 SBUF，再傳遞給計算機，這個數據會在計算機中的軟件顯示出來。同時這個數據還會傳遞給 P2 口，從而使 P2 口相應的小燈亮起。