毕业设计（论文）-无线数据表决系统终端硬件设计.doc

武汉理工大学毕业设计（论文）目录摘要IAbstractII1 绪论11.1 引言11.2无线表决系统的优势11.3无线会议系统研究意义11.4本文研究目的41.5 论文结构42 无线数据表决器终端硬件的研究52.1 短距离无线通信技术52.1.1 蓝牙技术52.1.2 红外技术52.1.3 ZigBee技术62.1.4 UWB技术62.1.5 RFID技术72.2 无线表决器手持终端显示部分82.2.1 键盘电路部分82.2.2 显示部分82.2.3 收发模块部分82.2.4 串口介绍93 无线表决系统终端硬件电路设计与实现103.1 系统硬件概述103.2控制处理单元AT89C52103.3 键盘电路的设计143.4 无线收发模块设计163.5 电源电路设计与实现183.6硬件系统低功耗设计184 无线表决系统硬件调试205 结论21参考文献23致谢2424摘要目前，在各类议案表决中都离不开投票表决，与传统投票表决方式相比较，由于电子表决器结果自动生成，节省了会议时间，提高了会议效率，大幅度降低了会议成本，因此研究无线表决器具有非常现实的意义。本文主要设计了一个无线表决系统，实现无线数据表决系统终端各部分的功能。整个系统由手持无线表决器、无线数据采集器、微机三部分组成，在设计中对无线表决器进行了重点研究。本文通过对现有表决器的分析和研究，提出比较适合当前时代主题的表决器设计方案后，选取相应的芯片并采用Proteus软件对其功能进行了仿真，通过对无线表决系统工作原理和工作过程的研究并作出多次调试，各部分功能均能按照预期的目的正常工作。关键词：Proteus；单片机；表决器；无线收发模块AbstractAt present, none types of bills are decided without voting by ballot. Compared to the traditional way of poll, the time is saved, the efficiency is improved and the costs reduce significantly due to the results is automatic generated by electronic voting machine. So, it makes a very real sense to research in wireless voter. In this paper, the designed wireless voting system can make each part of the Wireless Data Terminal voting system work well. The whole system consists of three parts including handheld wireless voting machines, TriLink and PC. And in the design, the wireless voting machines are emphasized. Based on the existing analysis and research of the voting machine, after putting forth a voter proposal design more suitable for the current era, select the appropriate chips and simulate the function by Proteus software. Through researches and repeated testing of the principles and working process for the wireless voting system, all parts can work in accordance with the intended purpose.Key Words: Proteus;MICROController Unit;voting; RF transceiver / receiver module1 绪论1.1 引言目前，随着科技的迅猛发展，人们越来越依赖于使用机器来代替人工操作，这也普及到了投票表决机制。在机关、学校和企事业单位会议中，经常要对某些议案进行表决。为此，需要研制一种无线会议表决系统，该系统要求具有无需安装布线，适用于任何会场而不改变会场原始装修风格，我们根据此要求，设计了一种无线表决系统。该无线电子表决系统采用无线通信技术，功能齐全，安全可靠，保密性强，操作简单，具有硬件设计高度可靠、按键投票保密性强、用户操作直观明了、产品功能多种多样等优点。电子表决方式解决了以往举手表决所带来的弊端，使参会人员的意愿更加真实独立，既是对参会人员职权的尊重，又是对民主和法制的尊重。同时，电子表决结果自动生成，节省了会议时间和人力，提高了会议效率。与有线表决相比，无线电子表决系统在可靠性、安全性、以及易用性上更有优势，而且大幅度降低了会议成本，适合普及推广。1.2无线表决系统的优势1.可靠性相比于原本的手工操作，无线表决系统统计出的结果更加精确可靠，同时也基本否决了黑幕操作的威胁，同时这也更能体现出参与者的个人意愿，解决了举手表决的弊端，更好的保证了保密性和民主性。2.安全性相对于几十年前的举手表决后人工计数工作，无线表决系统无疑更好地统计出了参与者的表决结果。因为无论人工统计如何精细，都很难达到计算器所能到达的精准程度，这更好的提高了表决过程中的安全指标。3.易用性与有线表决系统相比较，无线表决系统无论从安装过程还算成本方面考虑，都有极大的优势，同时，该系统统计数据后自动生成结果，省去了中间的人工操作过程，更好的节约了用户的时间，提高了会议效率。1.3无线会议系统研究意义在科技迅猛发展的今天，信息技术的发展，促进了信息社会的形成。随着信息传递的充分发展出现了超越时空的互联网技术，随着信息表示的发展出现了如声像视频这样的多媒体技术，而信息的收集、处理、加工的发展也出现了数字化手持移动技术、智能技术，如搜索技术，数据挖掘等。网络的远程虚拟技术是有重大革命性意义的，同时教室内的技术更是不可忽视的。在课堂上同学们可以通过无线表决器终端完成老师提出的课堂测验、课堂竞赛等互动式教学，不管是学生对知识的正确理解，还是错误的回答，只要通过无线表决器做出选择，上位机就可以储存下来并显示结果，教师可以实时了解学生的听课理解情况，根据情况来调整教学内容和进度。结合多媒体的反馈技术，不仅方便老师提出问题，引导调控，及时获取情景教学环境下的反馈信息，这种方法也有利于学生在这种创新设计的教学情境下，积极进行思考，及时做出判断和选择。将反馈与情境创新设计相结合，给予每个学生在课堂教学情境下的操控感，对于学生的学习来说非常重要。同时，会使每个学生在课堂教学情境下，学会思考和决策，长期这样做，对于学生提高学习能力来说非常重要。相对于前者，无线表决器在大型会议，休闲娱乐等领域有着更加广泛的应用。在会议上，使用表决器可以更加真实的反应出与会者的态度，由上位机对表决结果进行归类统计从而提高工作效率，更加真实准确的做出决议。在娱乐生活中，尤其是在电视媒体中，也经常可以见到表决器和抢答器的身影，它们在调动现场气氛和提高现场观众的互动性方面有很大作用。综上所述，无线表决器系统具有一定的研究价值和市场价值。目前，市面上的无线表决器产品已经有很多，实现的功能也不尽相同。 图1 无线表决器产品终端产品外观 无线表决器的国内生产商主要有齐乐公司（产品如图1所示），长沙中天电子设计开发有限公司，佛山市公信数字会议设备有限公司，北京富华胜科技中心，广州会智能科技有限公司，广州瀚宇信息科技有限公司等。这些公司生产的无线表决器基本具有如下的功能和特点：1可实现点名、投票、抢答、打分、答题等功能，有些公司的产品也可以实现十分制的打分。2传输距离 50150 米，无线速率为 19200bps。3系统容量小于50个，大容量的表决器功能简单，仅能实现点名和投票功能，适用于大型会议，不适用于课堂教学。4表决器需要9V或12V电源供电。5软件采用模块化设计，通过不同的上位机软件能满足不同表决内容需要。6电池使用时间较短，通常为十天左右。7某些公司产品采用红外技术，需要多个接受器，遥控器需要对准接收器，而且受发射角度和系统容量的限制。2目前国内生产商的产品主要针对于商业使用，大多数产品都有点名功能，主要应用于会议表决系统中，在课堂教学使用的表决器几乎没有。图2 国外无线表决器产品终端产品外观 国外生产商如InteractiveGeneeUs，Interwrite，Promethean，Qwizdom，生产的产品大多用于教学系统，以Promethean公司产品为例，如上图2所示，可以作选择题，能够从大屏幕上看到答题结果（有直方图，可表示同学答题结果的比例信息），手持设备有反馈功能，通过表决器面板上的指示灯来表示，由于设计按键少（仅回答选择题，每次按一下键即可），故而没有显示设备。国外产品中比较优秀的是Qwizdom，它由主次两级表决器，分别为老师和学生使用。Alass 公司产品的上位机界面设计十分巧妙，可以实时显示答题情况，包括是否答题、答题正确与否等，也能显示图案化的题目，易于实现幼儿的启蒙教育。1.4本文研究目的本课题主要基于对无线网络技术实现会议系统的表决等功能，该无线表决系统主要由手持无线表决器、无线数据采集器、微机三部分组成。我们通过对无线表决系统原理的分析及主要功能的研究，完成无线数据表决系统终端硬件设计，即无线表决器的设计。文中结合实际所做工作在以下几个方面进行探讨。1）研究现在流行的的无线网络技术蓝牙（Bluetooth）、红外，ZigBee、UWB、RFID，并逐一分析其优缺点，然后选取其中一种有优势的协议完成所要实现的功能。2）选取原件，通过研究我们所要设计的系统的功能选取合适的材料。要求连线简单，价格适中，优先选取我们大学生涯学习过的芯片等3）完成无线会议表决系统的硬件设计实现。对此我们的要求手持终端体积较小，能有效的节约能源，实现设备长时间待机。4）软硬件结合，较好的实现无线表决器的表决功能。1.5 论文结构本文通过阐述无线表决器系统的设计与实现，对全文安排如下：第一章，概述无线表决系统的研究背景和研究现状，分析国内外表决器系统的优缺点，提出本文的研究具体目标。第二章，无线表决系统的综述，深入对比分析短距离无线通信技术，并选择用于本文系统的通信技术，概述无线表决器的系统结构和功能以及本文主要研究内容。第三章，无线表决系统硬件电路设计。第四章，无线表决器的系统调试，并分析调试时候出现的问题，找出解决方案。第五章，结束语，对全文进行总结，并指出需要深入研究的方向和重点。2 无线数据表决器终端硬件的研究2.1 短距离无线通信技术本文设计的表决器系统将使用无线移动设备，短距离无线技术的标准多种多样，在本节中，将分析几种短距离传输数据的技术，进而找出一种适合本文研究系统的通信技术。2.1.1 蓝牙技术蓝牙技术是一种支持设备短距离通信（一般10m内）的无线电技术1，能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。利用“蓝牙”技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化设备与因特网Internet之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工业、科学、医学）频段，其数据速率为1Mbps，采用时分双工传输方案实现全双工传输。蓝牙技术使用的跳频技术2-4是无线扩频技术中的一种，其实现方法是载频信号以一定的速度和顺序，在多个频点上跳变传递，接收端以相应的速度和顺序接收并实现解调。跳频技术把频带分成若干个跳频信道，在一次连接中，无线电收发器按一定的码序列不断地从一个信道跳到另一个信道，只有收发双方是按约定规律进行通信的，其他设备不易监听到传输数据，保险系数高，并且其它的干扰不可能按同样的规律进行干扰；跳频的瞬时带宽是很窄的，但通过扩展频谱技术可以使这个窄带成倍地扩展成宽频带，使干扰的影响变成很小。与其它工作在相同频段的系统相比，蓝牙跳频更快，数据包更短，这使蓝牙技术比其它系统都更稳定。2.1.2 红外技术 研究红外辐射的产生、传播、转化、测量及其应用的技术科学，通常人们将其划分为近、中、远红外三部分。近红外指波长为0.753.0微米；中红外指波长为3.020微米；远红外则指波长为201000微米。在光谱学中，波段的划分方法尚不统一，也有人将0.753.0微米、3.040微米和401000微米作为近红外、中红外和远红外波段。另外，由于大气对红外辐射的吸收，只留下三个重要的窗口区，即13微米、35微米和813微米可让红外辐射通过，因而在军事应用上，又分别将这三个波段称为近红外、中红外和远红外。红外短距离通信技术，是通过对红外脉冲信号进行调制解调实现的一种短距离通信技术，使用的是波长范围在 0.75m 至 100m 的电磁波，用于通信的波段一般在 0.75m 至 25m 之间。它的通信特点是小角度，短距离，保密性强，使用广泛5。红外通信技术是一种点对点的数据传输协议，是传统的设备之间连接线缆的替代。红外通讯技术已被全球范围内的众多软硬件厂商所支持和采用，器件价格低廉使用方便，但是红外通信的通信设备间不能有障碍物遮挡，且通信角度较小，因此在通信技术迅速发展的今天，已经逐渐被新兴技术取代。2.1.3 ZigBee技术ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术，该技术主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案，主要用于近距离无线连接，其传输传输距离在10-75m的范围内,但可以继续增加。它有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很低的功耗，就能以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，因此它们的通信效率非常高。最后，这些数据可以进入计算机用于分析或者被另外一种无线技术收集。ZigBee的目标市场主要有PC外设、消费类电子设备、家庭内智能控制、医护（监视器和传感器）、工业自动控制等领域6。在ZigBee技术的使用过程中，人们发现ZigBee技术尽管有许多优点，但仍存在许多缺陷，比如对家庭自动化控制和遥测遥控领域而言，ZigBee 技术显得太复杂。2.1.4 UWB技术UWB（UltraWideBand）是一种无载波通信技术，利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号，UWB能在10米左右的范围内实现数百Mbits至数Gbits的数据传输速率。UWB具有抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、消耗电能小、发送功率小等诸多优势，主要应用于室内通信、高速无线LAN、家庭网络、无绳电话、安全检测、位置测定、雷达等领域。UWB技术抗干扰性能强，传输速率高，系统容量大。UWB采用的是跳时扩频信号，系统具有较大的处理增益，在发射时将微弱的无线电脉冲信号分散在宽阔的频带中，输出功率甚至低于普通设备产生的噪声，接收时将信号能量还原出来，在解扩过程中产生扩频增益。因此，与蓝牙技术相比，在同等码速条件下，UWB具有更强的抗干扰性。UWB的数据速率可以达到几十Mbits到几百Mbits，有望高于蓝牙100倍。UWB使用的带宽在1GHz以上，高达几个GHz，超宽带系统容量大，并且可以和目前的窄带通信系统同时工作而互不干扰。UWB不使用载波，只是发出瞬间脉冲电波，也就是直接按0和1发送出去，并且在需要时才发送脉冲电波，所以消耗电能小。UWB保密性表现在两方面：一方面是采用跳时扩频，接收机只有已知发送端扩频码时才能解出发射数据；另一方面是系统的发射功率谱密度极低，用传统的接收机无法接收。UWB系统发射功率非常小，通信设备可以用小于1mW的发射功率就能实现通信。低发射功率大大延长系统电源工作时间，同时，发射功率小，其电磁波辐射对人体的影响也会很小，应用面就广。UWB技术可能成为新一代WLAN和WPAN的技术基础，从而实现超高速宽带无线接入。专家指出，在军事需求和商业市场的推动下，UWB技术将会进一步发展和成熟起来，但由于目前UWB标准化的工作还没有完成，一些技术问题还在不断完善中，因此它在本次表决系统中也不是合适的选择。2.1.5 RFID技术RFID是Radio Frequency Identification的缩写，即射频识别,常称为感应式电子晶片或近接卡、感应卡、非接触卡、电子标签、电子条码等，RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。射频识别技术与人们生活息息相关，而用于短距离通信的射频技术一般采用射频收发芯片，结合微处理器及外围芯片构成专用或通用的无线通信模块。射频芯片一般采用 FSK 调制的方式工作，通常载频为 315、433、868、915MHz 的ISM和SRD频段，使用者无需对无线通信原理和工作机制深入了解，只需按照命令字节操作即可实现无线数据传输功能。由于这种射频模块具有功率小，易开发，可靠性强等特点，从而导致其应用广泛，射频模块数据传输，流量较小，适于小型无线网络。在工业和民用领域使用范围较广，如自动读表、报警和安全系统，无线操作杆、家庭自动化、遥测系统、汽车防盗系统和智能家居等。该技术为简单的嵌入式环境中短距离无线通信提供了实用、简单、经济的解决方案，另外，其低功耗的特性也为其应用于移动手持设备上带来优势。综合比较以上几种技术，我们发现蓝牙技术虽然成本比较贵，但是无论是功能还是与我们生活的切合度都比较适合本文研究的无线表决器系统，因此，在这次研究中我们将使用蓝牙技术作为短距离无线通信技术。2.2 无线表决器手持终端显示部分2.2.1 键盘电路部分本文设计的无线表决器系统的按键单元采用独立式键盘，独立式键盘具有结构简单，使用灵活等特点，因此被广泛应用于微处理器系统。独立式键盘是由若干个机械触点开关构成，它把微处理器的 I/O 口线连起来，键按下后，通过判断 P1口的电平状态，即可识别出相应的按键的位置，同时相比于其他已定义的键盘，独立键盘还可自定义各个位置的键盘值。如果按键不被按下，其端口就为高电平；如果相应的按键被按下，则端口就变为低电平。在这种键盘的连接方法中，通常采用下拉电平接法，即各按键开关一端接低电平，另一端接微处理器 I/O 口线，这保证各 I/O 口线有确定的高电平。用来做键盘的按键有触点式和非触点式两种，微处理器中应用的一般是由机械触点构成的触点式微动开关，这种开关具有结构简单，使用可靠的优点，但当按下键盘或释放按键的时候会产生抖动，这会直接影响到 P1 口的电平状态，必须采取相应的措施来去除抖动。2.2.2 显示部分本文中采用的是LCD液晶显示，LCD液晶显示器是 Liquid Crystal Display 的简称，液晶本身不发光的，只能产生颜色变化，需要背光源才能看到显示的内容。LCD的构造是在两片平行的玻璃当中放置液态的晶体，两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线，透过通电与否来控制杆状水晶分子改变方向，将光线折射出来产生画面。LCD液晶投影机是液晶显示技术和投影技术相结合的产物，它利用了液晶的电光效应，通过电路控制液晶单元的透射率及反射率，从而产生不同灰度层次及多达1670万种色彩的靓丽图像。因此，相比于其他显示，液晶显示更为清楚。2.2.3 收发模块部分由于本文中要求为无线收发信号，与传统的收发信号方法相比要求更为严格。首先因为我们所研究的硬件终端部分要求能与控制端部分相联系，因此与传统的连线不一样的是必须在控制端和终端部分加上虚拟串口部分，这样能够直接利用控制端控制终端显示，同时终端能反馈信号给控制端统计输出；另外由于PC机与单片机电压不一致，我们必须采用芯片调节电压使之保持一致。在本次研究中，我们采用的是MAX232芯片。2.2.4 串口介绍串口，也称串行通信接口（通常指COM接口），是采用串行通信方式的扩展接口。串行接口Serial Interface是指数据一位位地顺序传送，其特点是通信线路简单，只要一对传输线就可以实现双向通信，并可以利用电话线，从而大大降低了成本，特别适用于远距离通信，但传送速度较慢。一条信息的各位数据被逐位按顺序传送的通讯方式称为串行通讯，串行通讯的特点是：数据位传送，传按位顺序进行，最少只需一根传输线即可完成；成本低但传送速度慢。串行通讯的距离可以从几米到几千米。根据信息的传送方向，串行通讯还可以进一步分为单工、半双工和全双工三种。串行接口按电气标准及协议来分包括RS-232-C、RS-422、RS485等。RS-232-C、RS-422与RS-485标准只对接口的电气特性做出规定，不涉及接插件、电缆或协议，其中RS-232也称标准串口，是最常用的一种串行通讯接口。它是在1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准，它的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准”。传统的RS-232-C接口标准有22根线，采用标准25芯D型插头座（DB25），后来使用简化为9芯D型插座（DB9），现在应用中25芯插头座已很少采用。RS-232采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯，由于其发送电平与接收电平的差仅为2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大为约15米，最高速率为20kb/s。RS-232是为点对点（即只用一对收、发设备）通讯而设计的，其驱动器负载为37k，所以RS-232适合本地设备之间的通信。3 无线表决系统终端硬件电路设计与实现3.1 系统硬件概述 无线表决器的硬件系统框图如下图所示，系统主要由微处理电路、键盘电路、液晶显示电路、无线数据传输模块和电源管理电路组成。图3 无线表决器硬件系统框图 控制处理单元89C52按键单元电源管理无线收发模块液晶显示在没有操作时候，系统是不工作的，处于深度休眠状态，当有按键操作时，表决器系统被唤醒，并开始工作，根据上位机发出的信号，操作者可以通过键盘输入信息，液晶显示器可显示按键值等其他信息，如果按错可以通过删除的功能键修改答案，按确认键后，通过无线模块发射，上位机接收到信息后，会反馈给表决器信息，表决器显示答题状态后开始休眠，等待下一次使用。3.2控制处理单元AT89C52 由于文本设计的是无线手持设备，所以必须考虑到系统的功耗问题，所以在微处理器的选择时，应格外注意微处理器的以下几个特征：1有深度休眠的工作模式与普通的空闲休眠模式相比，微处理器处于掉电的深度休眠模式时，晶振停振，耗电量极低，仅为 1020 uA；微处理器处于空闲模式休眠时耗电为2.5mA。所以，从节约电能角度考虑，需要选择有掉电休眠模式的微处理器。2外部中断可以唤醒掉电休眠模式系统在不使用时处于掉电的深度休眠模式，有数字键或功能键按下时，系统被唤醒，开始工作，需要微处理器的中断唤醒掉电模式休眠，有些微处理器有掉电的休眠模式，但是系统必须由硬件复位唤醒，这不但需要单独的开关键，而且唤醒后微处理器的 SFR 和 RAM 的数据丢失，还需要重新启动软件程序，开关键的使用虽然可以简化硬件系统，但是不利于系统的使用7。本文设计的表决器类似于电视的遥控器，具有随时使用的特点，无需独立的开关键，使用方便8。针对以上要求，有两种微处理器入围，现对满足要求的两种微处理器的进行比较，如下表所示：表3.1 两种微处理器的比较微处理器优点缺点AT89C51微处理器1. 有键盘中断（P1口的第二功能）2. 键盘中断和外部中断唤醒外部掉电模式休眠3. 休眠耗能低，外围电路设计简单1. 价格比较高（18元左右）2. 性能不稳定，按照芯片手册的要求修改配置对系统的影响每次都不相同，总体性能并不乐观3. 现有仿真器不能仿真，程序调试困难AT89C52微处理器1.外部中断可唤醒掉电模式休眠（即可以不设开关键，满足设计要求）2价格低廉（47 元）仿真器不能仿真休眠模式，增加程序的调试工作难度综合考虑，最终选择 ATMEL公司生产的 89C52 型芯片。由于拥有掉电模式的微处理器都无法用仿真器仿真掉电功能，给系统程序的编写和调试带来很大困难，常常利用已调试出的功能来调试下一个功能，如先调试出指示灯的程序，再用指示灯调试中断，调试串口等子程序，文中也经常根据电流值来判断系统运行的状态9。 AT89C52为8位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的89C51 相同10，其主要用于会聚调整时的功能控制，引脚图如下图4，其功能包括对会聚主IC 内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。89C52芯片主要管脚有：XTAL1（19 脚）和XTAL2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz 晶振；RST/Vpd（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路；VCC（40 脚）和VSS（20 脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端；P0P3 为可编程通用I/O 脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0 端口（3239 脚）被定义为N1 功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13 脚定义为IR输入端，10 脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12 脚、27 脚及28 脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU 的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能11。图4 AT89C52引脚图P0口是一组8位漏极开路型双向I/O 口，也即地址/数据总线复用口，作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用12。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8 位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash 编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1是一个带内部上拉电阻的8 位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，当其作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。Flash 编程和程序校验期间，P1 接收低8位地址。P2是一个带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对端口P2 写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。在访问外部程序存储器或16 位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR 指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX RI 指令）时，P2 口输出P2 锁存器的内容。Flash 编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL 逻辑门电路，对P3 口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口，此时，被外部拉低的P3 口将用上拉电阻输出电流（IIL）。P3口除了作为一般的I/O 口线外，更重要的用途是它的第二功能，P3口还接收一些用于Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。RST: 复位输入，当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ALE/PROG: 当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8 位字节。一般情况下，ALE 仍以时钟振荡频率的1/6 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE 脉冲。对Flash 存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH 单元的D0 位置位，可禁止ALE 操作。该位置位后，只有一条MOVX 和MOVC指令才能将ALE 激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE 禁止位无效。PSEN:程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。EA/VPP:外部访问允许，欲使CPU 仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），EA 端必须保持低电平（接地）。XTAL1:振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。 其中，我们必须注意的是因为P0口内部没有上拉电阻，不能输出高电平,要求外接上拉电阻。因此，我们在电路图中接REPACK 8作为上拉电阻实现功能13。在Proteus中其具体接法如下图：图5 AT89C52 P0口连线图3.3 键盘电路的设计 独立式键盘的按键相互独立，每个按键接一根I/O口线，一根I/O口线上的按键工作状态不会影响其他I/O口线的工作状态，因此，通过检测I/O口线的电平状态，即可判断键盘上哪个键被按下。独立式键盘一般把扫描程序设计为子程序，以便其他各程序调用。与矩阵式键盘相比，独立式键盘结构更为简单，使用更加灵活，我们能自行对键盘各个按键进行定义。独立式键盘具有结构简单，使用灵活等特点，因此被广泛应用于微处理器系统。独立式键盘是由若干个机械触点开关构成，它把微处理器的 I/O 口线连起来，键按下后，通过判断 P1口的电平状态，即可识别出相应的按键的位置，同时也可自定义各个位置的键盘值。如果按键不被按下，其端口就为高电平；如果相应的按键被按下，则端口就变为低电平。在这种键盘的连接方法中，通常采用下拉电平接法，即各按键开关一端接低电平，另一端接微处理器 I/O 口线，这保证各 I/O 口线有确定的高电平。用来做键盘的按键有触点式和非触点式两种，微处理器中应用的一般是由机械触点构成的触点式微动开关，这种开关具有结构简单，使用可靠的优点，但当按下键盘或释放按键的时候会产生抖动，这会直接影响到 P1口的电平状态，必须采取相应的措施来去除抖动。常用的去抖动的方法有两种：硬件方法和软件方法。微处理器中常用软件去抖动法，软件法比较简单，即在微处理器获得端口为低电平的信息后，不是立即认定按键已被按下，而是延时 10 毫秒或更长一些时间后再次检测该端口，如果仍为低，说明此键的确按下了，这实际上避开了按键按下时的抖动时间，而在检测到按键释放后（端口为高电平）再延时 510 个毫秒，消除后沿的抖动，然后再判断键值。硬件方法是外接一定的电路，将按键波形信号延迟一小段时间或者使用单稳态触发器将按键波形调整为一个尖脉冲，使进出系统程序的信号稳定。本设计中采用软件方法消除抖动。在本设计中，独立式键盘设计如下： 图6 键盘电路 在本设计中，由键盘电路模块，液晶显示模块，单片机模块基本组成了手持终端的控制系统，连接元件编程仿真后能得到如下结果：图7 无线表决器控制显示部分3.4 无线收发模块设计 表决器系统是无线设备，通过使用无线模块实现与上位机通信。无线数据传输广泛地运用在车辆监控、遥控、遥测、小型无线网络、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线标签、身份识别、非接触RF智能卡、小型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统、生物信号采集、水文气象监控、机器人控制、无线232数据通信、无线485/422数据通信、数字音频、数字图像传输等领域中14。3.4.1 MAX232 芯片 MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5V单电源供电。其引脚图如下：图8 MAX232引脚图各引脚的功能为：第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成，功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道，其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头，DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC（+5V）。 该芯片的特点：1、符合所有的RS-232C技术标准。2、只需要单一 +5V电源供电。3、片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V和-10V电压V+、V-。4、功耗低，典型供电电流5mA。5、内部集成2个RS-232C驱动器。6、内部集成2个RS-232C接收器。3.4.2 COMPIM组件 由于该研究要求无线收发，控制端可以通过虚拟串口控制终端的行为，因此我们可以用到COMPIM组件15。与Vertual Terminal（虚拟终端）相比，COMPIM组件可以与利用PC机器的串行口和其他软件进行串行通信。COMPIM组件在Proteus中如下图：图9 COMPIM示意图综合上述，在Proteus软件仿真过程中，由于电平相同，可以不用到RS-232协议，但是在实物仿真过程中由于单片机和PC机电平不同，因此需要用到RS-232协议，在仿真过程中将用到MAX-232芯片，连接各电路元件，将得到以下电路图：图10 电路原理图3.5 电源电路设计与实现 本次设计中，从成品质量轻，方便用户使用等方面考虑，设计使用两节干电池即3.3V作为系统的供电电源，而硬件电路中的器件均为5V供电，所以需要系统设计使用升压芯片，进行电压转换。 手持器在不使用时是超低功耗的，但液晶模块以及其相关芯片的耗电量很大，一般为 80mA90mA，只有对它们的电源进行管理，降低系统功耗，才能实现手持器长时间待机的要求。电源管理主要目的就是控制液晶模块和无线模块不必要的耗电，降低系统待机时的功耗。3.6硬件系统低功耗设计 在系统的硬件设计过程中，始终强调系统的低功耗设计，这是由本文设计的系统所决定的。系统为无线手持设备，所以对功耗有很高的要求，这就导致全文的设计都是以低功耗为标准的。系统低功耗的程序设计主要从以下几方面考虑，在系统不工作时候，将主要芯片和模块休眠。 我们主要可以通过以下措施来降低系统的功耗： 处理器深度休眠，选择带有掉电休眠模式的微处理器，在系统不进行有效工作时将微处理器休眠，器件本身的功耗由5mA 降低为0.09mA。系统设计了一个休眠子程序，在休眠子程序中，清零各个标志位和工作寄存，器、设定特殊功能寄存器的初值、关闭液晶模块电源、置低不用的I/O口，最后置位休眠模式位，系统开始休眠。 键盘电路的低功耗设计，要是通过对键盘电路的改进，降低键盘电路的灌电流。 液晶电路和无线通信模块的耗电量较大，在其工作时，无法降低电路电流值，但是可以在系统不需要显示和通信时，将液晶模块和无线模块分别独立关断，以节约电能。4 无线表决系统硬件调试在使用Proteus仿真时，前期由于没有在单片机P0口加上拉电阻，导致单片机不能工作，加入REPACK8后解决问题。另外，由于要与PC机联系起来，要使用到虚拟串口，但是由于以前没有这方面的经验，因此出现很多问题，比如串口不能接收数据，控制端能使用虚拟串口放松数据，但是由于编程有些许问题在Proteus软件上的COM芯片上不能接收到控制端所发送的数据，导致控制端和终端连接不够紧密，后来通过寻求对这方面比较熟悉的同学后找出问题并解决问题。另外，我们在串口问题解决后液晶显示又出现了一定问题，我们在键入一个数据后接着键入另一个数据时久将前一个键入的数据覆盖，从而导致了一些问题的出现，后来经过查找发现是编程方面由于编程写入数据时出现的错误导致的问题。系统硬件设计过程中，需要反复的调试和修改。分析常见硬件故障主要有逻辑错误、元器件失效、可靠性差和电源故障等。硬件的逻辑错误主要因加工过程中的工艺性错误所造成的，这类错误包括错线、开路和短路等。元器件失效的原因为两个方面，一是元器件本身损坏或性能差，第二方面是组装错误所造成的元器件失效，如集成块安装方向颠倒等。调试过程中我们首先应当注意导线短接或电路短路问题，其次在硬件的连接时，应当注意芯片底座的方向性，同时应当注意电源供电电压大小，以免烧坏元器件。5 结论本文的主要工作是无线表决器的硬件设计，首先我的任务是通过查阅书刊并上网查看电子资料，确认完成该设计所必要的元器件，同时在Proteus软件中连接电路图并联系制作控制端和终端软件的同学，一起完成对电路图的仿真，最后根据仿真图选取元件，制作实物实现效果。毕业设计工作在开学的前几个星期就开始了，但是由于我认为这次的毕业设计还如以往的课程设计一样简单，因此对此没有特别关注，在前几个星期也几乎处于一种停滞不前的状态，直到几个星期后和我合作的同学已经动手，我的硬件设计必须领先于他们的脚步，才真正开始了研究过程。历经两个月的努力，通过查阅资料、同学间讨论、向老师求教，终于完成了我的毕业设计和论文。在真正开始研究的前阶段，也曾迷茫不知所措，不知道从何下手，但是后来通过自己的努力和同学们之间的相互帮助以及老师的指点之下，终于一步一个脚印，找到自己的设计方向，并实现电路功能。对于本次毕业设计所作的主要工作和研究归纳如下：1分析了无线表决器的研究背景及市场上类似产品的特点；设计了本文的无线表决器的研究目标；对比分析四种常用的短距离通信技术，找出适合无线表决器系统的通信方式；设计了合理的表决器系统结构。2完成了无线表决器的硬件电路的设计。（1）本文设计的无线表决器系统采用了微处理器 AT89C52 作为中央控制单元，完成了无线表决器的键盘电路设计、液晶显示电路设计、无线通信电路的设计和电源电路电源管理电路的设计。（2）无线表决器和上位机之间的通信方式为无线射频通信。（3）本文设计的无线表决器系统强调低功耗优化设计，为了降低无线表决器系统的系统待机功耗，反复推敲设计方案，寻求最优的电路设计方案，使无线表决器系统的待机时间长，增加电池的使用时间，无需经常更换电池，这是本系统最为显著的特点。总的来说，该系统考虑了大部分应该考虑的因素并不断的完善，希望能达到理想的效果。回想过去的两个月时间，我的心态从轻松，压抑，烦躁中不断变化，但是最后又重回轻松。我们的大学生涯甚至是学生生涯即将结束，这次毕业设计必将留给我们一段难忘的经历，它定会成为我们一