基于单片机无线电子点菜系统硬件设计与实现毕业论文设计说明

1、本科生毕业论文（设计）基于单片机无线电子点菜系统硬件设计及实现基于单片机无线电子点菜系统硬件设计及实现目录摘 要 IVABSTRAC.T V第一章 绪论 11.1 研究背景和意义 11.3 论文的研究内容 41.4 内容安排 4第二章ZIGBEE协议分析 62.1刁gBee协议框架62.2 ZIGBEE协议优缺点和应用前景 82.2.1 ZigBee 协议的优点 82.2.2 ZigBee 协议存在的问题及解决方案 92.2.3 ZigBee 协议应用前景 102. 3基于ZigBee协议的芯片 10第三章基于ZIGBEE协议的硬件系统的设计及实现 143.1 STC89C58RD+片机概述1

2、43.2 开发板的各个组成部分原理图以及功能 153.2.1 单片机最小系统组成电路 153.2.2 串行口电平转换部分 163.2.3 LED 部分 173.2.4 开发板和无线数据传输模块接口部分 173.2.5 键盘部分 183.3 无线数据传输模块 193.4无线数据传输模块和开发板的 PCB图设计 20341开发板的PCB图203.4.2无线数据传输模块的PCB图22第四章 硬件驱动程序和串行口调试工具 244.1 硬件驱动程序 244.1.1 主机端硬件驱动程序 244.1.2 移动端驱动程序 284.2 串行口调试工具 284.2.1 串行通信的基本原理 294.2.2 程序设计

3、原理 31第五章 总结与展望 385.1 全文总结 385.2 研究展望 39致 谢 40参考文献 41附录 43摘要随着人民生活水平的提高和生活方式的转变，餐饮业具有巨大的投资市场，被 称为中国的黄金产业。无线电子点菜系统是无线通信技术的典型应用，把无线技术 用于餐饮业将会极大提高餐馆的工作效率和服务质量。论文给出了无线电子点菜系统的完整的硬件平台的设计和实现方案。整个系统 有主机端和移动端两部分组成，无线通信的双方依托一定的硬件平台，按照约定好 的协议来实现数据交换。设计的硬件平台时，首先详细介绍了平台将要用到的一些 芯片，然后使用 Protel 99 SE 设计出了系统的原理图和 PCB

4、（Print Circuit Broad, 印刷电路板 ）图；在设计的硬件平台的基础上， 依据所用芯片的编程原则， 在 Windows 环境下，以 C51 语言为编程语言，开发出了无线通信系统的驱动程序来实现双方约 定的通信协议。文中还附带简要介绍了用到的软件开发工具，以及系统的局限性， 并提出了进一步改进的方案。为了使整个系统更加完善，用 Visual C+ 6.0 开发了串口调试工具，实现了将 远端数据发送到计算机并以窗口形式显示和通过窗口形式将计算机上的数据发送到 远端，基本达到了论文的设计目的。关键词 无线通信，ZigBee，单片机，nRF2401AbstractAlong with

5、the enhancement of the level ofthe people s lives and thetransformation of the lifestyle, the dining industry which is called gold industry in China has the huge investment market. The wireless electronic ordering food system is the typical use of the technology of wireless communication. Using the

6、technology of wireless communication in the dining industry will largely improve the working efficiency and the grade of service.The present paper brings up the plan of the hardware design of the the wireless electronic ordering food system and how to realize. The overall system is madeup of two par

7、ts, one is the main end and the other is the mobile end. Both sides of wireless correspondence depend on certain hardware platforms. They exchange data according to the protocol which both sides have agreed on before, and the data is transformed in specific frame form. When designing the hardware pl

8、atform, first analyzes the CMOS chips that will be used in the system. Then, the paper uses Protel 99 SE to design the principle picture and the PCB picture of the system. In this foundation, according to the programming rules of the CMOSchips used in the system, the paper exploits the driving progr

9、am of the system using C51 programming language in the Windowsoperating system. By the way, this paper also briefly introduces the software development kits which will be used next ， analyzes the limitations of system, and also proposes how to improve it.In order to make the entire system more compr

10、ehensive，the paper alsoexploits the serial debugging tool in Visual C+ 6.0 to display the data from remote end in the window on computer and send data to remote end in the window form. This basically achieves the goal.KEY WORLD wireless communication, ZigBee， Single-Chip Microcomputer, nRF2401第一章 绪论

11、1.1 研究背景和意义人类利用无线通信技术的历史已经有几千年了，古时候用的烽火台就是最原始 的无线通信。但这时候的无线通信技术还只是处于萌芽阶段，只有到 19 世纪末意大 利人马可尼发明无线电报开始， 人类才真正开始大规模地利用无线通信技术 1 。近数 十年来随着计算机技术和电子技术的发展，无线通信技术更是以日新月异的速度向 前发展，它也成为了通信领域的一个重点研究方向。现代的无线通信技术是建立在硬件电路的基础上的， 因此微电子技术 2 的发展直 接制约着无线通信技术的发展。回顾集成电路的发展历程，我们可以看到，自发明 集成电路至今 40 多年以来， 从电路集成到系统集成 这句话是对 IC 产

12、品从 SSI （Small Scale Integrated ，小规模集成电路） 到 VLS（I Very Large Scale Integrated 超大规模集成电路）今天特大规模集成电路发展过程的最好总结，即整个集成电路 产品的 发展经历 了从 传 统的 板上 系统（ System-on-board ） 到 片上 系 统 （System-on-a-chip ）的过程。随着集程度的提高，芯片的体积能耗和成本在逐步 降低。这也使电子产品向便携式和低端市场发展。虽然微电子的发展历史已经有半个多世纪， 但是射频芯片 12 的发展却是近几年 的事。从分类上来看，射频芯片属于专用集成电路。目前国际上

13、有很多专门生产射 频芯片的公司，例如 Nordic 公司和 Chipcon 公司。这些芯片一般工作在免费频段， 采用专门的调制解调技术，内部集成了很多电路。像Nordic公司的NRF2401芯片，它是单片射频收发芯片，工作于 2.42.5GHz ISM （Industry Scienee medicine,工业、科学、医学）频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制 器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。芯片能耗非常低，以-5dBm 的功率发射时，工作电流只有10.5mA,接收时工作电流只有18mA多种低功率工作 模式，节能设计更方便。其 DuoCeiverTM技术使

14、nRF2401可以使用同一天线，同时 接收两个不同频道的数据。无线电子点菜系统是无线通信技术的一个典型应用。近些年来，随着人民生活 水平的提高和生活方式的转变，餐饮业具有巨大的投资市场，被称为中国的黄金产 业。人们在消费过程中对服务质量也有了更高的要求，同时餐馆之间的激烈竞争也 促进了无线通信技术在餐饮业中的应用。无线电子点菜系统的目的就是利用最先进 的2.4GRF无线通信技术、嵌入式移动数据库技术34、以及触摸屏的掌上电脑技术, 为餐饮业走向全面数字化提供了完整的解决方案。该系统能够提高餐馆档次、提高 效率、自动结账、避免人为错误、避免跑单、实时监控餐馆状况、提供各种各样统 计信息、精简人手

15、、管理库存、提高服务品质等，为餐饮行业带来崭新的管理理念 与服务手段 , 优化业务流程 ,为客户提供更好的服务 ,实现企业价值最大化同时又使 成本最低化 , 是餐饮行业向信息化发展的一个重要标志。由于使用无线技术通信，可 以不用进行复杂的布线，这也大大降低了餐馆的建设成本，减少了对线路维护的开 支。同时，无线通信的可以移动性也使服务员随时可以和吧台联系。无线电子点菜系统基于目前很热门的技术嵌入式技术 3 ，依托一定的硬件平 台。因此微电子技术的发展对系统的性能有很大的限制，目前微电子技术已经发展 到了 SOC（System OnChip ，片上系统），集成度获得了极大的提高。同时，芯片的 价格

16、，体积和能耗进一步降低，这些都使无线电子点菜系统向移动化和大众化方向 发展。可以说，随着微电子技术的进一步发展，无线电子点菜系统仍然有很大的发 展空间。1.2 无线通信技术的发展现状按照发射功率的不同， 无线通信技术可分为短距离无线通信技术和长距离无线 通信技术，它们各自依托的硬件平台和通信协议也有很大不同。几种常见的长距离 无线通信系统如GPRS系统和我国即将投入使用的3G系统，它们都有一些共同的特 点：使用专门的频段，需要专门的公司进行运营。由于本系统要求传输距离有限， 而且对成本有限制，因此长距离无线通信协议不在考虑的范围之内，下面就重点阐 述几种常见的短距离无线通信协议：1 蓝牙 5爱

17、立信在 1994 年开始研究一种能使手机与其附件（如耳机）之间互相通信的 无线模块，4年后，爱立信、诺基亚、IBM等公司共同推出了蓝牙技术，主要用于通 信和信息设备的无线连接。蓝牙工作频率为 2. 4GHz有效范围大约在10m半径内 在此范围内，采用蓝牙技术的多台设备，如手机、微机、激光打印机等能够无线互 联，以约 1Mbs 的速率相互传递数据，并能方便地接入互联网。目前蓝牙技术开发 重点是多点连接，即一台设备同时与多台（最多 7 台）其他设备互联。今后，市场 上不同厂商的蓝牙产品将能够相互联通。蓝牙技术的应用主要有以下 3类：1 语音数据接入 是指将一台计算机通过安全的无线链路连接到通信设备

18、 上，完成与广域网的连接。2 外围设备互连 是指将各种设备通过蓝牙链路连接到主机上。3 PAN（Personal Area Net，个人局域网）如图1所示，主要用于个人网络与信息 的共享与交换。蓝牙协议有以下技术特点：（1）蓝牙工作在全球开放的 2.4GHz ISM 频段；（2）使用跳频频谱扩展技术，把频带分成若干个跳频信道（ hop channel ），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；（3）一台蓝牙设备可同时与其它七台蓝牙设备建立连接；（4）数据传输速率可达 1Mbit/s ；（5）低功耗、通讯安全性好；（6）在有效范围内可越过障碍物进行连接，没有特

19、别的通讯视角和方向要求；（7）支持语音传输；（8）组网简单方便正是由于蓝牙协议有以上特点，蓝牙产品涉及PC笔记本电脑、移动电话等信息设备和 AV 设备、汽车电子、 家用电器和工业设备领域。 蓝牙的支持者们预言说， 一旦支持蓝牙的芯片变得非常便宜，蓝牙将置身于几乎所有产品之中，从微波炉一 直到衣服上的纽扣。但是蓝牙的传输距离比较短，而且蓝牙是一种还没有完全成熟的技术，尽管被 描述得前景诱人，但还有待于实际使用的严格检验。蓝牙的数据传输速率也不是很 高，在当今这个数据爆炸的时代，可能也会对它的发展有所影响。目前主流的软件 和硬件平台均不提供对蓝牙的支持，这使得蓝牙的应用成本升高，普及难度增大。 从

20、以上各点综合考虑，蓝牙协议不适合本系统。2 超宽带技术 UW（B Ultra Wide band ） 6超宽带技术UW（ Ultra Wide band）是另一个新发展起来的无线通信技术。UWB通过基带脉冲作用于天线的方式发送数据。窄脉冲（小于1ns）产生极大带宽的信号。 脉冲采用脉位调制（Pulse Position Modulation ，PPM或二进制移相键控（BPSK 调制。UW被允许在3. 110. 6GHz的波段内工作。它主要应用在小范围、高分辨 率、能够穿透墙壁、地面和身体的雷达和图像系统中。除此之外，这种新技术适用 于对速率要求非常高（大于 100Mb/s）的LAN（Local

21、 Area Net，本地局域网）s或 PANs。军事部门已对UW进行了多年研究，开发出了分辨率极高的雷达。直到2002年2 月 14日，美国联邦通信委员会才准许该技术进入民用领域。所以对于商业和消费领域，UW还是新鲜事物。UWBt可能在10m范围内，支持高达110MI/s的数据传 输率，不需要压缩数据，可以快速、简单、经济地完成视频数据处理。虽然说 UWB 技术的数据传输距离相比蓝牙技术已经获得很大提高，但是仍然不能满足本系统的技术要求。3 ZigBee17Zigbee 是一种短距离、低功耗的无线通信技术名称。这一名称来源与蜜蜂的八 字舞。其特点是近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本。

22、主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。ZigBee 协议的技术特点和应用前景将在下一章详细叙述。4 IrDA （infrared data association，红外数据标准协会 ）技术 56红外线是波长在750nm至1mm之间的电磁波，它的频率高于微波而低于可见光， 是一种人的眼睛看不到的光线。由于红外线的波长较短，对障碍物的衍射能力差， 所以更适合应用在需要短距离无线通讯的场合，进行点对点的直线数据传输，传输 速率最快可达16Mbps IRDA将红外数据通讯所采用的光波波长的范围限定在 850nm 至900nm之内。IRDA技术有以下特点：（1）它是目前在世界范围内被广泛

23、使用的一种无线连接技术，被众多的硬件和 软件平台所支持；（2）通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无线的数据收发。（3）主要是用来取代点对点的线缆连接；（4）新的通讯标准兼容早期的通讯标准；（5）小角度（ 30度锥角以内），短距离，点对点直线数据传输，保密性强（6）传输速率较高，目前4M速率的FIR技术已被广泛使用，16M速率的VFIR 技术已经发布。虽然目前IRDA技术发展已经很成熟，而且有很多公司的产品都支持这种协议。 但是由于红外线的波长较短，对障碍物的衍射能力差，所以它只能用于视距传输， 传输距离比较短，因此也不适合本系统的技术要求。综合比较以上各个短距离无线通信协议的技术特点

24、和本系统的要求，只有 ZigBee 协议能基本满足要求。 而且目前支持 ZigBee 协议的厂商比较多， 技术发展也 很成熟，可以作成低成本的嵌入式产品。1.3 论文的研究内容无线电子点菜系统的实现是建立在硬件电路的基础上的，为了降低误码率，提 高频率资源的利用律，数据必须按照一定协议传输。在发送端，数据按照一定的格 式编码，然后调制到一约定的频率后发送；接受端将接收到的信号经过解调和解码 后，将数据还原。本论文的研究内容主要有两部分组成：1. 经过讨论各种无线通信协议的特点和电子技术的发展现状，在此基础上，提 出了基于 ZigBee 协议的硬件平台。并详细分析了平台组成部分各自的原理以及功能

25、。2. 分析了平台的编程规则，开发出了相应的驱动程序。1.4 内容安排本文对无线电子电菜系统的硬件设计进行了深入的研究，全文共分为五章，各章节的内容安排如下：第一章介绍了本文的研究背景和各章节的内容安排情况。第二章介绍 ZigBee 协议的详细内容和一种基于 ZigBee 协议的芯片。第三章在上一章的基础上提出了自己的硬件平台， 详细介绍了平台的组成部分和 各自的功能。第四章和第三章相对应的，主要讲了硬件平台的驱动程序以及PC 机端串行口调试工具的开发，并简单介绍了相应的软件开发工具。第五章是总结与展望。对本文工作进行了总结，并探讨可以进一步深入研 究的方向。第二章ZigBee协议分析ZigB

26、ee协议是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网 络技术。在标准规范制订方面，主要是IEEE 802.15.4小组与ZigBee Allianee 两个组 织，两者分别制订硬体与软体标准。在IEEE 802.15.4方面，2000年12月IEEE成 立了 802.15.4小组，负责制订 MA( Media Access Control,媒体存取控制层)与 物理层规范，2003年5月通过802.15.4标准；在ZigBee联盟方面，ZigBee联 盟是在 2002 年 10 月由 Honeywell、Mitsubishi、Motorola、Philips 与 Invensys

27、共同成立，ZigBee联盟负责制订网路层、安全管理、应用界面规范，其次也肩负互 通测试，目前ZigBee联盟已推出第1.0版规范(Version 1.0)，成员已达150多个。ZigBee协议依据802.15.4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少的能量，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，所以它们的通信效率非常高。IEEE802.15.4规范是一种经 济、高效、低数据速率(=300030002兼容性：与现有的控制网络标准无缝集成。通过网络协调器(Coord in ator)自动建立网络，采用CSMA-C方式进行信道存取。为了可靠传递

28、，提供全握手协议。安全性：Zigbee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128,同时各个应用可以灵活确定其安全属性，是网络安全得到有效的保障。实现成本低：模块的初始成本估计在 6美元左右，很快就能降到1.52.5美元， 且Zigbee协议是免专利费的。协议套件紧凑而简单：其具体实现的要求很低。Zigbee协议套件的需求估计：8 位微处理器，如8OC5110;全协议套件软件需要32K字节的ROM最小协议套件软件 大约4K字节的ROM2.2.2 ZigBee协议存在的问题及解决方案802.15.4标准是ZigBee协议的基础，用它实现无线数据采集，主要有以下两个 问题：1、网络内

29、传感器节点时钟需要同步，监控系统的多传感器信息融合时，上位 机需要知道每个原始数据是何时采集的，采样的触发要求每个节点有统一的时钟；2、其通信速率较低，而且又受到接口通信速率的限制，加之受纠错码的编码 效率影响，真正的数据发送量是很低的。解决此问题可以通过如下的途径：传感器节点采用DSP处理器，尽可能在传感器节点一级多做些数据处理工作，尽量减少原始数据的发送量，只发送有用信息。例如，对于平稳状态的原始数据可以不发送到上位机中，只发送可疑状态前后的原 始数据，这样就大大减少了数据的通信量。2.2.3 ZigBee 协议应用前景ZigBee 协议特别适合数据吞吐量小， 网络建设投资少， 网络安全要

30、求较高， 不 便频繁更换电池或者充电的场合，预计将在消费类电子设备，家庭智能化，工业控 制，医疗设备控制，农业自动化和无线点菜系统等领域获得广泛的应用。消费类电子产品和家庭智能化将是 ZigBee 技术最有潜力的市场，家庭可以联 网的设备包括电视，录象机，PC外设，儿童玩具，游戏机，门禁系统，窗户和窗帘， 照明设备，空调设备和其他家用电器等。家用设备引进 ZigBee 协议后将极大改善人 们的居住环境和舒适度。在工业控制领域，利用传感器和 ZigBee 网络，可是数据的自动采集，分析和 处理变得更加容易；可以作为决策辅助系统的重要组成部分，例如危险化学成分的 检测，火警的早期检测和预报，高速旋

31、转机器的检测和维护。这些应用不需要很高 的数据吞吐量和连续的状态更新，重点在于低功耗，可最大限度地延长电池的寿命， 减少 ZigBee 网络的维护成本。在医学领域，利用传感器和 ZigBee 网络可以准确，实时地监测每个病人的血 压，心率等情况，有助于医生快速做出反应，减少医生查房的工作负担，特别适合 对重，危病患者的监护和治疗。在现代农业中，利用传感器可以将土壤温度，氮浓度， PH值，降水量，气温， 气压和采集信息的地理位置经由 ZigBee 网络传送到中央的控制部分， 使农民能及早 而且准确地发现问题，从而有助于保持并提高农作物的产量，减少发生灾害的概率。本系统是将 ZigBee 协议用于

32、餐馆的无线点菜系统，这样能够提高餐馆档次、 提高效率、自动结账、避免人为错误、避免跑单、实时监控餐馆状况、提供各种各 样统计信息、精简人手、管理库存、提高服务品质等，为餐饮行业带来崭新的管理 理念与服务手段 ,优化业务流程 ,为客户提供更好的服务 , 实现企业价值最大化同时 又使成本最低化 , 是餐饮行业向信息化发展的一个重要标志。23基于 ZigBee 协议的芯片 1452002 年 8 月 ZigBee 联盟成立时 Honeywell ， Invensys, 三菱电器，摩托罗拉和 飞利浦等国际上知名的大公司就是 ZigBee 协议的支持者。目前， ZigBee 已经吸引了 上百家芯片研发公

33、司和无线设备制造公司，并且不断有新的公司加盟这一联盟。现 在国际上有很多公司生产基于 ZigBee 协议的芯片，芯片的集成度也越来越高。例如 挪威的Nordic公司的nRF系列芯片，还有Chipcon公司的无线数据传输芯片等。各 个公司的芯片原理基本相同， 编程规则大致相同， 因此选用 Nordic 公司的 nRF2401，下面详细叙述一下nRF2401芯片的特点。nRF2401无线收发一体芯片和蓝牙一样，都工作在2.4GHZ自由频段，能够在全球无线市场畅通无阻。nRF2401支持多点间通信，最高传输速率超过 1Mbit/s，而且 比蓝牙具有更高的传输速度。它采用SOC方法设计，只需少量外围元

34、件便可组成射频收发电路。与蓝牙不同的是，n RF2401没有复杂的通信协议，它完全对用户透明， 同种产品之间可以自由通信。更重要的是，nRF2401比蓝牙产品更便宜。所以nRF2401 是业界体积最小、功耗最少、外围元件最少的低成本射频系统级芯片。nRF2401的引脚排列如图2.2 (顶视图)所示。它采用 5mm5mm勺24引脚QFN 封装。nRF2401的主要特点如下：Ou工a 叱 s a 申 壬留 m 符工囱冋冋曰同旨2R KD -LCD0UT2 4CS 5DR1J1RF2401回123丙13迥=|s!VSS-PAAH 2ANTIVDD_PAv d f n _i p A 1名画Pg-Wn；

35、HTIlHU-IEij111ik-QJIElr-J関oElCllFlI10|iJ111 MRtcM 丄 1 j # Y 贞 Y 壮oNrfl?rwflpoFII3511JL图3.1单片机最小系统322串行口电平转换部分大多数PC机都有一个串行通讯端口 RS-232用于两台计算机间进行串行通讯。RS - 232通讯接口是一种标准化的串行接口，是为 DTE（Data Terminal Equipment ， 远程通讯连接终端设备）与 DCE （Data Communication Equipment，数据通讯设备） 定义的物理接口。RS-232采用非平衡连接（又称为单端线路），在这个线路中，信号 电压加到一条导线上，所有的信号电压都使用一个公共的接地线。为了提高抗干扰 能力和增加传送距离，RS 一 232的每个脚线的信号和电平规定采用负