基于单片机无线电子点菜系统硬件设计及实现

1、目 录摘 要 .iiiabstract .iv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 zigbee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 .92.2.2 zigbee 协议存在的问题及解决方案 .92.2.3 zigbee 协议应用前景 .1023 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+单片机概述.143.2 开发板的各个组成部分原理图以及功能.153.2.

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.203.4.1 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 .284.2.2 程序设计原理 .30第五章 总结与展

3、望 .375.1 全文总结.375.2 研究展望.38致 谢 .39参考文献 .40附录 .41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(print circui

4、t 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 the enhancement of the

5、 level of the peoples lives and the transformation 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 technology of wireles

6、s 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 made up of two parts, one is the main

7、 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 platform, first analy

8、zes 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 cmos chips used in the system, the paper exploits the driving program of the system u

9、sing c51 programming language in the windows operating 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 comprehensive，the paper

10、 also exploits 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1.1 研究背景和意义人类利用无线通

11、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 产品从ssi（small scale integrated，小规模

12、集成电路）到 vlsi（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

13、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 science 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 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。

14、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、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

15、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 on chip，片上系统），集成度获得了极大的提高。同时，芯片的价格，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

16、。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

17、和信息设备的无线连接。蓝牙工作频率为 24ghz，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

18、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

19、、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。从以上各点综合考虑，蓝牙协议不适合本系统。2 超宽带技术 uwb（ultra wide band）6超宽带技术 uwb（ultra wide band）是另一个新发展起

20、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。uwb 被允许在 31106ghz 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 100mbs）的 lan(local area net，本地局域网)s 或 pans。军事部门已对 uwb 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

21、许该技术进入民用领域。所以对于商业和消费领域，uwb 还是新鲜事物。uwb 有可能在 10m 范围内，支持高达 110mbs 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 zigbee 17zigbee 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。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 da

22、ta 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

23、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

24、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。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

25、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 zigbee7协议分析zigbee 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

26、小组与 zigbee alliance 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 mac（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，zigbee7联盟是在 2002 年 10 月由 honeywell、mitsubishi、motorola、philips与 invensys 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 zigbe

27、e 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89，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(coordinator)自动建立网络，采用 csma-ca 方式进行信道存取。为了可靠传递，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

28、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 80c5110；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 rom。2.2.2 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、网络内传感器节点时钟需要同步，监控系统的多传

29、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，网络安全要求较高，不便频繁更换电池或者充电的场合

30、，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

31、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

32、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

33、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，只需少量外围元件便可组成射频收发电路。与蓝牙不同的是，nrf2401 没有复杂的通信协议，它完全

34、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 的 24 引脚qfn 封装。nrf2401 的主要特点如下： 图 2.2 nrf2401 的引脚排列(1)采用全球开放的 2.4ghz 频段，有 125 个频道，可满足多频及跳频需要； (2)速率（1mbps）高于蓝牙，且具有高数据吞吐量； (3)外围元件极少，只需一个晶振和一个电阻即可设计射频电路； (4)发射功率和工作频率等所有工作参数可全部通过软件设

35、置； (5)电源电压范围为 1.9-3.6v，功耗很低； (6)电流消耗很小，-5dbm 输出功率时的典型峰值电流为 10.5ma； (7)芯片内部设置有专门的稳压电路，因此，使用任何电源（包括 dc/dc 开关电源）均有很好的通信效果； (8)每个芯片均可以通过软件设置最多 40bit 地址，而且只有收到本机地址时才会输出数据（提供一个中断指示），同时编程也很方便； (9)内置 crc（cyclic redundancy check，循环冗余校验）16纠检错硬件电路和协议； (10)采用 duocever 技术可同时接收两个 nrf2401 的数据； (11)采用 shockburst tm

36、 模式时，能适用极低的功率操作和不严格的 mcu 执行； (12)无需外部 saw 滤波器； (13)可 100%rf 检验； (14)带有数据时隙和数据时钟恢复功能。nrf2401 的内部结构原理及外部组成框图如图 2.3 所示，下面介绍其工作原理。 图 2.3 nrf2401 的内部结构原理及外部组成框图1 shockburst tm16模式 nrf2401 的 shockburst tm 模式采用片上 fifo(first-in first-out，先进先)出来进行低数据率的时钟同步和高数据率的传输，因此极大的降低了功耗。 shockburst tm 发射主要通过 mcu 接口引脚 ce

37、、clk1 和 data 来完成。当 mcu请求发送数据时，置 ce 为高电平，此时的接收机地址和有效载荷数据作为 nrf2401的内部时钟，可用请求协议或 mcu 将速率调至 1mbps；置 ce 为低电平可激活shockburst tm 发射。 shockburst tm 接收主要使用 mcu 接口引脚 ce、dr1、clk1、data 来实现。当正确设置射频包输入载荷的地址和大小后，置 ce 为高电平可激活 rx。此后便可在nrf2401 监测信息输入 200，若收到有效数据包，则给 mcu 一个中断并置 dr1为高电平，以使 mcu 以时钟形式输出有效载荷数据，待系统收到全部数据后,

38、nrf2401 再置 dr1 为低此时如果 ce 保持高电平，则等待新的数据包。若 ce 置低电平，则开始接收新的序列nrf2401 的 duoceiver tm17技术为 rx 提供了两个独立的专用数字信道，因而可代替两个单独接收系统。图 4 所示是 duoceiver tm 同时双接收信道结构图。 nrf2401 可以通过一个天线接口从相隔 8mhz 的两 1mbps 接收机上接收数据。同时将两个数字信道的输出反馈到两个单独的 mcu 接口。具体的两个信道如下: 图 2.4 duoceiver tm 同时双接收信道结构图数字信道:clk1,data,dr1； 数字信道:clk2,dout2

39、,dr2； 应当说明的是,数字信道 2 的频率只有在比数字信道 1 的频率高出 8mhz 时，才能保证正常接收。第三章 基于 zigbee 协议的硬件系统的设计及实现 目前，51 系列单片机非常流行，而且资料众多，因此选用 51 系列单片机作为开发板的 mcu，通过附加一定的外围电路后，来和无线数据传输模块进行通信，实现数据的无线传输。3.1 stc89c58rd+10单片机概述stc89c58rd+系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰，高速，低功耗的单片机，指令代码完全兼容传统 8051 单片机，12 时钟/机器周期和 6 时钟/机器周期可任意选择。它具有以下特点：1. 增强型 6 时

40、钟/机器周期，12 时钟/机器周期 8051 cpu（central process unit，中央处理器） 。2. 工作电压：5.5v - 3.4v（5v 单片机）3. 工作频率范围：0 - 40 mhz，相当于普通 8051 的 080mhz.实际工作频率可达 48mhz.4. 用户应用程序空间 32k 字节5. 片上集成 1280 字节 ram（random access memory，随机存储器） 。6. 通用 i/o 口 32 个，复位后为： p1/p2/p3 是准双向口/弱上拉（普通 8051传统 i/o 口） ，p0 口是开漏输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 i/o口

41、用时，需加上拉电阻。7. isp（在系统可编程）/iap（在应用可编程） ，无需专用编程器/ 仿真器 可通过串口（p3.0/p3.1）直接下载用户程序，8k 程序 3 秒即可完成一片8. eeprom 功能9. 看门狗10.共 3 个 16 位定时器/计数器，其中定时器 0 还可以当成 2 个 8 位定时器使用11.外部中断 4 路,下降沿中断或低电平触发中断,power down 模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒12. 通用 uart（universal asynchronous receiver/transmitter ，通用串行接口） ，还可用定时器软件实现多个 uart14.工作

42、温度范围： 0 - 75 / -40 - +8515.封装： pdip-40，plcc-44,pqfp-44 使用这种单片机做开发板，最大的优势就在于它支持 isp，这样不用购买昂贵的编程器/ 仿真器，直接通过串口线就能实现在线编程。而且内部集成了看门狗和flash，简化了 pcb 板的制作。指令代码与 51 单片机兼容，这样可以用常用的 51单片机软件开发工具开发驱动程序。3.2 开发板的各个组成部分原理图以及功能 整个开发板是由单片机最小系统和它的一些外围电路组成，单片机最小系统做为整个开发板的控制中心，控制各个外围电路协调工作，完成系统设计的功能。整个系统原理图见附录 2，下面详细叙述各

43、个组成部分的原理及各自实现的功能。原理图由 protel 99se1819绘制。3.2.1 单片机最小系统组成电路单片机最小系统是整个开发板的控制中心，它由电源，复位电路和晶振组成。电源采用 5v 供电，晶振为 12mhz。为了便于调试，将 p0.4-p0.7 和发光管相连，发光管为共阳极连接，这是因为开发板初上电或者或者复位后，所有的 i/o 口均为高电平。由于不使用外部存储器，因此将 ea 接高电平。为了方便调试和降低成本，因此选用 usb（universial serial bus,通用串口总线）方式供电。usb 的即插即用特性，使对开发板供电非常方便。图 3.1 所示为单片机最小系统。

44、图 3.1 单片机最小系统3.2.2 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逻辑电平，dc(

45、-15 一 5v)规定为逻辑“1”,dc(+ 5+15v)规定逻辑“0”, dc(-5一+5v 规定为过渡区)。由于单片机的输入、输出电平为 ttl 电平，与 pc 机 rs-232标准串行接口的电气规范不一致，因此要实现单片机与 pc 机之间的数据通读，必须进行电平转换。选用的电平转换芯片为 max232，它的工作电压为+5v，和单片机的工作电源相同。由于 stc89c58rd+单片机支持 isp 下载，因此通过这个串行口既可以用来和 pc机通信，又能将程序下载到单片机，不用购买昂贵的编程器。图 3.2 所示为串口电平转换部分。 图 3.2 串口电平转换部分3.2.3 led 部分 由于单片

46、机复位后，各个引脚输出都为高电平，因此选用共阴极的 led 数码管。每个数码管的使能端 com1,com2,com3,com4 分别接到 p1.0,p1.1,p1.2,p1.3，当向使能端输出低电平，即可选通相对应的数码管。74ls244 为三态输出的八组缓冲器和总线驱动器,选用的四位八段数码管本身已经集成了译码器，这样既简化了线路的连接，又降低了错误发生的概率。图 3.3 为 led 部分。图 3.3 led 部分3.2.4 开发板和无线数据传输模块接口部分这一部分有两部分组成：由于 nrf2401 的工作电压为 1.9v-3.6v，工作电压超过 3.6v 就会烧坏芯片。而开发板的电源为 5

47、v，因此为了使系统工作，必需要有 5v电平转换为 3.3v 电平的部分。为了实现这一过程，选用 lm1117-max3.3 作为核心芯片。lm1117 是一个低压差电压调节器系列，其压差在 1.2v 输出，负载电流为800ma 时为 1.2v。lm1117 提供电流限制和热保护，电路包含 1 个齐纳调节的带隙参考电压以确保输出电压的精度在1%以内。lm1117 系列具有 llp、to-263、sot-223、to-220 和 to-252 d-pak 封装；此外为了使两个模块直接相连，将 p2 口的部分引脚用排针引到一起，排针间距为 100mil,标准 dip 插针。图 3.4 为开发板和无线

48、数据传输模块接口部分，图 3.5 为 5v 电平转 3.3v 电平部分。 图 3.4 开发板和无线数据传输模块接口部分图 3.5 5v 电平转 3.3v 电平部分3.2.5 键盘部分 图 3.6 键盘部分键盘部分用来实现人机通信。有四个按键开关构成，分别为 s5(p3.3/int1), s6(p3.4/t0), s7(p3.5/t0), s5(p3.2/int0),正常情况下均为高电平。当键按下后，输出为低电平。由于四个键盘的组成一样，这里只画出了 s5 的电路图。图 3.6 为键盘部分。3.3 无线数据传输模块通过仔细的比较和反复的论证后，决定选用 nrf2401 芯片作为无线模块的核心芯片

49、，它的特点在上一章已经详细论述，这里不在重复。nrf2401 芯片的典型应用电路如图 3.7 所示。 图 3.7 nrf2401 芯片的典型应用电路从图 11 可以看出，只需要很少外围电路就可以组成无线数据传输模块。它与开发板的接口电路为图 3.8各个接口的要求如下：(1) vcc 脚接电压范围为 1.9v3.6v 之间，不能在这个区间之外，超过 3.6v将会烧毁模块。推荐电压 3.3v 左右。 (2) 除电源 vcc 和接地端，其余脚都可以直接和普通的 5v 单片机 io 口直接相连，无需电平转换。当然对 3v 左右的单片机更加适用了。 (3) 硬件上面没有 spi 的单片机也可以控制本模块

50、，用普通单片机 io 口模拟spi 不需要单片机真正的串口介入，只需要普通的单片机 io 口就可以了，当然用串口也可以了。 (4)6 脚，12 脚为接地脚,需要和开发板的逻辑地连接起来。图 3.8 无线数据传输模块与开发板的接口电路3.4 无线数据传输模块和开发板的 pcb 图设计pcb 板是一块绝缘材料，在表面合理安放各种电子元件，并安排连接电子元件引脚间的铜膜导线，在不同的表面间有连接不同表面的铜导孔。随着电子技术的不断发展进步，pcb 在复杂程度和应用范围方面都有了长足的进步，按复杂程度来分，可以将 pcb 板分为 3 类：1.单面印刷电路板；2.双面印刷电路板；3.多层印刷电路板。为了

51、方便布线，本系统所用的开发板和无线数据传输模块均为双层印刷电路板。pcb 的生成主要由四个过程组成：其一是原理图的生成；其二是根据已经生成的原理图产生对应的网络表，网络表是 pcb 图和原理图的纽带；第三步是新建一个pcb 文件，并导入网络表；第四步是将合理布局元件，并用导线将元件的引脚连起来。3.4.1 开发板的 pcb 图将开发板的原理图按照以上的步骤生成相应的 pcb 图。如图 3.9 所示：在 pcb 图设计的所有过程中，原理图在上一节已经生成。网络表的生成也比较简单。由于 pcb 图上使用元件的封装来代表元件，因此原理图中各个元件都要明确有自己的封装方式，而且在绘制 pcb 图前必须

52、将用到的封装所在的封装库调入。否则，在调入网络表的过程中将会出现元件丢失的错误。图 3.9 开发板的 pcb 图开发板上主要用到两个封装库：advpcb.ddb 和 miscellaneous.ddb.另外由于usb 电源接口，电源开关，键盘和四位八段数码管没有对应的封装，因此需要使用元件库编辑器建立新元件封装。图 3.10 为键盘封装，图 3.11 为 usb 封装，图 3.12为开关封装，图 3.13 为四位八段数码管封装。 图 3.10 键盘封装 图 3.11 usb 封装 图 3.12 开关封装 图 3.13 四位八段数码管封装 各个元件的封装的引脚的序号必须和原理图中引脚的序号保持一

53、致，不然将会在调如网络表过程中出现管脚丢失的错误。下面再重点分析一下布线的过程。布线是完成产品设计的重要步骤，可以说前面的准备工作都是为它而做的，在整个 pcb 中，以布线的设计过程限定最高，技巧最细、工作量最大。本系统的 pcb布线为双面布线，布线的方式有两种：自动布线及交互式布线。但由于自动布线效果不好，往往实际的效果和预计效果有很大的出入，因此全部使用交互式布线。布线过程中充分考虑到如何降低元件字之间互相的干扰。首先根据印制线路板电流的大小，尽量加租电源线宽度，减少环路电阻，它们的关系是：地线电源线信号线。同时使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。线条有讲究

54、：有条件做宽的线决不做细；高压及高频线应园滑，不得有尖锐的倒角，拐弯也不得采用直角。由于采用双层设计，因此不可避免地将会使用到过孔。过孔太多，沉铜工艺稍有不慎就会埋下隐患。所以，设计中应尽量减少过线孔。此外，应该合理布置电源滤波/退耦电容：一般在原理图中仅画出若干电源滤波/退耦电容，但未指出它们各自应接于何处。其实这些电容是为开关器件(门电路)或其它需要滤波/退耦的部件而设置的，布置这些电容就应尽量靠近这些元部件，离得太远就没有作用了。3.4.2 无线数据传输模块的 pcb 图 由于无线数据传输模块的核心芯片工作在 2.4ghz，因此在设计 pcb 图时对干扰的控制要格外重视。在 pcb 设计

55、时，必须考虑到各种电磁干扰，注意调整电阻、电容和电感的位置，特别要注意电容的位置。nrf2401 的 pcb 为双层板，底层一般不放置元件，顶层的空余地方敷上铜，这些敷铜通过过孔与底层的地相连。nrf2401 的供电电源应通过电容隔开，这样有利于给 nrf2401 提供稳定的电源。在 pcb 中，尽量多打一些通孔，使顶层和底层的地能够充分接触。nrf2401 模块的 pcb 如图 3.14 所示。图 3.14 无线数据传输模块的 pcb 图第四章 硬件驱动程序和串行口调试工具驱动程序是硬件电路的灵魂，没有驱动的硬件电路是没有用的。stc89c58rd+是 51 类单片机，可以像开发其他 51

56、单片机驱动一样开发它的驱动程序。单片机软件开发平台选择比较流行的 keil uvision2，因为现在关于 keil uvision2 软件的资料很多，这样上手就会很快。串行口调试工具是用来将 pc 机上的数据通过串行口发送到单片机，和 pc 机接收从单片机发送过来的数据。选用 visual c+ 6.0 来开发串行口调试工具，visual c+ 6.0 是微软公司推出的一款优秀开发工具，代码紧凑，运行速度快，而且比较适合低层开发。4.1 硬件驱动程序整个数据传输系统有两部分组成：与 pc 机相连的开发板为主机端，它不能移动，接收从机端发送过来的数据，并向从机端发送指令；可以移动的为从机端，它

57、由开发板和无线数据传输模块组成。由于两端的地位和功能不同，因此对应的驱动程序也不同。使用 keil uvision2 开发硬件驱动程序，它支持众多不同公司的 mcs51 架构的芯片，它集编辑，编译，仿真等于一体，同时还支持，plm，汇编和 c 语言的程序设计，它的界面和常用的微软 vc+的界面相似，界面友好，易学易用，在调试程序，软件仿真方面也有很强大的功能。因此很多开发 51 应用的工程师或普通的单片机爱好者，都对它十分喜欢。51 的编程语言常用的有二种，一种是汇编语言，一种是 c 语言。汇编语言的机器代码生成效率很高但可读性却并不强，复杂一点的程序就更是难读懂，而 c 语言在大多数情况下其

58、机器代码生成效率和汇编语言相当，但可读性和可移植性却远远超过汇编语言，而且 c 语言还可以嵌入汇编来解决高时效性的代码编写问题。对于开发周期来说，中大型的软件编写用 c 语言的开发周期通常要小于汇编语言很多。综合以上 c 语言的优点，在开发时选择了 c51 语言.4.1.1 主机端硬件驱动程序主机端的硬件驱动程序主要有两种功能：实现开发板通过串行口和 pc 机通信；实现开发板通过某些 i/o 口和无线数据传输模块进行通信。stc89c58rd+单片机的串行口是一个全双工通信接口，即能同时进行发送和接收，它可以作 uart 用，也可以作为同步移位寄存器用，其祯格式和波特率可以通过软件编程来设置，

59、在使用上非常方便。stc89c58rd+单片机串行口的工作方式和波特率由控制寄存器 scon 和特殊功能寄存器 pcon 组成。串行口控制寄存器 scon：d7d6d5d4d3d2d1d0sm0sm1sm2rentb8rb8tiri特殊功能寄存器 pcon：d7d6d5d4d3d2d1d0smod串行口可以通过软件设置四种工作方式，各种工作方式的数据格式和波特率均有所不同，这四种工作方式如下：1. 方式 0当设定 sm1、sm0 为 00 时，串行口工作于方式 0，在方式 0 下，rxd 为数据输入/输出端，txd 为同步脉冲输出端，发送或接收的数据为 8 位，低位在前，高位在后，方式 0 的

60、波特率固定震荡频率的 1 /12,也就是每一机器周期传送一位数据。方式 0 可以外接移位寄存器，将串行口扩展为并行口，也可以外接同步输入/输出设备。发送完毕后，硬件自动将 ti 置 1。再次发送数据前，需要软件将 ti 位清 0。ren 为 1 时，单片机允许接收数据。rxd 为数据接收端，接受数据保存到 sbuf接收缓冲器中。发送完毕后，硬件自动将 ri 置 1。再次接收数据前，需要通过软件将 ri 清 0。2. 方式 1当设定 sm1、sm0 为 01 时，串行口工作方式 1。方式 1 为波特率可变的 8 位异步通信方式，由 txd 发送 rxd 接收，一帧数据为 10 位，1 位起始位（