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电子与信息工程毕业论文:基于单片机无线编程系统的设计.doc

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本 科 毕 业 设 计 基于单片机无线编程系统的设计 所在学院 专业班级 电子与信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘要 本人设计了一个无线数据的传输系统,单片机中程序会在一个循环中不断的查看是否有按键按下和是否有数据传入单片机中 SBUF。当有键命 令输入时,单片机根据相应的按键,来执行相应的程序,另一方面,如果你在计算机端发送一个 16 位的二进制数据经过 MAX232 电平的转换,然后再经过两个 PTR2000 无线模块传递给单片机,单片机接受到这个数据后,会把这个数据传递给 SBUF,再传递给计算机,这个数据会在计算机中的软件显示出来。同时这个数据还会传递给 P2 口,从而使 P2 口相应的小灯亮起。 在当今众多无限发射系统并存的社会。 51 系列单片接和无线发射模块 PTE2000 组合而成的无线数据传输系统可谓是历史悠久,也是相对而言比较简单的系统。在当今社会,人们可能都 会在生活中,工作中,或多或少的使用很多无线传输的系统或或者工具,如蓝牙, Wi-Fi,UWB。随着无线传输技术的不断发展,现代的无线传输设备也都具备了抗干扰能力强、可靠性高、安全性好、受地理条件限制少的优点,且大量的应用于遥控、遥测、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、信息家电等领域。在一些特殊情况下,这种无线数据传输是实现数据传输的唯一方式。 本文以 PTR2000 无限收发模 块为例,详细介绍了无线收发模块和单片机的硬件设计,无限模块和 PC 机的硬件接口设计。 关键字 单片机;无线数据传输 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 目录 第 1 章 绪论 ........................................................ 1 第 2 章 总体设计思路 ................................................ 4 2.1 无线传输模块 PTR2000 的介绍 .................................. 4 2.2 系统工作流程 ................................................ 6 第 3 章 硬件电路设计思路 ............................................ 7 3.1 PTR2000 与 AT89S51 单片机接口的电路设计。 ..................... 7 3.1.1 AT89S51 单片机介绍 ...................................... 7 3.1.2 AT89S51 的复位电路 ..................................... 11 3.1.3 AT89S51 的振荡电路 ..................................... 12 3.1.4 PTR2000 的控制电路 .................................... 12 3.2 PTR2000 与 PC机接口的电路设计 ............................... 13 3.2.1 MAX232 芯片介绍 ........................................ 13 3.2.2 PTR2000 模块的设计 .................................... 15 3.3 系统的无线编程概念说明 ..................................... 15 3.4 无线通信协议的介绍 .......................................... 16 第 4 章 软件设计思路 ................................................ 17 4.1 软件功能介绍 ................................................ 17 4.1.1 单片机键盘锁功能的实现 ............................... 17 4.1.2 PTR2000 的计算机端和单片机端得工作状态控制 ............ 17 4.1.3 单片机与计算机之间数据传递功能的实现 ................. 17 4.2 软件流程图介绍 ............................................. 18 结论 ............................................................... 19 致谢 ................................................ 错误 未定义书签。 参考文献 ........................................................... 20 附录 1 程序清单 .................................................... 21 1 第 1章 绪论 目前单片机渗透到我们生活的各个领域 ,几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置 ,飞机上各种仪表的控制,计算机的网络通讯与数据传输 ,工业自动化过程的实时控制和数据处理 ,广泛使用的各种智能 IC 卡,民用豪华轿车的安全保障系统 ,录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制 ,以及程控玩具、电子宠物等等,这些都离不开单片机。更不用说自动控制 领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。因此 ,单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。 单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域 ,大致可分如下几个范畴 1.在智能仪器仪表上的应用 单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点,广泛应用于仪器仪表中 ,结合不同类型的传感器 ,可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片 机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化 ,且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备(功率计 ,示波器 ,各种分析仪)。 2.在工业控制中的应用 用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理,电梯智能化控制、各种报警系统 ,与计算机联网构成二级控制系统等。 3.在家用电器中的应用 可以这样说 ,现在的家用电器基本上都采用了单片机控制 ,从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备 ,五花八门 ,无所不在。 4.在计算机网络和通信领域中的 应用 现代的单片机普遍具备通信接口 ,可以很方便地与计算机进行数据通信 ,为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件 ,现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制,从手机,电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话,集群移动通信 ,无线电对讲机等。 5.单片机在医用设备领域中的应用 单片机在医用设备中的用途亦相当广泛 、 例如医用呼吸机 、 各种分析仪 、 监护仪 、 超声诊断设备及病床呼叫系统等等。 6.在各种大型电器中的模块化应用 某些专用单片机设计用于实现 特定功能 ,从而在各种电路中进行模块化应用 ,而不要求使用人员了解其内部结构。如音乐集成单片机 ,看似简单的功能 ,微缩在纯电子芯片中(有别于磁带机的原理) ,就需要复杂的类似于计算机的原理。如音乐信号以数字的形式存于存储器中(类似于 ROM)由微控制器读出,转化为模拟音乐电信号(类似于声卡)。 在大型电路中 ,这种模块化应用极大地缩小了体积 ,简化了电路 ,降低了损坏、错误率 ,也方便于更换。 7.单片机在汽车设备领域中的应用 2 单片机在汽车电子中的应用非常广泛 ,例如汽车中的发动机控制器 ,基于 CAN 总线的汽车发动机智能 电子控制器 ,GPS 导航系统 ,abs 防抱死系统 ,制动系统等等。 此外,单片机在工商 、 金融 、 科研、教育 、 国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。 于此同时, 单片机 也 开创了现代电子系统时代 。 1.单片机与嵌入式系统 嵌入式系统源于计算机的嵌入式应用 ,早期嵌入式系统为通用计算机经改装后嵌入到对象体系中的各种电子系统 ,如舰船的自动驾驶仪 ,轮机监测系统等。嵌入式系统首先是一个计算机系统 ,其次它被嵌入到对象体系中、在对象体系中实现对象要求的数据采集、处理、状态显示、输出控制等功能 ,由于嵌入在对象体系中,嵌入式系统的计 算机没有计算机的独立形式及功能。单片机完全是按照嵌入式系统要求设计的 ,因此单片机是最典型的嵌入式系统。早期的单片机只是按嵌入式应用技术要求设计的计算机单芯片集成 ,故名单片机。随后 ,单片机为满足嵌入式应用要求不断增强其控制功能与外围接口功能 ,尤其是突出控制功能 ,因此国际上已将单片机正名为微控制器 MCU Microcontroller Unit。 2.单片机构成的现代电子系统将成为主流电子系统 单片机是器件级计算机系统 ,它可以嵌入到任何对象体系中去 ,实现智能化控制。小到微型机械 ,如手表、助听器。集成器件 级的低价位 ,低到几元、十几元 ,足以使单片机普及到许多民用家电、电子玩具中去。单片机构成的现代电子系统已深入到各家各户 ,正改变我们的生活,如家庭中的音响、电视机、洗衣机、微波炉、电话、防盗系统、空调机等。单片机革新了原有电子系统,如微波炉采用单片机控制后 ,可方便地进行时钟设置、程序记忆、功率控制 ,空调机采用单片机后不但遥控参数设置方便 ,运行状态自动变换 ,还可实现变频控制。目前许多家用电器如 VCD、 DVD 只有单片机出现后才可能实现其功能。 3.嵌入式系统带动了整个电子产业 目前电子元器件产业除了微处理器、嵌 入式系统器件外 ,大多是围绕现代电子系统配套的元器件产业 ,例如满足人机交互用的按键, LED/LCD 显示驱动、 LED/LCD 显示单元、语音集成器件等,满足数据采集通道要求的数字传感器、 ADC、数据采集模块、信号调理模块等,满足伺服驱动控制的 DAC、固体继电器、步进电机控制器、变频控制单元等 ,满足通信要求的各种总线驱动器、电平转换器等。 世界电子元器件在嵌入式系统带动下 ,沿着充分满足嵌入式应用的现代电子系统要求发展。这就使原来经典电子系统的天地愈来愈小。电子系统中的各类从业人员应尽早转向现代电子系统的康庄大道。 而在当今社会 ,人们可能都会在生活中 ,工作中,或多或少的使用很多无限传输的系统或或者工具如蓝牙 ,Wi-Fi,UWB。随着无线传输技术的不断发展,现代的无线传输设备也都具备了抗干扰能力强、可靠性高、安全性好、受地理条件限制少的优点 ,且大量的应用于遥控、遥测、、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、信息家电等领域。在一些特殊情况下,这种无线数据传输是实现数据传输的唯一方式。同时 ,与有线的单片机传输系统相比众多的无线传输系统也有相当多的优势 1.综合成本低 ,性能更稳定。只需一次性投资 ,无须挖沟埋管 ,特别适合室外距离较远及已装修好的场合 ,在许多情况下 ,用户往往由于受到地理环境和工作内容的限制 ,例如山地、港口和开阔地等特殊地理环境 ,对有线网络、有线传输的布线工程带来极大的不便 ,采用有线的施3 工周期将很长 ,甚至根本无法实现。这时 ,采用无线监控可以摆脱线缆的束缚 ,有安装周期短、维护方便、扩容能力强 ,迅速收回成本的优点。 2.组网灵活 ,可扩展性好 ,即插即用。管理人员可以迅速将新的无线监控点 加入到现有网络中,不需要为新建传输铺设网络、增加设备 ,轻而易举地实现远程无线监控。 3.维护费用低。无线监控维护由网络提供商维护 ,前端设备是即插即用、免维护系统。 4.无线监控系统是监控和无线传输技术的结合 ,它可以将不同地点的现场信息实时通过无线通讯手段传送到无线监控中心 ,并且自动形成视频数据库便于日后的检索。 5.在无线监控系统中,无线监控中心实时得到被监控点的视频信息 ,并且该视频信息是连续、清晰的。在无线监控点 ,通常使用摄像头对现场情况进行实时采集 ,摄像头通过无线视频传输设备相连,并通过由无线电波 将数据信号发送到监控中心。 综上所述。各短距离无线通信技术不同的技术优势决定了他们广阔的发展前景。他们的融合发展则拓展了他们的应用领域。短距离无线通信技术的不断完善与发展.将给我们的生活带来更多的便利与丰富多彩。 4 第 2 章 总体设计思路 本文设计了一种用 PTR2000 无线传输模块与 51 单片机结合的短距离数据传输系统。整个系统总体模块如图 2.1。 图 2.1 系统总体模块图 该系统主要实现这个 3 个功能 ▲ 计算机通过无线数据模块向单片机发送一个数据。 ▲ 单片机将计算机发送的这个数据重新的发送给计算机。 ▲ 计算机发送给单片机的这个数据可以点亮单片机端相应的小灯。 并且需要满足 3 个条件 ▲ 无线通信距离不小于 10 米。 ▲ 单个芯片编程时间小于 10 秒。 ▲ 可设置密码或其他方式保证程序安全。 2.1 无线传输模块 PTR2000 的介绍 本系统选用的无线数据传输模块为 PTR2000,它是一种超小型、低功耗、高速率的无线收发数据传输模块 ,它的通信速率最高可达 20kbps,也可工作在其他速率 ,如 4800bps、 9600bps。PTR2000 采用了低发射 功率、高灵敏度设计 ,可满足无线管的要求且无须使用许可证 ,是目前低功率无线数据传输的理想选择。 PTR2000 是基于 nRF401 芯片的无线数据收发模块。该芯片使用了 433MHzIGM 频段,是真正的单片 UHF 无线收发一体芯片如图 2.2。 单片机 无线传输模块 无线传输模块 PC 机 5 图 2.2 PTR2000 引脚图 Pin1 VCC 正电源 ,接 2.7~ 5.25V Pin2 CS 频道选择 ,CS0选择工作频道 1即 433.92MHz,CS1 选择工作频道 2即434.33MHz Pin3 DO 数据输出 Pin4 DI 数据输入 Pin5 GND 电源地 Pin6 PWR 节能控制 ,PWR1 正常工作状态 ,PWR0 待机微功耗状态。 Pin7 TXEN 发射接收控制 ,TXEN1 时模块为发射状态 ,TXEN0 时模块为接收状态。 基于 PTR2000 模块的单片机无线收发系统应当具备三种工作模式 发送 在发送数据之前 ,应先模块置于发射模式 ,即 TXEN 1,然后等待 5ms 后 接收到发射的转换时间 才可以发送任意长度的数据 ,发送结束后应将模块置于接收状态 ,即 TXEN0。 接收 接收时 应将 PTR2000 置于接收状态 ,即 TXEN 0,然后将接收到的数据直接送到单片机串口或经电平转换后送到计算机。 待机 当 PWR 0 时 , PTR2000 进入节电待机模式 ,在待机模式下不能接收和发射数据。 表 2.1 PTR2000 模块工作模式控制及工作频道选择表 接脚输出电平 工作状态 TEXN CS PWR 工作频道号 芯片状态 0 0 1 1 接受 0 1 1 2 接受 1 0 1 1 发射 1 1 1 2 发射 X X 0 待机 在数据编码方面, nRF401 采用串口传输,无须对 数据进行曼彻斯特编码,应用及编程非常简单,传送的效率很高,标称速率就是实际速率。 在控制芯片外围元件的数量方面, nRF401 也是一个较为理想的选择,它的外围元件仅需10 个左右,无须声表面滤波器、变容管等昂贵的元件,只需要使用 4MHZ 的晶体,收发天线合6 一,减小了系统开发的难度。 在目前较为流行的无线通信芯片中 ,无论是从使用的方便性、传输速度还是输出功率等各个方面考虑 ,nRF401都是一种较为理想的选择 ,在系统选用的 PTR2000就是一款基于 nRF401芯片的无线数据传输模式。 2.2 系统工作流程 当有键命 令输入时,单片机根据相应的按键,来执行相应的程序 ,例如,当按下 5 号键时,系统会执行一个流水灯的功能。另一方面,如果你在计算机端发送一个 16 位数据经过 MAX232电平的转换,然后再经过两个 PTR2000 无线模块传递给单片机,单片机接受到这个数据后,会把这个数据传递给 SBUF,再传递给计算机,这个数据会在计算机中的软件显示出来。同时这个数据还会传递给 P2 口,从而使 P2 口相应的小灯亮起。
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