利用2401无线模块组成的无线遥控系统的设计毕业设计.docx
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利用2401无线模块组成的无线遥控系统的设计毕业设计
石家庄铁道大学四方学院毕业设计
利用无线2401模块组成的无线遥控系统的设计
DesignofWirelessRemoteControllerwithNRF2401
毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺:
所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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日 期:
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作者签名:
日 期:
学位论文原创性声明
本人郑重声明:
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名:
日期:
年月日
学位论文版权使用授权书
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涉密论文按学校规定处理。
作者签名:
日期:
年月日
导师签名:
日期:
年月日
指导教师评阅书
指导教师评价:
一、撰写(设计)过程
1、学生在论文(设计)过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性;技术线路的可行性;设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文(设计)期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
指导教师:
(签名)单位:
(盖章)
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价:
一、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
评阅教师:
(签名)单位:
(盖章)
年月日
教研室(或答辩小组)及教学系意见
教研室(或答辩小组)评价:
一、答辩过程
1、毕业论文(设计)的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
教研室主任(或答辩小组组长):
(签名)
年月日
教学系意见:
系主任:
(签名)
年月日
摘要
本系统的目的是以单片机和无线2401模块为系统核心,设计基于单片机的无线遥控系统,进行无线数据传输。
无线技术正以一种快速的速度进入许多产品中,它与有线相比主要有成本低,携带方便,省去有线布线的烦恼;特别适用于手持设备的通信、电池供电设备、遥控、遥测、小型无线网络、无线抄表、门禁系统等。
本文主要是对C语言和单片机的一些基本知识、概念的应用学习和研究,以及STC89C52芯片模块和NRF2401模块的开发设计。
该设计的目的是设计一个无线遥控系统,可以在规定距离内传输数据。
它是利用STC89C52单片机作为主控芯片,NRF2401作为无线收发模块,设计了一种无线遥控系统。
并且介绍了该无线遥控系统的四大模块,即STC89C52单片机模块、NRF2401模块、键盘模块、数码管模块,同时给出了各个模块的方案选择理由以及硬件电路设计和软件设计的过程。
经运行证明,利用NRF2401来完成这个无线遥控系统的设计的方案是可行的,系统稳定,易于控制,通信可靠。
关键词:
STC89C52 NRF2401 无线遥控系统
Abstract
ThepurposeofthissystemisbasedonsinglechipandNRF2401modulesforthecoresystem,basedonthesinglechipwirelessremotecontrolsystem,wirelessdatatransmission.Wirelesstechnologyistakingarapidspeedintomanyproducts,itismaincableandlowcostcompared,convenienttocarry,andsavethecablewiringworry;Especiallysuitableforhandhelddevicescommunications,batterypowersupplyequipments,remotecontrol,remotesensing,smallwirelessnetwork,wirelessmeterreading,accesscontrolsystem,etc.
ThispaperismainlytotheClanguageandsinglechipmicrocomputer,andsomebasicknowledgeoftheconceptoflearningapplicationsandresearch,andSTC89C52chipmoduleandNRF2401moduleofthedesigndevelopment,thisisdesignedtodesignawirelessremotecontrolsystem,canbeinprovisionsinthedistancedatatransmission.ThissystemistheuseofSTC89C52microcontrollerasthemaincontrolchip,NRF2401asawirelesstransceivermoduledesignawirelessremotecontrolsystem.Introducesthewirelessremotecontrolsystemofthefourmodules,namelySTC89C52microcontrollermodule,NRF2401module,keyboardmodule,digitaltubemodule,andpresentsaschemeofeachmodule,reasonsforchoiceandhardwaredesignandsoftwaredesignprocess.
TheoperationprovedthatusingNRF2401tocompletethewirelessremotecontrolsystemdesignschemeisfeasible,andthesystemisstable,easycontrol,communicationandreliable.
Keywords:
STC89C52 NRF2401WirelessRemoteControlSystem
目 录
第1章 绪 论
1.1 无线遥控系统研究的背景
无线遥控技术发展只有几十年的历史,目前,在无线遥控领域,无线遥控模式是遥控的主要方式。
本次研究的无线遥控系统,采用了Nordic公司的NRF2401无线收发一体芯片和蓝牙一样,同样工作在2.4-2.5GHz的ISM波段。
NRF2401的单价低于3美元,而且便于开发,产品上市时间短,应用广泛,包括无线鼠标、无线键盘、无线操纵杆、无缝接入、无线数据传输、汽车应用等。
现代控制系统需要采集传感器所获取的数据,并将采集得到的数据传送到主机进行数据分析和处理。
但是对着数据采集应用的范围不断拓展,在有些场合,如高腐蚀性环境、现场无法实现明线连接等许多条件下,采用传统的数据传输信道即通过有线连接传输采集已经不能满足需要,这时采用无线数据传输就显示出巨大的优势,无线数据传输不受地理环境、气候、时间等的限制,具有广阔的应用前景。
1.2 无线遥控系统的研究内容
本文主要是对C语言和单片机的一些基本知识、概念的应用学习和研究,以及STC89C52芯片模块和NRF2401模块的开发设计,该设计的目的是设计一个无线遥控系统,可以在规定距离内传输数据。
为了使接收时分析方便,我们加了按键以及数码管,当按下某一按键时数码管显示相应的按键值。
本设计的主要工作有以下几个方面:
(1)整体方案的设计
方案的选择要符合芯片功能的要求,既要保证操作简单符合人们平时的操作习惯,又要体现出本产品的特点,本文研究设计的无线遥控系统是采用STC89C52单片机和NRF2401芯片,用来实现无线遥控系统传输信息的功能。
(2)程序流程图及软件设计
一个程序要想实现其功能,不能没有次序而盲目下手,必须对其有一个全面的了解后画出流程框图,然后逐个模块的实现其功能,最终把模块之间合理的连接起来,构成完整程序。
本设计的软件设计主要包括系统的初始化设计、延时子程序的设计、键盘扫描模块的设计、两个芯片之间通信的设计、按键设计模块和数码管的显示设计、以及把各个子模块组合成一个完整程序的设计等。
整个系统程序采用模块化结构设计程序相对比较优化易修改和调试系统软件的开发是用C语言设计的。
(3)系统原理图及硬件调试实验
本设计在进行硬件原理分析后,需要连接实物进行实际操作,检验自己的设计是否可以行得通。
需要在protel99SE环境下画出硬件原理图并进行电气测试,检测无异议后进行硬件系统的调试实验,为了保证系统的可靠性分析查找,硬件的调试整个系统进行了模拟试验。
1.3 无线遥控系统的设计思想
本文在设计的大前提下,简化系统设计,系统的工作原理是:
首先用按键输入信号,送到单片机进行初步处理,对要传输的信号进行编码,然后利用NRF2401无线传输芯片通过无线方式将有效数据发送给接收端,而在接收端,将数据采集的部分简化为数码管的输人数据,并对数据进行简化编码,通过单片机的控制将数据发送到NRF2401,再通过PCB天线将数据发送出去,然后通过数码管显示出接收的信息,从而验证与发送的信息是否相符。
如需对系统扩充,只需在原电路的基础上加入相应的外围电路即可实现更高级的功能。
作为数字控制通信系统,整个无线数据采集系统的设计部分分为硬件设计和软件设计两个方面。
1.4 无线遥控系统的设计的意义
无线遥控系统作为一种新一代的信息传送方式,具有绕射和穿透特性,只要在有效工作范围之内,无线设备就可以不受角度、方向和障碍物的限制而自由使用。
并且采用单片射频收发芯片NRF2401,采用这种遥控芯片在遥控精度上将得到很大的提升,可以防止无线电波的相互干扰,抗干扰能力强。
无线遥控系统是NRF2401通过ShockBurstTM收发模式进行无线数据发送,收发可靠,其外形尺寸小,需要的外围元器件也少,使用方便,因此,在工业控制、消费电子等各个领域都具有广阔的应用前景。
由NRF2401组成的无线遥控系统,也在计算机外设、无线耳机、玩具、汽车电子、医疗器械、遥控和工业传感器中广泛应用,给人们的生活带来了极大的方便。
第2章 系统总体方案设计
2.1 功能要求
1、通过STC89C52芯片实现对按键的读取,将所对应的按键在数码管上显示;
2、NRF2401芯片完成无线通信模块,1117-3.3V电源模块完成电压转换,实现信息在规定距离内的无线通信;
3、采用8位共阴极的数码管,显示按键的值;
4、采用独立按键,完成无线通信的发送部分。
2.2 设计思路
电路总体上分为芯片控制部分和NRF2401芯片部分。
以STC89C52单片机最小系统作为核心控制电路,控制独立键盘对数码管的显示,具体显示内容及方式由软件来完成。
无线通信部分由NRF2401芯片来实现,它由一种无线收发一体芯片和蓝牙一样,同样工作在2.4-2.5GHz的ISM波段,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。
具体步骤是:
①对STC89C52、NRF2401芯片进行初始化,选择NRF2401的工作方式;②设置按键的功能,并且具体锁定到键盘的某一按键上;③在发送端按下不同的按键;④在接收端,查看数码管显示的信息。
2.3 方案选择
2.3.1 控制模块选择方案
方案一:
采用AT89C51单片机进行控制,由于AT89C51不具备ISP功能,因此Atmel公司已经停产在市面上已经不常见,况且其ROM只有4K在系统将来升级方面没有潜力。
方案二:
采用STC89C52单片机进行控制,由于其性价比高,完全满足了本作品智能化的要求,它的内部程序存储空间达到8K,使软件设计有足够的内部使用空间并且方便日后系统升级,使用方便,抗干扰性能提高。
鉴于上述对比与分析,本设计采用方案二。
2.3.2 按键选择方案
方案一:
采用STC89C52的独立键盘,其独立键盘有4个按键,操作简单。
方案二:
采用STC89C52的矩阵键盘,其矩阵键盘具有16个按键,相对独立按键操作复杂。
在本设计中因为需要的按键较少,所以采用独立按键,编程简单也易于系统的实现,而4*4矩阵键盘,编程麻烦,就本设计而言,用不到这么多的按键,就显得繁琐复杂了。
鉴于上述对比与分析,本设计采用方案一。
2.3.3 芯片选择方案
方案一:
AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压,高性能CMOS型8位单片机,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元,功能强大。
其片内的4K程序存储器是Flash工艺的,这种单片机对开发设备的要求很低,开发时间也大大缩短。
写入单片机内的程序还可以进行加密,这又很好地保护我们的劳动成果。
再者,AT89C51目前的售价比8031还低,市场供应也很充足。
AT89C51可构成真正的单片机最小应用系统,缩小系统体积,增加系统的可靠性,降低系统的成本。
只要程序长度小于4K,四个I/O口全部提供给用户。
可用5V电压编程,而且擦写时间仅需l0ms。
AT89C51芯片提供三级程序存储器加密,提供了方便灵活而可靠的硬加密手段,能完全保证程序或系统不被仿制。
P0口是三态双向口,通称数据总线口,因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作。
方案二:
STC89C51系列单片机的指令系统和AT89C51系列的完全兼容,但实际操作起来却存在很多问题:
(1)AT89C51不带ISP下载,要用下载器才行,STC89C52可以用USB转串口下载,下载软件可以到STC厂家网上去下。
(2)STC单片机执行指令的速度很快,大约是AT的3-30倍,尽管快是好事,但这样一来,在AT上好使的程序在STC上不一定好用,最典型的例子就是那些对时序有严格要求的模块,用STC时注意得加长延时,大约是AT的10~30倍就差不多,这一点自己调试就知道了。
(3)STC单片机对工作环境的要求比较低,电压低于5伏时仍然正常工作,甚至3伏到4伏之间都还可以工作,然而这样的环境下AT肯定不行了,所以当一个系统用STC单片机好用,但用AT的单片机不工作时,直接查最小系统,看单片机的供电是否正常。
比较这两种方案,由于学过数字电路、单片机原理、C语言程序设计,综合考虑单片机的各部分资源和作为学生能够获得的资源,经过对比此次设计要求,选择用STC系列芯片完成。
而且学校也提供了相应的硬件操作平台,实际操作起来比较方便。
鉴于上述对比与分析,本设计采用方案二。
2.4 总体设计框图
按照系统功能的具体要求,在保证实现其功能的然础上,尽可能降低系统成本。
总体设计方案围绕上述思想,初步确定系统的方案如图2-1所示:
图2-1 系统初步方案
由图2-1可以看出,系统有STC89C52模块、数码管显示模块、独立键盘模块和NRF2401芯片模块组成。
在方案设计中,遵循简洁至上的原则,因此所有的外围模块采用串行方式与微处理器模块接口。
该设计以STC89C52系列单片机为控制核心,实现无线遥控系统的发送接收的基本功能。
在设计系统时,为了更好地采用模块化设计法,分步的设计各个单元功能模块,系统的硬件部分可以分为键盘设定、单片机控制、数码管显示、NRF2401电路设计4个部分。
第3章 系统硬件设计
3.1 概述
本次设计主要由4个模块构成,分别是主控模块、NRF2401芯片模块、数码管显示模块、键盘控制模块,其中主控模块是此次毕业设计的核心模块,主要是指STC89C52芯片,它控制整个系统的运行,利用其各个口分别控制其他模块,使其他模块能够成为一个整体,实现了功能的需要;NRF2401模块主要指NRF2401芯片和1117-3.3V电源模块,用NRF2401模块来实现无线传输功能,1117-3.3V电源模块是电压转换的,用来连接NRF2401芯片和单片机;而数码显示模块是整个系统的辅助模块,用来显示接收到的信息;按键控制模块则是用按键来控制该无线遥控系统的发送。
3.2 主控模块
3.2.1 STC89C52芯片的简介
功能特性:
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。
与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。
在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案,其芯片引脚如图3-1所示。
STC89C52具有以下标准功能:
8K字节Flash,256字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,2个数据指针,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。
另外,AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。
主要性能:
与MCS-51单片机产品兼容、8K字节在系统可编程Flash存储器、1000次擦写周期、全静态操作:
0Hz~33Hz 、三级加密程序存储器 、32个可编程I/O口线 、三个16位定时器/计数器八个中断源、全双工UART串行通道、低功耗空闲和掉电模式、掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、掉电标识符。
图3-1 STC89C52芯片
管脚说明:
VCC:
供电电压。
GND:
接地。
P0口:
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。
在Flash编程时,P0口作为原码输入口,当Flash进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。
P1口:
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。
在Flash编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。
P2口:
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。
并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在Flash编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口:
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。
作为输由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL),这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为STC89C52的一些特殊功能口,如表3-1所示:
表3-1 P3口的第二功能
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