智能无线防丢器设计毕业论文Word格式.docx
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摘要
本课题设计的防丢器与现代人们生活密切相关,是时代进步,科技发展的成果。
本设计主要分为母机和子机两个部分,母机主要包括TC89C51单片机控制模块、NRF24L01无线发送和接收模块、声光报警和震动报警模块,复位电路模块以与晶振电路模块。
子机主要包括STC89C51单片机控制模块、NRF24L01无线发送和接收模块、声光报警模块、灯光提示电路、晶振电路模块以与复位电路模块。
因为母机和子机都载有采用2.4G技术进行通信的NRF24L01无线模块,所以母机和子机都能够进行信号的发送和接收。
当两者距离没有超过规定的围时,NRF24L01发射端配置为发射模式,对数据进行发送,相应的NRF24L01接收端配置为接收模式对数据进行接收,当接收端接收到发送端的数据时,然后对发送端传输应答信号,这样母机和子机就完成了一次通信。
然而当母机和子机的距离超过规定围时,那么母机发送的数据就不能被子机所接收,这时子机也不会对母机传递应答信号,在超过规定的时间发送端不能接收到接收端发出的应答信号,而此时母机和子机就不能进行正常的通信,数据传输失败,母机进行声光报警和震动报警,子机出现声光报警。
本设计在原有防丢器的基础上加以震动报警模块,这也是本设计的创新所在,防丢器的震动报警功能在现代生活中发挥着越来越重要的作用,尤其是在噪杂的人群中,效果尤为突出。
关键词:
NRF24L01;
防丢器;
STC89C51
Abstract
Abstract:
Theissueofanti-lostdesigniscloselyrelatedtomodernpeople'
slives,istheeraofprogress,theresultsofscientificandtechnologicaldevelopment.Thedesignisdividedintotwopartsofthebaseunitandthehandset,thebaseunitincludesTC89C51MCUcontrolmodule,NRF24L01wirelesstransmissionandreceptionmodule,soundandlightalarmandvibrationalarmmodule,resetcircuitmoduleandoscillatorcircuitmodule.IncludingmajorSTC89C51slaveMCUcontrolmodule,NRF24L01wirelesstransmissionandreceptionmodule,soundandlightalarmmodule,lightingtipscircuit,crystaloscillatorcircuitmoduleandresetcircuitmodule.Becausethebaseunitandhandsetarecontainedusing2.4GtechnologyNRF24L01wirelesscommunicationmodule,sothebaseunitandthehandsetcansendandreceivesignals.Whenthedistancebetweenthetwodoesnotexceedthespecifiedrange,NRF24L01thetransmitterconfiguredtotransmitmode,thedataissent,thecorrespondingNRF24L01receivingendconfiguredtoreceivedatareceptionmode,whenreceivingthesenderreceivesthedata,andthenthesenderresponsesignaltransmission,machinetoolsandsoontocompleteasub-machinecommunication.However,whenthedistanceofthebaseunitandthehandsetexceedsapredeterminedrange,thenthedatacannotbetransmittedbythebaseunitreceivedquiltmachine,thenthehandsetwillnothavethebaseunittransferacknowledgesignalwithinapredeterminedperiodoftimethanthesendertothereceivercannotreceiveresponsesignalsentfromtheconsole,butthistimethebaseunitandthehandsetcannotbenormalcommunication,datatransmissionfailure,machinetoolssoundandlightalarmandvibrationalarm,thehandsetappearssoundandlightalarms.Thedesigntobeintheoriginalanti-lost,basedonthevibrationalarmmodule,whichistheinnovationofthisdesignlies,antilostthevibrationalarmisplayinganincreasinglyimportantroleinmodernlife,especiallyinanoisycrowdtheeffectisparticularlyprominent.
Keywords:
NRF24L01;
Antilostalarm;
STC89C51
1前言
1.1课题的背景与意义
随着科学技术的进步、社会状况的良好发展,现代人们的生活节奏不断加快,而由于个人发展、家庭琐事、社会竞争等诸多因素,人们常常使自己的大脑处于忙碌和紧的状态、长此以往容易导致自己记忆力下降,出现忘东忘西的状况,常常不记得自己的手机、钱包、钥匙放在何处。
另外,随着生活水平的不断提高,逛街、购物、出外旅行越来越受到人们的青睐,这些都是比较繁华热闹的地方,自己的钱包、手机不知什么时候就被小偷偷走了,更要命的是那些带着自己孩子外出的人们,稍微不注意自己的孩子就跑丢了。
为了预防以上这些不好事情的发生,智能电子防丢器就出现在我们的生活中并且很方便,很实用。
智能电子防丢器有体积小,携带方便,环保,性能好等特点,对防止钱包、手机、钥匙、小孩等贵重物品的丢失有很好的用途,是现代生活所必不可少的物品[]。
本课题设计的防丢器通过单片机系统分别控制发送模块和接收模块,在保留声音报警功能的同时添加振动报警功能,这样在噪杂的人群中能更好的发挥防丢器的优势,更有效地解决物品丢失的问题。
1.2国外研究状况与相关领域中已有的研究成果
随着社会的发展,时代的进步,防丢器将在人们日常生活中发挥着越来越大的作用。
因此,好多专家与学者对防丢器进行了研究、分析与其设计。
在2000年,朝辉设计了一款以UM3758—108A编解码芯片为核心的防丢器[],当母机和子机超过规定围时就会出现声光报警。
2010年密歌、王路设计了一款防丢器,它以PT2262/PT2272编解码集成芯片为核心[]。
该防丢器不仅有防丢功能,而且还具有查找功能。
2014年郭明明、阳等人研究并设计了基于蓝牙技术的双向防丢器,该防丢器克服了原有防丢器单项声光报警的问题,开发了一种新型的防丢器[]。
而本设计则是采用2.4GHz无线技术的NRF24L01无线通信模块进行短距离传输,2.4GHz技术属于国际性的频段,抗干扰性强[]。
同时本设计在原有防丢器基础上加以震动报警功能,克服了原有防丢器的缺陷和不足,具有结构简单,功耗低,实用性强、方便使用等优点。
这种震动报警功能在噪杂的人群中效果显得尤为突出,更好的解决了物品丢失以与儿童丢失的问题。
1.3设计任务的分析
本设计分为硬件电路部分和软件编程部分。
硬件电路的主要部分是STC89C51单片机和采用2.4G技术进行短距离通信的NRF24L01无线发送和接收模块[]。
该防丢器运用NRF24L01无线发送和接收模块在规定距离母机和子机进行正常信号传输,超出距离母机和子机不能进行正常信号传输的思想,通过STC89C51单片机对母机或者子机接收的信息进行处理,并随时更新母机、子机的信息,进而对声光报警器和震动报警器进行控制[],以完成信号不能正常传输就报警的任务。
另外,本设计拥有结构简单,价格低廉,安全性高,传输速率快等特点。
本设计的软件编程部分是以KeilC51软件为开发平台,使用C语言进行程序编写的。
本此设计选用的是STC89C51单片机。
单片机具有以下特性:
·
结构不复杂,安全性能高。
处理功能强,速度快。
低电压低耗,体积小。
价格低廉,使用方便。
程序的循环利用率较高。
1.4预期结果
母机和子机通过无线模块在10m的围上能相互通信,当信号不能正常传输时,进行声光报警和震动报警。
本设计的模块主要包括STC89C51单片机控制模块、NRF24L01无线发送和接收模块、声光报警和震动报警模块、灯光提示电路模块以与按键查找模块[]。
2总体方案设计的论证
2.1系统方案设计
子机:
如下图2-1所示:
图2-1子机模块
母机:
母机主要包括STC89C51单片机控制模块、NRF24L01无线发送和接收模块、声光报警和震动报警模块,复位电路模块以与晶振电路模块。
如下图2-2所示:
图2-2母机模块
2.2模块方案设计
主控芯片方案
方案一:
采用STC89C51单片机实现。
STC89C51单片机具有安全性能高、运行速度快、处理功能强、结构简单、功耗低、体积小、价格低廉、易于调试和维护等优点[,][]。
同时,STC89C51单片机易于开发,应用领域广,技术掌握较全面,技术运用能力较娴熟。
方案二:
采用MSP430F149单片机。
MSP430F149单片机具有集成度高、功能强大、可靠性高、运行速度快、功耗低等优点[,][],但是考虑到本设计结构简单,不需要强大的功能做支撑,另外,MSP430F149单片机也有很多缺点,比如成本较高,开发周期较长等等。
综合考虑我们选择STC89C51单片机作为本系统的微控制单元(英文缩写为“MCU”)。
无线通信模块方案
采用集成芯片M7216。
集成芯片M7216属于遥控编码的一种,具有码数量大,编码重复率低,工作电压低等优点,但是集成芯片M7216系统结构复杂,功能难以实现。
运用编解码芯片PT2262/2272。
编解码芯片PT2262/2272具有功耗低、价格低廉、应用领域广、地址码较多等优点[,][],传输方式与结构如下图2-3所示:
图2-3PT2262/2272芯片传输结构图
据调查与其上图表明,编解码芯片PT2262/2272的缺点主要包括稳定性差、发射频率较低、系统较复杂、实现功能较少(只能完成单向报警功能)等方面。
方案三:
采用2.4G技术进行短距离传输的NRF24L01无线发送和接收模块。
NRF24L01无线发送和接收模块具有价格低廉、体积小、功耗低、稳定性好、运行速度快、抗干扰性强等优点[,,][]。
同时该模块结构简单,功能强大,能够实现双向报警。
综上所述,我们采用NRF24L01无线发送和接收模块作为本设计的通信模块。
3硬件电路设计
3.1STC89C51单片机主控模块设计
STC89C51单片机是一个低压高性能8位单片机,片含8kFlash闪存,512bytes的RAM,2K字节EEPROM存储空间并且具有处理能力强,性能稳定,功耗低,价格低廉的优点[]。
它完全兼容普通51单片机的指令和功能,并且可以独自完成ISP在线编程功能。
主要功能特性:
1)8k可反复擦写FlashROM;
2)32个双向I/O口;
3)512x8bit部RAM;
4)可直接使用串口下载;
5)带2K字节EEPROM存储空间;
6)三级加密程序存储器;
7)低功耗空闲和掉电模式;
8)掉电后中断可唤醒;
9)8个中断向量源;
10)时钟频率介于0Mhz和24Mhz之间;
11)通用异步串行口(UART);
12)具有两个16位的定时/计时器。
引脚图见图3-1:
图3-1单片机管脚图
STC89C51单片机引脚介绍如下:
①主电源引脚(2根)
VCC(Pin40):
电源输入,接+5V电源
GND(Pin20):
接地线
②外接晶振引脚(2根)
XTAL1(Pin19):
单片机中振荡电路外部信号的引入接口。
XTAL2(Pin18):
单片机中振荡电路的输出接口。
③控制引脚(4根)
RST/VPP(Pin9):
具有复位功能的引脚。
若该引脚在规定周期出现两个连续的高电平脉冲时,则对单片机进行初始化操作,恢复单片机原有的状态。
ALE/PROG(Pin30):
地址锁存允许信号。
一般情况下,STC89C51单片机对外部信息访问时,ALE能够锁存低8位字节的地址,另外,ALE端的脉冲输出频率是振荡器输出频率的六分之一,具有定时、降低成本的作用。
PSEN(Pin29):
外部存储器信息读取信号。
当单片机读取部存储器信息时,PESN保持原有的状态,当单片机读取外部储存器信息时,PESN在每个周期变化两次。
EA/VPP(Pin31):
对访问部、外部信号进行控制。
当这个引脚接低电平时,单片机将读取外部信息指令,当这个引脚接高点平时,单片机首先读取部储存信息指令,一旦访问的地址围大于部储存器的围时,单片机将自动读取外部储存信息指令。
另外,当外部编译器对部程序进行编译时,可输入编程电压VPP。
④双向I/O端口(4组)
STC89C51单片机有4组8位的可编程I/O口,分别位P0、P1、P2、P3口,对于每一组I/O端口而言都包含8个引脚,4组I/O端口一共有32个引脚[]。
P0口(Pin39~Pin32):
P0端口是一个没有部上拉电阻的8位双向输入、输出端口。
此时该端口输出低电平为0,输出高电平则为高阻态,因此在众多情况下加上拉电阻是非常有必要的。
比如该端口作为普通的输入、输出端口或者该端口对NPN型管进行驱动时。
另外,该端口还可以用作复用总线,提供8位数据和低8位地址。
该端口的引脚依次命名为P0.0、P0.1,、P0.2、P0.3、P0.4、P0.5、P0.6、P0.7。
P1口(Pin1~Pin8):
P1端口是一个部含有上拉电阻的8位双向输入、输出端口。
该端口可同时对四个负载进行驱动,当输入1时为高点平,当该端口作为输入口时,被拉低的引脚可输出一个电流。
该端口的引脚依次命名为P1.0、P1.1,、P1.2、P1.3、P1.4、P1.5、P1.6、P1.7。
P2口(Pin21~Pin28):
P2端口也是一个部含有上拉电阻的8位双向输入、输出端口。
该端口也可同时对四个负载进行驱动,当输入1时为高点平,可作为输入口。
该端口的引脚依次命名为P2.0、P2.1,、P2.2、P2.3、P2.4、P2.5、P2.6、P2.7。
P3口(Pin10~Pin17):
P3端口同样也是一个部含有上拉电阻的8位双向输入、输出端口。
该端口同样可对四个负载进行驱动,当输入1时为高点平,当该端口作为输入口时,被拉低的引脚可输出一个电流。
该端口的引脚依次命名为P3.0、P3.1,、P3.2、P3.3、P3.4、P3.5、P3.6、P3.7。
3.2单片机最小系统
单片机最小系统指的就是运用较少的元器件,组成一个能够正常运行的系统,一般情况下,我们把最小系统看作是应用系统的核心[]。
该系统包括STC89C51单片机,时钟电路,复位电路。
该系统原理框图如下图3-2所示:
图3-2单片机最小系统原理框图
时钟电路
晶振是STC89C51单片机系统中不可或缺的元件,就晶振供给的时钟频率角度而言,时钟频率越低,单片机系统的运行速度就越慢,时钟频率越高,单片机系统的运行速度就越快。
晶振的存在主要是为单片机系统提供时钟信号的[]。
而对于STC89C51单片机的时钟信号而言,它包括部时钟和外部时钟两种模式,如下图3-3所示是STC89C51单片机部时钟结构框图。
在单片机系统本身存在的振荡电路基础上,用晶振与单片机的18、19引脚相连接,然后再并联接入两个电容就构成了自激振荡器,此时便可产生单片机所需的时钟信号。
两个电容的主要功能是稳频和加快振荡速度。
电容数值的大小介于5pF和30pF之间,最常用的电容值是30pF,振荡频率的数值介于1.2Mhz和12Mhz之间,最常用的是6Mhz和12Mhz。
图3-3STC89C52部时钟电路
复位电路
在电路电源接通的前提下,如果STC89C51单片机的RESET引脚能够满足以下两个条件:
1、从电源正极植入高电平;
2、高电平脉冲持续两个周期的时间。
那么单片机就会执行复位操作。
另外,如果该引脚一直处于高电平植入状态,那么单片机部将不断执行复位操作。
对于复位电路而言,它分为自动复位电路和手动复位电路两种模式,而本设计采用的是自动复位电路,自动复位操作主要是通过电容的充放电功能来完成的,当电压的上升时间小于1ms时,单片机就可以完成自动复位[]。
本设计的自动复位框图如下3-4所示:
图3-4STC89C51复位电路
STC89C51中断技术概述
中断技术是由单片机部的中断系统来实现的,它的主要作用是对主程序进行管理和监控,并且当中断系统发出中断指令时,单片机应与时作出响应并执行中断操作[,][]。
中断技术的具体操作步骤如下:
首先由中断系统发出中断指令,然后对这一指令进行判断,若中断指令被允许,那么单片机就停止执行现有的程序,接着执行并处理中断系统发出的中断指令,待到中断指令执行完成后,单片机再转到程序中断的地方,继续执行主程序。
如下图3-5所示是程序中断的处理过程。
图3-5中断过程
对于单片机系统而言,中断技术在其运行过程中发挥着重要的作用。
假如单片机部无中断系统,那么单片机在运行过程中就要对单片机系统中的服务请求进行查询,这样不仅浪费大量的时间,而且单片机的工作效率也大大降低了。
故在单片机中采用中断技术是非常必要的。
3.3nRF24L01无线模块设计
nRF24L01概述
本设计采用NRF24L01无线通信模块实现母机、子机之间的通信,它是由nRF24L01芯片制作而成的,nRF24L01无线收发器芯片的工作频率在ISM频段规定的围,一般介于2.4GHz和2.5GHz之间,可对近距离无线信号进行单向发送和单向接收。
同时,该芯片具有体积小,功率损耗低,实用性强,性能稳定,电路结构简单等优点,另外,该芯片还采用了高斯频移键控GFSK的调制方式,并在芯片部创建了链路层,为此该芯片能够实现很多功能,比如自动应答、自动重发、地址码检测、循环冗余校验码检测等[]。
该芯片的数据传输速率为1Mbit/s或者2Mbit/s,一般采用串行外围接口SPI与微控制单元相连接的方式设置芯片参数,以便更好进行数据传输,对于串行外围接口而言,它的传输速率一般介于0Mbit/s到8Mbit/s之间,工作电压介于1.9V到3.6V之间,并且它还拥有125个射频传输信道供我们选择[]。
另外,针对无线通信模块而言,它主要是由频率发生器增强型SchockBurstTM模式控制器功率放大器、时钟处理器、晶体振荡器调制器、频率合成器、解调器输出功率信道的选取以与协议的配置组成。
此模块进行信号收发时,消耗的电流较低,调查数据如下:
当无线收发模块进行信号发送时,消耗的电流量是9.0mA,在对信号进行接收时消耗的电流量是12.3mA,特别是在
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