无线表决系统的方案设计书文档格式.docx
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4.5显示模块1286412
4.5.1显示模块12864的概述12
4.5.2显示模块12864的指令描述12
4.5.1显示模块12864的读写时序14
4.6MAX232电平转换电路15
4.7蜂鸣器提示电路17
5软件设计17
5.1表决系统总体流程图17
5.2PC机软件设计18
6总结18
致谢18
参考文献20
附录1表决器电路图21
附录2主控器电路图22
附录3表决器PCB23
附录4主控器PCB24
程序清单25
1前言
在传统的表决方式中,通常会以书面方式进行投票表决,最后汇总表决的结果。
这种表决方式繁琐且容易出错,在大型的表决现场会浪费很长时间。
随着社会民主化进程的不断发展,投票表决在会议中的应用越来越多,传统的投票表决方式已不能满足现代会议快节奏、高效率、自动化的要求【1】。
数字投票表决系统有效地解决了这些问题:
代表们在自己的座位上就能投票表决,省却了以往排队投票的步骤;
系统会即时统计并在会场投影显示出投票表决结果,节省了收集统计的人工与时间、避免了人为错误的发生、节省了与会代表等待结果的时间。
目前,表决器可分为有线表决器和无线表决器两大类,有线表决器通常使用导线来传输信号。
但有线传输方式存在如下的缺点:
①扩展性能差,使用不便,②存在信号衰减,③复杂的线路连接。
随着射频技术和集成电路技术的高速发展,人们对无线通信的要求越来越高。
无线通信功能的实现更便捷,数据传输速率更快,抗干扰能力更强。
短程、便捷、廉价的无线通信技术正引起越来越多的关注。
因此,许多的应用领域采用了无线通信技术【2】。
据了解,英国的萨里大学为解决“大班型”教育问题上,萨里大学采用了加拿大SMART公司生产的Senteo交互式投票表决系统,系统基本组合包括1台PC个人电脑、1台控制主机及电源器,控制主机及电源器最多可连接300只有线表决器,增加1台辅助电源器可多连接400只表决器。
Senteo软件在Windows视窗环境下运行【3】。
目前,我国的中学或者是大学在“大班问题”以及会议表决上,多数还采用书面表决或者有线表决的方式,组网能力差,表决效果差,系统的稳定性还有待提高。
我们设计的投票、表决系统以MCS-51系列单片机中的具有ISP功能的AT89C52单片机为微控制器,采用挪威Nordic公司的NRF905芯片组成的无线收发模块,给出了一种简单便捷的无线通信设计系统。
2方案论证
2.1控制器部分设计方案
微控制器的选择方面,主要要考虑:
处理器的速度、要实现的功能、I/O端口类型和数量、内存容量以及功耗等。
方案一:
基于PIC单片机的微控制器。
该系列单片机不是单纯的功能堆积,而是以多型号来满足不同层次的需要,并可提供低价的OTP芯片。
另外,该系列单片机还具有低功耗睡眠功能、掉电复位锁定、上电复位电路、看门狗电路等功能,而且外围器件少、占用空间小;
成本低,保密技术也十分可靠,可最大限度地保护开发者的利益。
因此,在工业控制、仪器仪表、计算机、家电等诸多领域具有极其广阔的发展前景。
方案二:
采用MSP430F123单片机16位RISC混合信号处理器,具有以下特点:
极低的工作电压,在1.8~3.6V之间均可正常工作。
极小的功耗,在活动模式时,工作电流仅需200mA,在休眠模式下只需要3mA,在关闭状态仅仅需要0.1mA。
内部具有3个时钟信号,包括1个高频时钟,1个低频时钟和1个DCO,灵活的时钟选择使得系统可以在最合理的时钟下进行工作,大大降低了系统的功耗,方便了系统的设计。
④丰富的外围接口,包括标准串口、SPI接口和I2C接口,方便连接多种设备;
⑤内部具有256bit的RAM和8kbit的FLASH;
⑥具有中断唤醒功能,可以通过中断使单片机从休眠模式转为活动模式,非常适合于无线网络的设计要求。
方案三:
采用常用的AT89C52单片机作为核心控制器,AT89C52是一个低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器(RAM),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位中央处理器和Flash存储单元,功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。
由于对AT89C52单片机比较熟悉,采用AT89C52单片机作为控制器也基本能够满足要求,因此综合考虑选用方案三。
2.2无线射频收发器件的选择
在选择无线射频收发器件的时候,主要考虑:
无线芯片的功耗,器件的收发距离,收发的灵敏度,信号的衰减和电磁干扰等。
采用PT2262/2272红外收发器件,是一对带地址、数据编码功能的红外遥控发射/接收芯片。
其中发射芯片PT2262-IR将载波振荡器、编码器和发射单元集成于一身,使发射电路变得非常简洁。
接收芯片PT2272的数据输出位根据其后缀不同而不同,数据输出具有“暂存”和“锁存”两种方式,方便用户使用。
PT2262具有19位二进制编码功能;
PT2272的解码只有4~6位,这就限制了数据。
采用NRF905无线收发器件,NRF905由频率合成器、接收解调器、
功率放大器、晶体振荡器和调制器组成,不需外加声表滤波器,天线可采用PBC环形天线或单端鞭状天线,发射功率最大为10dB,接收灵敏度为460dB,在开阔地带传输距离最远可达600m以上。
nRF905采用SPI(串行外设接口)与微控制器连接,可自动处理字头和CRC(循环冗余码校验),使用极为方便,只需将要发送的数据和接收机地址送给NRF905,NRF905自动完成数据打包(加字头和CRC校验码)、发送,在接收中有载波检测和地址应配引脚,接收到正确的数据包时,自动移去字头、地址和CRC校验码,然后通知微处理器取数据。
基于NRF905的传送距离、接受灵敏度、发射功率等因素的考虑,决定采用NRF905芯片来完成无线数据传输。
2.3表决信息处理的方案选择
主控器接收到表决器的表决信息后,需要将表决信息处理后在PC机上显示出来,在信息处理过程的问题我们给出了两种方案。
采用主控芯片作为信息处理的核心。
通过主控器的主控芯片来处理无线接受过来的表决信息,将每个选手的表决信息汇总处理,再通过串口通信RS-232来传送给PC机显示每个选手的表决信息。
采用PC机来作为信息处理的核心。
这样就将主控器作为一个数据接受的过程,并将接受的表决信息直接传送给PC机,让PC机来直接处理表决的信息,并将处理后表决信息的汇总在PC机上显示出来。
基于对单片机的理解和认识,决定采用方案一的方法,通过主控芯片来处理表决信息。
3系统总体框图
本系统是由多台便携式表决器、一台主控制器和一台PC机组成。
系统组成框图由图1所示。
图1系统方框图
PC机通过RS-232与主控制器相连,向主控制器发出各种指令,主控制器接收指令后,再根据各种指令通过无线数据传输电路向表决器发出相应命令,当表决器执行相应指令之后,通过无线数据传输电路向主控制器发送表决信息,然后再由主控制器将接收到的表决信息上传给PC机,由PC机显示表决结果,至此完成无线表决的结果。
该系统总体设计由两部分构成,一部分为无线发射系统(如图2所示)通过按键表决功能对0至200个选手进行“赞同”,“反对”,或“弃权”操作,确认表决的信息后将每个选手的信息存储在24C02当中,并在显示模块12864中显示表决信息,单片机AT89C52将信息通过NRF905发射出去;
另一部分为无线接收系统(如图3所示),接收A机发送的数据,如果单片机B机在一定时间内收不到数据信息或收到的信息出错的话,那么单片机A机会重新发送数据,重新等待B机的接收,直到接收数据正确为止,然后将数据送至单片机B机,通过12864显示模块将0至200个选手的投票信息显示出来,并通过串行通信RS-232将表决信息传送给电脑,有VB软件编程将表决信息以表格形式在电脑上显示出来。
图2无线发射系统
图3无线接收系统
4硬件电路中各单元器件的选取及电路设计
4.1电源电路
如图4所示,U2采用AMS1117芯片,将5伏左右的电压转换成3.3伏左右,来为NRF905芯片供电已满足无线收发芯片的正常工作。
图4电源转换电路
4.2掉电存储模块
24C02,串行E2PROM是基于I2C-BUS的存储器件,遵循二线制协议,由于其具有接口方便,体积小,数据掉电不丢失等特点,在仪器仪表及工业自动化控制中得到大量的应用。
它与单片机的接口非常简单,如下图5所示。
E0,E1,E2为器件地址线,WP为写保护引脚,SCL,SDA为二线串行接口,符合I2C总线协议。
在一般单片机系统中,24C02数据受到干扰的情况是很少的,但是随着单片机抗干扰性能的变差,以及恶劣工业环境中单片机系统的应用,一些智能单片机控制系统相继出现24C02数据被冲掉的问题,而且随着单片机的牌号以及24C02的牌号不同而出现不同程度的干扰现象。
以前通过简单的器件之间替换比较,发现不同牌号的24C02其抗干扰性能是不一样的,于是就认定24C02器件存在"
质量"
好坏的问题。
后来在一次偶然的机会里,发现有些24C02的WP引脚并不起到保护作用,也就是说将WP引脚与CPU输出引脚断开并保持高电平的情况下,CPU仍然能够对24C02中的数据进行修改写入!
图5掉电存储电路
4.3主控芯片89C52及其基本外围电路
4.3.1AT89C52的主要性能
●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
●4.0-5.5V的工作电压
●全静态操作:
0Hz~33MHz
●三级加密程序存储器
●32个可编程I/O口线
●2个16位定时器/计数器
●6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
●看门狗定时器及双数据指针
●双数据指针
●掉电标识符和快速编程特性
4.3.2AT89C52功能概述
AT89C52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。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造,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AT89S52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。
AT89C52的管脚如图6所示;
图6AT89C52的引脚图
AT89C52具有以下标准功能:
4k字节Flash,128字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,2个数据指针,2个16位定时器/计数器,一个5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,AT89C52可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选的节电工作模式。
空闲模式下,CPU停止工作,但允许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。
4.3.2AT89C52外围基本电路
图7时钟电路
图8复位电路
AT89S52外围基本电路由复位电路和晶振电路组成。
如上图7、8所示,复位电路虽然简单,但其作用非常重要。
一个单片机系统能否正常运行,首先要检查是否能复位成功。
在此设计当中,复位电路采用上电自动复位和手动复位相结合,由电阻R14、R15、电容C3、按键S10组成。
在通电瞬间,电容C3通过电阻R15充电,RST端出现正脉冲,用以复位。
只要电源的上升时间按不超过1ms,就可以实现自动上电复位,即接通电源就完成了系统的复位的初始化。
所谓的手动复位,是指通过接通按键开关S10,使单片机计入复位系统。
若系统上电运行后出现程序运行混乱,一般是通过手动复位实现。
4.4NRF905无线收发模块电路
4.4.1NRF905模块简介
NRF905芯片是挪威Nordic公司推出的单片射频收发器。
芯片工作电压DC1.9~3.6V,nRF905可以自动完成处理字头和CRC(循环冗余码校验)的工作,可由片内硬件自动完成曼切斯特编码/解码,使用SPI接口与微控制器通信,配置非常方便,其功耗非常低,以-10dBm的输出功率发射时电流只有11mA,在接收模式时电流为12.5mA。
nRF905单片无线收发器工作由一个完全集成的频率调制器,一个带解调器的接收器,一个功率放大器,一个晶体震荡器和一个调节器组成。
ShockBurst工作模式的特点是自动产生前导码和CRC,可以很容易通过SPI接口进行编程配置。
NRF905模块的高频头用户接口电路管脚图如图9所示,接口电路管脚功能说明如表1所示。
图9NRF905接口电路管脚
表1NRF905模块管脚功能说明
管脚
名称
管脚功能
说明
1
VCC
电源
电源+3.3~3.6VDC
2
TX-EN
数字输入
工作模式选择
3
TRX-CE
使能芯片发射或接收
4
PWR-UP
芯片上电
5
uCLK
时钟输出
(未使用)
6
CD
数字输出
载波检测
7
AM
地址匹配
8
DR
接收或发射数据完成
9
MISO
SPI接口
SPI输出
10
MOSI
SPI输入
11
SCK
SPI时钟
12
CSN
SPI使能
13、14
GND
地
接地
4.4.2NRF905模块的工作方式
NRF905一共有四种工作模式如下表2所示,其中有两种活动RX/TX模式和两种节电模式。
工作模式由TRX_CE、TX_EN、PWR_UP的设置来设定。
表2NRF905的工作模式
选择模式
X
掉电与SPI编程模式
待机与SPI编程模式
ShockBurst接收模式
ShockBurst发射模式
(1)ShockBurstTX发射模式
如图10所示,典型的NRF905发送流程分以下几步。
图10NRF905模块数据发送流程
1当微控制器有数据要发送时,通过SPI接口,按时序把接收机的地址和要发送的数据送传给NRF905,SPI接口的速率在通信协议和器件配置时确定;
2微控制器置高TRX_CE和TX_EN,激发NRF905的ShockBurstTM发送模式;
3NRF905的ShockBurstTM发送:
射频寄存器自动开启;
数据打包(加字头和CRC校验码);
发送数据包;
④当数据发送完成,数据准备好引脚被置高;
4AUTO_RETRAN被置高,NRF905不断重发,直到TRX_CE被置低;
5当TRX_CE被置低,NRF905发送过程完成,自动进入空闲模式。
注意:
ShockBurstTM工作模式保证,一旦发送数据的过程开始,无论TRX_EN和TX_EN引脚是高或低,发送过程都会被处理完。
只有在前一个数据包被发送完毕,NRF905才能接受下一个发送数据包。
(2)ShockBurstRX接收模式
如图11所示,NRF905接收流程分以下几步。
图11NRF905模块数据接收流程
(3)当TRX_CE为高、TX_EN为低时,NRF905进入ShockBurstTM接收模式;
(4)650us后,NRF905不断监测,等待接收数据;
(5)当NRF905检测到同一频段的载波时,载波检测引脚被置高;
(6)当接收到一个相匹配的地址,AM引脚被置高;
(7)当一个正确的数据包接收完毕,NRF905自动移去字头、地址和CRC校验位,然后把DR引脚置高;
(8)微控制器把TRX_CE置低,NRF905进入空闲模式;
(9)微控制器通过SPI口,以一定的速率把数据移到微控制器内;
(10)当所有的数据接收完毕,NRF905把DR引脚和AM引脚置低;
(11)NRF905此时可以进入ShockBurstTM接收模式、ShockBurstTM发送模式或关机模式。
当正在接收一个数据包时,TRX_CE或TX_EN引脚的状态发生改变,NRF905立即把其工作模式改变,数据包则丢失。
当微处理器接到AM引脚的信号之后,其就知道NRF905正在接收数据包,其可以决定是让NRF905继续接收该数据包还是进入另一个工作模式。
(3)节电模式
NRF905的节能模式包括关机模式和节能模式。
在关机模式,NRF905的工作电流最小,一般为2.5uA。
进入关机模式后,NRF905保持配置字中的内容,但不会接收或发送任何数据。
空闲模式有利于减小工作电流,其从空闲模式到发送模式或接收模式的启动时间也比较短。
在空闲模式下,NRF905内部的部分晶体振荡器处于工作状态。
4.4.3配置NRF905模块
所有配置字都是通过SPI接口送给NRF905。
SIP接口的工作方式可通过SPI指令进行设置。
SPI接口由状态寄存器、射频配置寄存器、发送地址寄存器、发送数据寄存器和接收数据寄存器5个寄存器组成。
状态寄存器包含数据准备好引脚状态信息和地址匹配引脚状态信息;
射频配置寄存器包含收发器配置信息,如频率和输出功能等;
发送地址寄存器包含接收机的地址和数据的字节数;
发送数据寄存器包含待发送的数据包的信息,如字节数等;
接收数据寄存器包含要接收的数据的字节数等信息。
4.4.4SPI指令设置
当CSN为低时,SPI接口开始等待一条指令。
任何一条新指令均由CSN的由高到低的转换开始。
用于SPI接口的有用命令见下表3所示:
表3SPI指令设置
指令名称
指令格式
SPI串行接口指令操作
WC
0000XXXX
写配置寄存器XXXX指出写操作的开始字节地址
RC
0001XXXX
读配置寄存器XXXX指出读操作的开始字节地址
WTP
00100000
写TX有效数据1-32字节写操作全部从字节0开始
RTP
00100001
读TX有效数据1-32字节读操作全部从字节0开始
WTA
00100010
写TX地址1-4字节写操作全部从字节0开始
RTA
00100011
读TX地址1-4字节读操作全部从字节0开始
RRP
00100100
读RX有效数据1-32字节读操作全部从字节0开始
4.4.5SPI时序
下面SPI读时序如图12所示,SPI写时序如图13所示。
图12SPI读时序
图13SPI写时序
4.5显示模块12864电路
4.5.1显示模块12864的概述
显示模块12864C-1是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式,内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块;
其显示分辨率为128×
64,内置8192个16*16点汉字,和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令,可构成全中文人机交互图形界面。
可以显示8×
4行16×
16点阵的汉字.也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。
由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比,不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多,且该模块的价格也略于低相同点阵的图形液晶模块。
表412864功能管脚分部
编号
符号
引脚说明
VSS
电源地
DB4
DataI/0
VDD
电源正
- 配套讲稿:
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- 无线 表决 系统 方案设计