基于51單片機的無線通信

..XX民族學院信息工程學院課程設計報告書題目:基于51單片機的無線通信課程：數字通信系統課程設計專業(yè)：電子班級：0314411學號：031441119學生__田紫龍指導黃雙林2017年06月18日摘要本文設計了一種以AT89S52單片機為控制核心的無線通信控制模塊,詳細說明了該系統的基本原理、主要電路、硬件框架以及軟件框架。整個系統采用模塊化設計,主要包括單片機與下位機之間的無線通信控制電路,以及無線通信模塊與51單片機之間通信接口電路。該通信控制系統通過51單片機和nrf2401的spi通信,從而通過無線通信控制模塊形成與下位機的聯系,控制下位機運動控制器,并且將通信接收的數據保存到擴展的存儲器內。本模塊的通信方法簡便,除了可以進行遠程實時控制外,還可廣泛的應用于工業(yè)監(jiān)控和數據采集系統。本系統具有性能可靠、抗干擾能力強、功耗低、性價比高等優(yōu)點,在無線通信領域具有重要的應用價值和良好的發(fā)展前景。關鍵字：無線通信控制；AT89S52；nRF2401；串行通信目錄1緒論12總體設計23各個模塊簡介31.單片機STC89C52和nRF2401的接口電路33.1NRF24L01無線模塊簡介43.21602簡介44各個模塊設計104.1硬件電路板的設計104.2軟件程序設計114.2.1主程序模塊114.3結果與分析13總結14參考文獻15..1緒論伴隨著短距離低功率無線數據傳輸技術的成熟,無線數據傳輸被越來越多地應用到新的領域。與有線通信方式相比,無線通信以其不需鋪設明線,使用便捷等一系列優(yōu)點,在現代通信領域占重要地位。以往的無線產品存在范圍和方向上的局限,例如,一些無線產品在使用時,無法將信息反饋給控制者；還有一些無線產品不能很好地顯示參數或狀態(tài)信息,如果能在系統中增加一塊小型液晶顯示電路,產品不僅能向用戶顯示其狀態(tài)或狀態(tài)的改變,而且可以大大降低成本。正如人們所發(fā)現的,只要建立雙向無線通信-雙工通信并且選無線數據傳輸模塊基于微功耗單片射頻收發(fā)器NRF24L01設計,采用89C52單片機完成數據的處理和控制擇成本低的收發(fā)芯片,就會出現許多新應用。本次設計主要是利用無線收發(fā)電路,加上單片機控制與液晶顯示制成一套完整的點對點數據收發(fā)系統?？紤]到目前市場上的一些需求,設計的主要要求是方案成本低,體積小,低功耗,集成度高,盡量無需調外部元件,傳輸時間短,接口簡單。..2總體設計本設計使用M3單片機和51單片機通過nRF24L01模塊進行通信實現51單片機發(fā)送字符到M3單片機上顯示。系統原理框如圖2.1所示.圖2.SEQ圖\*ARABIC1系統原理框圖當51單片機通過spi對2401進行數據讀寫完畢后,2401將儲存的字符通過射頻技術發(fā)送給等待的2401,這時M3對2401接受到的數據進行讀寫,然后再TFT屏上顯示接收到的內容。3各個模塊簡介1.單片機STC89C52和nRF2401的接口電路STC89C52有UART和SPI接口,而nRF2401用的是DRI、CLK和DATA三線傳輸?？紤]到速率的因數,STC89C52和nRF2401的連接準備用SPI接口實現。SPI<SerialPeriPheralInterface,串行外設接口>接口是一種同步串行外設接口,它可以使MCU和各種外圍設備進行通信以交換信息。外圍設備包括FlashRAM,網絡控制器,LCD顯示驅動器,A/D轉換器和MUC等。圖4說明了一個典型的SPI主從式總線結構。它使用3根線連接了所有的設備。主設備通過并行的4個管腳來控制各個從設備的SS腳來選擇從設備。圖2典型的SPI主從式總線結構1、MOSI<MasterOutputSlaveInput>:這個1bit的信號直接連接主設備和從設備。信號通過MOSI線從主設備串行傳輸到從設備。因此,對主設備而言,MOSI是信號輸出端口,對從設備而言,則是信號輸入端口。在這條線上,一個Byte的信號通過高位<MSB>到低位<LSB>的傳輸。2、MISO<MasterInputSlaveOutput>:通過這個1bit的信號線,信號由從設備傳輸到主設備,因此它是主設備的信號輸入端口,從設備的信號輸出端口。信號同樣是從MBS到LBS的傳輸。3、SCK<SPISerialClock>:這個信號來同步所有設備的進出MOSI和MISO的數據。它通過主設備的8個時鐘周期來驅動,允許交換串行線上的1個Byte的信號。4、SS<SlaveSelect>通過使某個從設備的SS管腳保持低電平來選擇該從設備。顯然只有主設備<它的SS管腳保持高電平>才能驅動這個系統。主設備通過軟件,利用端口來選擇從設備。通過阻止MISO線上的沖突,來保證主設備每次傳輸只選擇一個從設備。在設置主設備時,SS3.1NRF24L01無線模塊簡介NRF24L01無線模塊,采用的芯片是NRF24L01,該芯片的主要特點如下：12.4G全球開放的ISM頻段,免許可證使用。2最高工作速率2Mbps,高校的GFSK調制,抗干擾能力強。3125個可選的頻道,滿足多點通信和調頻通信的需要。4內置CRC檢錯和點對多點的通信地址控制。5低工作電壓〔1.9~3.6V。6可設置自動應答,確保數據可靠傳輸。該芯片通過SPI與外部MCU通信,最大的SPI速度可以達到10Mhz。本章我們用到的模塊是XX云佳科技生產的NRF24L01,該模塊成熟度和穩(wěn)定性都是相當不錯的。該模塊的外形和引腳圖如圖3.1所示：圖3.1NRF24L01無線模塊外形和引腳圖模塊VCC腳的電壓范圍為1.9~3.6V,建議不要超過3.6V,否則可能燒壞模塊,一般用3.3V電壓比較合適。除了VCC和GND腳,其他引腳都可以和5V單片機的IO口直連,正是因為其兼容5V單片機的IO,故使用上具有很大優(yōu)勢。3.21602簡介1.1602字符液晶顯示模塊,可顯示數字和字母。與數碼管相比顯示內容更豐富,而且編程簡單。它能夠顯示系統的當前工作時間、時間以及溫度傳感器檢測到的溫度。為使用者觀察提供了方便。LCD1602的接口信號說明如表3表3LCD1602的接口信號編號引腳符號功能說明編號引腳符號功能說明1VSS電源地9D2DATAI/O2VDD電源正極10D3DATAI/O3VL液晶顯示偏壓信號11D4DATAI/O4RS數據/命令選擇端〔H/L12D5DATAI/O5R/W讀/寫選擇端〔H/L13D6DATAI/O6E使能信號14D7DATAI/O7D0DATAI/O15BLA背光正極8D1DATAI/O16BLK背光負極2.基本操作時序如下：1讀狀態(tài)：RS=L,RW=H,E=H2寫指令：RS=L,RW=L,D0～D7=指令碼,E=高脈沖3讀數據：RS=H,RW=H,E=H4寫數據：RS=H,RW=L,D0～D7=數據,E=高脈沖3.初始化設置1顯示模式設置如表5表4顯示模式設置指令碼功能00111000設置16*2顯示,5*7點陣,8位數據接口顯示開/關及光標設置如表6：表7顯示開/關及光標設置指令碼功能00001DCBD=1開顯示；D=0關顯示C=1顯示光標；C=0不顯示光標B=1光標閃爍；B=0光標不顯示000001NSN=1當讀或寫一個字符后地址指針加一,且光標加一N=0當讀或寫一個字符后地址指針減一,且光標減一S=1當寫一個字符,整屏顯示左移〔N=1LCD1602與MCU的接口電路LCD的D0～D7分別接單片機的的P0口,作為數據線,因為P0口內部沒有上拉電阻,所以外部另外加上4.7K的上拉電阻；P2.5—P2.7分別接LCD的RS、RW、E三個控制管腳；RV1用來調節(jié)LCD的顯示灰度；BLK、BLA為背光的陰極和陽極,接上相應電平即點亮背光燈。如圖4圖41602顯示電路其中1602的第3腳接10K與1.5K的串聯電阻起到分壓作用,能夠調節(jié)第一行與第二行亮度對比。第16接個三極管的作用放大,是為了能夠讓液晶顯示器的背光燈亮起,從而在夜間也能觀看顯示內容。3.3STC89C52單片機單片微型計算機是隨著微型計算機的發(fā)展而產生和發(fā)展的。自從1975年美國德克薩斯儀器公司的第一臺單片微型計算機〔簡稱單片機TMS-1000問世以來,迄今為止,單片機技術已成為計算機技術的一個獨特分支,單片機的應用領域也越來越廣泛,特別是在工業(yè)控制中經常遇到對某些物理量進行定時采樣與控制的問題,在儀器儀表智能化中也扮演著極其重要的角色。如果將8位單片機的推出作為起點,那么單片機的發(fā)展歷史大致可以分為以下幾個階段：第一階段〔1976—1978：單片機的探索階段。以Intel公司的MCS-48為代表。MCS-48的推出是在工控領域的探索,參與這一探索的公司還有Motorola、Zilog等。都取得了滿意的效果。這就是SCM的誕生年代,"單片機"一詞即由此而來。第二階段〔1978—1982：單片機的完善階段。Intel公司在MCS-48基礎上推出了完善的、典型的單片機系列MCS-51。它在以下幾個方面奠定了典型的通用總線型單片機體系結構。〔1完善的外部總線。MCS-51設置了經典的8位單片機的總線結構,包括8位數據總線、16位地址總線、控制總線及具有多機通信功能的串行通信接口?！?CPU外圍功能單元的集中管理模式。〔3體現工控特性的地址空間及位操作方式?！?指令系統趨于豐富和完善,并且增加了許多突出控制功能的指令。第三階段〔1982—1990：8位單片機的鞏固發(fā)展及16位單片機的推出階段,也是單片機向微控制器發(fā)展的階段。Intel公司推出的MCS-96系列單片機,將一些用于測控系統的模數轉換器、程序運行監(jiān)視器、脈寬調制器等納入片中,體現了單片機的微控制器特征。第四階段〔1990—：微控制器的全面發(fā)展階段。隨著單片機在各個領域全面、深入地發(fā)展和應用,出現了高速、大尋址范圍、強運算能力的8位/16位/32位通用型單片機,以及小型廉價的專用型單片機。單片機是在集成電路芯片上集成了各種元件的微型計算機,這些元件包括中央處理器CPU、數據存儲器RAM、程序存儲器ROM、定時/計數器、中斷系統、時鐘部件的集成和I/O接口電路。由于單片機具有體積小、價格低、可靠性高、開發(fā)應用方便等特點,因此在現代電子技術和工業(yè)領域應用較為廣泛,在智能儀表中單片機是應用最多、最活躍的領域之一。在控制領域中,現如今人們更注意計算機的底成本、小體積、運行的可靠性和控制的靈活性。在各類儀器、儀表中引入單片機,使儀器儀表智能化,提高測試的自動化程度和精度,提高計算機的運算速度,簡化儀器儀表的硬件結構,提高其性能價格比。單片機主要特點：〔1有優(yōu)異的性能價格比?！?集成度高、體積小、有很高的可靠性。單片機把各功能部件集成在一塊芯片上,內部采用總線結構,減少了各芯片之間的連線,大大提高了單片機的可靠性和抗干擾能力。另外,其體積小,對于強磁場環(huán)境易于采取屏蔽措施,適合在惡劣環(huán)境下工作?！?控制功能強。為了滿足工業(yè)控制的要求,一般單片機的指令系統中均有極豐富的轉移指令、I/O口的邏輯操作以及位處理功能。單片機的邏輯控制功能及運行速度均高于同一檔次的微機?！?低功耗、低電壓,便于生產便攜式產品?！?外部總線增加了I2C〔Inter-IntegratedCircuit及SPI<SerialPeripheralInterface>等串行總線方式,進一步縮小了體積,簡化了結構?！?單片機的系統擴展和系統配置較典型、規(guī)范,容易構成各種規(guī)模的應用系統。優(yōu)異的性能價格比。1集成度高、體積小、有很高的可靠性。單片機把各功能部件集成在一塊芯片上,內部采用總線結構,減少了各芯片之間的連線,大大提高了單片機的可靠性與抗干擾能力。另外,其體積小,對于強磁場環(huán)境易于采取屏蔽措施,適合于在惡劣環(huán)境下工作。此外,程序多采取固化形式也可以提高可靠性。2控制功能強。為了滿足工業(yè)控制要求,一般單片機的指令系統中均有極豐富的轉移指令、I/O口的邏輯操作以及位處理功能。單片機的邏輯控制功能及運行速度均高于同一檔次的微機。單片機的系統擴展、系統配置較典型、規(guī)范,容易構成各種規(guī)模的應用系統。VCC：STC89C52電源正端輸入,接+5V。GND：電源地端。XTAL1:單芯片系統時鐘的反相放大器輸入端。XTAL2：系統時鐘的反相放大器輸出端,一般在設計上只要在XTAL1和XTAL2上接上一只石英振蕩晶體系統就可以動作了,此外可以在兩引腳與地之間加入一20PF的小電容,可以使系統更穩(wěn)定,避免噪聲干擾而死機。RESET：STC89C52的重置引腳,高電平動作,當要對晶片重置時,只要對此引腳電平提升至高電平并保持兩個機器周期以上的時間,AT89S51便能完成系統重置的各項動作,使得內部特殊功能寄存器之內容均被設成已知狀態(tài),并且至地址0000H處開始讀入程序代碼而執(zhí)行程序。EA/Vpp："EA"為英文"ExternalAccess"的縮寫,表示存取外部程序代碼之意,低電平動作,也就是說當此引腳接低電平后,系統會取用外部的程序代碼〔存于外部EPROM中來執(zhí)行程序。因此在8031及8032中,EA引腳必須接低電平,因為其內部無程序存儲器空間。如果是使用8751內部程序空間時,此引腳要接成高電平。此外,在將程序代碼燒錄至8751內部EPROM時,可以利用此引腳來輸入21V的燒錄高壓〔Vpp。ALE/PROG：ALE是英文"AddressLatchEnable"的縮寫,表示地址鎖存器啟用信號。STC89C52可以利用這支引腳來觸發(fā)外部的8位鎖存器〔如74LS373,將端口0的地址總線〔A0～A7鎖進鎖存器中,因為STC89C52是以多工的方式送出地址及數據。平時在程序執(zhí)行時ALE引腳的輸出頻率約是系統工作頻率的1/6,因此可以用來驅動其他周邊晶片的時基輸入。此外在燒錄8751程序代碼時,此引腳會被當成程序規(guī)劃的特殊功能來使用。PSEN：此為"ProgramStoreEnable"的縮寫,其意為程序儲存啟用,當8051被設成為讀取外部程序代碼工作模式時〔EA=0,會送出此信號以便取得程序代碼,通常這支腳是接到EPROM的OE腳。STC89C52可以利用PSEN及RD引腳分別啟用存在外部的RAM與EPROM,使得數據存儲器與程序存儲器可以合并在一起而共用64K的定址范圍。PORT0〔P0.0～P0.7：端口0是一個8位寬的開路汲極〔OpenDrain雙向輸出入端口,共有8個位,P0.0表示位0,P0.1表示位1,依此類推。其他三個I/O端口〔P1、P2、P3則不具有此電路組態(tài),而是內部有一提升電路,P0在當做I/O用時可以推動8個LS的TTL負載。PORT2〔P2.0～P2.7：端口2是具有內部提升電路的雙向I/O端口,每一個引腳可以推動4個LS的TTL負載,若將端口2的輸出設為高電平時,此端口便能當成輸入端口來使用。P2除了當做一般I/O端口使用外,若是在STC89C52擴充外接程序存儲器或數據存儲器時,也提供地址總線的高字節(jié)A8～A15,這個時候P2便不能當做I/O來使用了。PORT1〔P1.0～P1.7：端口1也是具有內部提升電路的雙向I/O端口,其輸出緩沖器可以推動4個LSTTL負載,同樣地若將端口1的輸出設為高電平,便是由此端口來輸入數據。如果是使用8052或是8032的話,P1.0又當做定時器2的外部脈沖輸入腳,而P1.1可以有T2EX功能,可以做外部中斷輸入的觸發(fā)腳位。PORT3〔P3.0～P3.7：端口3也具有內部提升電路的雙向I/O端口,其輸出緩沖器可以推動4個TTL負載,同時還多工具有其他的額外特殊功能,包括串行通信、外部中斷控制、計時計數控制及外部數據存儲器內容的讀取或寫入控制等功能。其引腳分配如下：P3.0：RXD,串行通信輸入。P3.1：TXD,串行通信輸出。P3.2：INT0,外部中斷0輸入。P3.3：INT1,外部中斷1輸入。P3.4：T0,計時計數器0輸入。P3.5：T1,計時計數器1輸入。P3.6：WR：外部數據存儲器的寫入信號。P3.7：RD,外部數據存儲器的讀取信號。RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時,要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時,地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間,此引腳用于輸入編程脈沖。在平時,ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號,此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時,將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時,ALE只有在執(zhí)行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。另外,該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止,置位無效。PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間,每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數據存儲器時,這兩次有效的/PSEN信號將不出現。EA/VPP：當/EA保持低電平時,則在此期間外部程序存儲器〔0000H-FFFFH,不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時,/EA將內部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時,此間內部程序存儲器。圖5STC89C52單片機引腳圖4各個模塊設計4.1硬件電路板的設計在本系統中,電路板的設計使用的是Protel99SE軟件。電路板設計的主要步驟是：原理圖的設計→產生網絡表→印制電路板?！灿捎贛3部分使用開發(fā)板這里只進行51部分的敘述硬件電路板原理圖如圖4.1.1所示：圖4.1硬件電路板原理圖PCB如圖4.1.2所示圖4.1PCB圖在硬件設計時,需要注意以下幾點：〔1電源線要加粗,合理走線、接地；〔2布線時避免90度折線,盡量平滑過渡；〔3充分考慮單片機的帶載驅動能力。〔4盡可能的選擇典型電路,并符合單片機的常規(guī)使用方法；〔5在充分滿足系統功能要求前提下,留余地以便于二次開發(fā)；〔6硬件結構設計應與軟件設計方案一并考慮；〔7封裝大小要嚴格按照元器件實際尺寸要特別注意元器件豎向所占空間；〔8硬件上要有可靠性與抗干擾設計,電源要用電容濾波,增強電源的穩(wěn)定性；4.2軟件程序設計程序設計采用模塊化設計方法,依據了"任何復雜的程序都可以分解為順序結構部分、分支結構部分、循環(huán)結構部分和子程序部分"的原則,將程序進行分解設計。結構化程序設計具有結構清晰、易于讀寫、易于驗證和可靠性高等特點,在程序設計中被廣泛使用,易于文件規(guī)范管理。4.2.1主程序模塊模塊化程序設計思想是采用自頂向下、逐步求精的方法,將一個復雜的問題分解成若干獨立的子問題,每個子問題對應一個功能獨立的程序模塊,將這些模塊有機的連接在一起,構成完整的程序。先進行主程序模塊的設計,描述程序的總體框架,在進行子模塊的設計,完成相應的子功能。該系統中需要分別設計發(fā)送端和接收端的程序。在發(fā)送端,首先使其進入發(fā)送工作模式CE=1,通過I/O接口裝入接收端地址和有效數據,然后啟動發(fā)送CE=0,發(fā)送端等待數據發(fā)送完成。當發(fā)送完成后模塊進入接收狀態(tài),接收接收端的應答數據。發(fā)送端程序流程圖如圖4.2.1.1:圖4.2發(fā)送端程序流程圖在接收端,使能接收。如果接收到發(fā)送端數據,則將接收到的數據送入擴展的外部RAM中,并且向發(fā)送端發(fā)送應答數據。接收端程序流程圖如圖4.2.1.1。圖4.2接收端程序流程圖4.3結果與分析結果如圖所示：圖4.3結果圖對于2401這個模塊來說,發(fā)送的速率遠大于spi的讀寫速度,所以不能別發(fā)送別讀寫,只能將發(fā)送的數據在2401模塊中進行儲存,然后給控制器一個狀態(tài)位,當控制器通過spi讀到這個位的數據時,就給2401一個發(fā)送的指令這時2401才