【正文】 單片機無線電子點菜系統(tǒng)硬件設計及實現(xiàn) 目 錄 摘 要 ............................................................... IV ABSTRACT .............................................................. V 第一章 緒論 ........................................................... 1 研究背景和意義 ................................................. 1 論文的研究內容 ................................................. 4 內容安排 ....................................................... 4 第二章 ZIGBEE 協(xié)議分析 ................................................. 6 ZIGBEE協(xié)議框架 ................................................... 6 ZIGBEE協(xié)議優(yōu)缺點和應用前景 ....................................... 8 ZigBee 協(xié)議的優(yōu)點 ............................................ 9 ZigBee 協(xié)議存在的問題及解決方案 .............................. 9 ZigBee 協(xié)議應用前景 ......................................... 10 2． 3 基于 ZIGBEE協(xié)議的芯片 ........................................... 10 第三章 基于 ZIGBEE 協(xié)議的硬件系統(tǒng)的設計及實現(xiàn) ......................... 14 STC89C58RD+單片機概述 ........................................... 14 開發(fā)板的各個組成部分原理圖以及功能 .............................. 15 單片機最小系統(tǒng)組成電路 ...................................... 15 串行口電平轉換部分 .......................................... 16 LED 部分 .................................................... 17 開發(fā)板和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊接口部分 ............................ 17 鍵盤部分 .................................................... 18 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊 ................................................ 19 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊和開發(fā)板的 PCB 圖設計 ............................ 20 開發(fā)板的 PCB 圖 ................................................ 20 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的 PCB 圖 ...................................... 22 第四章 硬件驅動程序和串行口調試工具 .................................. 24 硬件驅動程序 .................................................... 24 主機端硬件驅動程序 .......................................... 24 移動端驅動程序 .............................................. 28 基于單片機無線電子點菜系統(tǒng)硬件設計及實現(xiàn) III 串行口調試工具 .................................................. 28 串行通信的基本原理 .......................................... 28 程序設計原理 ................................................ 30 第五章 總結與展望 .................................................... 37 全文總結 ........................................................ 37 研究展望 ........................................................ 38 致 謝 ............................................................... 39 參考文獻 ............................................................. 40 附錄 ................................................................. 41 IV 摘 要 隨著人民生活水平 的提高 和生活方式的轉變，餐飲業(yè)具有巨大的投資市場，被稱為中國的黃金產業(yè)。但這時候的無線通信技術還只是處于萌芽階段，只有到 19 世紀末意大利人馬可尼發(fā)明無線電報開始，人類才真正開始大規(guī)模地利用無線通信技術 [1]。目前國際上有很多專門生產射頻芯片的公司，例如 Nordic 公司和 Chipcon 公司。 無線電子點菜系統(tǒng)的目的就是利用最先進的 無線通信技術、嵌入式移動數(shù)據(jù)庫技術 [3][4]、以及觸摸屏的掌上電腦技術 , 為餐飲業(yè)走向全面數(shù)字化提供了完整的解決方案。 無線通信技術的發(fā)展現(xiàn)狀 按照發(fā)射功率的不同，無線通信技術可分為短距離無線通信技術和長距離無線通信技術，它們各自依托的硬件平臺和通信協(xié)議也有很大不同。 2 外圍設備互連 是指將各種設備通過藍牙鏈路連接到主機上。 2 超寬帶技術 UWB（ Ultra Wide band） [6] 超寬帶技術 UWB（ Ultra Wide band）是另一個新發(fā)展起來的無線通信技術。直到 20xx 年2 月 14 日，美國聯(lián)邦通信委員會才準許該技術進入民用領域。 基于單片機的無線點菜系統(tǒng)的硬件設計及實現(xiàn) 第一章 緒論 4 ZigBee 協(xié)議的技術特點和應用前景將在下一章詳細敘述。 綜合比較以上各個短距離無線通信協(xié)議的技術特點和本系統(tǒng)的要求，只有ZigBee 協(xié)議能基本滿足要求。 第二章介紹 ZigBee 協(xié)議的詳細內容和一種基于 ZigBee 協(xié)議的芯片。 ZigBee 協(xié)議依據(jù) 標準 [8][9]，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調實現(xiàn)通信。 標準定義了最下面的兩層：物理層和 MAC。這種 MAC 層的設計不但是多種拓撲結構網(wǎng)絡的應用變得簡單，還可以實現(xiàn)非常有效的功耗控制。 對于 ZigBee 裝置而言，當加入到一個 WPAN（ Wireless Personal Area Net， 個人無線局域網(wǎng)）后，應用層的 ZMO 會發(fā)起一系列的初始化動作，先通過 APS 進行裝置收尋以及服務收尋后，然后根據(jù)事先定義好的描述信息，將與其相關的裝置或是服務記錄在 APS 里的綁定表中；之后所有服務的使用，都要通過這個綁定表來查詢資料的服務或者行規(guī)。避免了頻繁更換電池或者充電，從而減輕了網(wǎng)絡維 護的負擔 。為了可靠傳遞，提供全握手協(xié)議。 ZigBee 協(xié)議應用前景 ZigBee 協(xié)議特別適合數(shù)據(jù)吞吐量小，網(wǎng)絡建設投資少，網(wǎng)絡安全要求較高，不便頻繁更換電池或者充電的場合，預計將在消費類電子設備，家庭智能化，工業(yè)控制，醫(yī)療設備控制，農業(yè)自動化和無線點菜系統(tǒng)等領域獲得廣泛的應用。 2． 3 基于 ZigBee 協(xié)議的芯片 [1][4][5] 20xx 年 8 月 ZigBee 聯(lián)盟成立時 Honeywell， Invensys,三菱電器，摩托羅拉和飛利浦等國際上知名的大公司就是 ZigBee 協(xié)議的支持者。與藍牙不同的是， nRF2401 沒有復雜的通信協(xié)議，它完全對用戶透明，同種產品之間可以自由通信。 基于單片機的無線點菜系統(tǒng)的硬件設計及實現(xiàn) 第二章 ZigBee 協(xié)議分析 13 ShockBurst TM 發(fā)射主要通過 MCU 接口引腳 CE、 CLK1 和 DATA 來完成。同時將兩個數(shù)字信道的輸出反饋到兩個單獨的 MCU 接口。而且內部集成了看門狗和Flash，簡化了 PCB 板的制作。由于不使用外部存儲器，因此將 EA 接高電平。由于單片機的輸入、輸出電平為 TTL 電平，與 PC機 RS232 標準串行 接口的電氣規(guī)范不一致，因此要實現(xiàn)單片機與 PC機之間的數(shù)據(jù)通讀，必須進行電平轉換。 圖 LED 部分 開發(fā)板和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊接口部分 這一部分有兩部分組成：由于 nRF2401 的工作電壓為 ，工作電壓超過 就會燒壞芯片。 圖 開發(fā)板和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊接口部分 圖 5V 電平轉 電平部分 鍵盤部分 圖 鍵盤部分 鍵盤部分用來實現(xiàn)人機通信。 它與開發(fā)板的接口電路為圖 各個接口的要求如下： (1) VCC 腳接電壓范圍為 ~ 之間，不能在這個區(qū)間之外，超過 將會燒毀模 塊。為了方便布線，本系統(tǒng)所用的開發(fā)板和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊均為雙層印刷電路板。圖 為鍵盤封裝，圖 為 USB 封裝，圖 為開關封裝，圖 為四位八段數(shù)碼管封裝。 同時使電源線、地線的走向和數(shù)據(jù)傳遞的方向一致，這樣有助于增強抗噪聲能力。在 PCB 設計時，必須考慮到各種電磁干擾，注意調整電阻、電容和電感的位置，特別要注意電容的位置。 串行口調試工具是用來將 PC 機上的數(shù)據(jù)通過串行口發(fā)送到單片機，和 PC 機接收從單片機發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。對于開發(fā)周期來說，中大型的軟件編寫用 C 語言的開發(fā)周期通常要小于匯編語言很多。 REN 為 1 時，單片機允許接收數(shù)據(jù)。與方式 1相比，多了一位可編程位，發(fā)送時，第 9位數(shù)據(jù)為 TB8，接收時，第 9位數(shù)據(jù)送入 RB8。 nRF2401 有四種工作模式：收發(fā)模式，配置模式，空閑模式和關機模式 [16][17]。在 CS引腳的下降沿，新送入的配置字開始工作。 Visual C++ 在不犧牲靈活性、性能和控制力度的同時，給 C++帶來了更高水平的生產效率。visual c++ 專門為串行口通信提供了 Msm[20][21]控件，使用該控件程序員不必花時間去了解比較復雜的 API 函數(shù)，通過簡單修改控件的屬性和使用控件提供的方法就可以實現(xiàn)對串口的配置，完成串口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。 圖 開發(fā)板通過 IO 口和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊進行數(shù)據(jù)交換的流程圖 移動端驅動程序 移動端的開發(fā)板的結構和 PC 機端的開發(fā)板的結構完全相同，但由于它不需要和PC 機通信，只需要和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊進行通信。 表 nRF2401 的各種工作模式的設置方式 工作模式 PWR_UP CE CS 收發(fā)模式 1 1 0 配置模式 1 0 1 空閑模式 1 0 0 關機模式 0 * * 前文已經(jīng)講過有關 nRF2401 的收發(fā)方式，這里重點討論一下它的配置方式。通過設置合適的波特率和 幀 格式，來實現(xiàn)開發(fā)板和 PC 機之間準確的數(shù)據(jù)傳遞。發(fā)送完畢后，硬件自動將 RI 置 1。 STC89C58RD+單片機的串行口是一個全雙工通信接口，即能同時進行發(fā)送和接收，它可以作 UART 用，也可以作 為同步移位寄存器用，其禎格式和波特率可以通過軟件編程來設置，在使用上非常方便。 硬件驅動程序 整個數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)有兩部分組成：與 PC機相連的開發(fā)板為主機端，它不能移動，接收從機端發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并向從機端發(fā)送指令；可以移動的為從機端，它由開發(fā)板和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊組成。 nRF2401 的供電電源應通過電容隔開，這樣 有利于給nRF2401 提供穩(wěn)定的電源。 由于采用雙層設計，因此不可避免地將會使用到過孔。 下面再重點分析一下 布線 的過程。 開發(fā)板的 PCB 圖 將開發(fā)板的原理圖按照以上的步驟生成相應的 PCB 圖。 (2) 除電源 VCC 和接地端，其余腳都可以直接和普通的 5V 單片機 IO 口直接相連，無需電平轉換。當鍵按下后，基于單片機的無線點菜系統(tǒng)的硬件設計及實現(xiàn)