【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 L C D 顯示模塊蜂鳴器 圖 31 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖 最小 系統(tǒng) 模塊 系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用 STC89C52 當(dāng)作主控 CPU。 單片機(jī)最小系統(tǒng)，也 被稱作 單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)，是指用最少的元器件組合 使得 單片 機(jī)可以正常工作的系統(tǒng)。對(duì)于 51 系列的單片機(jī)來說，最小應(yīng)用系統(tǒng)一般包括： 51 單片機(jī)、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路。這里設(shè)計(jì)的 STC89C52 最小系統(tǒng)中包括復(fù)位電路、晶振電路并介紹了各部分的功能。 a）在 最小時(shí)鐘電路中，單片機(jī)將 XTAL XTAL2 和 RST 提供 出來給外圍時(shí)鐘電路和復(fù)位電路。 b） 復(fù)位 電路是 用來 將單片機(jī)系統(tǒng) 恢復(fù) 到初始狀態(tài)的一種電路設(shè)備 。在 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中復(fù)位電路可以確保 單片機(jī) 系統(tǒng)中電路可靠穩(wěn)定的工作 ， 復(fù)位電路的主要功能就是利用按鍵進(jìn)行上電 復(fù)位 。復(fù)位 電路 如圖 32所示。 基于 單片機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 VCC10uFC1110KR15RESET復(fù)位GND 圖 32 復(fù)位電路圖 c）晶振電 路 51 系列單片機(jī)時(shí)鐘模塊。 如 圖 33 所示 。 12Y130pFC130pFC2XTAL1XTAL2GND 圖 33 晶振電路 矩陣鍵盤電路設(shè)計(jì) 矩陣鍵盤是在單片機(jī)外部設(shè)備使用中 類似于矩陣排布的 鍵盤組。發(fā)送端 的矩陣鍵盤接線如圖 34 所示。 S1 S2 S3 S4S5 S6 S7 S8S9 S10 S11 S12S13 S14 S15 S16 圖 34 矩陣鍵盤 如 圖所示， 4*4 的 矩陣鍵盤一共使用了 8 個(gè) 數(shù)據(jù)口，其中水平的四根線接 在單片機(jī) 的 ~ 數(shù)據(jù)口 ，垂直的四根線接 ~ 數(shù)據(jù)口 。 在 P0 口 和矩陣鍵盤之間再并一個(gè) 1K 的 上拉電阻為鍵盤供電。 1K 的 上拉電阻不僅給矩陣鍵盤 提供 外部電源 同時(shí) 還將 P0 口的 電平穩(wěn)定在高電平， 如果 鍵盤中有按鍵被按下的話， 單 片機(jī)就能檢測(cè)到低電平， 繼而 單片機(jī)能判斷出鍵盤 中 有沒有 某個(gè) 鍵 被 按下 。 當(dāng)把單片機(jī)作為主控制器設(shè)計(jì)電路時(shí)，如果要使用比較多的按鍵的時(shí)候，我們鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 ( 2020) 7 一般可以用矩陣排列的方式來排列單個(gè)鍵盤，這樣做的目的是減少寶貴的數(shù)據(jù)口的占用比例。矩陣鍵盤是通過行線和列線交叉互錯(cuò)排列的，然而交叉點(diǎn)并沒有直接相連，而是通過一個(gè)獨(dú)立按鍵將行線和列線連接起來。這樣能產(chǎn)生的可使用的鍵盤數(shù)就是行線和列線根數(shù)的乘積。如整個(gè) P0 口最多能放置 4*4 個(gè)鍵盤用來構(gòu)成矩陣鍵盤。和獨(dú)立式鍵盤的接法相比，能用最少數(shù)據(jù)口組合出最多的按鍵。這樣，當(dāng)我們需要使用較多按 鍵時(shí)就能使用這種方式來節(jié)約 I/O 口的使用。 無線收發(fā)電路 設(shè)計(jì) 無線收發(fā)模塊的組成是： nrf24l01 為核心控制器，輔助以 16MHz 的時(shí)鐘電路，然后再在外圍電路中加入六個(gè) SPI、一個(gè)電源口、一個(gè)接地口。無線模塊的射頻技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是采用了全球的通用免費(fèi)頻段。 的頻段。 SPI 口的功能主要就是寫入數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)、讀出數(shù)據(jù)。在寫入的數(shù)據(jù)的時(shí)候速度可達(dá) 10MB/S,發(fā)送數(shù)據(jù)最大速度可達(dá) 2MB/S。芯片還具有許多比較好的功能，比如收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)能夠自動(dòng)應(yīng)答，以檢測(cè)數(shù)據(jù)是否發(fā)送成功同時(shí)又能知道接收方是否接 收成功。自動(dòng)重發(fā)功能可以在數(shù)據(jù)為接收成功的情況下，發(fā)送端根據(jù)檢測(cè)到的信號(hào)重新對(duì)接收端進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。無線模塊的工作能耗低，在發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候工作電流為 ，接收數(shù)據(jù)時(shí)的工作電流為 ，這種低能耗的產(chǎn)品正是適用于我們現(xiàn)在的低碳社會(huì)中?？梢杂行У膫鬏敂?shù)據(jù)，又能很好的較低能耗，深受廣大廠商的喜愛。還有空閑模式來進(jìn)一步減少能耗。在使用 nRF24 L01 時(shí)將其 CE、 CSN、 IRQ、 MISO、 MOSI、 SCK 六個(gè)引腳和 stc89 C52 的 P1 口相連接，為了防止電流過大而燒毀無線模塊，在單片 機(jī) P1 口與 nrf24l01 的各引腳之間串接一個(gè) 2K 的限流電阻 。 無線模塊 和單片機(jī) 的 連接圖如圖 35 所示 。 VCC1CE2CSN3SCK4MOSI5MISO6IRQ7GND8U3NIF24L01VCC12GND3U1LM1117104C3GND22ufC?GNDVCC1 162K2 152K3 142K4 132K5 122K6 112K 圖 35 nrf24l01 與單片機(jī)連接 基于 單片機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 無線模塊和 單片機(jī)相連接時(shí) 引腳 分配如表 31 所示 。 表 31 無線模塊引腳分配表 nrf24l01引腳 接法 VCC CE CSN CSK MOSI MISO IRQ GND 接地 在 為無線模塊提供 穩(wěn)壓模塊上，在其 端口需要 并聯(lián) 一個(gè) 104和 一個(gè) 22up 的 電容來過濾波形使得 nrf24l01 在無線收發(fā)時(shí) 更加 的順暢。 nrf24l01 概述 nrf24l01 內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊 ， 并融合了 Shock Burst 增強(qiáng)型技術(shù)，其中通信頻道和輸出功率可通過 C 程序進(jìn)行配置。nrf24l01 主要特性如下： GFSK 調(diào)制，硬件集成 OSI 鏈路層； 具有自動(dòng)應(yīng)答和自動(dòng)再發(fā)射功能； 片內(nèi)自動(dòng)生成報(bào)頭和 CRC 校驗(yàn)碼； 數(shù)據(jù)傳輸率為 l Mb/s 或 2Mb/s； SPI 速率為 0 Mb/s～ 10 Mb/s； 125 個(gè)頻道與其他 nRF24 系列射頻器件相兼容； QFN20 引腳 4 mm4 mm封裝； 供電電壓為 V～ V； 引腳功能及描述 nrf24l01 的引腳排列和封裝如圖 36 所示。 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 ( 2020) 9 CE1CSN2SCK3MOSI4MISO5IRQ6VDD7VSS8XC29XC110VDD_PA11ANT112ANT213VSS14VDD15IREF16VSS17VDD18DVDD19VSS20VSS20nrf24l01 圖 36 nrf24l01 封裝圖 CE：使能發(fā)射或接收； SCK， CSN， MISO ， MOSI： SPI 引腳端，單片機(jī)通過這 四個(gè) 引腳配置 nrf24l01； IRQ：中斷標(biāo)志位； VDD：電源輸入端（ +） ； VSS：電源地 (0V)； XC2， XC1： 16Mhz 晶振引腳； VDD_PA：給 無線模塊的 功率放大器提供 + V的 電源 ； ANT1,ANT2：天線接口； IREF：參考電流輸入。 工作模式 通過配置寄存器可將 nrf24l01 無線 收發(fā)模塊 配置為待機(jī)模式 、 掉電模式 、 發(fā)送模式 、接收模式這 四種工作模式，如表 32所示。 表 32 nrf24l01 主要 工作模式 模式 CE PWR_UP PRIM_RX FIFO 寄存器狀態(tài) 接收模式 1 1 1 發(fā)送模式 1 1 0 數(shù)據(jù)在 TX FIFO 寄存器中 發(fā)送模式 1→0 1 0 停留在發(fā)送模式，直至數(shù)據(jù)發(fā)送完 待機(jī)模 式 Ⅱ 1 1 0 TX_FIFO 為空 待機(jī)模式 Ⅰ 0 1 無數(shù)據(jù)傳輸 掉電 模式 0 基于 單片機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 待機(jī)模式 Ⅰ 主要用于降低元件 的 功率損耗，在此模式下晶振 依然 以 較低的頻率持續(xù)工作著 ；待機(jī)模式 Ⅱ 則是在當(dāng) TX_FIFO 寄存器為空且 CE 使能 時(shí)進(jìn)入這種模式。待機(jī)模式下，所有寄存器 配置的值 仍然保留。在掉電模式下元件 的功率 損耗為最小值，同時(shí) nrf24l01 處于 不工作狀態(tài) ，但所有寄存器 配置 的 內(nèi)容 保持不變。 工作原理 a）發(fā)送數(shù)據(jù)：首先將無線收發(fā)模塊配置為發(fā)送模式，將 9 字節(jié)寬的接收地址和9 字節(jié)寬的發(fā)送地址 TX_ADR 按照時(shí)序從 SPI 口寫入無線收發(fā)模塊的緩存區(qū)。初始化 I/O 口，將 CE 置低電平、拉高 CSN、 CSK 置低電平、。完成準(zhǔn)備工作后根據(jù) SPI協(xié)議，將有效數(shù)據(jù) TX_PLOAD 按照時(shí)序?qū)懭霟o線收發(fā)模塊的緩存區(qū)中。必須在 CSN置低電平后才能開始傳輸數(shù)據(jù)并且連續(xù)寫入。而接收和發(fā)送的地址只要在發(fā)送時(shí)寫入一次即可。選擇寄存器，同時(shí)返回狀態(tài)字，然后將數(shù)據(jù)寫入寄存器中，拉高 CSN，結(jié)束數(shù)據(jù)傳輸，返回寄存器。從寄存器中讀出接收通道和收發(fā)地址。使 CE 使能至少 10us，啟動(dòng)接收設(shè)備，延時(shí) 130us 后開始傳輸數(shù)據(jù)。如果發(fā)送模塊的自 動(dòng)應(yīng)答已經(jīng)開啟，那么 nrf24l01 將數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后即刻進(jìn)入接收模式，等待接收模塊的反饋信號(hào)（自動(dòng)應(yīng)答的接收地址和接收模塊的接收地址一樣都為 TX_ADR）。如果發(fā)送模塊接收到應(yīng)答，則默認(rèn)為此次發(fā)送通信已經(jīng)成功，將 TX_DS 拉高，同時(shí)將緩存中的有效數(shù)據(jù)清除；如果未能收到反饋信號(hào)，則發(fā)送模塊自動(dòng)啟動(dòng)重發(fā)功能，重新發(fā)送緩存中的有效數(shù)據(jù)（自動(dòng)重發(fā)已經(jīng)開啟，自動(dòng)重發(fā)計(jì)數(shù)器不等于 0，ENAA_P0=1）。如果重發(fā)次數(shù)（ ACR)到達(dá)上限（上限為自動(dòng)重發(fā) 10 次），將 MAX_RT電平拉高，保留緩存中的有效數(shù)據(jù)以便再次發(fā)送；是 IRQ 置低電平，產(chǎn)生中斷，通知單片機(jī)，減少單片機(jī)的查詢時(shí)間。發(fā)送數(shù)據(jù)成功后，如果將 CE 置低電平，則系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)模式 I ；如果不將 CE 置低電平，則系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將 TX FIFO 寄存器中的下一包數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送；如果 TX FIFO 寄存器為空并且 CE 為高則系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)模式 II。 b）接收數(shù)據(jù) ： 接收數(shù)據(jù)時(shí) ， 首先拉高 CE 將 nrf24l01 配置為接收模式，接著延遲 130μs后 檢測(cè) 空中 信息 等待 數(shù)據(jù)的到來 。接收到有效的數(shù)據(jù)包后（地址匹配、 CRC 檢驗(yàn)正確）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在 RX_FIFO 中，同時(shí) RX_DR 位置高 ， IRQ 置低，并產(chǎn)生中斷，通知 單片機(jī) 去讀取數(shù)據(jù)。如果使能 自動(dòng)確認(rèn)信號(hào) ， 則發(fā)送確認(rèn)信號(hào) 。最后接收成功時(shí)，若單片機(jī) 將 CE 口 置低，則 nrf24l01 進(jìn)入待機(jī)模式 1。在將 數(shù)據(jù) 寫入寄存器之前一定要進(jìn)入掉電模式或待機(jī)模式。 配置字 常用的配置寄存器如表 33 所示。 表 33 常用配置寄存器 地址（ H） 寄存器名稱 功能 00 CONFIG 設(shè)置 24L01 工作模式 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 ( 2020) 11 續(xù)表 33 01 EN_AA 設(shè)置接收通道及自動(dòng)應(yīng)答 02 EN_RXADDR 使能接收通道地址 03 SETUP_AW 設(shè)置地址寬度 04 SETUP_RETR 設(shè)置自動(dòng)重發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)間和次數(shù) 07 STATUS 狀態(tài)寄存器，用來判定工作狀態(tài) 0A~0F RX_ADDR_P0~P5 設(shè)置接收通道地址 10 TX_ADDR 設(shè)置接收接點(diǎn)地址 11~16 RX_PW_P0~P5 設(shè)置接收通道的有效數(shù)據(jù)寬度 LCD 顯示模塊 LCD1602 與單片機(jī) 連接如圖 37 所示 。 GND1VDD2V03RS4RW5E6D77D68D59D410D311D212D113D014VCC15GND16U4LCD160210KR2VCCGNDGNDVCCGNDVCC 圖 37 1602 連接圖 表 34 1602 各管腳和單片機(jī)連接 管腳號(hào) 符號(hào) 接法和功能 1 VSS 接地（ 電源地） 2 VDD 接 +5v電壓（電源電壓） 3 V0 調(diào)節(jié) LCD灰度 4 RS 發(fā)送端接 （寫命令和寫數(shù)據(jù)） 基于 單片機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 續(xù)表 34 5 R/W 接地 6 E 發(fā)送端接 （使能端） 7 DB0 接 P2數(shù)據(jù)口用于接收單片機(jī)傳出的數(shù)據(jù) 8 DB1 9 DB2 10 DB3 11 DB4 12 DB5 13 DB6 14 DB7 15 A 背光調(diào)節(jié)接 +5V 16 B 背光調(diào)節(jié)接 0V 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 ( 2020) 13 4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 總流程圖 設(shè)計(jì) 程序設(shè)計(jì)發(fā)送 端 總流程圖如圖 41 所示。 開始初始化配置無線模塊為發(fā)送模式按矩陣鍵盤輸入待發(fā)送數(shù)據(jù)將數(shù)據(jù)寫入 L C D發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送成功接收數(shù)據(jù)接收成功結(jié)束YYNN 圖 41 發(fā)送端程序 總流程圖 程序 設(shè)計(jì)接收 端程