【文章內(nèi)容簡介】 脈沖傳輸、藍牙技術(shù)、雷達波等，以 RS232 為標準的無線射頻通訊方式具有很多優(yōu)點，如可工作于 ISM 頻段，并有內(nèi)置 UART 接口，其應(yīng)用廣泛，價格低廉 [5]。 隨著集成電路工業(yè)的發(fā)展， 51 系列 單片機作為一個微控制器的內(nèi)核，被集成到各種片上系統(tǒng)（英文縮寫為 SoC）中。它只須占用很小的硅片上的面積，成本非常低，然后同其他程序存儲器、外圍電路等，組合成一個低功耗、低成本的片上系統(tǒng)。這些采用51 微處理器內(nèi)核的片上系統(tǒng)，一方面能繼續(xù)使用 51 微處理器幾十年來積累的各種應(yīng)用軟件資源，另一方面具有更多的功能、更快的速度、更小的體積、更低的功耗，因此，具有更廣闊的市場和發(fā)展空間。 STC89C51 最小系統(tǒng)簡介 控制器模塊主要采用 STC89C51RC，即屬 51 系列單片機。 STC89C51RC 系列單片機具 有抗干擾性強、超低功耗、高速可靠傳輸、價格低廉等特點。適用于工業(yè)控制、儀器儀表、電機控制、報警系統(tǒng)等領(lǐng)域。其工作頻率可達 48MHz。其指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051 單片機。工作電壓在 5V左右，用戶應(yīng)用程序控件最大可達 64K 字節(jié)。片上集成 RAM。支持 ISP 在系統(tǒng)可編程，即可通過串口直接下載用戶程序， 8K 程序 3 秒即可完成一片 [6]。內(nèi)部 Flash 擦寫次數(shù)為 100000 次以上， STC89C51RC/RD+系列單片機加密性強，出廠時就已加密。 STC89C51RC 系列單片機命名規(guī)則如下： STC 即為屬于 8051 系列； C 即代表工作基于 51 單片機收發(fā)系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā) 7 電壓在 ~ 之間； 51 代表程序控件大小是 4K 字節(jié)； RC 代表 RAM 大小為 512。 本 設(shè)計選用封裝形式為 PDIP40。共 40 引腳，其中共分為 P0， P1， P2， P3 四個 IO口。以 STC89C51RC 單片機為控制器，其最小系統(tǒng)簡單的由 STC89C51RC、按鍵、晶振、電容組成。 無線模塊的簡介 nRF24L01 簡介 無線模塊主要由具有 2Mbps 無線收發(fā)芯片 nRF24L01 構(gòu)成。 nRF24L01 是一款工作在 ~ 世界通用 ISM 頻段的單片無線 收發(fā)器芯片。無線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強型 SchockBurst 模式控制器、功率放大器、警惕振蕩器、調(diào)制器、解調(diào)器、輸出功率、頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過 SPI 接口進行設(shè)置。本設(shè)計中的 nRF24L01 選用的無線收發(fā)器類型為增強型 SchockBurst 模式控制器。 在增強型 SchockBurst 模式下， nRF24L01 有如下的特征： （ 1） 當工作在應(yīng)答模式下，快速的空中傳輸及啟動時間，極大的降低了電流消耗。 （ 2） 低成本。 nRF24L01 集成了所有高速鏈路層操作，比如：重發(fā)丟失數(shù)據(jù)包和產(chǎn)生應(yīng)答信號。無需單片機硬件上一 定有 SPI 口與其相連。 SPI 接口可以利用單片機通用 I/O 口進行模擬。 （ 3） 由于空中傳輸時間很短，極大的降低了無線傳輸中的碰撞現(xiàn)象。 （ 4） 由于鏈路層完全集成在芯片上，非常便于軟硬件的開發(fā)。 nRF24L01 工作電壓為 ~，具有 125 個可選工作頻道，最大數(shù)據(jù)傳輸率達到 2Mbps，且與 nRF24XX 系列完全兼容。 nRF24L01 一般工作于 ShockBurstTM 收發(fā)模式 。nRF24L01 支持多點間通信，最高傳輸速率超過 1Mb/s，具有比藍牙更高的傳輸速率 。由 MCU 發(fā)送讀取的數(shù)據(jù)值給 nRF24L01，同時與另 一個 nRF24L01 完成一個發(fā)送接收過程 。 其主要應(yīng)用在無線鼠標與鍵盤、無線數(shù)據(jù)通訊 、無線 門禁、安防系統(tǒng)、遙控裝置 、遙感勘測等領(lǐng)域 [8]。 因此，在設(shè)計 nRF24L01 電路圖的時候，需要綜合考慮引腳的具體接法和電容電阻阻值大小等因素，同時，天線也須仔細檢測。 nRF24L01 的 原理圖如圖 22 所示。 基于 51 單片機收發(fā)系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā) 8 圖 22 nRF24L01 原理圖 nRF24L01 的接收與發(fā)射 建立 nRF24L01 與 nRF24xx 接收數(shù)據(jù) 過程如下 ：使用與 nRF24L01 相同的 CRC 配置 、 設(shè)置 PRIM_RX 位為 相應(yīng)通道禁止自 動應(yīng)答 功能、 與發(fā)射模塊使用相同的地址寬度、 與發(fā)射模塊使用相同的 頻道、 在 nRF24L01 兩端都選擇 1Mbit/s 的數(shù)據(jù) 傳輸率、設(shè)置正確的數(shù)據(jù) 寬度、 設(shè)置 PWR_UP 和 CE為 高。 建立 nRF24L01 發(fā)射， nRF24xx 接收數(shù)據(jù) 過程如下： 使用與 nRF24L01 相同的 CRC配置、 設(shè)置 PRIM_RX 位為 0、 設(shè)置自動重發(fā)計數(shù)器為 0 禁止自動重發(fā) 功能、 與 nRF24L01使用相同的地址 寬度、 與 nRF24L01 使用相同的 頻道、 在 nRF24L01 和 nRF24L01 兩端都選擇 1Mbit/s 的數(shù)據(jù) 傳輸率、 設(shè)置 PWR_UP 為 高、 發(fā)送與 nRF24L01 寄存器配置數(shù)據(jù)寬度相同的數(shù)據(jù) 長度、 設(shè)置 CE為高啟動 發(fā)射。 基于 51 單片機收發(fā)系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā) 9 主要工作是通過 SPI 時序與控制器相連，在寫寄存器之前一定要進入待機模式或掉電模式，其中， Cn為 SPI 指令位； Sn為狀態(tài)寄存器位； Dn為數(shù)據(jù)位 [9]（由低字節(jié)到高字節(jié)，每個字節(jié)中高位在前）。 加速度傳感器模塊設(shè)計 目前，加速度傳感器在汽車感應(yīng)、手持電話、游戲控制等領(lǐng)域得到了很廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計中，以 MXC6225 為傳感器芯片的電路主要由 MXC622電容、電阻即可構(gòu)成。 MXC6225 是由美新公司推出的具有數(shù)字化熱對流方向定位 的傳感器（ DTOS），MXC6225 具有超低成本、兩軸運動等特點。主要針對移動電話、玩具、游戲、數(shù)碼相機、平板電視等消費類電子產(chǎn)品的低成本應(yīng)用而設(shè)計，因此，使用在數(shù)百萬計的產(chǎn)品中。 MXC6225 具有一個 I2C 接口，電源關(guān)閉模式，操作電壓為 ~ 之間 [7]。 CMOS 工藝 制造，并采用 3 3 LCC 密封。 液晶顯示模塊設(shè)計 本系統(tǒng)采用字符型 1602LCD 液晶顯示模塊 。 1602LCD 字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等點陣式 LCD，目前 常用 16 1， 16 2， 20 2 和 40 2 行等的模塊。本設(shè)計采用 16 2 液晶顯示。 1602LCD 分為帶背光和不帶背光兩種?；究刂破鞔蟛糠譃?HD44780，帶背光的比不帶背光的厚，是否帶背光在應(yīng)用中并無差別。且?guī)П彻鈽藴?16 腳，不帶背光標準14 腳。 1602LCD 主要技術(shù)參數(shù)如下：顯示容量為 16 2 個字符 、 芯片工作電壓在~、 工作電流為 （ ）、 模塊最佳工作電壓為 、 字符尺寸為 （ W H） mm。其引腳信息如圖 23 所示。 圖 23 1602LCD 引腳圖 基于 51 單片機收發(fā)系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā) 10 本設(shè)計所采用的 1602 字符型液 晶顯示器實物如圖 24 所示。 圖 24 液晶屏實物圖 小結(jié) 本章首先根據(jù)控制系統(tǒng)功能進行硬件總體設(shè)計，然后對各個模塊進行了電路的 設(shè)計， 主要包括單片機最小系統(tǒng)電路設(shè)計、傳感器模塊設(shè)計和無線模塊的設(shè)計。最后 設(shè)計了 單片機與 LCD 驅(qū)動系統(tǒng)的連接電路 。 基于 51 單片機收發(fā)系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā) 11 第三章 系統(tǒng)軟 件設(shè)計 開發(fā)環(huán)境 基于 51 單片機的無線數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)的硬件采用 STC89C51 芯片，該芯片的開發(fā)編譯平臺有許多，開發(fā)工具都能輕易的獲取到，而且其中有一些還是免費并開源的。開發(fā)平臺大體分為兩類： （ 1） 一類是開源、免費的大眾型的開發(fā)平臺； （ 2） 一類是要收費的 “專業(yè) ”性質(zhì)的開發(fā)平臺。 這里采用 ARM MDK 開發(fā)軟件， ARM MDK 為 ARM RealView 與 Keil微控制器開發(fā)平臺融合的產(chǎn)物，也叫 Keil MDK。 ARM MDK 是一個完全基于 ARM 核心的微控制器而打造的開發(fā)平臺， ARM MDK 具有功能完整、易于使用 ，具有無縫的工具集 [10]。 選定開發(fā)環(huán)境以后，還不能立即開發(fā) STC89C51，首先需要復(fù)制 STC89C51 的啟動文件到工程文件夾中，工程最基本的文件格式為 boot、 interrupt、 src、 library、 list、 obj共六個文件夾。 STC89C51 的啟動文件設(shè)置完后，要進行工程的建立了，首先工程建立的文件夾中需要把 STC89C51 的啟動文件加進去，然后，在工作區(qū)中，添加工作組，然后，要設(shè)置Keil 工程的 options，其中有芯片的具體型號，有 output、 listing 的文件路徑，分別為工程中的 obj 和 list 文件夾，基本設(shè)置完成了，就可以在 main 中寫程序了。 下面來介紹下相關(guān)知識與組件， Keil MDK 又可以稱為 ARM MDK，可以看出現(xiàn)在Keil 公司為 ARM 所收購了， MDK 全稱為： Microcontroller Develop Kit，意為微控制器開發(fā)套件，包括了 Keil 公司的 IDE 環(huán)境 uVision、 ARM 公司的編譯器 RVCT、 Flash 下載軟件模塊還有在線調(diào)試仿真器等。編寫程序代碼、編譯程序、下載程序、調(diào)試程序、輸出既定格式的文件等也是集成開發(fā)環(huán)境的主要工作。 主程序設(shè)計 主程序 完成系統(tǒng)初始化及各個程序之間的聯(lián)系任務(wù)。主程序設(shè)計方案如圖 31 所示 。 基于 51 單片機收發(fā)系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā) 12 初 始 化 L C D初 始 化 I2C、mxc622 nRF24L01開 始讀 取 m xc6225nR F24L 01發(fā) 送 、 接 收 完 成初 始 化 SPI總 線M C U控 制L C D液 晶 顯 示完 成 圖 31 主程序流程圖 主程序流程圖 31 的說明：首先是開始，然后清除數(shù)據(jù)區(qū)，設(shè)定參數(shù)初值，初始化I2C 和 SPI 總線，再初始化各個器件，包括： mxc622 nRF24L0 LCD，讀取 mxc6225，接著由 MCU 發(fā)送讀取的數(shù)據(jù)值給 nRF24L01，同時與另一個 nRF24L01 完成一個發(fā)送接收過程，由另一個 MCU 控制與其相連的 LCD，達到實時顯示的效果。 系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括發(fā)射端單片機控制軟件、接收端單片機控制軟件組成。采用 C 語言編程，實現(xiàn)模塊化設(shè)計 ,即系統(tǒng)初始化、 nRF24L01 發(fā)送的初始化及發(fā)送時序、nRF24L01 接收的初始化及接收時序 。其中 ， 系統(tǒng)初始化包含對單片機引腳的配置、nRF24L01 無線模塊寄存器配置及 模擬 SPI 方式訪問寄存器配置等。 發(fā)射端單片機控制軟件接收 PC 機傳送的數(shù)據(jù)和參數(shù)進行 nRF24L01 模塊的設(shè)置，在設(shè)置完成后等待外部脈沖信號的輸入，在外部中斷的上升沿來臨的一刻給發(fā)射前端供電，從而將數(shù)據(jù)發(fā)射出去。需要在發(fā)射中斷里判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)射成功，只有發(fā)射成功是基于 51 單片機收發(fā)系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā) 13 才點亮 LED 指示燈，最后清除 nRF24L01 的標志寄 存器使其進入接收狀態(tài)，在接收到對方的握手信號后重新進入發(fā)射狀態(tài)。 接收端單片機控制軟件先接收 PC 機通過 UART 串口傳送的地址等參數(shù)，將nRF24L01 設(shè)置為接收模式以接收檢測信號。 傳感器采集數(shù)據(jù)子程序設(shè)計 美新公司生產(chǎn)的加速度傳感器 mxc6225 穩(wěn)定性較好， 低成本且支持雙軸。 傳感器的讀寫，需配置在上電過程中進行。 同時，對 傳感器 進行 讀寫數(shù)值，需 嚴格 按照其時序圖進行讀寫 。 傳感器時序圖如圖 32 所示。 圖 32 時序圖 這種傳感器檢測四個方向的位置、搖動搖的方向。此外，它提供了非常低的 X/Y軸加速度 信號抵銷。利用 I2C 總線（主要通過串行時鐘線 SCL 和串行數(shù)據(jù)線 SDA）與MCU 進行通信，即主設(shè)備是 MCU，從設(shè)備為 mxc6225。 只有當 SCL 為低時， SDA 上的數(shù)據(jù)才可以進行改變。當 SCL 為高時，同時， SDA由高電平到低電平的變化表示開始信號。而當 SCL 為高時，同時， SDA 由低電平到高電平的變化表示停止信號。當不進行數(shù)據(jù)傳輸發(fā)送即不使用兩接口時， SCL 和 SDA 均為高。 無線發(fā)射接收子程序設(shè)計 nRF24L01 是一種單片的無線收發(fā)器，在一個無線通信系統(tǒng)里， nRF24L01 需要與一個作為控制器件的單片 機及若干被動組件一起使用，才能成為一個最簡單的無線通信系統(tǒng) [13]。 nRF24L01 采用串行外圍設(shè)備接口 SPI（ Serial Peripheral Interface）與單片機連基于 51 單片機收發(fā)系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā) 14 接，單片機工作在 SPI 的主機模式， nRF24L01 工作在從機模式 。 其具有高達 2Mbps 的傳輸速度；內(nèi)置 CRC 校驗和出錯重傳機制；以及在 2Mbps 速度下接收電流為 ，0dBm發(fā)送電流為 的低功耗等特點。 STC89C51 單片機通過 SPI 接口控制 nRF24L01 的主要操作參數(shù)，并同 nRF24L01進行通信， SPI 標準 接口包括主輸出、從輸入（ MOSI）和主輸入、