【導(dǎo)讀】師的指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加。而使用過的材料。均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文。不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學(xué)可以將本學(xué)位。印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。程序清單等），文科類論文正文字?jǐn)?shù)不少于萬字。有圖紙應(yīng)符合國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程。設(shè)計是否有創(chuàng)意？

　　

【正文】 ： PDIP40， PLCC44,PQFP44 使用這種單片機做開發(fā)板，最大的優(yōu)勢就在于它支持 ISP，這樣不用購買昂貴的基 于單片機的無線點菜系統(tǒng)的硬件設(shè)計及實現(xiàn) 第三章 硬件系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn) 編程器 / 仿真器 ，直接通過串口線就能實現(xiàn)在線編程。而且內(nèi)部集成了看門狗和Flash，簡化了 PCB 板的制作。 指令代碼與 51 單片機兼容，這樣可以用常用的 51 單片機軟件開發(fā)工具開發(fā)驅(qū)動程序。 開發(fā)板的各個組成部分原理圖以及功能 整個 開發(fā)板 是由單片機最小系統(tǒng)和它的一些外圍電路組成，單片機最小系統(tǒng)做為整個開發(fā)板的控制中心，控制各個外圍電路協(xié)調(diào)工作，完成系統(tǒng)設(shè)計的功能。整個系統(tǒng)原理圖見附錄 2，下面詳細敘述各個組成部分的原理及各自實現(xiàn)的功能。 原理圖由 Protel 99SE[18][19]繪制。 單片機最小系統(tǒng)組成電路 單片機最小系統(tǒng)是整個開發(fā)板的控制中心，它由電源，復(fù)位電路和晶振組成。電源采 用 5V供電，晶振為 12MHZ。為了便于調(diào)試，將 和發(fā)光管相連，發(fā)光管為共陽極連接，這是因為開發(fā)板初上電或者或者復(fù)位后，所有的 I/O 口均為高電平。由于不使用外部存儲器，因此將 EA 接高電平。為了方便調(diào)試和降低成本，因此選用 USB（ Universial Serial Bus,通用串口總線 ） 方式供電。 USB 的即插即用特性，使對開發(fā)板供電非常方便。 圖 所示為單片機最小系統(tǒng)。 圖 單片機最小系統(tǒng) 基 于單片機的無線點菜系統(tǒng)的硬件設(shè)計及實現(xiàn) 第三章 硬件系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn) 串行口電平轉(zhuǎn)換部分 大多數(shù) PC 機都有一個串行通訊端口 RS232 用于兩臺計 算機間進行串行通訊。RS 232 通訊接口是一種標(biāo)準(zhǔn)化的串行接口，是為 DTE(Data Terminal Equipment，遠程通訊連接終端設(shè)備 )與 DCE (Data Communication Equipment， 數(shù)據(jù)通訊設(shè)備 )定義的物理接口。 RS232 采用非平衡連接 (又稱為單端線路 )，在這個線路中，信號電壓加到一條導(dǎo)線上，所有的信號電壓都使用一個公共的接地線。為了提高抗干擾能力和增加傳送距離， RS 一 232 的每個腳線的信號和電平規(guī)定采用負(fù)邏輯電平，DC(15 一 5V)規(guī)定為邏輯“ 1” ,DC(+ 5— +15V)規(guī)定邏輯“ 0” , DC(5一 +5V 規(guī)定為過渡區(qū) )。由于單片機的輸入、輸出電平為 TTL 電平，與 PC機 RS232 標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)換。選用的電平轉(zhuǎn)換芯片為 MAX232，它的工作電壓為 +5V，和單片機的工作電源相同。 由于 STC89C58RD+單片機支持 ISP 下載，因此通過這個串行口既可以用來和 PC 機通信，又能將程序下載到單片機，不用購買昂貴的編程器。圖 所示為串口電平轉(zhuǎn)換部分。 圖 串口電平轉(zhuǎn)換部分 基 于單片機的無線點菜系統(tǒng)的硬件設(shè)計及實現(xiàn) 第三章 硬件系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn) LED 部分 由于單片機復(fù)位后，各個引腳輸出都為高電平，因此選用共陰極的 LED 數(shù)碼管。每個數(shù)碼管的使能端 1,2,3,4 分別接到 ,，當(dāng)向使能端輸出低電平，即可選通相對應(yīng)的數(shù)碼管。 74LS244為三態(tài)輸出的八組緩沖器和總線驅(qū)動器 ,選用的四位八段數(shù)碼管本身已經(jīng)集成了譯碼器，這樣既簡化了線路的連接，又降低了錯誤發(fā)生的概率 。 圖 為 LED 部分。 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。而開發(fā)板的電源為 5V，因此為了使系統(tǒng)工作，必需要有 5V 電平轉(zhuǎn)換 為 電平的 部分 。為了實現(xiàn)這一過程，選用 作為核心芯片。LM1117 是一個低壓差電壓調(diào)節(jié)器系列 ， 其壓差在 輸出，負(fù)載電流為 800mA 時為。 LM1117 提供電流限制和熱保護 ， 電路包含 1 個齊納調(diào)節(jié)的帶隙參考電壓以確保輸出電壓的精度在177。 1%以內(nèi)。 LM1117 系列具有 LLP、 TO26 SOT22 TO220 和TO252 DPAK 封裝 ；此外為了使兩個模塊直接相連，將 P2 口的部分引腳用排針引到基 于單片機的無線點菜系統(tǒng)的硬件設(shè)計及實現(xiàn) 第三章 硬件系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn) 一起 ， 排針間距為 100mil,標(biāo)準(zhǔn) DIP 插針 。 圖 為開發(fā)板和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊接口部分，圖 為 5V 電平轉(zhuǎn) 電平部分。 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(zhuǎn) 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。有四個按鍵開關(guān)構(gòu)成，分別為 S5(), S6(), S7(), S5(),正常情況下均為高電平。當(dāng)鍵按下后，基 于單片機的無線點菜系統(tǒng)的硬件設(shè)計及實現(xiàn) 第三章 硬件系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn) 輸出為低電平。由于四個鍵盤的組成一樣，這里只畫出了 S5 的電路圖。 圖 為鍵盤部分。 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊 通過仔細的比較和反復(fù)的論證后，決定選用 nRF2401 芯片作為無線模塊的核心芯片，它的特點在上一章已經(jīng)詳細論述，這里不在重復(fù)。 nRF2401 芯片的典型應(yīng)用電路如 圖 所示。 圖 nRF2401 芯片的典型應(yīng)用電路 從圖 11 可以看出，只需要很少外圍電路就可以組成無線數(shù)據(jù)傳輸模塊。 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。推薦電壓 左右。 (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(zhuǎn)換。當(dāng)然對 3V 左右的單片機更加適用了。 (3) 硬件上面沒有 SPI 的單片機也可以控制本模塊，用普通單片機 IO 口模擬SPI 不需要單片機真正的串口介入，只需要普通的單片機 IO 口就可以了，當(dāng)然用串口也可以了。 基 于單片機的無線點菜系統(tǒng)的硬件設(shè)計及實現(xiàn) 第三章 硬件系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn) (4)6 腳， 12腳為接地腳 ,需要和 開發(fā) 板的邏輯地連接起來 。 圖 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊與開發(fā)板的接口電路 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊和開發(fā)板的 PCB 圖設(shè)計 PCB 板是一塊絕緣材料 ，在表面合理安放各種電子元件，并安排連接電子元件引腳間的銅膜導(dǎo)線 ，在不同的表面間有連接不同表面的銅導(dǎo)孔。 隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展進步， PCB 在復(fù)雜程度和應(yīng)用范圍方面都有了長足的進步，按復(fù)雜程度來分，可以將 PCB 板分為 3 類： ； 路板； 。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。 PCB 的生 成主要由 四 個過程組成：其一是原理圖的生成 ； 其二是根據(jù)已經(jīng)生成的原理圖產(chǎn)生 對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)表 ， 網(wǎng)絡(luò)表是 PCB 圖和原理圖的紐帶； 第三步是 新建一個 PCB文件，并導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)表；第四步是將合理布局元件，并用導(dǎo)線將元件的引腳連起來。 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(yīng)的 PCB 圖。如圖 所示： 在 PCB 圖 設(shè)計 的所有過程 中， 原理圖在上一節(jié)已經(jīng)生成。網(wǎng)絡(luò)表的生成也比較簡單。由于 PCB 圖上使用元件的封裝來代表元件，因此原理圖中各個元件都要明確有自己的封裝方式，而且在繪制 PCB 圖前必須將用到的封裝所 在的封裝庫調(diào)入。否則，在調(diào)入網(wǎng)絡(luò)表的過程中將會出現(xiàn)元件丟失的錯誤。 基 于單片機的無線點菜系統(tǒng)的硬件設(shè)計及實現(xiàn) 第三章 硬件系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn) 圖 開發(fā)板的 PCB 圖 開發(fā)板上主要用到兩個封裝庫： USB電源接口，電源開關(guān) ，鍵盤和 四位八段數(shù)碼管沒有對應(yīng)的封裝，因此需要使用元件庫編輯器建立新元件封裝。 圖 為鍵盤封裝，圖 為 USB 封裝，圖 為開關(guān)封裝，圖 為四位八段數(shù)碼管封裝。 圖 鍵盤封裝 圖 USB 封 裝 基 于單片機的無線點菜系統(tǒng)的硬件設(shè)計及實現(xiàn) 第三章 硬件系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn) 圖 開關(guān)封裝 圖 四位八段數(shù)碼管封裝 各個元件的封裝的引腳的序號必須和原理圖中引腳的序號保持一致，不然將會在調(diào)如網(wǎng)絡(luò)表過程中出現(xiàn)管腳丟失的錯誤。 下面 再 重點分析一下 布線 的過程。 布線 是完成產(chǎn)品設(shè)計的重要步驟，可以說前面的準(zhǔn)備工作都是為它而做的，在整個 PCB 中，以布線的設(shè)計過程限定最高，技巧最細、工作量最大。 本系統(tǒng)的 PCB 布線 為 雙面布線 ， 布線的方式有兩種：自動布線及交互式布線 。但由于自動布線效果不好 ，往往實際的效果和預(yù)計效果有很大的出入，因此全部使用 交互式布線 。 布線過程中充分考慮到如何降低元件字之間互相的干擾。 首先 根據(jù)印制線路板電流的大小，盡量加租電源線寬度，減少環(huán)路電阻 ， 它們的關(guān)系是：地線＞電源線＞信號線 。 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。 線條有講究：有條件做寬的線決不做細；高壓及高頻線應(yīng)園滑，不得有尖銳的倒角，拐彎也不得采用直角 。 由于采用雙層設(shè)計，因此不可避免地將會使用到過孔。 過孔太多，沉銅工藝稍有不慎就會埋下隱患。所以，設(shè)計中應(yīng)盡量減少過線孔。 此外，應(yīng)該 合理布置電源濾波 /退耦電容：一般在原理圖中僅畫出若干電源濾波 /退耦電容，但未指出它們各自應(yīng)接于何處。其實這些電容是為開關(guān)器件 (門電路 )或其它需要濾波 /退耦的部件而設(shè)置的，布置這些電容就應(yīng)盡量靠近這些元部件，離得太遠就沒有作用了。 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的 PCB 圖 由于無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的核心芯片工作在 ，因此在設(shè)計 PCB 圖時對干擾的控制要格外重視。 在 PCB 設(shè)計時，必須考慮到各種電磁干擾，注意調(diào)整電阻、電容和電感的位置，特別要注意電容的位置。 nRF2401 的 PCB 為 雙層板，底層一般不放置元 件，頂層的空余地方敷上銅，這些基 于單片機的無線點菜系統(tǒng)的硬件設(shè)計及實現(xiàn) 第三章 硬件系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn) 敷銅通過過孔與底層的地相連。 nRF2401 的供電電源應(yīng)通過電容隔開，這樣有利于給nRF2401 提供穩(wěn)定的電源。在 PCB 中，盡量多打一些通孔，使頂層和底層的地能夠充分接觸。 nRF2401 模塊 的 PCB 如圖 所示。 圖 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的 PCB 圖 基 于單片機的無線點菜系統(tǒng)的硬件設(shè)計及實現(xiàn) 第四章 硬件驅(qū)動程序和串行口調(diào)試工具 第 四 章 硬件 驅(qū)動程序和串行口調(diào)試工具 驅(qū)動程序是硬件電路的靈魂，沒有驅(qū)動的硬件電路是沒有用的。 STC89C58RD+是51 類單片機， 可以像開發(fā)其他 51 單片機驅(qū)動一樣開發(fā)它的驅(qū)動程序 。單片機軟件開發(fā)平臺選擇比較流行的 Keil uVision2，因為現(xiàn)在關(guān)于 Keil uVision2 軟件的資料很多，這樣上手就會很快。 串行口調(diào)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)。選用 Visual C++ 來開發(fā)串行口調(diào)試工具， Visual C++ 是微軟公司推出的一款優(yōu)秀開發(fā)工具，代碼緊湊，運行速度快，而且比較適合低層開發(fā)。 硬件驅(qū)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。由于兩端的地位和功能不同，因此對應(yīng)的驅(qū)動程序也不同。 使用 Keil uVision2 開發(fā)硬件驅(qū)動程序 ， 它支持眾多不同公司的 MCS51 架構(gòu)的芯片，它集編輯，編譯，仿真等于一體，同時還支持， PLM，匯編和 C語言的程序設(shè)計，它的界面和常用的微軟 VC++的界面相似，界面友好，易學(xué)易用，在調(diào)試程序，軟件仿真方面也有很強大的功能。因此很多開發(fā) 51應(yīng)用的工程師或普通的單片機愛好者，都對它十分喜歡。 51 的編程語言常用的有二種，一種是匯編語言，一種是 C 語言。匯編語言的機器代 碼生成效率很高但可讀性卻并不強，復(fù)雜一點的程序就更是難讀懂，而 C 語言在大多數(shù)情況下其機器代碼生成效率和匯編語言相當(dāng)，但可讀性和可移植性卻遠遠超過匯編語言，而且 C 語言還可以嵌入?yún)R編來解決高時效性的代碼編寫問題。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。綜合以上 C語言的優(yōu)點，在開發(fā)時選擇了 C51語言 . 主機端硬件驅(qū)動程序 主機端的硬件驅(qū)動程序主要有兩種功能：實現(xiàn)開發(fā)板通過串行口和 PC機通信；