基于单片机的无线表决器设计电子信息工程大学论文.docx
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基于单片机的无线表决器设计电子信息工程大学论文
湖州师范学院求真学院
毕业设计（论文）
2014届
题目基于单片机的无线表决器设计
专业电子信息工程
学生姓名
学号10283441
指导教师
论文字数约1万1千
完成日期2014-02-20
湖州师范学院求真学院教务部印制
基于单片机的无线表决器设计
摘要：
根据STC89C52单片机和无线表决系统的特点，本文介绍了一种用单片机控制液晶LCD屏显示模拟表决结果的方法。
同时从无线表决器的模块选择，电路分析，软件程序设计等方面，介绍了无线表决器的各个模块的功能，电路的功能，以及各个模块电路中元器件的作用。
该设计具有用户自行投票，液晶显示投票结果和投票数目的功能。
该设计基本能达到会议投票表决目的，设计具有成本低、效果好等优点，无论对于科学研究还是市场价值都有一定的意义。
关键词：
无线表决，单片机，LCD1602液晶显示，按键模块
TheDesignofWirelessVotingDevicebasedonMCU
Abstract:
According to the characteristics of STC89C52 single-chip microcomputer and wireless voting system, this paper presents a LCD screen display with a single chip analog control vote.In this paper, wireless voting systerm based on MCU is discussed mainly from the aspect of the module selection, circuit analysis and software design. This paper introduces the function of each module, the function of the circuits and the action of the components in the circuits. The design has the user to vote, the voting results and the number of votes for liquid crystal display function. This design can basically achieve the purpose of the conference voting, and have the advantages of low cost, good effect, and certain significance both for scientific research and market value.
Keywords：
Wirelessvoting, singlechip, LCD1602display, keyboardmodule
目录
第一章绪论1
1.1引言................................................................................................................................................1
1.2无线表决器的研究现状与发展趋势............................................................................................1
1.2.1研究现状1
1.2.2发展趋势2
1.3本章小结........................................................................................................................................2
第二章系统硬件设计3
2.1系统整体的设计方案与选型比较................................................................................................3
2.2系统硬件总体框图........................................................................................................................3
2.3单片机最小系统............................................................................................................................4
2.3.1单片机的选型与比较4
2.3.2单片机STC89C52简介4
2.3.3复位电路4
2.3.4晶振电路5
2.4无线模块的设计............................................................................................................................5
2.4.1无线模块的选型与比较5
2.4.2无线模块电路的设计6
2.4.3NRF24L01工作模式6
2.4.4寄存器配置7
2.5显示模块的设计............................................................................................................................7
2.5.1显示模块的选型与比较7
2.5.2显示模块电路的设计7
2.6按键电路........................................................................................................................................8
2.7电源模块的设计............................................................................................................................9
2.8辅助电源的设计..........................................................................................................................10
2.8.1X1117简介10
2.8.2X1117稳压电路的设计10
2.9本章小结......................................................................................................................................11
第三章系统软件设计12
3.1主机流程图..................................................................................................................................12
3.2从机流程图..................................................................................................................................12
3.3NRF24L01无线模块流程图.......................................................................................................13
3.3.1无线发送模式流程图13
3.3.2无线接收模式流程图14
3.41602液晶流程图.........................................................................................................................15
3.5按键扫描流程图..........................................................................................................................16
3.6本章小结......................................................................................................................................17
第四章系统综合测试18
4.1系统综合测试思路......................................................................................................................18
4.2硬件测试......................................................................................................................................18
4.3软件测试......................................................................................................................................18
4.4本章小结......................................................................................................................................19
第五章结论20
5.1实物成果......................................................................................................................................20
5.2设计总结......................................................................................................................................20
参考文献22
致谢24
附录1：
主机电路图25
附录2：
从机电路图26
第一章绪论
1.1引言
随着社会的不断发展，各种各样的电子科技技术不断产生，越来越多的新产品被不断的需求。
这个时候，表决器就以它瘦小的身姿挤进了社会这个大舞台。
目前，表决器在学校、企业、政府的各种会议上和电视娱乐等节目上被广泛的应用。
表决器不仅节省了人力物力财力，使计算错误的概率大大降低。
而且保证了投票结果的隐私性，保密性，可靠性，科学性，并在一定程度上减少统计时间的浪费，提高工作效率，更加真实准确的做出决议。
目前，市场上的表决器主要分为两种类型：
有线表决器和无线表决器，一般是由有线网络构成。
不过有线表决器布线比较复杂，节点较多，使用起来故障比较多而且不容易排除，使用者也很不方便。
无线表决器具有一些有线表决器没有的优点，例如低成本，比较少的接口故障，应用范围广泛，灵活性能比较好，系统测试很简单，节省了布线繁琐的过程。
近年来，近距离无线传输技术和无线局域网的快速发展使得无线表决系统可以通过无线技术来实现。
采用无线表决的方式，可以快速处理大量的信息，在短时间里面就可以完成表决的过程。
实时的显示表决的信息，民主公正，简洁明了，直观方便。
更加可以体现出表决的实际意义。
既提高了工作效率，又起到了应有的目的。
所以，综上所述，无效表决器系统的研究，具有一定的市场价值和研究意义。
1.2无线表决器的研究现状与发展趋势
1.2.1研究现状
基于ZigBee技术的无线表决系统的设计，具有构造简单，功耗低，容易扩展，时延短，成本低，安全等特点。
但是，ZigBee技术最大的特点是短距离，低速率，一般用于数量较少，范围较小的场合[1][2]。
基于MSP430单片机的无线表决系统设计,是一种基于MSP430F123和nRF905的无线表决系统的硬件和软件设计和实现。
该系统具有低功耗、功能强、可靠性高和使用方便的优点[3]。
基于Dolphin芯片组的大型无线表决系统设计，该系统具有良好的保密性、传输距离长、容易发展和强大的可扩展性的特点.该方案采用跳频技术，该技术在跳频无线领域的性能表现都不错,但也限制了其在其他领域的应用[4]。
基于CC1100的新型无线投票表决器设计与实现实现了非接触式射频卡储存个人信息,节省了时间人力和物力，并具有可靠性高和容易扩展的特点[5]。
基于RFID和RS485总线的无线表决系统，一种基于射频识别和RS485技术的无线表决系统，该系统具有低功耗、可靠性高、稳定性好、成本低，安装方便等特点，它的整体功能和各项指标都具有非常高的实用性[6]。
基于AT89C系列单片机的表决系统的设计，功能强大，性能优越，性价比较高，可以实现大规模、中距离，高传输速率、成本低的主从通信，一主多从、主从呼叫相应的串行通信[7]。
1.2.2发展趋势
由于有线表决器系统布线具有繁琐的布线过程，结构复杂，困难的安装、调试和维护，故障率高，占地面积广，使用不便。
所以，设计出了无线表决器。
一开始出现的无线表决器构造简单，功耗低，容易扩展，时延短，成本低，安全等特点[8-9]。
但是，距离比较短，速率比较低，只能用于数量较少，范围较小的场合[1][2]，显然这不满意的无线表决系统，于是又慢慢设计出了传输距离远的基于Dolphin芯片组的大型无线表决系统，然而该系统采用跳频技术，该技术在跳频无线领域的性能表现都不错,但也限制了其在其他领域的应用[4]。
后来，出现的一款表决器采用了非接触式射频卡储存个人信息,省了时间人力和物力，并具有可靠性高和容易扩展的特点[5]。
一直到现在的单片机，可以实现大规模、中距离，高传输速率、成本低的主从通信，一主多从、主从呼叫相应的串行通信[7]。
我相信，以后的表决器的设计会越来越贴合人们的需要。
1.3本章小结
因为无线通信的产生，因为表决的发展，因为民主的需求，因为效率的要求，使得无线表决器的产生成了个必然的结果。
无线表决器出现的地方也越来越广，使人们的生活也越来越便利，所以无线表决器的出现非常有意义与价值。
而我要做的无线表决器主要有一个计算机，一个主控制器，若干个分支控制器和若干个表决器组成。
主控制器、分支控制器和表决器部分用单片机和总线技术来实现。
主控制器与分支控制器、分支控制器与表决器构成一个符合通信规范，又可以彼此串行连接的多单片机网络。
最后使主控制器到分支控制器，再到表决器实现通信方式。
使系统可以直接进行无线投票、采集数据、快速的统计数据进行汇总、准确的显示投票的结果。
当然，无线表决器出来的数据要准确，可靠，快捷，操作尽量简便，性能稳定，还要方便维护，总的来说要性价比高。
第二章系统硬件设计
2.1系统整体的设计方案与选型比较
方案一：
基于ZigBee技术的无线表决系统的设计，具有构造简单，功耗低，容易扩展，时延短，成本低，安全等特点。
但是，ZigBee技术最大的特点是短距离，低速率，一般用于数量较少，范围较小的场合[1][2]。
方案二：
基于单片机的表决系统的设计，功能强大，性能优越，性价比较高，可以实现大规模、中距离，高传输速率、成本低的主从通信，一主多从、主从呼叫相应的串行通信[7]。
综上所述，方案二性价比高，且控制效果好，电路也较为简单，可以使用所学的知识进行设计，所以综上所述，故选择方案二。
2.2系统硬件总体框图
图2-1主机硬件总体方案和框图
图2-2从机硬件总体方案和框图
系统的硬件总体方案如2-1所示，本设计使用STC89C52单片机为主控芯片，整个系统由两部分组成,图2-1的主机的硬件框图和图2-2的从机的硬件框图。
其中，主机由单片机、5V1A电源电路、12MHZ时钟电路、复位电路、无线模块NRF24L01、液晶LCD1602等组成。
从机由无线模块、按键电路、12MHZ时钟电路、和复位电路组成。
因为输入的是5V直流电源，而无线模块NRF24L01的工作电压是1.9~3.6V，所以电路中添加了一个稳压电路。
电源电压通过X1117的稳压芯片，然后再经过两个并联的电容，给无线模块NRF24L01供电。
2.3单片机最小系统
2.3.1单片机的选型与比较
方案一：
采用8051单片机。
8051单片机作为初代的单片机，其内存为4KB。
其片内程序存储器ROM为掩膜型，在制造芯片时，已将应用程序固化进去，使它具有了某种专用功能。
方案二：
采用STC89C52单片机[8]。
STC89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用STC公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，STC89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。
就两种方案而言，无论是从运行速度、内存，还是性价比等方面，STC89C52单片机都明显优越于8051单片机，故这里选择STC89C52单片机。
2.3.2单片机STC89C52简介
STC89C52单片机是美国Intel公司生产的低功耗，高性能的8位单片机，片内含8位中央处理器，4KB程序存储器，128B数据存储器，中断系统，2个16位定时器/计数器,4个8位可编程并行I/O口,内置一个全双工串行通信口，21个特殊功能寄存器，,功能强大，可灵活应用于各种控制领域。
图2-3STC89C52单片机
2.3.3复位电路
为了确保系统电路可靠稳定的运行，复位电路是必不可少的一部分[9]。
该电路的作用相当于计算机上的清零按钮，将电路清零恢复到起始状态。
只需给STC89C52单片机的复位引脚RST加上大于2个机器周期的高电平就可使STC89C52复位。
复位电路分为上电自动复位和按钮复位两种，它们都能使单片机实现复位工作，而我采用的是按键复位。
如图2-4所示，向RST引脚施加一定的高电平，当单片机检测到9号引脚有高电平时，单片机进行复位，即将RST引脚拉高并维持至少24个时钟周期后，单片机会进入复位状态
每次上电后由于电容两端电压不能突变，电容两端电压都为5V，此时持续的高电平就可以用于单片机的上电复位，然后电容逐渐充电，几毫秒后，R2上电流慢慢降为0，RST端电压也慢慢降为低电平，电容充电完毕，单片机进入工作状态。
即到达上电复位目的。
在程序运行中按下S2键电容开始放电，电容负级RST端随着电容的放电电压逐渐升高，在达到高电平后就可用于单片机的复位，而松开按键后，电容又进入充电状态，几毫秒后，R2上电流慢慢降为0，RST端电压也慢慢降为低电平，电容充电完毕，单片机进入工作状态。
图2-4复位电路
2.3.4晶振电路
晶振有有源晶振和无源晶振之分，作用都是发出时钟信号。
如图2-5所示，该晶振电路是由两个大小为33pf的电容C7、C8和一个12Mhz晶振组成。
晶振具有固定的频率，它是单片机的时钟，是一个标准量。
数字电路都是按节拍来进行处理的，而晶振就是来提供这个节拍的，如果没有了晶振，也就没有了节拍，也就无法处理任何数据。
时钟频率与时钟电路的质量都会对单片机生产影响[10]。
图2-5晶振电路
2.4无线模块的设计
2.4.1无线模块的选型与比较
方案一：
采用蓝牙模块。
蓝牙的工作频段主要是2400~2483.5MHz，其中跳频信道有79个，每个为1MHz。
蓝牙是近距离无线通信技术的标杆，最高数据传输速率可达1Mbps，基本能保持721Kbps左右的较稳定的传输速率，最大能保持10m的传输距离，还可进行语音通信。
但它也存在它的不足之处。
它的应用程序较繁琐，产品的价格相对昂贵。
方案二：
采用NRF24L01无线模块。
这是一个射频模块。
它支持2.4GHz的全球开放的ISM频段，最大的发射功率为0dBm，具有高传输速率的特点。
它的功耗低，当它工作在等待模式时，电流消耗为22uA，并且它同时具有125个频点，能够满足多点通信的需求。
当它工作在PCB天线状态下，它的正常有效距离为10米。
它的价格也相对的较为便宜。
综上所述，根据无线表决器[11-12]设计的技术要求，按照性价比最高的抉择方案，最终选择方案二。
2.4.2无线模块电路的设计
图2-6无线模块NRF24L01
NRF24L01是一款世界通用的真正的单片无线收发芯片。
它拥有本次设计的无线传输数据的能力，从而实现远程控制的功能。
它在本次设计中传输的是按键模块检测出来的数据。
它内部设有链路层，具有自动应答及自动重发功能，工作电压在1.9至3.6V之间。
它在有天线状态时，在空旷地可视直线传输距离有30到50米，在无天线时，直线传输距离达到10米左右，符合本次设计的需求。
2.4.3NRF24L01工作模式
通过配置寄存器可将NRF24L01配置为发射、接收、待机及掉电四种工作模式[13],如表2-1所示：
表2-1NRF24L01的工作模式
模式
PWR_UP
PRIM_RX
CE
FIFO寄存器状态
接收模式
1
1
1
-
发射模式
1
0
1
数据在TXFIFO寄存器中
发射模式
1
0
1→0
停留在发送模式，直至数据发送完
待机模式2
1
0
1
TXFIFO为空
待机模式1
1
-
0
无数据传输
掉电模式
0
-
-
-
待机模式分为模式1和模式2。
待机模式1：
用来减少电流消耗，晶体振荡器仍然工作。
待机模式2：
当TXFIFO寄存器为空并且CE=1时进入该模式。
待机模式下，所有配置字仍然保留。
掉电模式由寄存器中PWR-UP位来控制。
该模式下电流消耗最小，无线模块不工作，但寄存器内容不变。
NRF24L01在不同模式下引脚的功能：
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