智能无线防丢器设计毕业论文.docx

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智能无线防丢器设计毕业论文

本科生毕业设计

题目：

智能无线防丢器设计

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作与取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得与其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了意。

作者签名：

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指导教师签名：

日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部容。

作者签名：

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学位论文原创性声明

本人重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

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注意事项

1.设计（论文）的容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体与大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

摘要

本课题设计的防丢器与现代人们生活密切相关，是时代进步，科技发展的成果。

本设计主要分为母机和子机两个部分，母机主要包括TC89C51单片机控制模块、NRF24L01无线发送和接收模块、声光报警和震动报警模块，复位电路模块以与晶振电路模块。

子机主要包括STC89C51单片机控制模块、NRF24L01无线发送和接收模块、声光报警模块、灯光提示电路、晶振电路模块以与复位电路模块。

因为母机和子机都载有采用2.4G技术进行通信的NRF24L01无线模块，所以母机和子机都能够进行信号的发送和接收。

当两者距离没有超过规定的围时，NRF24L01发射端配置为发射模式，对数据进行发送，相应的NRF24L01接收端配置为接收模式对数据进行接收，当接收端接收到发送端的数据时，然后对发送端传输应答信号，这样母机和子机就完成了一次通信。

然而当母机和子机的距离超过规定围时，那么母机发送的数据就不能被子机所接收，这时子机也不会对母机传递应答信号，在超过规定的时间发送端不能接收到接收端发出的应答信号，而此时母机和子机就不能进行正常的通信，数据传输失败，母机进行声光报警和震动报警，子机出现声光报警。

本设计在原有防丢器的基础上加以震动报警模块，这也是本设计的创新所在，防丢器的震动报警功能在现代生活中发挥着越来越重要的作用，尤其是在噪杂的人群中，效果尤为突出。

关键词：

NRF24L01；防丢器；STC89C51

Abstract

Abstract:

Theissueofanti-lostdesigniscloselyrelatedtomodernpeople'slives,istheeraofprogress,theresultsofscientificandtechnologicaldevelopment.Thedesignisdividedintotwopartsofthebaseunitandthehandset,thebaseunitincludesTC89C51MCUcontrolmodule,NRF24L01wirelesstransmissionandreceptionmodule,soundandlightalarmandvibrationalarmmodule,resetcircuitmoduleandoscillatorcircuitmodule.IncludingmajorSTC89C51slaveMCUcontrolmodule,NRF24L01wirelesstransmissionandreceptionmodule,soundandlightalarmmodule,lightingtipscircuit,crystaloscillatorcircuitmoduleandresetcircuitmodule.Becausethebaseunitandhandsetarecontainedusing2.4GtechnologyNRF24L01wirelesscommunicationmodule,sothebaseunitandthehandsetcansendandreceivesignals.Whenthedistancebetweenthetwodoesnotexceedthespecifiedrange,NRF24L01thetransmitterconfiguredtotransmitmode,thedataissent,thecorrespondingNRF24L01receivingendconfiguredtoreceivedatareceptionmode,whenreceivingthesenderreceivesthedata,andthenthesenderresponsesignaltransmission,machinetoolsandsoontocompleteasub-machinecommunication.However,whenthedistanceofthebaseunitandthehandsetexceedsapredeterminedrange,thenthedatacannotbetransmittedbythebaseunitreceivedquiltmachine,thenthehandsetwillnothavethebaseunittransferacknowledgesignalwithinapredeterminedperiodoftimethanthesendertothereceivercannotreceiveresponsesignalsentfromtheconsole,butthistimethebaseunitandthehandsetcannotbenormalcommunication,datatransmissionfailure,machinetoolssoundandlightalarmandvibrationalarm,thehandsetappearssoundandlightalarms.Thedesigntobeintheoriginalanti-lost,basedonthevibrationalarmmodule,whichistheinnovationofthisdesignlies,antilostthevibrationalarmisplayinganincreasinglyimportantroleinmodernlife,especiallyinanoisycrowdtheeffectisparticularlyprominent.

Keywords:

NRF24L01;Antilostalarm;STC89C51

1前言

1.1课题的背景与意义

随着科学技术的进步、社会状况的良好发展，现代人们的生活节奏不断加快，而由于个人发展、家庭琐事、社会竞争等诸多因素，人们常常使自己的大脑处于忙碌和紧的状态、长此以往容易导致自己记忆力下降，出现忘东忘西的状况，常常不记得自己的手机、钱包、钥匙放在何处。

另外，随着生活水平的不断提高，逛街、购物、出外旅行越来越受到人们的青睐，这些都是比较繁华热闹的地方，自己的钱包、手机不知什么时候就被小偷偷走了，更要命的是那些带着自己孩子外出的人们，稍微不注意自己的孩子就跑丢了。

为了预防以上这些不好事情的发生，智能电子防丢器就出现在我们的生活中并且很方便，很实用。

智能电子防丢器有体积小，携带方便，环保，性能好等特点，对防止钱包、手机、钥匙、小孩等贵重物品的丢失有很好的用途，是现代生活所必不可少的物品[]。

本课题设计的防丢器通过单片机系统分别控制发送模块和接收模块，在保留声音报警功能的同时添加振动报警功能，这样在噪杂的人群中能更好的发挥防丢器的优势，更有效地解决物品丢失的问题。

1.2国外研究状况与相关领域中已有的研究成果

随着社会的发展，时代的进步，防丢器将在人们日常生活中发挥着越来越大的作用。

因此，好多专家与学者对防丢器进行了研究、分析与其设计。

在2000年，朝辉设计了一款以UM3758—108A编解码芯片为核心的防丢器[]，当母机和子机超过规定围时就会出现声光报警。

2010年密歌、王路设计了一款防丢器，它以PT2262/PT2272编解码集成芯片为核心[]。

该防丢器不仅有防丢功能，而且还具有查找功能。

2014年郭明明、阳等人研究并设计了基于蓝牙技术的双向防丢器，该防丢器克服了原有防丢器单项声光报警的问题，开发了一种新型的防丢器[]。

而本设计则是采用2.4GHz无线技术的NRF24L01无线通信模块进行短距离传输，2.4GHz技术属于国际性的频段，抗干扰性强[]。

同时本设计在原有防丢器基础上加以震动报警功能，克服了原有防丢器的缺陷和不足，具有结构简单，功耗低，实用性强、方便使用等优点。

这种震动报警功能在噪杂的人群中效果显得尤为突出，更好的解决了物品丢失以与儿童丢失的问题。

1.3设计任务的分析

本设计分为硬件电路部分和软件编程部分。

硬件电路的主要部分是STC89C51单片机和采用2.4G技术进行短距离通信的NRF24L01无线发送和接收模块[]。

该防丢器运用NRF24L01无线发送和接收模块在规定距离母机和子机进行正常信号传输，超出距离母机和子机不能进行正常信号传输的思想，通过STC89C51单片机对母机或者子机接收的信息进行处理，并随时更新母机、子机的信息，进而对声光报警器和震动报警器进行控制[]，以完成信号不能正常传输就报警的任务。

另外，本设计拥有结构简单，价格低廉，安全性高，传输速率快等特点。

本设计的软件编程部分是以KeilC51软件为开发平台，使用C语言进行程序编写的。

本此设计选用的是STC89C51单片机。

单片机具有以下特性：

·结构不复杂，安全性能高。

·处理功能强，速度快。

·低电压低耗，体积小。

·价格低廉，使用方便。

·程序的循环利用率较高。

1.4预期结果

母机和子机通过无线模块在10m的围上能相互通信，当信号不能正常传输时，进行声光报警和震动报警。

本设计的模块主要包括STC89C51单片机控制模块、NRF24L01无线发送和接收模块、声光报警和震动报警模块、灯光提示电路模块以与按键查找模块[]。

2总体方案设计的论证

2.1系统方案设计

子机：

子机主要包括STC89C51单片机控制模块、NRF24L01无线发送和接收模块、声光报警模块、灯光提示电路、晶振电路模块以与复位电路模块。

如下图2-1所示：

图2-1子机模块

母机：

母机主要包括STC89C51单片机控制模块、NRF24L01无线发送和接收模块、声光报警和震动报警模块，复位电路模块以与晶振电路模块。

如下图2-2所示：

图2-2母机模块

图2-2母机模块

2.2模块方案设计

主控芯片方案

方案一：

采用STC89C51单片机实现。

STC89C51单片机具有安全性能高、运行速度快、处理功能强、结构简单、功耗低、体积小、价格低廉、易于调试和维护等优点[，][]。

同时，STC89C51单片机易于开发，应用领域广，技术掌握较全面，技术运用能力较娴熟。

方案二：

采用MSP430F149单片机。

MSP430F149单片机具有集成度高、功能强大、可靠性高、运行速度快、功耗低等优点[，][]，但是考虑到本设计结构简单，不需要强大的功能做支撑，另外，MSP430F149单片机也有很多缺点，比如成本较高，开发周期较长等等。

综合考虑我们选择STC89C51单片机作为本系统的微控制单元（英文缩写为“MCU”）。

无线通信模块方案

方案一：

采用集成芯片M7216。

集成芯片M7216属于遥控编码的一种，具有码数量大，编码重复率低，工作电压低等优点，但是集成芯片M7216系统结构复杂，功能难以实现。

方案二：

运用编解码芯片PT2262/2272。

编解码芯片PT2262/2272具有功耗低、价格低廉、应用领域广、地址码较多等优点[，][]，传输方式与结构如下图2-3所示：

图2-3PT2262/2272芯片传输结构图

据调查与其上图表明，编解码芯片PT2262/2272的缺点主要包括稳定性差、发射频率较低、系统较复杂、实现功能较少（只能完成单向报警功能）等方面。

方案三：

采用2.4G技术进行短距离传输的NRF24L01无线发送和接收模块。

NRF24L01无线发送和接收模块具有价格低廉、体积小、功耗低、稳定性好、运行速度快、抗干扰性强等优点[，，][]。

同时该模块结构简单，功能强大，能够实现双向报警。

综上所述，我们采用NRF24L01无线发送和接收模块作为本设计的通信模块。

3硬件电路设计

3.1STC89C51单片机主控模块设计

STC89C51单片机是一个低压高性能8位单片机，片含8kFlash闪存，512bytes的RAM，2K字节EEPROM存储空间并且具有处理能力强，性能稳定，功耗低，价格低廉的优点[]。

它完全兼容普通51单片机的指令和功能，并且可以独自完成ISP在线编程功能。

主要功能特性：

1）8k可反复擦写FlashROM；

2）32个双向I/O口；

3）512x8bit部RAM；

4）可直接使用串口下载；

5）带2K字节EEPROM存储空间；

6）三级加密程序存储器；

7）低功耗空闲和掉电模式；

8）掉电后中断可唤醒；

9）8个中断向量源；

10）时钟频率介于0Mhz和24Mhz之间；

11）通用异步串行口（UART）；

12）具有两个16位的定时／计时器。

引脚图见图3-1:

图3-1单片机管脚图

STC89C51单片机引脚介绍如下：

①主电源引脚（2根）

VCC（Pin40）：

电源输入，接＋5V电源

GND（Pin20）：

接地线

②外接晶振引脚（2根）

XTAL1（Pin19）：

单片机中振荡电路外部信号的引入接口。

XTAL2（Pin18）：

单片机中振荡电路的输出接口。

③控制引脚（4根）

RST/VPP（Pin9）：

具有复位功能的引脚。

若该引脚在规定周期出现两个连续的高电平脉冲时，则对单片机进行初始化操作，恢复单片机原有的状态。

ALE/PROG（Pin30）：

地址锁存允许信号。

一般情况下，STC89C51单片机对外部信息访问时，ALE能够锁存低8位字节的地址，另外，ALE端的脉冲输出频率是振荡器输出频率的六分之一，具有定时、降低成本的作用。

PSEN（Pin29）：

外部存储器信息读取信号。

当单片机读取部存储器信息时，PESN保持原有的状态，当单片机读取外部储存器信息时，PESN在每个周期变化两次。

EA/VPP（Pin31）：

对访问部、外部信号进行控制。

当这个引脚接低电平时，单片机将读取外部信息指令，当这个引脚接高点平时，单片机首先读取部储存信息指令，一旦访问的地址围大于部储存器的围时，单片机将自动读取外部储存信息指令。

另外，当外部编译器对部程序进行编译时，可输入编程电压VPP。

④双向I/O端口（4组）

STC89C51单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，对于每一组I/O端口而言都包含8个引脚，4组I/O端口一共有32个引脚[]。

P0口（Pin39～Pin32）：

P0端口是一个没有部上拉电阻的8位双向输入、输出端口。

此时该端口输出低电平为0，输出高电平则为高阻态，因此在众多情况下加上拉电阻是非常有必要的。

比如该端口作为普通的输入、输出端口或者该端口对NPN型管进行驱动时。

另外，该端口还可以用作复用总线，提供8位数据和低8位地址。

该端口的引脚依次命名为P0.0、P0.1,、P0.2、P0.3、P0.4、P0.5、P0.6、P0.7。

P1口（Pin1～Pin8）：

P1端口是一个部含有上拉电阻的8位双向输入、输出端口。

该端口可同时对四个负载进行驱动，当输入1时为高点平，当该端口作为输入口时，被拉低的引脚可输出一个电流。

该端口的引脚依次命名为P1.0、P1.1,、P1.2、P1.3、P1.4、P1.5、P1.6、P1.7。

P2口（Pin21～Pin28）：

P2端口也是一个部含有上拉电阻的8位双向输入、输出端口。

该端口也可同时对四个负载进行驱动，当输入1时为高点平，可作为输入口。

该端口的引脚依次命名为P2.0、P2.1,、P2.2、P2.3、P2.4、P2.5、P2.6、P2.7。

P3口（Pin10～Pin17）：

P3端口同样也是一个部含有上拉电阻的8位双向输入、输出端口。

该端口同样可对四个负载进行驱动，当输入1时为高点平，当该端口作为输入口时，被拉低的引脚可输出一个电流。

该端口的引脚依次命名为P3.0、P3.1,、P3.2、P3.3、P3.4、P3.5、P3.6、P3.7。

3.2单片机最小系统

单片机最小系统指的就是运用较少的元器件，组成一个能够正常运行的系统，一般情况下，我们把最小系统看作是应用系统的核心[]。

该系统包括STC89C51单片机，时钟电路，复位电路。

该系统原理框图如下图3-2所示：

图3-2单片机最小系统原理框图

时钟电路

晶振是STC89C51单片机系统中不可或缺的元件，就晶振供给的时钟频率角度而言，时钟频率越低，单片机系统的运行速度就越慢，时钟频率越高，单片机系统的运行速度就越快。

晶振的存在主要是为单片机系统提供时钟信号的[]。

而对于STC89C51单片机的时钟信号而言，它包括部时钟和外部时钟两种模式，如下图3-3所示是STC89C51单片机部时钟结构框图。

在单片机系统本身存在的振荡电路基础上，用晶振与单片机的18、19引脚相连接，然后再并联接入两个电容就构成了自激振荡器，此时便可产生单片机所需的时钟信号。

两个电容的主要功能是稳频和加快振荡速度。

电容数值的大小介于5pF和30pF之间，最常用的电容值是30pF，振荡频率的数值介于1.2Mhz和12Mhz之间，最常用的是6Mhz和12Mhz。

图3-3STC89C52部时钟电路

复位电路

在电路电源接通的前提下，如果STC89C51单片机的RESET引脚能够满足以下两个条件：

1、从电源正极植入高电平；

2、高电平脉冲持续两个周期的时间。

那么单片机就会执行复位操作。

另外，如果该引脚一直处于高电平植入状态，那么单片机部将不断执行复位操作。

对于复位电路而言，它分为自动复位电路和手动复位电路两种模式，而本设计采用的是自动复位电路，自动复位操作主要是通过电容的充放电功能来完成的，当电压的上升时间小于1ms时，单片机就可以完成自动复位[]。

本设计的自动复位框图如下3-4所示：

图3-4STC89C51复位电路

STC89C51中断技术概述

中断技术是由单片机部的中断系统来实现的，它的主要作用是对主程序进行管理和监控，并且当中断系统发出中断指令时，单片机应与时作出响应并执行中断操作[，][]。

中断技术的具体操作步骤如下：

首先由中断系统发出中断指令，然后对这一指令进行判断，若中断指令被允许，那么单片机就停止执行现有的程序，接着执行并处理中断系统发出的中断指令，待到中断指令执行完成后，单片机再转到程序中断的地方，继续执行主程序。

如下图3-5所示是程序中断的处理过程。

图3-5中断过程

对于单片机系统而言，中断技术在其运行过程中发挥着重要的作用。

假如单片机部无中断系统，那么单片机在运行过程中就要对单片机系统中的服务请求进行查询，这样不仅浪费大量的时间，而且单片机的工作效率也大大降低了。

故在单片机中采用中断技术是非常必要的。

3.3nRF24L01无线模块设计

nRF24L01概述

本设计采用NRF24L01无线通信模块实现母机、子机之间的通信，它是由nRF24L01芯片制作而成的，nRF24L01无线收发器芯片的工作频率在ISM频段规定的围，一般介于2.4GHz和2.5GHz之间，可对近距离无线信号进行单向发送和单向接收。

同时，该芯片具有体积小，功率损耗低，实用性强，性能稳定，电路结构简单等优点，另外，该芯片还采用了高斯频移键控GFSK的调制方式，并在芯片部创建了链路层，为此该芯片能够实现很多功能，比如自动应答、自动重发、地址码检测、循环冗余校验码检测等[]。

该芯片的数据传输速率为1Mbit/s或者2Mbit/s，一般采用串行外围接口SPI与微控制单元相连接的方式设置芯片参数，以便更好进行数据传输，对于串行外围接口而言，它的传输速率一般介于0Mbit/s到8Mbit/s之间，工作电压介于1.9V到3.6V之间，并且它还拥有125个射频传输信道供我们选择[]。

另外，针对无线通信模块而言，它主要是由频率发生器增强型SchockBurstTM模式控制器功率放大器、时钟处理器、晶体振荡器调制器、频率合成器、解调器输出功率信道的选取以与协议的配置组成。

此模块进行信号收发时，消耗的电流较低，调查数据如下：

当无线收发模块进行信号发送时，消耗的电流量是9.0mA，在对信号进行接收时消耗的电流量是12.3mA，特别是在