无线数据传送系统电子专业毕业设计.docx
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无线数据传送系统电子专业毕业设计
无线数据传送系统
摘要
随着信息技术的不断发展，无线通信在信息化时代起着愈来愈重要的作用。
鉴于以上原因，在本次大赛中简单设计了无线数据传输系统，该系统具有单工通信，将接收数据上传计算机的功能。
可广泛应用于遥控、监测等领域，适应现阶段科技的发展要求。
详细介绍了单片机与无线收发芯片之间的连接情况，对单片机的串行发送，无线传送中的干扰问题及解决问题的方法都做了比较详细的分析，而且还以表格的形式汇总了所用芯片的技术参数，为该项设计成果应用于工业生产提供了可借鉴的实验材料。
Abstract
Thisdesignrealizesthelead-indatadelivers,thesystemincludessendoutmoldpiece,receivemoldalinecorrespondencemoldpiece,resultmanifestationthatmoldanetc.Sendingouttocarrywithreceivedtocarrytoadoptthelightelectricitycouplingthemachine,improvingtheanti-interferenceabilityofthesystemonthecertaindegree.Thatsystemhasthesingleworkcorrespondencefunction,havingwillreceivethedataonthefunctionthatspreadingthecalculator.Thatsystemisextensivetoapplyintheremotecontrol,monitorrealm,adapttothedevelopmentrequestofcurrentscience.
目录
1.设计任务及性能指标2
1.1设计任务2
1.2主要性能指标3
2.方案选择及确定3
3.设计方框图5
4.基本设计单元电路6
4.1单片机控制芯片6
4.2RS－232通信接口7
4.3发射模块8
4.4接收模块10
4.5显示模块11
5.软件分析14
5.1软件功能14
5.2系统软件流程图15
6.系统测试及分析16
7.结束语18
8.参考文献18
1.设计任务及性能指标
1.1设计任务
设计并制作适用无线数据传输的发射机和接收机，要求能实现数字数据的无线传送，在发送端和接收端均有相应的数据显示，通过显示可以证明所接收的数据是正确的，同时接收到的数据可以上传计算机。
1.2主要性能指标
有效传送距离：
0~5.5m
传输速率：
733bps
工作电压：
5V
传输数据误码率：
3.5%（空旷地）4.5%（有障碍物）
2.方案选择及确定
为实现设计的基本要求，收集了丰富的资料，经过讨论和研究，并结合设计的基本要求，提出了三种可行的方案，现将此三种方案分别论述如下：
方案一
利用单片机和无线数据传输芯片nRF905构成无线数据传输系统。
nRF905是半双工单片射频收发器。
片内集成了晶体振荡器，低噪声放大器、频率合成器、功率放大器等模块，该芯片无需用户对数据进行曼彻斯特编码，使用比较方便，其外围电路较简单，完成的性能符合设计的要求。
此芯片是目前比较新的器件，价格较高而且采购不便，在省内没有找到该芯片。
鉴于时间的紧迫，综合地域和其性价比的考虑，该设计不宜采用此方案。
方案二
采用单片机控制的红外通信方式。
红外通信是利用950nm近红外波段的红外线作为通信载体来进行通信。
发送端采用脉时调制（PDM）方式，将二进制调制成某一频率的脉冲序列，并利用该脉冲序列驱动红外线发射管以光脉冲的形式向外发射红外光。
而接收端将接收到的光脉冲信号转换成电信号，再进行放大、滤波、解调处理后还原成二进制电信号。
但是红外线的连接稳定性差，特别是两个红外接口不在接收角度范围内时，传输文件中途很容易就会出现错误，需要完全重传一次。
而且红外线的方向性很强，两个接口之间如果有障碍物阻隔，连接就会中断。
因此本次设计也不宜选用此方案。
方案三
无线数据传输，也可采用高频发射器件9912和高频接收器件9921来实现。
通过对单片机编程，设置其接口速率将数据传送给发射芯片相应的管脚，此发射模块可以完成数据的无线传输。
并将数字数据稳定地传送给接收模块，这样就可以完成远距离的数据传输。
再通过相应的硬件接口电路可以将数据上传给计算机。
此方案硬件电路比较容易实现，性能可达到设计的基本要求。
此电路的原理我们作了较为全面的分析，符合设计的要求。
该系统要求的器件的采购比较容易，价格便宜。
而且其实际应用的价值比较高，可以应用在遥控和监测等领域。
此系统能完成设计的基本要求，该方案是理想的方案，本设计选用了此方案。
单片机选择
单片机种类较多，有Intel公司的MCS-51系列，Motorola公司的MCS-680系列，Zilog公司的Z8系列。
本设计中要求单片机
1有+5V电源供电，I/O与TTL电平兼容，有足够数目的I/O口用来与LED显示器相连，以及作为控制信号的输出和被测信号输入口
2指令执行速度要快
3片内除RAM外还要有E2PROM
4至少有两个16位的定时器/计数器
5具有串行通信口
6价格要低廉
查阅相关的手册，我们选定AT89系列的8位单片机AT89C51作为本次使用的机型。
3.设计方框图
该设计具有两大模块：
发射模块和接收模块。
各模块以单片机为核心进行控制，实现数据的无线传送，完成了设计的基本要求，其设计的基本方框图如图1和图2所示：
发射天线
图1发送模块
接收天线
图2接收模块
4.基本设计单元电路
无线传送系统的基本电路由单片机控制电路，RS-232通信接口，发送模块，接收模块，显示模块五部分构成，现将各模块电路分别介绍如下：
4.1单片机控制芯片
该芯片为系统的核心部分。
AT89C51是低功耗，高性能的8位单片机。
其引脚结构图如图3所示：
图3AT89C51
设计里我们用到了单片机的P0口，P1口和P3口。
发送和接收利用了P3口的复用功能。
P3.0口为串行输入口，P3.1口为串行输出口。
对单片机编程，数据从单片机的输出口发送给发送模块。
在接收端，数据由接收模块发送给单片机的串行输入口，实现了数据的传输。
两者之间加入MAX232电平转换芯片实现了单片机和计算机之间的通信。
由单片机串口波特率设置，可求得定时器1的计数初值表示如下：
晶振：
focs=11.059M
波特率：
R=1200B。
波特率=K*fosc/32/12/（256-TH1）
当SMOD=0，K=1时
求得TH1=248
4.2RS－232通信接口
在单片机应用系统的相互通道接口中，主要是使用串行通信方式。
串行通信端口（RS-232）是计算机上的标准配置，串行通信可以分为同步和异步两种模式。
同步在通信的两端使用同步信号作为通信的依据，而异步使用起始位和停止位作为通信的判断。
异步传输只需用9支引脚，而同步传输则需要25支引脚。
本次设计中RS-232通信我们选用9针的异步传输模式。
RS-232的每一支引脚都有其功能和信号的流动方向，现将9支引脚的方向性及意义表述如表1所示：
表1引脚的方向性和意义
引脚
方向
说明
CD
计算机<调制解调器
调制解调器通知计算机有载波被检测到
RXD
计算机<调制解调器
接收数据
TXD
计算机>调制解调器
发送数据
DTR
计算机>调制解调器
计算机告诉调制解调器可以进行传输
GND
计算机=调制解调器
接地端
DSR
计算机<调制解调器
调制解调器告诉计算机一切准备就绪
RTS
计算机>调制解调器
计算机要求调制解调器将数据送出
CTS
计算机<调制解调器
调制解调器通知计算机可发送数据过来
RI
计算机<调制解调器
调制解调器通知计算机有电话进来
在计算机的设备上RS-232的引脚必定是公头，连接线是母头。
计算机上的引脚编号和编号所表示的管脚名称如图4所示：
1.CD2.RXD3.TXD
4.DTR5.GND6.DSR
7.RTS8.CTS9.RI
图4计算机公头
在本次设计中我们选用了电缆连接，用到了TXD和GND两个引脚。
在采用RS－232通信接口所提供的单向数据传输时，最大传输速率为20KB/S，最大传输距离为15m。
RS－232通信接口其逻辑电平对地是对称的，采用负逻辑。
这与输入、输出均采用TTL电平的MCS－51系列的单片机接口标准不一致。
因此RS－232通信接口驱动器与TTL电平连接必须经过电平转换，其转换采用一片MAX232电平转换芯片即可实现单片机和微机间的通信。
4.3发射模块
无线发射芯片9912的原理图如图5所示：
图5发射原理图
高频发射芯片如图6所示，对应的管脚及电气参数分别表示如下：
1.正极
2.信号输入
3.负极
4.天线
图6发射芯片
其相关的电气参数为：
发射频率：
315MHZ
工作电压：
3～12V
工作电流：
10mA
该无线发射模块当电压变化时发射频率基本不变，和发射模块配套的接收模块无需任何调整就能稳定地接收。
当发射电压为3V时，空旷地传输距离约20～30m，发射功率较小，当电压5V时约100～200m，当电压9V时约300～500m，当发射电压为12V时，为最佳工作电压，具有较好的发射效果，发射电流约60mA，空旷地传输距离700～800m，发射功率约500mW。
当电压大于l2V时功耗增大，有效发射功率不再明显提高。
发射模块采用ASK方式调制，以降低功耗。
数据信号与发射模块输入端采用的是直接连接，而不需选用电容耦合方式。
若选用电容耦合，发射模块将不能正常工作。
数据电平选用5V，此电压与数据模块的实际工作电压相近，可获得较高的调制效果。
为了提高发送数据的稳定性，在发送模块和单片机控制模块之间附加了光电耦合器。
可有效减少模块间的相互干扰。
光电耦合器是利用电－光－电耦合原理来传送信号的，输入输出电路在电气上是相互隔离的。
它能有效地抑制系统噪声，消除接地回路的干扰，响应速度较快，常应用在强－弱电接口和微机系统的输入和输出的电路中。
4.4接收模块
为了接收到相应的数字数据，采用了与发射端相对应的高频接收芯片9921，可实现无线数据的接收，相应的电路原理图如图7所示：
图7接收原理图
9921芯片的管脚如图8所示：
其相对应的管脚及电气参数可分别表示如下：
1.正极
2和3.信号输出
4.负极
图8接收芯片
其相关的电气参数为：
发射频率：
315MHZ
工作电压：
4.85～5.5V
工作电流：
2.3mA
接收灵敏度：
－98dB
设计中采用＋5V电源供电。
平时无线接收模块没有接收到空间的315MHz信号时，输出的只是干扰信号，这样就无法正确接收到发送的数据。
在本次设计中，同样在接收端采用了光电耦合来提高接收端的抗干扰能力。
光电耦合的原理及接法和前面所讲述的类似，通过内部的光敏管将信号从发送端和接收端隔离开。
这样无线接收模块就正常的完成了数据的接收。
4.5显示模块
LED显示器内部由发光二极管组成。
这种显示器又称发光数码管。
根据内部二极管的连接方式，数码馆又分共阳极型和共阴极型。
共阳极型，内部发光二极管阳极连在一起接高电平，共阴极型发光二极管阴极连在一起接低电平。
此系统采用的为共阳极发光二极管，外接限流电阻要每段串一个，也可用一个电阻放在共阳极或共阴极端。
另外电阻值只要保证管子正常发光即可，一般各管电流在20—30mA较合适。
电流太大，耗电量大，电流太小,发光度不够。
LED显示器工作方式有两种：
静态显示方式和动态显示方式。
静态显示方式的特点是每个数码管必须接一个8位锁存器，用来锁存待显示的字段码。
送入一次字段码，显示字型一直保持，直到送入新的字段码为止。
其优点是占机时少，显示便于监测和控制，缺点是硬件电路较复杂，成本高。
动态显示的特点是所有位的段选线并联在一起，由位选线控制哪一位接收字段码。
采用动态扫描显示。
所谓动态扫描显示是轮流向各位送出字型码和相应的的字位选择，利用显示器的余辉和人眼的视觉暂留作用，使人感觉好像各位同时在显示。
但动态显示的亮度比静态显示的亮度要差一些，显示不如静态方式便于控制。
优点是硬件电路较简单，成本低。
该系统选用动态显示。
较静态显示而言，动态显示节省了单片机控制的I/O口，而且所接的电路简单，再通过单片机的循环控制可以实现4位数据的显示，亮度适中，电路图如图9所示：
图9显示电路
现将其电路介绍如下。
该部分由2片74LS164移位寄存器和1片74LS244总线驱动器，4个共阳极数码管及电阻和PNP型三极管组成。
硬件电路的连接为第1片74LS164的QA～QD与74LS244的1A1～1A4分别相连，第1片74LS164的QH端连至第2片74LS164的串行输入口。
第1片74LS164作为数码管片选，扩展的74LS164作为数据显示。
对单片机编程，置P1.2口为高电平。
当P1.0口出现从低到高的上升沿时，两片74LS164均处于工作状态。
数据通过P1.1口串行输入至第1片74LS164的A、B串行输入口，从而实现8位并行输出移位寄存器的扩展。
此时74LS244不工作，然后置P1.2为低电平，选通74LS244的1OE端。
数据由1Y1~1Y4输出，当输出为低电平时，连接的数码管就会选亮，通过循环控制可使数码管在要求的时间内一直发亮。
这样就可将数据显示出来。
这里需要注意的一点是单片机存储的数据是二进制的形式，而数码管显示的为十进制，所以涉及一个二——十进制转换的问题。
此系统中是使用BCD子程序来完成的，把单片机内存储空间的二进制前四位和后四位分开，经过查表得到的十进制数就可直接送到数码管显示了。
转换数据的对应值如表2所示：
表2数据转换
共阳极字符
显示的数据
0C0H
0
0F9H
1
0A4H
2
0B0H
3
99H
4
92H
5
82H
6
0F8H
7
80H
8
90H
9
0FFH
全灭
5.软件分析
5.1软件功能
（1）为了提高接收机的工作效率，接收采用中断方式，发射采用查询方式。
（2）利用人眼的视觉惰性轮流点亮四个数码管实现数据的动态显示。
（3）PC机收发软件采用通用串口调试软件，直接以十六进制显示上传数据。
5.2系统软件流程图
发送流程如图10所示：
显示软件流程如图11所示：
接收子程序流程图如图12所示：
发送子程序流程图如图13所示：
图10发送流程图图11显示流程图
图12接收子程序流程图图13发送子程序流程图
6.系统测试及分析
发送端输出数据的峰－峰值在0～5V之间，接收端可以与发送端同步地显示电压值，通过监视发送和接收端的数码显示，即可判定误码情况。
测试方法：
改变发送端和接收端之间的距离，循环发送100个数据，监视时间为4min，记录4min内显示的次数和误码次数
测试数据：
从0～99的100个数据
测试电压：
＋5V
测试仪器：
SS-5711OSCILLOSCOPE示波器5V稳压电源
米尺VC97万用表DF2173B毫伏表
测试内容：
1.传输数据的误码率（空旷地）
传输距离（m）
显示数据的次数
误码次数
1.5
100
1
2.5
100
2
4
100
5
5
100
数据闪动大
7
100
干扰过大读数不准
2.传输数据的误码率（有障碍物）
传输距离（m）
显示数据的次数
误码次数
2m
100
3
3m
100
6
4m
100
不能准确读取数据
结论：
误码率=3.5%（空旷地）结论：
误码率=4.5%（有障碍物）
3.传输距离
空旷地（m）
有障碍物（m）
有效距离
0～5.5
0～3
最大距离
5.5
3
4.传输速率：
733bps
5.信号幅度及噪声幅度：
有效信号高电平（V）
有效信号低电平（V）
信号幅度
噪声信号高电平（V）
噪声信号低电平（V）
噪声幅度
4
0.8
3.2V
4
0.8
3.2V
4
0.8
3.2V
4
0.8
3.2V
4
1.0
3.0V
4
2.2
1.8V
6.电压
发送机信号端电压
2.4V
发射机天线端电压
18mV
接收机信号端电压
1.8V
7.结束语
通过大家的努力，我们完成了无线数据传送系统的设计。
该系统的传送由单片机来控制，传输的有效距离在5.5m以内，发射模块和接收模块有相应的数据显示，同时数据显示可以上传计算机。
该系统的电源发射端采用4节5号电池；接收端采用两组电池，共有8节，分别对接收机及其他模块供电。
模块上还设计了外接电源的插口。
系统设计了两项扩展功能，模拟电压的数据采集和PC下传发射。
数据采集已基本实现，但是由于软件问题，无法实现传输。
PC下传也是因为软件问题尚需改进。
在设计中，组员们一起研究，商量各个方案，遇到问题时一起想办法解决，体现了团结互爱的精神。
同时感谢指导老师在设计中给我们的帮助，在今后的学习中我们将会更加努力。
这次设计给我们的感受我们将牢记于心。
感谢组委会给我们的这次锻炼机会。
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北京航天航空大学出版社·2004
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