基于单片机的远程监控系统设计毕业设计说明书(编辑修改稿)

基于单片机的远程监控系统设计毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

L C D 显示模块蜂鸣器 图 31 系统总体架构图 最小 系统 模块 系统设计使用 STC89C52 当作主控 CPU。 单片机最小系统，也 被称作 单片机最小应用系统，是指用最少的元器件组合 使得 单片 机可以正常工作的系统。 对于 51 系列的单片机来说，最小应用系统一般包括： 51 单片机、复位电路、时钟电路。 这里设计的 STC89C52 最小系统中包括复位电路、晶振电路并介绍了各部分的功能。 a）在 最小时钟电路中，单片机将 XTAL XTAL2 和 RST 提供 出来给外围时钟电路和复位电路。 b） 复位 电路是 用来 将单片机系统 恢复 到初始状态的一种电路设备。 在 单片机系统设计中复位电路可以确保 单片机 系统中电路可靠稳定的工作 ， 复位电路的主要功能就是利用按键进行上电 复位。 复位 电路 如图 32所示。 基于 单片机的远程监控系统设计 6 VCC10uFC1110KR15RESET复位GND 图 32 复位电路图 c）晶振电 路 51 系列单片机时钟模块。 如 图 33 所示。 12Y130pFC130pFC2XTAL1XTAL2GND 图 33 晶振电路 矩阵键盘电路设计 矩阵键盘是在单片机外部设备使用中 类似于矩阵排布的 键盘组。 发送端 的矩阵键盘接线如图 34 所示。 S1 S2 S3 S4S5 S6 S7 S8S9 S10 S11 S12S13 S14 S15 S16 图 34 矩阵键盘 如 图所示， 4*4 的 矩阵键盘一共使用了 8 个 数据口，其中水平的四根线接 在单片机 的 ~ 数据口 ，垂直的四根线接 ~ 数据口。 在 P0 口 和矩阵键盘之间再并一个 1K 的 上拉电阻为键盘供电。 1K 的 上拉电阻不仅给矩阵键盘 提供 外部电源 同时 还将 P0 口的 电平稳定在高电平， 如果 键盘中有按键被按下的话， 单 片机就能检测到低电平， 继而 单片机能判断出键盘 中 有没有 某个 键 被 按下。 当把单片机作为主控制器设计电路时，如果要使用比较多的按键的时候，我们盐城工学院本科生毕业设计说明书 ( 2020) 7 一般可以用矩阵排列的方式来排列单个键盘，这样做的目的是减少宝贵的数据口的占用比例。 矩阵键盘是通过行线和列线交叉互错排列的，然而交叉点并没有直接相连，而是通过一个独立按键将行线和列线连接起来。 这样能产生的可使用的键盘数就是行线和列线根数的乘积。 如整个 P0 口最多能放置 4*4 个键盘用来构成矩阵键盘。 和独立式键盘的接法相比，能用最少数据口组合出最多的按键。 这样，当我们需要使用较多按 键时就能使用这种方式来节约 I/O 口的使用。 无线收发电路 设计 无线收发模块的组成是： nrf24l01 为核心控制器，辅助以 16MHz 的时钟电路，然后再在外围电路中加入六个 SPI、一个电源口、一个接地口。 无线模块的射频技术标准是采用了全球的通用免费频段。 的频段。 SPI 口的功能主要就是写入数据、发送数据、接收数据、读出数据。 在写入的数据的时候速度可达 10MB/S,发送数据最大速度可达 2MB/S。 芯片还具有许多比较好的功能，比如收发数据时能够自动应答，以检测数据是否发送成功同时又能知道接收方是否接 收成功。 自动重发功能可以在数据为接收成功的情况下，发送端根据检测到的信号重新对接收端进行数据发送。 无线模块的工作能耗低，在发送数据的时候工作电流为 ，接收数据时的工作电流为 ，这种低能耗的产品正是适用于我们现在的低碳社会中。 可以有效的传输数据，又能很好的较低能耗，深受广大厂商的喜爱。 还有空闲模式来进一步减少能耗。 在使用 nRF24 L01 时将其 CE、 CSN、 IRQ、 MISO、 MOSI、 SCK 六个引脚和 stc89 C52 的 P1 口相连接，为了防止电流过大而烧毁无线模块，在单片 机 P1 口与 nrf24l01 的各引脚之间串接一个 2K 的限流电阻。 无线模块 和单片机 的 连接图如图 35 所示。 VCC1CE2CSN3SCK4MOSI5MISO6IRQ7GND8U3NIF24L01VCC12GND3U1LM1117104C3GND22ufC?GNDVCC1 162K2 152K3 142K4 132K5 122K6 112K 图 35 nrf24l01 与单片机连接 基于 单片机的远程监控系统设计 8 无线模块和 单片机相连接时 引脚 分配如表 31 所示。 表 31 无线模块引脚分配表 nrf24l01引脚 接法 VCC CE CSN CSK MOSI MISO IRQ GND 接地 在 为无线模块提供 稳压模块上，在其 端口需要 并联 一个 104和 一个 22up 的 电容来过滤波形使得 nrf24l01 在无线收发时 更加 的顺畅。 nrf24l01 概述 nrf24l01 内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块 ， 并融合了 Shock Burst 增强型技术，其中通信频道和输出功率可通过 C 程序进行配置。 nrf24l01 主要特性如下： GFSK 调制，硬件集成 OSI 链路层； 具有自动应答和自动再发射功能； 片内自动生成报头和 CRC 校验码； 数据传输率为 l Mb/s 或 2Mb/s； SPI 速率为 0 Mb/s～ 10 Mb/s； 125 个频道与其他 nRF24 系列射频器件相兼容； QFN20 引脚 4 mm4 mm封装； 供电电压为 V～ V； 引脚功能及描述 nrf24l01 的引脚排列和封装如图 36 所示。 盐城工学院本科生毕业设计说明书 ( 2020) 9 CE1CSN2SCK3MOSI4MISO5IRQ6VDD7VSS8XC29XC110VDD_PA11ANT112ANT213VSS14VDD15IREF16VSS17VDD18DVDD19VSS20VSS20nrf24l01 图 36 nrf24l01 封装图 CE：使能发射或接收； SCK， CSN， MISO ， MOSI： SPI 引脚端，单片机通过这 四个 引脚配置 nrf24l01； IRQ：中断标志位； VDD：电源输入端（ +） ； VSS：电源地 (0V)； XC2， XC1： 16Mhz 晶振引脚； VDD_PA：给 无线模块的 功率放大器提供 + V的 电源 ； ANT1,ANT2：天线接口； IREF：参考电流输入。 工作模式 通过配置寄存器可将 nrf24l01 无线 收发模块 配置为待机模式 、 掉电模式 、 发送模式 、接收模式这 四种工作模式，如表 32所示。 表 32 nrf24l01 主要 工作模式 模式 CE PWR_UP PRIM_RX FIFO 寄存器状态 接收模式 1 1 1 发送模式 1 1 0 数据在 TX FIFO 寄存器中 发送模式 1→0 1 0 停留在发送模式，直至数据发送完 待机模 式 Ⅱ 1 1 0 TX_FIFO 为空 待机模式 Ⅰ 0 1 无数据传输 掉电 模式 0 基于 单片机的远程监控系统设计 10 待机模式 Ⅰ 主要用于降低元件 的 功率损耗，在此模式下晶振 依然 以 较低的频率持续工作着 ；待机模式 Ⅱ 则是在当 TX_FIFO 寄存器为空且 CE 使能 时进入这种模式。 待机模式下，所有寄存器 配置的值 仍然保留。 在掉电模式下元件 的功率 损耗为最小值，同时 nrf24l01 处于 不工作状态 ，但所有寄存器 配置 的 内容 保持不变。 工作原理 a）发送数据：首先将无线收发模块配置为发送模式，将 9 字节宽的接收地址和9 字节宽的发送地址 TX_ADR 按照时序从 SPI 口写入无线收发模块的缓存区。 初始化 I/O 口，将 CE 置低电平、拉高 CSN、 CSK 置低电平、。 完成准备工作后根据 SPI协议，将有效数据 TX_PLOAD 按照时序写入无线收发模块的缓存区中。 必须在 CSN置低电平后才能开始传输数据并且连续写入。 而接收和发送的地址只要在发送时写入一次即可。 选择寄存器，同时返回状态字，然后将数据写入寄存器中，拉高 CSN，结束数据传输，返回寄存器。 从寄存器中读出接收通道和收发地址。 使 CE 使能至少 10us，启动接收设备，延时 130us 后开始传输数据。 如果发送模块的自 动应答已经开启，那么 nrf24l01 将数据发送完毕后即刻进入接收模式，等待接收模块的反馈信号（自动应答的接收地址和接收模块的接收地址一样都为 TX_ADR）。 如果发送模块接收到应答，则默认为此次发送通信已经成功，将 TX_DS 拉高，同时将缓存中的有效数据清除；如果未能收到反馈信号，则发送模块自动启动重发功能，重新发送缓存中的有效数据（自动重发已经开启，自动重发计数器不等于 0，ENAA_P0=1）。 如果重发次数（ ACR)到达上限（上限为自动重发 10 次），将 MAX_RT电平拉高，保留缓存中的有效数据以便再次发送；是 IRQ 置低电平，产生中断，通知单片机，减少单片机的查询时间。 发送数据成功后，如果将 CE 置低电平，则系统自动进入待机模式 I ；如果不将 CE 置低电平，则系统会自动将 TX FIFO 寄存器中的下一包数据进行发送；如果 TX FIFO 寄存器为空并且 CE 为高则系统进入待机模式 II。 b）接收数据 ： 接收数据时 ， 首先拉高 CE 将 nrf24l01 配置为接收模式，接着延迟 130μs后 检测 空中 信息 等待 数据的到来。 接收到有效的数据包后（地址匹配、 CRC 检验正确）数据存储在 RX_FIFO 中，同时 RX_DR 位置高 ， IRQ 置低，并产生中断，通知 单片机 去读取数据。 如果使能 自动确认信号 ， 则发送确认信号。 最后接收成功时，若单片机 将 CE 口 置低，则 nrf24l01 进入待机模式 1。 在将 数据 写入寄存器之前一定要进入掉电模式或待机模式。 配置字 常用的配置寄存器如表 33 所示。 表 33 常用配置寄存器 地址（ H） 寄存器名称 功能 00 CONFIG 设置 24L01 工作模式 盐城工学院本科生毕业设计说明书 ( 2020) 11 续表 33 01 EN_AA 设置接收通道及自动应答 02 EN_RXADDR 使能接收通道地址 03 SETUP_AW 设置地址宽度 04 SETUP_RETR 设置自动重发数据时间和次数 07 STATUS 状态寄存器，用来判定工作状态 0A~0F RX_ADDR_P0~P5 设置接收通道地址 10 TX_ADDR 设置接收接点地址 11~16 RX_PW_P0~P5 设置接收通道的有效数据宽度 LCD 显示模块 LCD1602 与单片机 连接如图 37 所示。 GND1VDD2V03RS4RW5E6D77D68D59D410D311D212D113D014VCC15GND16U4LCD160210KR2VCCGNDGNDVCCGNDVCC 图 37 1602 连接图 表 34 1602 各管脚和单片机连接 管脚号 符号 接法和功能 1 VSS 接地（ 电源地） 2 VDD 接 +5v电压（电源电压） 3 V0 调节 LCD灰度 4 RS 发送端接 （写命令和写数据） 基于 单片机的远程监控系统设计 12 续表 34 5 R/W 接地 6 E 发送端接 （使能端） 7 DB0 接 P2数据口用于接收单片机传出的数据 8 DB1 9 DB2 10 DB3 11 DB4 12 DB5 13 DB6 14 DB7 15 A 背光调节接 +5V 16 B 背光调节接 0V 盐城工学院本科生毕业设计说明书 ( 2020) 13 4 软件系统设计 总流程图 设计 程序设计发送 端 总流程图如图 41 所示。 开始初始化配置无线模块为发送模式按矩阵键盘输入待发送数据将数据写入 L C D发送数据发送成功接收数据接收成功结束YYNN 图 41 发送端程序 总流程图 程序 设计接收 端程。