毕业设计----基于DF无线收发模块的无线数据传输系统的设计与实现.docVIP

基于 df 无线收发模块的无线数据传输 系统的设计与实现 -i- 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 -ii- 毕业设计（论文）题目：毕业设计（论文）题目： 基于基于 df 无线收发模块的无线数据传输系统的设计与实现无线收发模块的无线数据传输系统的设计与实现 设计设计(论文论文)的基本内容：的基本内容： (1)了解目前无线数据传输系统设计的进展，以及串行通信的相关知识；了 解项目开发背景，分析系统实现的核心知识，研究其设计及实现技术。 (2)设计基于单片机控制 df 无线模块的无线数据传输系统，熟悉 proteus 7.1 与第三方集成开发环境(keil c)的联合仿真，熟练应用 visual basic 6.0 编写 pc 机串口调试工具，熟练掌握 at89s52 单片机的实际应用。对被传输的字符 进行自定义编码，利用单片机之间的串口进行数据传输，研究信号进行编码后 通过串口的传输方法，并用 visual basic 设计人机互动界面，输出和显示字符 串。 毕业设计（论文）专题部分：毕业设计（论文）专题部分： 题目：题目： 设计或论文专题的基本内容：设计或论文专题的基本内容： 学生接受毕业设计（论文）题目日期学生接受毕业设计（论文）题目日期 第第 2 周周 指导教师签字：指导教师签字： 2010 年年 3 月月 13 日日 -iii- 基于 df 无线收发模块的无线数据传输系统 的设计与实现 摘 要 单片机自问世以来，就以其体积小、功能强、功耗低等优点在电子技术等 相关领域得到了广泛的发展。在一般的通信系统中，传输数据采用的是有线方 式，成本高、维护不方便，且在某些特殊的场合，布线困难甚至无法布线。随 着无线通信技术的发展，数据传输可通过无线的方式实现，从而克服了上述的 缺点。本文介绍了一个基于df射频芯片的短距离无线数据传输系统，通过 at89s52单片机控制射频芯片df(无线收发模块内部集成ask调制/解调,包括通信 协议及纠错处理功能)，实现了两个射频芯片之间在异步传输模式下进行数据的 发射和接收，同时接收方通过at89s52单片机的串口将收到的数据经rs232接口 电平转换后传给主机，主机调用visual basic 编写的串口调试窗口把收到的字 符串以字符的形式显示在屏幕上。 在系统的上位机部分，利用visual basic 6.0的mscomm控件作为开发工具， 设计了一组人机交换界面，此调试界面不仅可以将从单片机传送来的信号数据 送入计算机，按十六进制或两格十进制数据进行实时显示，而且能够收到的十 进制数据储存为文本形式，以备之后再次的调用分析。 在文章的结尾部分，通过对系统的反复测试并分析其结果，确定了此无线 数据传输系统正常工作时的最远距离。经软硬件调试，该系统在pc与外设的数 据交换中有一定的使用价值。 关键词关键词：无线通信，at89s52, df无线模块，visual basic 程序设计 东北大学本科毕业设计（论文） abstract -iv- 东北大学本科毕业设计（论文） 目 录 -v- 目目 录录 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 i 摘摘 要要.ii 第第 1 章章 绪绪 论论1 1.1 无线通信技术概述1 1.2 短距离无线通信的特征2 1.3 课题背景及主要工作3 第第 2 章章 系统相关技术介绍系统相关技术介绍5 2.1 通信相关知识介绍5 2.2 并行通信和串行通信6 2.2.1 并行通信。6 2.2.2 串行通信。7 2.3 异步传输和同步传输7 2.4 df 无线传输模块介绍.8 2.5 at89s52 单片机的简单介绍 10 2.5.1 内部结构10 2.5.2 at89s52 单片机的引脚功能描述.11 2.6 串口通信控件13 2.6.1 mscomm 控件处理通信方式.14 2.6.2 mscomm 控件的常用属性.15 2.5 本章小结本章小结15 第第 3 章章 系统的硬件设计和软件实现系统的硬件设计和软件实现16 3.1 单片机串口结构以及串口设置16 3.1.1 单片机的串口结构16 3.1.2 串行通信过程17 (1 1) 串行口简介17 (2) 串行口的控制.17 3.1.3 单片机与 pc 机电平转换接口简介.20 3.2 系统整体设计21 3.2.1 主机设计22 3.2.2 从机设计23 3.3 系统软件设计24 3.4 本章小结26 第第 4 章章 系统测试与分析系统测试与分析27 东北大学本科毕业设计（论文） 目 录 -vi- 4.1 系统整体调试结果显示27 4.1.1 建立基于对话框的程序工程27 4.1.2 mscomm 控件的事件及串行通信控件的使用.28 4.2 程序运行实测28 4.3 本章小结30 第第 5 章章 总结及展望总结及展望31 5.1 系统设计与实现过程中遇到的困难31 5.2 不足之处和需要改进的方向33 5.3 工作展望33 参考文献参考文献34 致致 谢谢36 东北大学本科毕业设计（论文） 第 1 章 绪 论 -1- 第 1 章 绪 论 1.1 无线通信技术概述 无线通信系统(wireless communication system) 也称为无线电通信系统， 是由发送设备、接收设备、无线信道三部分组成，是利用电磁波信号可以在自 由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式，在移动中实现的无线通信 又被称移动通信，该技术的发展始于上世纪 20 年代，经历了五个发展阶段1。 第一阶段从上世纪 20 年代到 40 年代，为早期发展阶段。在这期间，首先 在短波几个频段上开发出专用移动通信系统，起代表是美国底特律市警察使用 的车载无线电系统。该系统工作频率为 2mhz，到 40 年代提高到 3040mhz。可 以认为这个阶段是现代移动通信的起步阶段，特点是专用系统开发，工作频率 较低。 第二阶段从 40 年代中期至 60 年代初期。在此期间内，公用移动通信业务 开始问世。这一阶段的特点是从专用移动向公用移动网过度，接续方式为人工， 网容量较小。 第三阶段从 60 年代中期至 70 年代中期，使用 150mhz 和 450mhz 频段，实 现了无线频道自动选择并能够自动接续到公用电话网。这一阶段是移动通信系 统改进和完善的阶段，其特点是采用大区制，中小容量，使用 450mhz 频段，实 现了自动选频和自动接续。 第四阶段从 70 年代中期至 80 年代中期，这是移动通信蓬勃发展时期。 1978 年底，美国贝尔实验室研制成功先进移动电话系统（amps）,建成了蜂窝 状移动通信网，大大提高了系统容量。 第五阶段从 80 年代中期开始，这是数字移动通信系统发展和成熟时期， 开发了新一代数字蜂窝移动通信系统。数字无线传输的频谱利用率高，可大大 提高系统容量。另外，数字网能提供语音、数据多种业务服务，并与 isdn 等兼 容。实际上，早在 70 年代末期，当模拟蜂窝系统还处于开发阶段时，一些发达 国家就着手数字蜂窝移动通信系统的研究。到 80 年代中期，欧洲首先推出了泛 欧数字移动通信网（gsm）的体系。 目前，正处在第五阶段的第三代数字移动通信系统时代。这一时代的特点 东北大学本科毕业设计（论文） 第 1 章 绪 论 -2- 是通信频带进一步加宽，数据业务所占的比重大幅度增加，全面走向移动多媒 体通信。当今无线移动通信的发展主要体现在五大技术的发展中：一是举世瞩 目的 3g 技术，二是 3.5gghz 宽带固定无线接入的推广应用，三是 wlan 标准的 选用，四是宽带无线技术新宠 wimax，五是超宽带无线接入技术 uwb2。这些技 术的发展和应用促使无线移动通信的总体走势是接入多元、网络一体和综合布 局。 1.2 短距离无线通信的特征 低成本、低功耗和对等通信，是短距离无线通信技术的三大重要特征和优 势3。首先，低成本是短距离无线通信的客观要求，因为各种通信终端的产销 量都很大，要提供终端间的直通能力，没有足够低的成本是很难推广的。 其次，低功耗是相对其他无线通信技术而言的一个特点，这与其通信距离 短这个先天特点密切相关，由于传播距离近，遇到障碍物的几率也小，发射功 率普遍都很低，通常在 1 毫瓦量级。 短距离无线通信技术的范围很广，在一般意义上，只要通信收发双方通过 无线电波传输信息，并且传输距离限制在较短的范围内，通常是几十米内，就 可以称为短距离无线通信。 目前几种主流的短距离无线通信技术包括：高速 wpan 技术；uwb 高速 无线通信技术，包括 mb-ofdm、ds-uwb；wirelessusb 是一个全新无线传 输标准，可提供简单、可靠的低成本无线解决方案，帮助用户实现无线功能。 因此低速 wpan 技术和 ieee802.154zigbee，zigbee 是一种低速短距离无线通 信技术。它的出发点是希望发展一种拓展性强、易建的低成本无线网络，强调 低耗电、 双向传输和感应功能等特色。zigbeephy 和 mac 层由 ieee802.15.4 标准定义。ieee802.15.4a 是作为 ieee802.15.4 的一个补充，其物理层的标准可 能采用低速 uwb 技术。蓝牙底层 phy 层和 mac 层协议的标准版本为 ieee802.15.1，大多数标准的制订工作还由蓝牙开发小组 sig 负责4。rfid 是 一种非接触的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合（电感或 电磁耦合）传输性来实现对被识别物体的自动识别。rfid 技术的发展得益于多 项技术的综合发展，包括芯片技术、天线技术、无线技术、电磁传播技术、数 据交换与编码技术等。一套典型的 rfid 系统有电子标签、读写器和信息处理 东北大学本科毕业设计（论文） 第 1 章 绪 论 -3- 系统组成。电子标签与读写器配合完成对被识别对象的信息采集功能；信息处 理系统则根据需求承担相应的信息控制和处理工作。 高速 wpan，目前主要应用于连接下一代便携式消费和通信设备。它支持 各种高速率的多媒体应用、高质量声像配送、多兆字节音乐和图像文档传送等。 低速 wpan，主要用于家庭、工厂与仓库的自动控制，安全监视、保健监 视、环境监视，军事行动、消防队员操作指挥，货单自动更新、库存实时跟踪 以及游戏和互动玩具等方面的低俗应用。 1.3 课题背景及主要工作 目前，市场上的近距离无线通信技术主要有无线局域网wi-fi、蓝牙和一些 专用标准 (如adhoc网等) 的产品。一些大公司为开拓市场和应用领域，也在积 极研究和制定一些新的无线组网通信技术标准，如无线usb、超宽带通信uwb 和wimax等。无线数据传输广泛运用在车辆监控、遥控、遥测、小型无线网络、 无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线标签、身份识别、 非接触rf智能卡、小型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统、生物信 号采集、水文气象监控、机器人控制、无线232数据通信、无线485/422数据通 信、数字音频、数字图像传输等领域中。 本文将重点研究短距离无线数据传输系统的实现，主要包括以下几个方面。 (1) 在调研无线数据传输系统的实际应用基础上，本文完成了基于单片机 的无线数据传输系统，并通过串口通信的方式把数据发送到 pc 机上，再调用 串口调试工具将数据显示出来。自己动手焊了本无线数据传输系统的硬件电路， 包括主机电路板和从机电路板；并编写了主机发送程序，从机接收程序，上位 机显示程序。为实现此系统功能，对硬件设备进行如下选型，采用 at89s52 单 片机作为 df 无线收发模块的编解码控制芯片，主机和从机分别焊接一个串口， 单片机和串口之间通过 rs232 芯片进行电压转换。 (2) 硬件电路焊接完成后，开始设计系统软件，在 keil c 开发环境下，用 c 语言编写单片机的内核程序；涉及到系统的上位机程序，在 visual basic 6.0 环境下调用 mscomm 串口通信控件，编写一个串口调试工具，用此软件将收到的 东北大学本科毕业设计（论文） 第 1 章 绪 论 -4- 下位机字符串以文本的形式显示出来。 (3) 在 proteus 7.0 上进行系统功能仿真，以保证所用程序正确、有效地执行， 仿真完成后进行系统的实物调试。基本实现了预期的功能后，对该系统进行可 靠性和有效性评估，主要是对其有效传输距离的测量，以及误码率的测试。 (4) 最后，针对系统调试时反应出来的缺陷和不足，提出了优化方法，使 其在操作上更简单，功能上更加复杂，对系统的软件也相应的作了升级处理， 使整个系统具有一定的使用价值，而不仅仅停留在实验模拟的基础上。例如运 用此系统控制 pc 机的自动开机与关机，控制外设与 pc 机的数据传输以及 pc 机与外设的自动连接，本系统稍加改进就可以实现遥控器的功能，用于家用电 器的自动化控制，高级玩具的智能控制等。 东北大学本科毕业设计（论文） 第 2 章 系统的理论知识介绍 -5- 第 2 章 系统相关技术介绍 本章首先介绍了无线数据通信方面涉及的基本概念、通信方式、通信系统 组成结构；接着详细介绍本系统所用到的 df 无线数据收发模块；详细描述了 整个系统的控制芯片 at89s52，以及上位机显示窗口核心控件 mscomm 串口 控件。 2.1 通信相关知识介绍 通信系统的作用是将信息从信源发送到一个或多个目的地。通信系统有以 下几种分类方式： (1) 根据通信业务的种类不同，通信系统可以分为电话、电报、传真通信 系统， 广播电视通信系统，数据通信系统等。 (2) 根据信道中传输的信号是否经过调试，可将通信系统分为基带传输系 统和带通传输系统。 (3) 按传输媒介，通信系统可分为有线通信系统和无线通信系统两大类。 所谓有线通信使用导线 (如架空明线、同轴电缆、光导纤维、波导等)作为传输 媒质完成通信的，如室内电话、有线电视、海底电缆通信等。所谓无线通信是 依靠电磁波在空间传播达到传递消息的目的，如短波电离层传播、微波视距传 播、卫星中继等。 在无线模拟通信系统中，信道可以是自由空间；在有线信道中，可以是明 线、电缆和光纤。在自由空间中，波长与频率存在以下关系：式中: c fc 为光速，和 分别为无线电波的频率和波长，因此，无线电波也可以认为是f 一种频率相对较低的电磁波。 对频率或波长进行分段，分别称为频段或波段。 不同频段信号的产生、放大和接收的方法不同, 传播的能力和方式也不同, 因而 它们的分析方法和应用范围也不同。无线电波只是一种波长比较长的电磁波, 占据的频率范围很广。 电磁波从发射机天线辐射后，不仅电波的能量会扩散，接收机只能收到其 中极小的一部分，而且在传播过程中，电波的能量会被地面、建筑物或高空的 电离层吸收或反射；或在大气层中产生折射或散射，从而造成强度的衰减。根 据无线电波在传播过程所发生的现象 , 电波的传播方式主要有绕射(地波)，反 东北大学本科毕业设计（论文） 第 2 章 系统的理论知识介绍 -6- 射和折射(天波)，直射(空间波)。决定传播方式的关键因素是无线电信号的频率。 沿大地与空气的分界面传播的电波叫地表面波，简称地波。绕射传播。传 播途径主要取决于地面的电特性。地波在传播过程中，由于能量逐渐被大地吸 收，很快减弱（波长越短，减弱越快） ，因而传播距离不远。但地波不受气候影 响，可靠性高。超长波、长波、中波无线电信号，都是利用地波传播的。短波 近距离通信也利用地波传播。天波是利用天空的电离层折射和反射而传播的电 波，也叫天空波。电离层只对短波波段的电磁波产生反射作用，因此天波传播 主要用于短波远距离通信。两个突出特点：一是传播距离远，同时产生中间静 区地带，二是传播不稳定，随昼夜和季节的变化而变化5。因此，短波通信要 经党更换波段，以保证质量。 空间波又称为直射波，是由发射点从空间直线传播到接收点的无线电波。 直射波传播距离一般限于视距范围。在传播过程中，它的强度衰减较慢，超短 波和微波通信就是利用直射波传播的。在地面进行直射波通信，其接收点的场 强由两路组成：一路由发射天线直达接收天线，另一路由地面反射后到达接收 天线，如果天线高度和方向架设不当，容易造成相互干扰（例如电视的重影） 。 限制直射波通信距离的因素主要是地球表面弧度和山地、楼房等障碍物，因此 超短波和微波天线要求尽量高架。 2.2 并行通信和串行通信 计算机与外界通信的基本方式一般可以分为两种，分别是并行通信方式和 串行通信方式。 2.2.1 并行通信。 在计算机和终端之间的数据传输通常是靠电缆或者信道上的电流或电压变 化实现的。如果一组数据位在多条线上同时被传送，这种传输被称为并行传输。 并行传送的数据宽度可以是 1 位128 位，甚至更宽，但是有多少数据位就需要 多少根数据线，因此传送成本高。在集成电路芯片的内部，同一插件板上各部 件之间，同一机箱内各插件板之间的数据传送都是并行的，如图 2.1 所示。 东北大学本科毕业设计（论文） 第 2 章 系统的理论知识介绍 -7- 1 1 0 0 1 1 0 1 图 2.1 并行通信 并行数据传送的特点是：各数据位同时传送，传送速度快、效率高。多用 在实时、快速的场合。并行数据传送只适合用于近距离的通信，通常小于 30m。 2.2.2 串行通信。 串行通信是指通信的发送方和接收方之间数据信息的传输是在单根数据线 上，以每次一个二进制的 0、1 为最小单位进行传输。串行数据传送的特点是： 数据传输位按位顺序进行，最少只需要一根传输线即可完成，节约传输线。与 并行通信相比，串行通信还有较为显著的优点，传输距离长，可以从几米到几 千米。在长距离内串行数据传送速率会比并行数据传送快，串行通信的通信时 钟频率容易提高，串行通信有较强地抗干扰能力，其信号的互相干扰完全可以 忽略。如图 2.2 所示。 11001010 图 2.2 串行通信 1 1 发 0 送 1 端 0 1 0 1 1 0 0 接 1 收 0 端 1 0 发 送 端 接 收 端 东北大学本科毕业设计（论文） 第 2 章 系统的理论知识介绍 -8- 2.3 异步传输和同步传输 (1) 异步传输方式的特点就是通信的双方以一个字符（包括特定的附加位） 作为数据传输单位，并且发送方传送字符的间隔是不定的，在传输一个字符的 时候总是以起始位开始，以停止位结束。异步传输方式的通信格式如图 2.3 所 示。 图 2.3 异步传输 从图 2.3 可以看出，一个字符单位除了表示该字符所传递的信息的数据位 (位长度 5-8 位可自行定义)外，还有若干个附加位，图中的起始位(一位，恒为 0)，奇偶校验位(可选择有无)，停止位(长度可以是 1-2 位，可选，值恒为 1)。 这样，传送一个字符必须以起始位为开始，以停止位为结束，整串比特流称之 为数据帧。 (2) 同步传输方式中，比特块以稳定的比特流形式传输，数据被封装成更 大的传输单位，称为数据帧。每个帧中含有多个字符代码，而且字符代码与字 符代码之间没有空隙以及起始位和停止位。和异步传输相比，数据传输单位的 加长容易引起时钟漂移。为了保证接收端能够正确区分数据流中的每个数据位， 收发双方必须通过某种方法建立起同步时钟。 2.4 df 无线传输模块介绍 df 数据发射模块的工作频率为 315mhz，采用声表谐振器 saw 稳频，频 率稳定性极高，当环境温度在-25+85之间变化时，频率飘移仅为 3ppm/。特别适合多发一收无线遥控及数据传输系统。一般的 lc 振荡器频率 东北大学本科毕业设计（论文） 第 2 章 系统的理论知识介绍 -9- 稳定度及一致性较差，即使采用高品质微调电容，温差变化及振动也很难保证 已调好的频点不会发生偏移。 df 发射模块未设置编码集成电路，而增加了一只数据调制三极管 q1，这 种结构使得它可以方便地和其他固定编码电路、滚动码电路及单片机接口，而 不必考虑编码的工作电压和输出幅度信号值的大小。df 数据模块具有较宽的工 作电压 312v，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。df 数据模块采用 ask 方式调试，以降低功耗， 当数据信号停止时发射电流降为零，数据信号与 df 发射模块输入端可以用电 阻或者直接连接而不能用电容耦合，否则 df 发射模块将不能正常工作。数据 电平应接近 df 数据模块的实际工作电压，以获得较高的调制效果。df 发射模 块最好垂直安装在主板的边缘应离开周围器件 5mm 以上，以免分布参数影响。 df 模块的传输距离与调制信号频率及幅度，发射电压及电池容量，发射天线， 接收机的灵敏度，收发环境有关。图 2.4 为 df 发射模块的电路原理图。 图 2.4 df 发射模块电路原理图 df 超外差接收模块的工作电压为 5v，它为超再生接收电路，接收灵敏度为 105dbm，接收天线最好为 2530cm 的导线，最好能竖立起来。接收模块本身 不带解码集成电路，因此接收电路仅是一种组件，只有应用在具体电路中进行 +5v gnd data 东北大学本科毕业设计（论文） 第 2 章 系统的理论知识介绍 -10- 二次开发才能发挥应有的作用，它可以和各种解码电路或者单片机配合，df 模 块自身辐射极小，加上电路模块背面网状接地铜箔的屏蔽作用，可以减少自身 振荡的泄露和外界干扰信号的侵入。图 2.5 为超外差接收模块的电路原理图。 图 2.5 超外差接收模块电路原理图 2.5 at89s52 单片机的简单介绍 2.5.1 内部结构 at89 系列单片机是以 intel 公司的 mcs-51 单片机为核心的部件结构，它 与 8051 其他型号的单片机是兼容的。单片机是把微型计算机的主要部分集成在 一个芯片上的单芯片微型计算机。它的结构和指令都是按照工业要求设计的， 也称为微控制器。at89 系列单片机的精简结构如 2.6 所示。 频率基准源 计数器 t0/t1 内部总线 振荡 器及定时 电路 8kb 程序存储 器 rom 数据 存储器 ram 2 个 16 位定时 器 cpu 64kb 总线扩 展控制 可编程 i/o 口 48 位 可编程 串行口 东北大学本科毕业设计（论文） 第 2 章 系统的理论知识介绍 -11- 控制 并行 i/o 口 串行输入/输出 图 2.6 at89 单片机简单结构方框图 at89s52 是一种低功耗、高性能 cmos 8 位微控制器，具有 8k 在系统可 编程 flash 存储器。使用 atmel 公司高密度非易失性存储技术制造。片上 flash 允许程序存储器在系统可编程，也适合于常规编程。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 cpu 和在系统可编程 flash，使得 at89s52 为众多嵌入式控制应用系统提 供高灵活、超有效的解决方案。at89s52 具有以下标准功能：8k 字节 flash，256 字节 ram，32 位 i/o 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个 16 位定时器/计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟 电路。另外，at89s52 可降至 0hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模 式。空闲模式下，cpu 停止工作，允许 ram、定时器/计数器、串口、中断继 续工作。掉电保护方式下，ram 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作 停止，直到下一个中断或硬件复位为止。at89s52 型号单片机几乎涵盖了所有 结构功能，它的主要功能特点是： (1) 8 位字长 cpu，指令、引脚、与 mcs51 全兼容。 (2) 8kb 系统内可编程 flash 存储器。 (3) 1000 次擦写周期。 (4) 4 个 i/o 口共 32 线。 (5) 4.0v5.0v 的工作电源电压。 (6) 振荡器和时钟电路，全静态操作，033mhz。 (7) 3 级程序存储器锁存。 (8) 2568b 片内 ram。 (9) 3 个可编程定时器：t0、t1 和 t2。 (10)8 个中断源。 (11) 全双工串行口通道。 (12) 低功耗休闲和降压模式。 (13) isp 端口，即在线编程。 (14) 定时监视器，又称看门狗。 (15) 双数据指针。 (16) 电源下降标志。 东北大学本科毕业设计（论文） 第 2 章 系统的理论知识介绍 -12- 2.5.2 at89s52 单片机的引脚功能描述 at89s52 单片机是 msc-51 系列产品的升级版，由世界著名半导体公司 atmel 在购买 msc-51 设计结构后，利用自身优势技术对旧技术进行改进和 扩展，同时使用新的半导体生产工艺，最终得到成型产品。图 2.7 是该单片机 引脚排列封装图，使用双列直插 dip-40 的封装。 图 2.7 at89s52 单片机引脚图 在单片机的 40 条引脚中有 2 条专用于主电源的引脚，2 条外接晶振的引脚， 4 条控制或与其他电源复用的引脚，32 条 i/o 引脚。部分引脚功能是： (1)主电源引脚 vss和 vcc vss或 gnd：接地脚。 vcc:电源供电，正常为+5v 电压。 (2)外接晶振引脚 xtal1 和 xtal2 当外接晶体振荡器时，xtal1 和 xtal2 分别接在外接晶体振荡器的两端。 片内振荡器由一个单级反相器组成，xtal1 为反相器的输入，xtal2 为输出。当 采用外部振荡器提供的时钟信号时，xtal1 端作为输入，而 xtal2 脚悬浮。 (3)控制引脚 rst、ale/progpsen、ea/vpp rst：当振荡器正常工作时，在此引脚上出现两个机器周期以上的高电平 是单片机复位。而在定时监视器定时输出后，引脚置成高电平并持续 96 个振荡 周期。在 vcc掉电期间，此引脚还外接外加的备用电源，以保持内部的 ram 的数 据。当 vcc下降到低于规定的水平，该引脚在规定的电压范围内，向内部 ram 提 供备用电源。 ale：地址锁存使能端。 东北大学本科毕业设计（论文） 第 2 章 系统的理论知识介绍 -13- psen：程序存储器读选通信号，低电平有效。在外接扩展程序存储器和数 据存储器时，它们的地址是可以重合的，at89 系列单片机就是通过相应的控制 信号来区别 p2 口和 p0 口送出的到底是程序存储器的地址还是数据存储器的地 址。在访问外部存储器读取指令或者常数时，每个机器周期产生两个有效信号， 即输出两个 psen 有效信号，此时地址总线上送出的就是程序存储器的地址。而 如果访问外部数据存储器时，不产生两个 psen 信号。同时，在单片机执行访问 内部程序存储器时也不产生两个这样的信号。 ea/vpp：ea 是访问内部或外部程序存储器的选择信号。当 ea 保持高电平 时，访问内部程序存储器。而这时如果还有外部扩展程序存储器时，cpu 在执 行完成内部存储的程序后自动跳转到执行外部存储的程序。而当 ea 保持低电平 时，不管内部有无存储器都只从起始地址开始访问外部程序存储器。vpp为 flash 编程电压，就是编程者在对片内的 flash 编程时，此引脚施加 flash 编 程允许的电压，此电压一般为 12v。 (4)输入输出引脚 p0.0p0.7：p0 口是一个 8 位漏极并行准双向 i/o 口。在访问外部扩展存 储器时，它被定义的是低 8 位的地址/数据线，地址和数据总线分时复用，此时 需要外接上拉电阻，置“1”激活上拉电阻成高阻抗输入口。在编程者对片内 flash 编程时，p0 接收指令字节，在验证程序时则输出指令字节，而验证期间 也要外接上拉电阻。 p1.0p1.7：p1 口自己内部已有上拉电阻，也是 8 位准双向 i/o 口。在进 行 flash 编程和验证时，它接收低 8 位地址。 p2.0p2.7：p2 口内部也有上拉电阻，是一个 8 位准双向 i/o 口。在访问 外部程序存储器和数据存储器时送出高 8 位地址。用 movxdptr 类指令访问外 部数据存储器时，p2 口为高 8 位地址；但用 movr0 和 movr1 类指令访问外部 数据存储器时，p2 口上的内容是 sfr p2 的内容。 2.6 串口通信控件 串口通信控件（microsoft communications control，mscomm）是 microsoft 公司提供的简化 windows 下串行通信编程的 activex 控件6，为应用 程序提供了通过串行接口收发数据的简便方法。mscomm 控件通过串行端口传 东北大学本科毕业设计（论文） 第 2 章 系统的理论知识介绍 -14- 输和接收数据，为应用程序提供串行通信功能，而且在串口编程时相对比较方 便，在 vc+ 6.0、vb、delphi 等语言中都可以使用。mscomm 控件通过串口 端口传输和接收数据，为应用程序提供串行通信功能。它提供下列两种处理通 信的方式。 2.6.1 mscomm 控件处理通信方式 (1) 事件驱动方式 事件驱动通信是处理串行端口交互作用的一种非常有效的方法。在许多情 况下，事件发生时程序得到通知，例如，在串口接收缓冲区中有一个字符到达 或一个变化发生时，程序都可以利用 mscomm 控件的 oncomm 事件捕获并处 理这些通信事件，oncomm 事件还可以检查和处理通信错误。在程序设计中， 可以在 oncomm 事件处理函数中加入自己的处理代码，一旦事件发生即可自动 执行该程序。这种方法的优点是程序响应及时，可靠性高。 (2) 查询方式 在程序的每个关键功能完成后，可以通过检查 commevent 属性的值来查询 事件和错误。如果应用程序较小，并且是自保持的，这种方法可能是更可取。 例如，如果只写一个简单的电话拨号程序，则没有必要对每接收一个字符都产 生事件，因为惟一等待接收的字符是调制解调器的“ok”响应。查询方式的编 程可用计时器或 d0loop 程序实现7。 在软件中使用的每个 mscomm 控件都与一个串口对应。如果在应用程序 中需要访问多个串口，必须使用多个 mscomm 控件。可以在 windows 控制面 板中修改串口地址的中断地址。 下面一段程序是一个使用数据查询方式接收数据的例子。 private sub test( ) dim instring as string mscomm1.commport=1 mscomm1.settings=”2400,n,8,1” mscomm1.inputlen=0 mscomm1.portopen=true mscomm1.output=”at”+chr$(13) do 东北大学本科毕业设计（论文） 第 2 章 系统的理论知识介绍 -15- doevents loop until mscomm1.inbuffercount=2 instring=mscomm1.input mscomm1.portopen=false end sub 2.6.2 mscomm 控件的常用属性 (1) commport 属性 语法表达式：mscomm.commport=value，设置或返回通信端口号，必 须在打开端口之前设置 commport 属性。 (2) inpot 属性 语法表达式 mscomm1.input，返回并接收缓冲区中的数据。 (3) inputmode 属性 语法表达式：mscomm1.inputmode=value，设置或返回接收数据的数 据类型。 (4) output 属性 语法：mscomm1.output=value，向传输缓冲区写数据流。 (5) settings 属性 语法表达式：mscomm1.settings=value，设置并返回通信参数。 (6) portopen 属性 语法表达式：mscomm1.portopen=value，设置或返回通信端口的状态。 2.5 本章小结本章小结 本章首先对通信系统的相关概念做了简单的叙述，接着对系统传输的码型 及相关编码方式进行了介绍，给出了同步传输方式和异步传输方式的概念及各 自优缺点。然后对df收发模块的工作原理以图形界面的方式解释出来，另外介 绍了单片机，阐明了基于单片机的无线数据传输系统的概念和优点。最后对上 位机 visual basic 6.0 中最重要的mscomm控件的相关属性给出相关的解释。 东北大学本科毕业设计（论文） 第 3 章系统的硬件设计和软件实 现 -16- 第 3 章 系统的硬件设计和软件实现 单片机开发部分是整个系统开发流程中重要的一个环节，主要任务是根据 用户的需求，准确定义要完成的系统目标，编写开发程序并将其写入单片机中， 从而使单片机的运行符合开发人员的要求。 3.1 单片机串口结构以及串口设置 3.1.1 单片机的串口结构 at89 系列单片机本身都具有一个全双工的 uart 异步串口接口，可以用 于串行异步通信进行数据的接受和发送，还可以作为同步移位寄存器使用。这 个接口电路不是单独的芯片，而是集成在单片机内部作为单片机一个组成部分 的接口电路，它也可以用于网络通信。 at89 单片机的串口主要由发送缓冲器、发送控制器、输出控制门、接收控 制器、输入移位寄存器、接收数据缓存器等组成8。两个独立的接收、发送缓 冲器(sbuf)属于特殊功能寄存器。发送缓冲器只能写入不能读出，接收缓存器 只能读出不能写入，二者共用一个字节地址(99h)。串行口结构示意图如图 3.1 所示。 发送 sbuf(99h) 接收 sbuf(99h) 输出移位寄存器 txd 串行 输出 系统 总线 rxd 串行 输入 ti（发送中断） ri（接收中断） 移位 时钟 图 3.1 串行口结构图 东北大学本科毕业设计（论文） 第 3 章系统的硬件设计和软件实 现 -17- 串行口有接收和发送两个缓冲寄存器。在物理结构上它们是完全独立的， 都属于字节寻址寄存器，但是共用一个相同的字节地址(99h)。两个重叠的地址 靠读和写指令来进行区分。串行发送时 cpu 向缓冲寄存器写入数据，此时地址 自然就表示发送 sbuf，而在串行数据接收时，则为 cpu 从缓冲寄存器读出数 据，此时的 99h 地址就表示接收 sbuf。 3.1.2 串行通信过程 (1 1) 串行口简介 串行数据接收时，信息从引脚 rxd(p3.1)进入。首先传送到一个移位寄存 器，这样的结构避免了在数据接收的过程中出现字符帧重叠错误，就是前一帧 的数据还没有读到 cpu 中，后一帧的数据已经进来，覆盖前一帧。 使用串行接收以后，串行收、发的工作主要由串行接口来完成。在发送时， 由 cpu 执行一条写指令把数据写入发送缓存器，则启动串行口一位一位地向外 发送。与此同时接收端也可以一位一位地接收数据，直到把一组数据接收完， 送入接收缓存器，然后通知 cpu，cpu 执行一条读指令把接收缓存器的内容读 入。可见，在整个串行收、发过程中，cpu 操作的时间很少，使得 cpu 还可 以从事其他各种操作，从而大大提高 cpu 的效率9。 (2) 串行口的控制 串行口的数据通信工作主要受 4 个控制寄存器的控制9，主要的有串行口 控制寄存器(scon)和电源控制寄存器(pcon),另外中断允许控制寄存器(ie)控制 了串行口的中断禁止/允许，中断优先级控制寄存器(ip)控制串行口中断的优先 级。 scon 用以设定串行口的工作模式、接收/发送控制及设置状态标志，字节地址 为 98h，可位寻址，位地址为 9fh98h，单片机复位时，所有位全为 0。寄存 器的各位内容如表 3.1 所示。 表 3.1 scon 的内容和位地址 位序76543210 位地址 9fh9eh9dh9ch9bh9bh99h98h 东北大学本科毕业设计（论文） 第 3 章系统的硬件设计和软件实 现 -18- 位符号 sm0sm1sm2rentb8rb8tiri sm0 和 sm1:串行方式选择位。其状态组合所对应工作方式如 3.2 所列。 表 3.2 串行口工作方式选择表 sm0 sm1 工作方式 功能 波特率 0 0 方式 08 位同步移位寄存器 fosc/12 0 1 方式 110 位 uart可变(定时器控制) 1 0 方式 2 11 位 uartfosc/64 或 fosc/32 1 1 方式 3 11 位 uart可变(定时器控制) ren:允许/禁止串行接收位。由软件置位或清“0” 。ren=1 时，允许接收， ren=0 时，禁止接收。例如当从机用于接收数据时，使用位操作指令 setb ren，允许从机接收。 ti:发送中断标志。在方式 0 中，发送完 8 位数据后，由硬件置位；在其他 方式中，在发送完停止位之初由硬件置位。因此 ti 发送完一帧数据的标志，可 以用“jbc ti,rel”指令来查询是否发送结束。ti=1 时，也可以向 cpu 申请中断， 响应中断后都必须由软件清除 ti。 ri:接收中断标志。在方式 0 中，接收完 8 位数据后，由硬件置位；在其他 方式中，在接收停止位的中间由硬件置位。同 ti 一样，也可以通过“jbc ri rel”指令来查询是否接收完一帧数据。ri=1 时，也可申请中断，响应中断后都 必须由软件清除 ri。 pcon 主要为 chmos 型单片机的电源控制而设置的专用寄存器，不可以 位寻址，字节地址为 87h。在 hmos 的 8051 单片机中，pcon 除了最高位以 外其他位都是虚设的。其中 smon 是串行口波特率的倍增位。其各位内容如 表 3.3 所列。 表 3.3 pcon 的内容和位地址 位序 7 6 5 4 3 2 1 0 位地址 87h 86h 85h 84h 83h 82h 81h 80h 位符号smod gf1 gf0 pd idl 东北大学本科毕业设计（论文） 第 3 章系统的硬件设计和软件实 现 -19- smod 为波特率选择位。在工作方式 1、工作方式 2 和工作方式 3 时，串 行通信的波特率与 smod 有关。当 smod=1 时，通信波特率乘 2，当 smod=0 时，波特率不变。另外，串行通道内设有数据寄存器，在所有的串行 通信方式中，在写入缓冲器 sbuf 指令的控制下，将数据装入相同的 9 位移位 寄存器，前面 8 位为数据字节，最后一位是移位寄存器的输出位，根据不同的 工作方式自动将“1”或“tb8”的值装入到移位寄存器的第 9 位，并进行移位 发送。 (3)波特率的选择与计算 at89s52 单片机通过对 scon 中的 sm0 和 sm1 位进行设置，可以使串行 通信工作在 4 种方式下。在串行通信中，收发数据的双方发送和接收信息的速 率是要有一定约定的，即波特率的约定。其中，方式 0 和方式 2 的波特率是固 定的，而工作方式 1 和工作方式 3 的波特率是可变的10，由定时器 t1 或 t2 的 溢出率决定。at89 单片机串行口的 4 种工作方式对应了 3 种波特率，由于输入 的移位时钟来源不同，各种工作方式的波特率计算公式也是不一样的。 (a)工作方式 0 和工作方式 2 在工作方式 0 中，波特率为时钟频率的 1/12，即 波特率 = fosc/12 (3-1) 这一值是固定不变。 在工作方式 2 中，波特率取决于 pcon 中的 smod 值，当 smod = 0 时， 波特率为 fosc/64；当 smod = 1 时，波特率为 fosc/32。即 波特率 = (3-2) fosc 64 2 smod (b)工作方式 1 和工作方式 3 在工作方式 1 和工作方式 3 下，波特率由定时器 ti 的溢出率和 smod 共 同决定。即 工作方式 1 和工作方式 3 的波特率 = 溢出率 (3-3)ti smod 32 2 其中 ti 的溢出率取决于单片机定时器 t1 的计数速率和定时器的预置位。 当定时器 t1 作波特率发生器使用时，通常是工作在模式 2，即自动重装载的 8 位定时器，此时 tl1 做计数用，自动重装载的值在 th1 内。设计数的预置值为 x，那么每过(256-x)个机器周期，定时器溢出一次。为了避免溢出而产生不必 东北大学本科毕业设计（论文） 第 3 章系统的硬件设计和软件实 现 -20- 要的中断，此时应禁止 t1 中断。溢出周期为 t = (3-4)256( 12 x f osc 所以，波特率为 波特率 = (3-5) )256(1232 2 x f osc smod 而在实际的应用系统中常常要设定 fosc，且要给出在此波特率的情况下定时 器的初值 x 。则根据上式，可得出定时器的初始值为 x = (3-6) 波特率 384 ) 1( 256 smodfosc 下面的一个例子，设置的波特率为 2400b/s，其用汇编的编程如下： mov tmod ,#20h mov tl1 , #0f4h mov th1 , #0f4h setb tr1 3.1.3 单片机与 pc 机电平转换接口简介 异步工作模式 usart 是进行产品开发和系统设计中最常用的模式，这种 模式就是常说的 rs232c11。其数据格式为 1 个起始位、8 或 9 个数据位、一个 停止位。在本设计中我们利用 usart 实现单片机与计算机之间的串行通信。 rs232c 是由美国电子工业协会（eia）正式公布的，是在异步串行通信中 应用最为广泛的标准总线，它包括了按位穿行传输的电器和机械方面的规定， 适用于数据终端设备（dte）和数据通信设备（dce）之间的接口。rs-232c 标准中所提到的“发送”和“接收” ，都是站在 dte 立场上，而不是站在 dce 的立场上来定义的。由于在计算机系统中，往往是 cpu 和 i/o 设备之间传送信 息，两者都是 dte，因此双方都能发送和接收。 eia-rs-232c 对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都做了规定。 在 txd 和 rxd 上：逻辑 1 为-3-15v、逻辑 0 为+3+15v； 在 rts、cts、dsr、dtr、和 dcd 等控制线上； 信号有效(接通，on 状态，正电压)为+3+15v； 信