毕业设计（论文）-手持式无线电量抄表主机部分设计.docVIP

目 录引 言5第一章 自动手抄表的发展现状和要解决的问题61.1 自动抄表技术发展现状61.1.1 智能ic卡自动抄表方式61.1.2 电力载波自动抄表方式61.1.3 无线抄表方式71.2 解决的问题8第二章 方案的选择比较92.1 irda技术92.2 ism频段射频通信技术92.2.1 蓝牙(bluetooth)技术92.2.2 homerf技术102.2.3 802.11标准10第三章 方案的总体设计和器材选取123.1 系统总体工作原理及硬件模块化设计123.2 无线收发模块通信距离的计算与选取133.2.1 无线收发模块通信距离的计算133.2.2 无线收发模块的选取143.3 单片机的选取与串口应用153.3.1 单片机的选取153.3.2 串口应用17第四章 无线通信模块的设计184.1 nrf401芯片介绍184.2 nrf401内部结构以及外围电路的设计204.2.1 nrf401内部结构204.2.2 天线的设计204.2.3 发射和接收频率的问题214.2.4 nrf401外围电路设计214.3 通用串行总线接口模块的硬件设计224.3.1 max232芯片介绍224.3.2 rs-232总线简介224.3.3 串行口电平转换芯片的选取224.3.4 max232接口电路234.4 数据存储器234.5 数码管显示模块244.6 键盘244.7 单片机外围电路254.7.1 复位电路254.7.2 时钟电路25第五章 软件设计2751 无线通信协议2752 多机通信27521 多机通信接口设计同系27522 多机通信软件设计28523 多机通信原理及过程29524 软件协议295.3 软件流程图305.3.1 单片机串行接收的软件设计305.3.2 单片机与计算机串口通信的软件设计315.3.3 键盘显示的软件设计32第六章 安装与调试346.1 元器件清单346.2 制版焊接346.3 通电测试346.4 调试34第七章 结论与展望35致 谢36参 考 文 献：37附录a：元器件清单38附录b:代码39附录c：44引 言随着社会经济的发展和生活水平的日益提高，人们对家居环境提出了越来越高的要求，安全、舒适、方便、快捷、人性化、智能化已成为新的追求目标，以往的住宅结构及管理方式越来越不能满足人们的需求。电子计算机和微电子技术的飞速发展给世界的各个领域带来了无限的发展空间，建筑领域也在不断完善，智能大厦、智能化住宅小区先后出现，也逐渐实现了小区网上物业管理、安防联网报替、宽带上网等，但对于电表及其查表出户问题的解决还处于较低的水平。本文是针对于智能化小区的电表的抄收问题所做的研究。在智能化小区的管理系统中，安全自动化，通信自动化和管理自动化是三个主要的特征。电表的抄收问题是衡量小区管理水平的一个非常重要的不可回避的问题。因为它的抄收问题将直接影响到居住的安全性、便捷性，也影响到物业公司的管理工作。以往电表的抄收采用人工方式，即供电公司派工作人员到住户家中抄取表的数据，然后回到公司，录入该数据，核算出相应的消费费用，打出收费单据，再派人上门收费，这样不能保证数据的准确性和实时性，会造成大量的人力、物力及时间上的浪费，也可能造成错抄、漏抄、估抄及“人情电”的现象1，给收费人员和住户带来很大的麻烦，甚至造成很多不必要的纠纷。不仅如此，电表的入户抄收也会带来社会治安问题，有很多治安案件的发生正是由于犯罪人员冒充抄表、收费人员进行入户抢劫，给住户家居生活的安全性造成很大的威胁2。鉴于电表的人工入户抄收既造成了工作效率低下，时间跨度过大，又存在一定的安全隐患，因此传统抄表方式己经越来越不能适应今后住宅的发展需求和人们的生活需求而逐渐丧失生命力。取而代之的是户外无线抄表，抄表人员只需将手持式无线电量抄表带到小区，由单片机进行控制，通过键盘发出抄表命令，读取各个用电户的电表量并进行存储,整个抄表过程结束后, 把手持式无线电量抄表带回电力部门，通过串行通信就可与管理计算机进行对接,完成信息传递，用时短，便于计算机的信息管理。这种方法既节省人力、物力、时间，保证准确性，实时性的同时也不在让住户的安全性受到影响。因此，自动抄表方式既能满足实际要求，又能提高能源管理的自动化水平和现代化水平，既符合人们对住宅功能的需求也解决了计费、计量、监管等相关部门的难题，它必将会成为一种趋势，一种行业标准被大家广泛认可和接受。第一章 自动手抄表的发展现状和要解决的问题1.1 自动抄表技术发展现状 目前国内外普通采用的自动抄表方式有三种:ic卡自动抄表、电力载波自动抄表、远程自动抄表，它们拥有各自的特点及适用范围。1.1.1 智能ic卡自动抄表方式智能ic卡自动抄表技术源于国外，它是将用户信息存入卡中,利用微机技术、ic卡技术进行数据管理的方法。该方式有着自身的优点: 1、采用预付费方式,避免纠纷。2、无需铺设管线及线路维护。3、限量消费，节约能源。但ic卡自动抄表方式也有着很多的弱点: 1、技术不成熟，经常出现误报警，即用户ic卡中尚有足够用量的情况下，也会产生报警，并且停止供应，造成即便卡中有钱也不能用电的情况，给人们造成一定的困扰。2、利用ic 卡预付费这种方式，造成先买单后吃饭的问题，缺少人性化，因此只适用于散户，不便于集中物业管理。国外ic卡抄表方式只是在一些低档的或流动性场所使用，至今仍未被广泛应用。另外此种方式需要用户到指定部门购买ic卡，把本来属于卖方的劳动由买方来承担，不能体现便民性。3、用户不能及时了解自己的消费情况，无法及时地核实自己的耗能数据。4、随着电子技术的发展，ic卡越来越容易被解密，造成假卡或造成控制系统失效，难以取证认定，易发生纠纷。ic卡受到攻击后对住户或成国家都会造成损失。5、难以上网查阅，并且难以对电表进行动态管理。6、需制造专门的智能仪表，提高了系统的成本。7、售后服务很难解决，如果 ic卡或智能仪表出现问题，必须及时维修，会给物业部门和管理部门造成巨大的负担。8、ic卡抗干扰能力差，价格高，寿命短，综合效益差。因此ic卡自动抄表方式不适合于智能化小区的自动抄表。1.1.2 电力载波自动抄表方式电力载波方式是把电表的数据通过采集终端设备将数据调制后，通过电力线传递，在接收端解调还原成数字信号，在同一台配电变压器供电范围内统一编址，并由采集器巡回读写的处理方法。电力载波自动抄表方式的优点是:利用电力线传输，无需铺设线路节省资源。虽然这种方式有明显的优点，但并没有在我国得到广泛地使用，主要是因为关键技术不能解决。目前我国住宅小区使用的是低压电力网，低压电力网由于频率低，通道特性不具备一般性，即不同线路的特性差异很大且线路信道具有时变性，而且线路噪声功率较其它线路大，所以在这样的通道上实现常规的窄带传输比较困难3。其缺点主要表现为:1、电网在传输数据过程中，经常受到无线电信号、电磁信号、脉冲信号的干扰，导致传输数据错码、丢码。2、家用电器启动时瞬间电压极大，产生许多脉冲信号，这些干扰信号叠加在电网上，造成数据与原表的误差。3、传输距离有限。由于配电变压器对电力载波信号有阻隔作用，电力载波信号只能在一个配电变压区域范围内传递。数据传输距离受到限制。要想充分利用电网进行载波就必须解决抗干扰接收问题和信号处理问题。然而我国的电网的纯净度差，想要解决它，不但要相当大的投资，而且必须解决许多关键性的技术问题，目前还很难实现。但因为关键技术不能解决，在我国不能广泛应用。1.1.3 无线抄表方式无线抄表方式的工作原理是：利用电子技术和传感器技术制造出具有远传功能的智能仪表或是对传统电表加以改进，完成对电量的采集，并通过无线传输方式将每一个电表传出的数据上传到上位机中，完成数据的传输和处理，最后通过串行接口与计算机相连，可根据要求与计算机之间进行信息交换。与ic卡抄表方式以及电力载波抄表方式相比，无线抄表方式具有以下特点：1、信号传输有自己专用的通道，不容易受到其它信号的干扰，计量准确性比较高。2、不需铺设专门的线路，不受环境限制，出现问题时检修方便。3、关键技术日趋成熟，技术可靠性高。运用无线抄表方式设计研制的无线抄表系统具有以下的优点4：（1）工作效率高无线抄表系统以精确的构思，解决了供电部门与用户的矛盾。以往每一个住宅楼都需派专人抄表，不仅抄收数据繁琐，而且统计困难。采用无线抄表系统后，从机进行每个住户的电表数据采集，通过无线通信将采集的电表数据传输给主机，并进行分析、整理、存储，将主机带到管理部门通过串行通信接口与计算机相连，将数据上传，同时计算出相关的费用，使供电公司及物业管理部门从根本上减少人工上门抄表带来的繁杂低效的运作模式。准确而便捷的收费系统，既减少工作人员的工作量又减少供电部门与客户之间的纠纷，从而提高管理部门的工作效率。从社会效益讲，无线抄表系统同步实现了集中智能管理，减少了人为因素带来的诸多不利。当能源价位发生政策变动时，系统通过管理中心改变软件设置便可实现，能更好的满足用户需求，达到科学管理、减员增效的目的。(2) 系统维护方便、升级容易系统正常运行后将处于免维护状态。若要对系统进行升级，这在以单片机为核心的无线抄表系统是很容易做到的，将写入 cpu中的程序进行调整，或配以相应的模块即可满足要求。(3)可实现实时采集数据管理部门的管理人员随时可读取电表数据，市民也可随时查询消耗情况和相关数据，不再象过去那样只能查询1个月前的历史数据，可以进行3个月前的历史数据查询。还可以通过计算机网络与营业计算机系统有机结合起来，实现数据共享，提供最原始的数据，绘制出用户日、月、年的负荷曲线，掌握耗能配额及各用户耗能指数，做到整体监测、分析考核。通过计算机网络数据共享，使营业微机系统实现各用户数据查询。 （4）可为居民提供公平、透明的消费平台无线自动抄表，对用户而言，由于数据准确可靠，为用户提供了一个对管理部门供应及自己使用情况的公正的了解，同时为管理部门提供了用户用量及缴费情况的查询，从而避免由于关系、权利、人情造成的混乱。对改善服务质量，提高管理部门形象起到了很大作用，具有明显的社会效益。1.2 解决的问题 因为我做的是主机部分，而智能仪表属于从机部分，不需要考虑智能仪表的设计。主机部分需解决的问题：1、根据实际需求完成无线收发模块的设计，制作。包括无线收发模块的硬件设计，电路设计。在设计过程中为了尽量的减少硬件设施，降低功耗，简化电路，可选用功能强大的芯片。2、编写实现系统功能的软件，确定通信方式及通信标准。利用汇编语言编写软件来实现数据传输功能并对数据进行分析，采集到的数据可通过串行通信接口rs-232上传到供电部门的pc机上。这种无线抄表方式稳定、可靠、计量准确性高、而且成本低、简单易行，既可以用在智能化小区，也可以使用在普通住宅上，只要稍做改动就可以。这为推行普通住宅实现电表的查表出户提供了强有力的技术保障，具有很高的推广价值。该系统的实现有助于住宅智能化，楼宇自动化的全面发展，适用社会的进步。第二章 方案的选择比较 通过查资料可以了解到目前的短距离无线数传技术主要有irda技术和工作于ism(industrial scientific medical)频段射频通信技术两种。2.1 irda技术irda是红外数据组织(infrared data association)的简称，目前广泛采用的irda红外链接技术就是由该组织提出的。irda红外通信技术是一种较早的短距离无线通信技术，它一般采用红外波段内的近红外线，波长在0.752.5mm之间。目前irda的最高速度标准为4mbps，通信距离在l0m以内，同时在点对点通信时要求接口对准角度不能超过30。irda技术只限于在2个设备之间进行链接，不能同时连接多个设备。irda技术无需专门申请特定频率的使用执照，具有移动通信设备所必需的体积小和功率低的特点。点到点的连接性、保密性以及速率可以达到4m且所受干扰小，使得对于要求传输速率高、使用次数少、移动范围小、价格比较低的设备，如打印机、扫描仪、数码像机等，irda技术成为首选。然而，通讯距离短、通讯过程中不能移动、遇障碍物通讯中断、功能单一和扩展性差等缺点大大阻碍了irda的发展，受到了短距离射频通信技术挑战。2.2 ism频段射频通信技术ism(industrial scientific medical)频段主要是开放给工业、科学、医学，三个主要机构使用，该频段是依据美国联邦通讯委员会(fcc)所定义出来，属于free license，并没有所谓使用授权的限制，所以使用时不用申请许可证。工作于ism频段的短距离射频通信技术主要有蓝牙(bluetooth)技术、homerf、802.11标准。2.2.1 蓝牙(bluetooth)技术蓝牙技术是爱立信公司在1994年提出的一种最新的短距离无线通信技术规范，是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范。它以低成本的近距离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接，其工作频段为全球通用的2.4ghz ism(即工业、科学、医学)频段。蓝牙的数据传输速率约为1mbit/s，采用时分双工方案来实现全双工传输，其理想的连接范围为10厘米10米，通过增大发送功率可以将距离延长至100米。蓝牙技术最初的目的是希望采用短距离无线技术将各种数字设备(如移动电话、计算机、pda等)连接起来，以消除现在这些千头万绪、令人头疼的电缆连线。随着研究的进展，蓝牙技术可能的应用领域得到了大大扩展，比如，将蓝牙技术应用于汽车工业、无线网络接入、采用蓝牙技术在电气隔离性要求很高的情况下进行通信、将蓝牙技术应用在信息家电中以及在其它所有不便于进行有线连接的地方使用等等。2.2.2 homerf技术homerf是由homerf工作组开发的，是在家庭区域范围内的任何地方，在pc和用户电子设备之间实现无线数字通信的开放性工业标准。它在第一代fhss ieee 802.11技术的基础上，增加了源自数字无绳电话规范 (dect, digital enhanced cordless telephony)的话音性能可选项.homerf采用50跳/秒的跳频速率以最大限度地减小干扰，此跳频速率比ieee 802.11b fhss的跳频速率高得多，但在物理层上则较ieee 802.11 fhss规范有所放松。homerf工作频段是2.4ghz ism频段，支持数据和音频。homerf最大发射功率为l00mw，采用fsk调制，通信距离约50m，数据吞吐量约为1mps。和ieee 802.11一样，一个homerf网络可以支持至多127个节点及4个话音通信链接。作为无线技术方案，它代替了需要铺设昂贵传输线的有线家庭网络，为网络中的设备，如笔记本电脑和internet应用提供了漫游功能。就短距离无线连接技术而言，它通常被看作是“蓝牙”和ieee802.11协议的主要竞争对手。 2.2.3 802.11标准wlan ieee 802.11标准，定义了无线节点与网络中各种接入点间相互通信的接口和协议。其规范包括红外线(较少使用)，跳频扩频(fhss,frequency hopping spread spectrum)和直接序列扩频 (dsss, direct sequence spread spectrum)等方案。从本质上来说，wlan是调制在载波上的一个普通的lan协议。wlan ieee 802.11是lan以太网的无线延伸。ieee 802.11设备的优点是能够支持复杂的mac特征，如节点隐藏和应用点间的漫游。高速ieee 802.11工作在2.4gh ism频段并将数据速率定为5.5mbit/s和11mbit/s。ieee 802.11标准是作为lan的无线延伸而设计的，可用于商业应用，也可在学校和机场等公共场所配置。当应用于家庭联网时只需在此基础上进行相应的配置即可，因为由同一个ieee 802.11使能的pc机可以很容易地连接到各种无线 lan上，为用户提供正确的安全握手过程。高速ieee 802.l1无线lan以11mbit/s的高速率进行数据传送，很适合1ombit/s的家庭phoneline 2.0规范。其高速率特性也能和开始广为使用的新的高速接入技术，如有线调制器和xdsl很好地匹配。通过比较可以看出，蓝牙技术成本低，技术日渐成熟，可以满足设计需求，设计中涉及的短距离无线数传技术选用蓝牙技术。本设计考虑节点成本，通行的可靠性以及较大的通信距离，选用单片数传芯片nrf401，其数据格式为802.11标准。第三章 方案的总体设计和器材选取整个无线数据采集系统的设计分为硬件设计和软件设计两个方面。系统的硬件设计是否合理极大的影响着系统的性能和使用，对整个系统设计来说非常关键。软件设计主要分为三部分，无线通信部分，键盘显示部分和与pc机相连的串行通信。本章就主要阐述系统的硬件设计和元器件选取时应注意的原则。3.1 系统总体工作原理及硬件模块化设计系统的工作原理是:抄表人员将手持式无线电抄表带到将要抄表的小区，工作人员可先用手动进行复位，此时电源经过电阻r1,r2进行分压，在reset端产生一个复位高电平。因为本系统采用的是中断扫描方式，当有键按下时，会产生中断请求，转去执行中断服务程序。因为选用的工作频段为433mhz，所以nrf401的引脚cs=0。无线通信芯片nrf401的引脚din，dout分别与at89c51的引脚txd，rxd相连，当抄表人员按下”发射”键时，nrf401的引脚txen=1即nrf401处于发射状态，数字信号经din段端输入，经锁相环和压控振荡器处理后进入功率放大器射频输出。因为在nrf401没有接收发射数据的时候，nrf401芯片会发送一些随机数据，为了区分哪些是随机数据哪些是命令，应在软件设计中加入起始帧以便区分接收芯片什么时候接收到得是真正的命令。主机的nrf401芯片在发送命令后延时1s后按下“接收”键，此时无线收发芯片nrf401处于接收模式，即txen=0。在接收模式中nrf401的外围电路被配置成传统的外差式接收机，所接收的射频调制数字信号被低噪声放大器放大，经混频器变换成中频，放大、滤波后进入解调器6。解调后变换成数字信号输出（dout）到单片机（rxd）中，在单片机中进行内部处理与存储。在进行数据接收时，要进行帧的检验，发现错误的要进行错误处理，然后在等待数据的接收。显示部分可以用74hc245进行驱动。按下“显示”按键可进行数据的显示。抄表结束后，抄表人员将主机带回供电部门，按下“上传”键将数据上传到计算机中。因为单片机只有一个串行口，本设计需要两个串行口，可以在硬件上扩展一个可编程串行口来解决这个问题。 为了满足安全性、可靠性，足够抗干扰能力，经济合理、方便使用的设计要求，因此本系统采用了模块化设计思想5。采用模块化设计可以使系统结构清晰，不仅容易设计也容易管理和修改，方便系统测试和调试，有助于提高系统的可靠性和可修改性，同时，模块化设计也有助于系统开发的组织管理。基于上述模块化思想，现将系统分为以下几个模块:无线收发模块通用串行接口显示与处理模块系统框图如图3-1示： 图3-1 系统框图3.2 无线收发模块通信距离的计算与选取3.2.1 无线收发模块通信距离的计算为了使采集点与现场主站能够进行可靠稳定的通信，在设计通信模块时，需要考虑的是选择多大的发射功率才能满足通信要求呢?首先要对通信的几个重要数据进行计算，然后再设计出合适的通信模块。无线通信距离这一指标是作为衡量无线通信系统优劣的数据之一，也是选择射频功率器件的主要参考依据。在实际应用中，这一技术指标并不是一固定值，它是随使用环境的变化而变化的。它受到诸如接收灵敏度、发射功率、天线类型、收发天线的架设高度及传播路径、地质地貌的状况等多种因素的制约。本系统使用ism频段，频点为433mhz。这一频段的无线电波属于视距传播，其直射的最大距离由收发天线的高度、地球的曲面半径，以及大气折射影响共同决定的。在理想情况下，视线传播的极限距离在理想情况可用下式表示:(1) d=3.57 x (ht1/2 +hr 1/2 ) (km) 式中:d代表距离，hr与ht分别代表收发信天线高度，用米(m)做单位表示。在实际中，超过极限距离的地方也能收到较强信号，这种现象称为超视距传播。产生这种现象的原因是大气折射造成的，统称超视距的传播距离可以用下面的公式表示:(2) d=4.12*(ht1/2 +hr1/2) (km) 例如:某通信机的收、发天线高度分别为hr=4.0米，ht=1.0 米，由(2)式可计算出u频段的超视距传输距离d=12.36公里。公式(1)(2)分别表示了在正常情况下u频段无线通信系统的传输距离极限。至于在此通信距离以内通信系统能否有效工作，要取决于系统接收设备的接收功率能否满足系统正常工作的最低要求。大量的研究和调查表明，在光滑的水平面的电波传播条件下，接收系统的接收功率可用下式表示: (3) pr= pt (h1h2/d2)2grgt( w) 式中:pt :发射功率(w) gr:接收天线增益gt:发射天线增益 d:传播距离(m)h1=(ht2 +ho2)1/2h2=(hr2+ ho2) l/2ht、hr: 分别为收发天线的实际高度ho:最小有效天线高度，其表示在传播过程中，表面波起支配作用的天线高度，在300mhz以上通常可以忽略。 如果接收功率高于接收灵敏度门限，则收发双方可正常通信，反之通信将中断。根据发射功率的大小及计算出来的接收功率的数值即可算出传播衰耗。可用下式面公式进行表示：(4) l(db) = 32.44+201gd(km)+20lgf(mhz) 严格的实际计算是困难的，本设计按厂家推荐数据，发送10dbm，灵敏度为-105dbm。在小区内多障碍物的条件下，服务范围80-100m，足够应用。 3.2.2 无线收发模块的选取由于市场上无线收发芯片的种类很多，选取时应考虑以下几点:1.功耗大多数无线收发芯片是应用在便携式产品上的，因此功耗非常重要，应该根据需要选择综合功耗比较小的产品，nrf401最大发射电流8ma、最大接收电流10ma、待机电流8ua，是同类产品中在同等发射功率下比较小的，而且nrf401可以通过采用合理的通信协议使nrf401大多数情况下处于关闭状态节能的同时不丢失数据，从而实现节能和低功耗的目的。2. 收发芯片的数据传输是否需要进行曼彻斯特编码采用曼彻斯特编码的芯片，在应用及编程上会要求很高，占用内存很大，且数据传输的效率能达到标称速率的1/3，而采用串行传输的芯片，应用及编程非常简单，传送的效率很高，标称速率就是实际速率。3. 收发芯片所需的外围元件数量为了降低成本，应该选择外围元件少的收发芯片。有些芯片似乎很便宜，可是外围元件使用很多昂贵得元件如变声管以及声表滤波器等；有些芯片收发分别需要两根天线，会大大增加成本。而nrf401采用便宜且易于获得的4mhz晶体作为pll频率基准源，无需外接昂贵的变容二极管，而且收发天线一体。3.3 单片机的选取与串口应用3.3.1 单片机的选取本设计中选用的是atmel公司的mcs-51系列单片机at89c517，它是一种hmos工艺的8位单片机。它可以提供以下标准功能：4k字节flash闪速存储器，128字节内部ram，32个i/o口线，两个16位定时器/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通行口，片内振荡器及时钟电路。同时，at89c51可降至0hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止cpu的工作，但允许ram，定时器/计数器，串行通行口及中断系统继续工作。掉电方式保护ram中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。另外，mcs-51系列单片机功耗极低，因而是一种非常适合在各种便携式设备中使用的高性价比的单片机，并已经得到了越来越广泛的应用。引脚结构如图3-2所示： 图3-2 at89c51引脚结构设计中用到的引脚功能：vcc:电源：提供掉电、空闲、正常工作电压p0口：p0口是i/o双向口,在访问外部程序存储器时作地址的低字节，在访问外部数据存储器时作数据总线，此时通过内部强上拉输出1。 p1口：p1口是带内部上拉的双向i/o口，向p1口写入1时，p1口被内部上拉为高电平，可用作输入口。当作为输入脚时，被外部拉低的p1口会因为内部上拉而输出电流。p2口：p2口是带内部上拉的双向i/o口，向p2口写入1时,p2口被内部上拉为高电平，可用作输入口。当作为输入脚时，被外部拉低的p2口会因为内部上拉而输出电流。p3口：p3口是带内部上拉的双向i/o口，向p3口写入1时，p3口被内部上拉为高电平，可用作输入口。当作为输入脚时，被外部拉低的p3口会因为内部上拉而输出电流。ale:地址锁存使能：在访问外部存储器时，输出脉冲锁存地址的低字节，在正常情况下，ale输出信号恒定为1/6 振荡频率。psen:程序存储使能:当执行外部程序存储器代码时，psen每个机器周期被激活两次。xtal1:晶体1：反相振荡放大器输入和内部时钟发生电路输入。xtal2:晶体2：反相振荡放大器输出。p3口还具有以下特殊功能如表3-1所示：表3-1 p3口第二功能rxd(p3.0)串行输入口txd(p3.1)串行输出口int0(p3.2)外部中断0int1(p3.3)外部中断1t0(p3.4)定时器0外部输入t1(p3.5)定时器1外部输入wr(p3.6)外部数据存储器写信号rd(p3.7)外部数据存储器读信号3.3.2 串口应用通过串行口工作模式选择位的设定，at89c51的串行口可设置四种7工作方式，可有8位、10位和11位三种帧格式。因为在抄表机数据通信系统中，单片机之间的数据通信采用一对多的主从模式，在采用主从式多机串行通信系统中，每台从机均分配有一个唯一的从机地址。主机与从机通信时，主机先呼叫某从机地址，唤醒被叫从机后,主、从两机之间进行数据交换，而未被呼叫的从机则继续处于等待状态。主机发送的信息可以传到多个从机或指定的从机，各从机发送的信息只能被主机接收。为了完成上述功能需将单片机设置在工作方式3,即sm0=1,sm1=1。通信的数据格式为每帧11位，包括1位起始位、8位数据位、1位奇偶校验位和1位停止位。当主机发送一帧地址信息时，应保持这帧数据的第9位tb8为“1”；发送一帧数据信息时，应保持这帧数据的第9位tb8为“0。所有从机最初均处于接收状态，即sm2=1状态，当接收帧数据的第9位为1时，所有从机均产生中断，接收这一帧地址数据并与各自的从机地址进行比较，以判断主机是否要与本机通信。当某一从机接收到的地址数据与该从机地址相等,则该从机为被呼叫从机，该从机将串行口控制寄存器scon中的控制位sm2清零,去接收主机发来的数据帧(数据帧的第9位为0)，此时不管接收到的第9位数据是否为1,都要产生串口中断，从而保证了主机与被叫从机间的正常数据通信。通信结束后,该从机又重新将串行口控制寄存器scon中的控制位sm2置为1,为下一次与主机进行通信做好准备。其它从机则一直在sm2=1下继续等待,不会受到其它从机与主机通信的干扰。第四章 无线通信模块的设计一般情况，基于单片机的测控系统在获取传感器的数据后，还需要将所得的数据传送到主机上，由单片机控制通过通用串行总线发送给计算机，如图4-1所示。传输数据的方式可以采用有线的数据传输也可以采用无线数据传输。本系统选用的是无线数据传输。在该设计中由单片机控制无线收发芯片nrf401进行无线数据传输。nrf4018芯片其性能显著，特点是所需要的外围器件少（仅外接一个晶体和几个阻容、电感元件）而且设计比较方便，基本无需调试。在该芯片内集成了高频发射、高频接收、pll合成、fsk调制/解调、参量放大、功率放大、频道切换等功能。图4-1 无线通信模块接收示意图4.1 nrf401芯片介绍本设计模块采用nrf401芯片设计，该芯片采用蓝牙核心技术设计,工作于433/434mhz的频段,采用fsk调制解调技术，是目前业界唯一可直接接单片机串口进行数据传输的无线收发芯片。nrf401采用便宜且易于获得的4mhz晶体作为pll频率基准源，无需外接昂贵的变容二极管。采用dss（直接数字合成）+pll（锁相环稳频）频率合成技术，频率稳定性好，具有较强的抗感扰能力。天线接口设计为差分天线，以便于使用低成本的pcb天线。rf401还具有待机模式，这样可以更好的省电和高效芯片具有待机模式,可以更省电和高效。nrf401的工作电压范围为2.75.25v，发射电流约为818ma（10db输出），接收电流约为10ma，待机电流为8a。因此满足无线电管制的要求且不需要使用许可证6，是本系统设计的理想选择。nrf401有3种工作模式:收模式rx、发模式tx和等待模式stand1by。工作模式可由39个引脚设定,分别是txen、cs和pwr_up。因此通过单片机控制nrf401的工作模式,使其处于接收、发射、等待任一种状态，实现半双工通信。pwr_up选择工作模式和待机模式，若 pwr=0，系统为待机状态，pwr_up= 1选择正常工作模式（txen和cs任意）。txen选择发射或者接收工作模式，txen=1时选择发送模式；txen=0时选择接收模式。cs为信道的选通端，cs=0选通信道为433192mhz；cs=l选通信道为434133mhz。din是数据发送脚，连接到这个脚的电平是 cmos电平。dout是数据接收脚，连接到这个脚的电平也是cmos电平。nrf01重要时序参数如表4-1：表4-1：重要时序参数模式控制名称最大延时/ms条件txrxttr3连续工作rxtxtrt1同上待机txtst2同上待机rxtsr3同上vdd=0txtvt4上电vdd=0rxtvr5同上注：tx：发送模式 rx：接收模式txrx的切换当从rxtx模式时，数据输入脚 (din)必须保持至少lms才能发送数据。当txrx模式时，数据输出脚 (dout)要至少3ms以后有数据输出。standbyrx的切换从待机模式到接收模式，当pwr_up设成1时，经过tsr时间后，dout脚输出数据有效。对nrf40l来说，tst最长的时间是3ms如上表standbytx的切换从待机模式到发射模式，所需稳定的最大时间是tst。power_uptx的切换从加电到发射模式过程中，为了避免开机时产生干扰和辐射。在上电过程中txen的输入脚必须保持为低，以便于频率合成器进入稳定工作状态。当由上电进入发射模式时，hen必须保持 lms以后才可以往din发送数据。power_up rx的切换从上电到接收过程中，芯片将不会接收数据，dout也不会有有效的数据输出，直到电压稳定达到2.7v以上，并且至少保持5ms。如果采用外部振荡器，这个时间可以缩短到3ms。4.2 nrf401内部结构以及外围电路的设计4.2.1 nrf401内部结构nrf401内部结构框图如图4-2所示：图4-2 nrf401 内部结构和引脚图4.2.2 天线的设计 天线对无线传输设备的性能有着很大的影响，在系统设计中，ant1和ant2是nrf401接收时的输入和发送时功率输出器的输出。连接到nrf401的天线是以差分的方式连接的，在天线端的负载阻抗是400欧姆。 功率放大器的输出是两个开路输出三极管，配置成差分配对方式，功率放大器的vdd必须通过集电极负载。由于采用差分环型天线必须通过环型开线的中心输入。调整图中rf偏压电阻r3可以调节输出发射功率，其最大可达+10dbm。图4-3 nrf401天线接线图4.2.3 发射和接收频率的问题为了获得最好的rf性能，发射和接收频率误差都不能超过70ppm（30khz）。这就要求晶振片的稳定度不低于35ppm，频率的差异将会导致接收机灵敏度产生-12db/倍程的损失。例如一个20ppm的频率精度和在温度范围内25ppm稳定度的晶振片,最大的频率误差将会超过45ppm。如果发射机和接收机工作在不同的温度环境，在最差的情况两边的误差将会超过90ppm，其结果将会导致接收机灵敏度下降将近5db。4.2.4 nrf401外围电路设计图4-4 nrf401外围电路设计 在设计本系统的外围电路时重点注意以下几点: 1、 pll环路滤波器 pll环路滤波器是一个单端二阶滤波器，其设计原理图如图2-9中的r2, c3, c4部分所示。 2、vco电感 芯片的vco电路需要外接一个vco电感，这个电感十分重要。 3、晶振电路 晶振电路为图中的r1，c1，c2，x1部件组成的电路，由于对晶振的要求较这里选取的规格为:1、晶振并联谐振频率:f=4 mhz； 2、晶振等效电容:c05pf；3、振串联等效电阻:esr150欧姆；4、包括电路板上的等效负载电容:c114pf。4.3 通用串行总线接口模块的硬件设计4.3.1 max232芯片介绍系统设计中采用了通用串行口电平转换芯片max232,max232芯片是maxim公司生产的，包含两路接收器和驱动器的ic芯片，适用于各种eia-232c和v.28/v.24的通信接口。max232芯片内部有一个电源电压变换器，可以将+5v电源电压变换成rs-232c输出电平所需要的士10v电压。所以，采用此芯片接口的串行通信系统只需要单一的+5v电源就可以了，加上其价格比较便宜，所以在本系统中选用了这块接口芯片。4.3.2 rs-232总线简介rs-232标准全称是使用二进制进行交换的数据终端设备和数据通信设备（dce）的接口。在应用rs-232时我们必须了解rs-232的连接，rs-232定义了20根信号线，其中常用的如表4-2所示：表4-2 rs-232信号功能表引脚号信号名称简称信号功能1保护地-接设备外壳，安全地线2发送数据txddie发送串行通信3接收数据rxddte接收串行通信4请求发送rtsdte请求切换到发送方式5清除发送ctsdte已切换到准备接收（清除发送）6数传设备就绪dsrdce准备就绪7信号地-信号地8载波检测dcddce已接收到远程信号4.3.3 串行口电平转换芯片的选取由于rs-23210是早期 (1969年)为促进公用电话网络进行数据通信而制定的标准，其逻辑电平对地是对称的。与ttl, mos逻辑电平不同，逻辑0电平规定为+5+15v之间，逻辑电平1定义为-5-15v之间，因此，rs-232驱动器与ttl电平连接必须经过电平转换。rs-232由于发送器和接收器之间具有公共信号地，不能使用双端信号，因此，共模噪声会偶合到信号系统中，这是迫使rs-232使用较高传输电压的主要原因。该标准信号的传输速率只能达到20kb/s，而且最大传输距离只有15米，在这种情况下才能保证可靠传输。4.3.4 max232接口电路max232是一种双组驱动器/接收器,片内含有一个电容性电压发生器以便在单5v电源供电时提供eia/tia-232-c电平。每个接收器将eia/tia-232-c电平输入转换为5v ttl/cmos电平。这些接收器具有1.3v的典型门限值及0.5v的典型迟滞,而且可以接收30v的输入。max232为rs232收发器,简单易用,单+5v电源供电,仅需外接4个1uf电容即可完成从ttl电平到rs232电平的转换,其接口电路如图4-5所示。图4-5 max232接口电路4.4 数据存储器为使手持抄表终端的体积小、结构简单,系统中所使用的存储器全部采用具有串行接口的flash存储器,这里使用的是atmel公司的45dxxx系列。所用的存储器主要是用作数据存储,即存储用户信息和抄表数据。数据在 flash 存储器中按文件方式管理,可以在手持抄表终端上进行查询等,也可以通过rs2232串行接口进入pc机的数据处理系统。为简单起见,可以在单片机内部的ram中设置一个缓冲区,一次将一个汉字字模的32个字节全部读入到内部ram中。显示程序直接在内部ram中读取字模数据。手持抄表终端中共使用了2片flas存储器芯片at45d041,该系列的芯片使用spi串行口与cpu之间实现数据传输,不论其容量多大,均只需要4 信号线,即（cs）片选、sck（时钟）、sdi（数据输入）、sdo（数据输出）,用相同的方法访问,所以对系统的存储容量扩展时无须改动软硬件。同时,由于它使用串行接口,对其中数据误写的可能性非常小,保证了数据的可靠。存储器与单片机连接如图4-6所示：图4-6 储器与单片机连接图如需要更大的存储容量可将存放数据的芯片换为at45d080。两片at45d041的 sck、sdo共用,在使用中存放汉字库的芯片不用写操作,事先将字库写入芯片中即可,故该芯片的sdi线不用连接。两芯片的片选分别用单片机的p1.0、p1.1选择。45 数码管显示模块显示部分采用四位共阴极led数码显示管，并用驱动器74hc245进行驱动。数码管的引脚接线图如图4-7所示：图4-7 四位共阴数码管的结构46 键盘键盘是非常重要的人机交换接口，通常有查询式键盘和中断式键盘，出于对系统资源的考虑，本系统采用了查询式键盘，查询式键盘包含独立式键盘和矩阵式键盘，独立式键盘11是各个按键相互独立，每一个按键占用一条i/0接口线，每根i/0口线上的按键工作状态不会影响其他i /0口，在按键数量较多时，i/0口线浪费较大，且电路显得复杂。所以这种形式适用于按键数量较少的场合。由于本系统采用的按键个数较少，所以采用独立式键盘比较合适。如图4-8所示：图4-8 键盘电路4.7 单片机外围电路471 复位电路复位操作可以使单片机初始化，也可以时死机下的单片机重新启动，因此十分重要。单片机的复位都是靠外部复位电路来实现的，在时钟电路工作后，只要使单片机的reset引脚至少保持两个机器周期的高电平，单片机就能实现复位。本设计采用按键电平12复位，该电路除了可以上电复位以外，还可以在通过按键实现复位，按下按键后，电源经电阻r1和r2分压，在reset端产生一个复位高电平。接口如图4-9所示：图4-9 复位电路单片机的复位电路采用的是按键电平复位电路。它可以通过利用电容器充电来实现上电复位，当加电时，电容c充电，有电流流过构成回路，在r2上产生压降，reset引脚为高电平。当电容充满电后，电路相当于断开，reset的电位与地相同，复位结束，复位时间与充电时间有关，充电时间越长复位时间越长，增大电容或增大电阻都可以增加复位时间。此外也可通过按键实现复位，按下按键后，通过r1和r2形成回路，使reset端产生高电平，按键时间决定了复位时间。472 时钟电路：89系列单片机的内部时钟电路7如图4-10所示，由两个单级反相器组成。xtal1为反相器的输入，xtal2为反相器的输出。可以利用内部的振荡器产生时钟，只要在xtal1和xtal2引脚上外接一个晶体及电容组成的并联谐振电路，便够成一个完整的振荡信号发生器。在电路中，对电容c1和c2的要求不是很严格，如果使用高质量的晶振,则不管频率是多少,c1和c2都选择30pf。有时，在某些应用场合，为了降低成本，晶体振荡器可用陶瓷振荡器代替。如果使用陶瓷振荡器，则电容c1,c2的值取47pf。图4-10 时钟电路 第五章 软件设计在系统设计中，除了除了硬件部分设计之外，软件设计也是一项非常重要的内容。在系统软件设计时遵循结构合理、操作性能好、具有一定的保护措施、兼容性好的设计原则来开发设计。本章就主要阐述系统的软件设计。51 无线通信协议在软件方面，用单片机汇编语言与pc机串口通讯技术，编写一个上位机程序。为保证通信效率，根据对无线信道模型的分析，了解并讨论外部因素对无线数据传输的影响后，我们可以据此设计实用的无线通信协议。协议就是指一些规则，简单的说就是为了能相互理解，必须用同一种语言说话。通信可能在发射端和接收端之间受到外界的干扰而使数据发生错误，因此需要协议来保证接收端能正确接收到从发射端来的数据，并确定所接收数据是否是实际数据。制定通信协议有以下几个基本要求:1、能够识别噪声和有效数据:噪声是以随机字节出现的，没有明显结合方式，噪声源可能产生任意字节的组合，在无线通信过程