基于单片机控制的WIFI无线传输模块设计.doc

毕业设计（论文） 题 目：基于单片机控制的wifi无线传输模块设计 学 院：工程学院 专 业：电气工程及其自动化 班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 目 录中文摘要i英文摘要.ii1 前言11.1 单片机技术简介11.2 单片机的应用与市场11.3 wifi的发展方向21.4 论文的主要设计内容32.1 设计任务42.2 总体方案框图42.3 总体方案设计43 系统硬件设计63.1 cpu及外围电路设计63.1.1 cpu简介63.1.2 晶振及复位电路设计83.1.3 单片机控制wifi模块设计93.2 wifi无线模块93.3 串行通信设计113.4 人机接口设计123.5 显示模块设计134 软件设计164.1程序流程图164.2 wifi模块与pc间的通信调试175 结论21谢辞21参考文献22附录23附录a：硬件原理图23附录b：程序代码24基于单片机控制的wifi无线传输模块设计摘要：单片机是随着电子计算机(电脑)的发展而产生的。随着社会的发展和需求的提高，计算机也在不断地更新与发展。由于计算机的产生是应数值计算而产生的，因此长期以来电子计算机技术都是沿着满足大量高速数值计算而发展的，直到20世纪70年代，电子计算机在数字逻辑运算、推理、自动控制等方面显露出非凡的功能后，在各种控制领域开始对计算机技术发展提出了与传统大量高速计算完全不同的要求。这些要求是：面对控制对象、面对各种传感器信号、面对人机交互操作控制、能方便地嵌入工控应用系统中等。为了实现上述要求，近年来，单片微型计算机(简称单片机)应运而生。单片机也被称作“微控制器”、“嵌入式微控制器”。单片机一词最初是源于scm。在单片机诞生时，scm是一个准确、流行的称谓，“单片机”一词准确地表达了这概念。随着scm在技术上、体系结构上不断扩展其控制功能，单片机已不能用“单片微型计算机”来准确表达其内涵。国际上逐渐采用mcu(microcontrollerunit)来代替，形成了单片机界公认的、最终统一的名词。在国内因为“单片机”一词已约定俗成，故而继续沿用。单片计算机是将电子计算机的基本环节,如:cpu(又称中央处理器,主要由运算器,控制器组成),存储器,总线,输入输出接口等,采用集成电路技术集成在一片硅基片上.由于单片计算机体积很小(仅手指般大小),功能强(具有一个简单计算机的功能),因而广泛用于电子设备中作控制器之用.目前,大到导弹火箭国防尖端武器,小至电视机微波炉等现代家用电器,内中都毫无例外地运用单片计算机作为控制器.因此,从控制的观点,我们也常称它为单片微控制器.关键词：电路板、单片机、集成电路design of wifi wireless transmission module based on mcuabstract: scm,astheelectroniccomputer(computer)createdinthedevelopment,alongwithsocialdevelopmentandtheimprovementofdemand，computersarealsoconstantlyupdatinganddevelopment.thecomputeristheresultofnumericalcalculationsandshouldhave,solongcomputertechnologytomeetallalongthehigh-speeddevelopmentofnumericalcomputation,itwasnotuntilthe1970sinthe20thcentury,computersinthedigitallogicoperations,reasoning,controlareasshownremarkablefeature,invariousareastocontrolthedevelopmentofcomputertechnologywiththetraditionalhigh-speedcalculationentirelydifferentrequirements.theserequirementsare:facingthecontrolobject,inthefaceofvarioussensorsignals,inthefaceofhuman-computerinteractionoperationalcontrol,canbeeasilyembeddedindustrialapplicationsmedium.inordertoachievetheaboverequest,inrecentyears,single-chipmicrocomputer(scm)emerged.scmalsocalledmicro-controller,embeddedmicrocontrollers.scmisthefirstwordfromsinglechipmicrocomputercalledscm.scmbirth,scmisanaccuratedescriptionoftheepidemic,scmaccurateexpressionofthisconceptwithscmtechnology,architecturecontinuouslyexpandeditscontrolfunction,scmisnosingle-chipmicro-computertoaccuratelyexpressitssubstance.formationofmicrocontrollerindustryrecognizedtheultimatereunificationoftheterm.inthedomesticasscmhasbeencustomary,therefore,continuetobeused.single-chipcomputertocomputersbasictasks,suchas:cpu(alsoknownascentralprocessingunits,mainlybythearithmeticunit,controller),memory,bus,theinputandoutputinterfaces,integratedictechnologyusedinasilicon-basedchip.asthesizeofasmallsingle-chipcomputer(onlythesizefingers),strongfunction(withasimplecomputerfunction)thatiswidelyusedinelectronicequipmentusedforthecontroller.presently,therocketmissiledefensesophisticatedweapons,smallmicrowaveovenstothetvandothermodernhouseholdappliances,withinwhichinvariablyusethecomputerasasingle-chipcontroller.therefore,fromthecontrolpointofview,weoftencallthesingle-chipmicrocontroller.keywords:embeddedmicrocontrollers、scm、integration.1 前言一台能够工作的计算机要有这样几个部份构成：cpu（进行运算、控制）、ram（数据存储）、rom（程序存储）、输入/输出设备（例如：串行口、并行输出口等）。在个人计算机上这些部份被分成若干块芯片，安装一个称之为主板的印刷线路板上。而在单片机中，这些部份，全部被做到一块集成电路芯片中了，所以就称为单片（单芯片）机，而且有一些单片机中除了上述部份外，还集成了其它部份如a/d，d/a等。1.1 单片机技术简介单片机的问世是计算机技术发展史上的一个重要的里程碑，因为它的诞生标志着计算机正式形成了通用计算机系统和嵌入式计算机系统两大分支。单片机芯片体积小，成本低，可广泛的嵌入到如工控单元，机器人，智能仪器仪表，汽车电子系统，家用电器，办公自动化设备，金融电子系统，玩具，个人信息终端及通信产品中。单片机的发展历史大致可分为4个阶段第一阶段（1974年-1976年）：单片机初级阶段。因工艺限制，单片机采用双片的形式而且功能比较简单。1974年12月，仙童公司推出了8位的f8单片机，实际上只包括了8位cpu，64kbram和2个并行口。第二阶段（1976年-1978年）：低性能单片机阶段。1976年，intel公司推出了mcs-48单片机（8位单片机）极大地促进了单片机的变革与发展；1977年，gi公司推出了pic1650，但这个阶段的单片机仍然处于低性能阶段。第三阶段（1978年-1983年）：高性能单片机阶段。1978年，zilog公司推出了z8单片机；1980年，intel公司mcs-48单片机的基础上推出了mcs-51系列，mortorola公司推出了6801单片机，这些产品使单片机的性能及应用跃上了一个新的台阶。此后，各公司的8位单片机迅速发展起来。这个阶段推出的单片机普遍带有串行i/o口，多级中断系统，16位定时器/计时器，片内rom，ram容量加大，且寻址范围可达64kb，有的片内还带有a/d转换器。由于这类单片机的性价比高，所以被光反应用，是目前应用数量最多的单片机。第四阶段（1983年-现在）：8位单片机巩固，发展及16位单片机，32位单片机推出阶段。16位单片机的典型产品为intel公司生产的mcs-96系列单片机。而32位单片机除了具有更高的集成度之外，其数据处理速度比16位单片机提高许多，性能比8位，16位单片机更加优越。20世纪90年代是单片机制造业大发展的时期，这个时期的许多公司也开发了一大批性能优越的单片机，极大地推动了单片机的应用。近年来，又有不少新型的高集成度单片机产品涌现出来，出现了单片机产品丰富多彩的局面。目前，除了8位单片机得到了广泛的应用之外，16位单片机，32位单片机也得到了广大客户的青睐。1.2单片机的应用与市场单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴： （1）在智能仪器仪表上的应用，单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。 （2）在工业控制中的应用，用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。 （3）在家用电器中的应用，可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。 （4）在计算机网络和通信领域中的应用，现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。 （5）单片机在医用设备领域中的应用，单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。 （6）在各种大型电器中的模块化应用，某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。如音乐集成单片机，看似简单的功能，微缩在纯电子芯片中（有别于磁带机的原理），就需要复杂的类似于计算机的原理。如：音乐信号以数字的形式存于存储器中（类似于rom），由微控制器读出，转化为模拟音乐电信号（类似于声卡）。在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也方便于更换。 （7）单片机在汽车设备领域中的应用，单片机在汽车电子中的应用非常广泛，例如汽车中的发动机控制器，基于can总线的汽车发动机智能电子控制器，gps导航系统，abs防抱死系统，制动系统等等。此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。1.3 wifi的发展方向对于gprs、cdma1x、1xrtt、ev-do、ev-dv等技术而言，上下链路数据业务的对称性是wifi的一个明显优势。对于3g室内的2mbit数据速率,wifi也具有绝对的优势，它目前采用的是802.11b标准，理论数据速率可达11mbit，实际的物理层数据速率支持l、2、5.5、11mbit可调，覆盖范围从100-300m。随着802.11g/a、802.16e、802.11i、wimax等技术、协议标准的制定和完善，加上联盟对市场快速的反应能力，wifi正在进入一个快速发展的阶段。作为802.11b发展的后继标准802.16(wimax-worldwide interoperability for microwave access全球微波接入互操作性），已经在2003年1月正式获得批准，虽然它采用了与802.11b不同的频段(10-66ghz)，但是作为一项无线城域网(wman)技术，它可以和802.11b/g/a无线接入热点互为补充，构筑一个完全覆盖城域的宽带无线技术。wifi/wimax作为cable和dsl的无线扩展技术，它的移动性与灵活性为移动用户提供了真正的无线宽带接入服务，实现了对传统宽带接入技术的带宽特性和qos服务质量的延伸。对于wifi技术而言，漫游、切换、安全、干扰等方面都是运营商组网时需考虑的重点。随着骨干传输网容量和传输速率的提高，无论采用平面或者两层的架构都不会影响到用户的宽带快速接入；随着iapp以及mobileip技术的完善、ipv6的发展也可以最终解决漫游和切换的问题；802.11i标准的产生将提供更多的包括wpa2、多媒体认证等安全策略；不断成熟的组网方案和干扰预检测机制都可以减少频率资源开发带来的干扰。事实上，不同的标准化组织的工作与各类标准的制订，正是ngn发展进程中各方加强合作与标准融合工作的体现。wifi/wimax的市场目标是成为宽带无线接入城域网技术，基本目标是要提供一种城域网领域点对多点的多厂商环境下可有效地互操作的宽带无线接入手段，以实现满足3g标准的以无线广域网wlan为基本模式、以公众语音及多媒体数据为内容、在全球范围内漫游的个人手机终端的基本市场定位。wifi/wimax也可以作为3g无线广域/城域、多点基站互联支持手段的补充。综上所述,wifi/wimax的发展方向包括：网络技术，覆盖更大的范围，从热点到热区到整个城市；wifi手持终端和vowlan业务必然成为潜在的应用模式；基于ip的wifi/wimax的交换技术和开放的业务平台，将使wlan网络更智能、易管理；基于多层次的安全策略(wep、wpa、wpa2、aes、vpn等）提供不同等级的安全方案，将使企业、个人用户可以根据不同的性价比来选择满足自己需要的安全策略。2 系统方案2.1 设计任务 基于c8051cpu设计一种wifi无线通信模块，包括通信模块的软件、硬件系统，可实现wifi模块之间或者与计算机之间的点到点或者组网通信。系统需要wifi通信模块与单片机串口通信，还要解决8051外围接口电路设计，且资源分配合理。2.2 总体方案框图cpu c8051f模块rs232通讯口wifi无线模块键盘模块键盘模块wifi无线模块图2.1 总体方案框图显示器模块 2.3 总体方案设计本系统中单片机作为控制端，通过rs232通讯口与wifi无线模块之间串口通信，实现两个wifi无线模块之间的相互通信。其中键盘采用八键小键盘，显示器采用带背光的液晶显示器，为监控模块。以下是对系统各部分的论证分析：（1）cpu模块本设计采用的是 silicon labs 公司推出的c8051f0201单片机。该单片机基于增强的cip-51内核，cip-51采用流水线结构，70%的的指令执行时间为1或2个系统时钟周期，是标准8051指令执行速度的12倍，且具有很好的兼容性。它集成了丰富的模拟资源和丰富的外部设备接口。与其他类型的单片机实现相同的功能需要多个芯片的组合才能完成相比，c8051单片机不仅减少了系统成本，更大大降低了功耗。（2）rs232通讯口rs232接口是1970年由美国电子工业协会（eia）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。它的全名是“数据终端设备（dte）和数据通讯设备（dce）之间串行二进制数据交换接口技术标准”。 该标准规定采用一个25个脚的db25连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。随着设备的不断改进，出现了代替db25的db9接口，现在都把rs232接口叫做db9。rs-232是现在主流的串行通信接口之一。（3）wifi无线模块本设计的wifi无线模块使用的是tlg10ua03模块。03模块是全新的第三代嵌入式uart-wifi 模块产品。uart-wifi 是基于uart 接口的符合wifi 无线网络标准的嵌入式模块，内置无线网络协议ieee802.11 协议栈以及tcp/ip 协议栈，能够实现用户串口数据到无线网络之间的转换。通过uart-wifi 模块，传统的串口设备也能轻松接入无线网络。（4）键盘模块设置模块采用开发板上的按键，通过编写相应的程序即可实现系统硬件复位，菜单设置，液晶屏背光亮灭等功能。（5）液晶显示模块液晶显示模块用的是开发板上的mzl05-12864显示器。mzl05-12864为一块小型的128x64点阵的lcd显示模组，模组上的 lcm采用cog技术将控制（包括显存）、驱动器集成在lcm的玻璃上，接口简单、操作方便；为方便用户的使用，铭正同创在lcm的基础上设计了mzl05-12864模组，将模组所必需的外围电容电阻集成到模组上。mzl05-12864模组与各种mcu均可进行方便简单的接口操作。 1. 128 x 64 点阵fstn 2. 1/64 占空比1/9 偏压比 3. 单电源供电对比度编程可调 4. 仅写入的串行spi 接口方式 5. 3.3v的白色led背光，美观大方3 系统硬件设计3.1 cpu及外围电路设计3.1.1 cpu简介本设计使用的是c8051f020单片机，它是完全集成的混合信号系统级mcu芯片，是真正能独立工作的片上系统。它可以有效地管理模拟和数字外设，可以关闭单个或全部外设以节省功耗，具有flash存储器，还具有在线重新编程的能力，既可用作程序存储器又可用作于非易失性数据存储。（1）主要特性c8051f单片机具有以下主要特性：高速、流水线结构的8051兼容的cip51内核（可达25mips）；全速、非侵入式的在线系统调试接口；真正12位或10位、100ksps的8通道adc，带pga和模拟多路开关；两个12位dac，具有可编程数据更新方式；4352（4096+256）字节的片内ram；64k字节可在线系统编程的flash存储器；可寻址64k字节地址空间的外部数据存储器接口；5个通用的16位定时器；片内看门狗定时器、vdd监视器和温度传感器。该mcu可有多达7 个复位源：一个片内vdd 监视器、一个看门狗定时器、一个时钟丢失检测器、一个由比较器0提供的电压检测器、一个软件强制复位、cnvstr引脚及/rst引脚。/rst引脚是双向的，可接受外部复位或将内部产生的上电复位信号输出到/rst引脚。除了vdd监视器和复位输入引脚以外，每个复位源都可以由用户用软件禁止；使用monen引脚使能或禁止vdd监视器。在一次上电复位之后的mcu 初始化期间，wdt 可以被永久性使能。芯片引脚如图3.1.1图3.1.1 引脚图（2）开发板原理框图本设计的单片机使用了c8051f020开发板，开发板用usb jtag对c8051f020芯片进行编程，c8051f020有64个i/o而我们开发板通过排针引出了其中的44个i/o口板上有标识，也可查看原理图或pcb图。引出来的i/o口可以供用户配置。开发板主要用到了c8051f020芯片，内置a/d d/a和比较器等，和周立功的zlg7289芯片，020芯片通过spi方式和zlg7289完成数据传递，zlg7289控制按键和数码管显示。原理框图如下：图3.12开发板原理框图（3）开发板实物图 本开发板的外扩展资源和扩展接口 部分接口说明。jtag接口，本板卡和usb debug adaptor仿真器连接，通过本接口用户可实现在线仿真。lcd接口，本板液晶用mzl05-12864 ad/da接口，本板的ad/da接口都来自020内置的ad/da 另外的外扩资源和接口如下图所示：图3.22开发板实物图平面图上的位置和板卡的位置一一对应，如下图所示： 图3.22开发板平面图3.1.2 电源电路及复位电路设计（1）电源电路设计在电源电路中，u8 spx1117-3.3是稳压芯片将输入电压5v转换成3.3v作为本开发板的主要供电电源。s20是输入电源开关按钮，在下载完数据后可用此按键来更新下载数据。 图3.12电源电路原理图（2）复位电路设计 当开发板上电时c31经充电后复位端电压相当于低电平实现上电复位当断电后通过1n4148形成放电回路。电路图如下：图3.12复位电路原理图3.1.3 单片机控制wifi模块设计单片机与wifi模块之间通过rxd和txd两个引脚直接相连，如图3.1.5。c8051f020单片机具有两个物理上相互独立的接收、发送缓冲器sbuf，但它们占用同一地址，可同时发送、接收数据。发送缓冲器只能写入，不能读出；接收缓冲器只能读出，不能写入。串行通信时，数据从tx引脚发出，在rx引脚接收。在接收时，8个数据位存入sbuf0，停止位进入rb80（scon0.2）。当软件向sbuf0寄存器写入一个字节时，开始数据发送，在发送结束时停止位开始，同时发送中断标志ti0（scon0.1）被置1。在接收允许位ren0(scon0.4)被置1后，数据接收可以在任何时候开始。图 wifi无线模块03是全新的第三代嵌入式uart-wifi模块产品。uart-wifi是基于uart接口的符合wifi无线网络标准的嵌入式模块，内置无线网络协议ieee802.11协议栈以及tcp/ip协议栈，能够实现用户串口数据到无线网络之间的转换。通过uart-wifi模块，传统的串口设备也能轻松接入无线网络。03在前两代产品的基础上进行了全面的软硬件升级功能更加强大、使用更加简单：全面支持串口透明数据传输模式，真正实现串口的即插即用；全新的at+指令集，全部基于ascii格式，简单易懂，使用更容易；内置web服务器，实现使用ie 浏览器通过无线网络远程配置模块参数；更高的传输性能，最高可达11kb/s的发送速率。其俯视图及机械尺寸如图所示：图3.2.1 模块俯视图图3.21模块侧视图下图为03产品的外部接口示意图：图3.2.2 接口示意图如上图所示的双列直插8针引脚，定义如下：号码功能说明1nrts/nready可选功能引脚2ncts/mode/gpio可选功能引脚3link可选功能引脚4nreset可选功能引脚5vdd3.3v 电源输入引脚6rxd串口数据接收7txd串口数据发送8gnd接地表3-2 8针引脚定义模块实物图如下所示：图3.13模块实物图将hlk-wifi-m03 模块连接串口转接板，连接好串口线后打开电源，如下图所示：图3.13模块串口转接板示意图3.3 串行通信设计本设计采用rs232串行通信。但单片机与pc机相连时必须经过电平转换，将ttl电平转化成rs-232c电平，max232芯片是专门为电脑的rs-232标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5v单电源供电，其引脚介绍如下所示： 图3.3.1 max232 芯片引脚图第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给rs-232串口电平的需要。第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚（r1in）、12脚（r1out）、11脚（t1in）、14脚（t1out）为第一数据通道。8脚（r2in）、9脚（r2out）、10脚（t2in）、7脚（t2out）为第二数据通道。ttl/cmos数据从t1in、t2in输入转换成rs-232数据从t1out、t2out送到电脑db9插头；db9插头的rs-232数据从r1in、r2in输入转换成ttl/cmos数据后从r1out、r2out输出。第三部分是供电。15脚gnd、16脚vcc（+5v）。硬件设计连线图如下所示： 图3.3.2 rs232设计图3.4 人机接口设计本模块用的是单片机开发板上的按键序列。实际只用到其中的5个按键。分别是，s2为单片机复位键，s3为无线模块复位键，s4为1602lcd液晶屏亮灭控制键，s5为数据发送键（可以使能无线模块为发送状态），s6为数据接收键（可以使能无线模块为接收状态）。其接口电路显示如下所示： 图3.41键盘设计电路3.5 显示模块设计液晶显示模块用的是开发板上的mzl05-12864显示器。mzl05-12864为一块小型的128x64点阵的lcd显示模组，模组上的 lcm采用cog技术将控制（包括显存）、驱动器集成在lcm的玻璃上。开发板留有一个lcd液晶接口。相对应的液晶为mzl05-12864它是一款仅写入的串行spi接口方式的液晶该液晶仅需5个控制口即可完成对其控制。单片机使用模拟 spi 的方式对液晶进行相关操作。液晶接口图与实物图如下所示：图3.5 lcd液晶接口电路原理图与实物图lcd与c8051f020通讯接口如下表所示：sdiscka0/res/cs3p2.6p2.5p2.4p2.3p2.2 表3.54 软件设计软件设计是本设计的关键，软件程序编写的好坏直接影响着系统运行情况的良好。因本程序涉及的模块较多，所以程序编写也采用模块化设计c语言具有编写灵活、移植方便、便于模块化设计的特点，所以本系统的软件采用c语言编写，具体代码部分参见附录。4.1程序流程图wifi无线传输模块的通信包括发送和接受两部分。在发送过程中，第一步是要使能无线模块到发送状态，随后向发送寄存器中写入要发送的数据。这时，无线模块将自动启动无线发送过程，不需要程序干预，这时唯一要做的就是等待无线发送完，随后关无线模块。发送部分流程图如下图4.11所示，键盘扫描子程序图如下图4.12所示。而在接收时，由于接收是被动的过程，不知道什么时候有数据发送过来，所以无线接收使用中断方式，在按下了键盘上接收使能的按键后，无线模块始终处于接收状态，发送信息时，是在有数据发送时才将模块设置为发送状态。接收部分的流程图如图4.1.3所示。单片机复位液晶屏亮灭控制使能发送使能接受无线模块复位开始扫描键盘有功能键按下否？进入相应的功能模块退出键盘扫描开始cpu c8051f系统初始化设置串口通讯模式和波特率wifi模块初始化键盘扫描串口数据发送中断请求是否接收发送？发送按键是否断开？发送数据结束