施工升降机毕业设计说明书

学院本科生毕业设计 论文 摘摘 要要 施工升降机是人员和物料的提升机械 在建筑行业最为常见 随着建筑业的发展 对施工升降机的安全性 方便性要求越来越高 电子控制技术的发展也为施工升降机 的发展带来可能 本来通过应用 AT89S52 单片机为核心控制元件 结合其他模块对施 工升降进行无线控制 这样更能满足施工升降机的安全需要 具体完成的工作如下 1 完成了施工升降机控制系统的整体框架及设计思路 2 选用 AT89S52 单片机 NFR24L01 芯片 设计了无线发射模块 键盘输入电路 显示电路 单片机接口电路 3 选用 AT89S52 单片机 NFR24L01 芯片和 L298N 芯片 设计了无线接收模块 以及驱动电机电路 电源电路等辅助电路 4 从可靠性出发 完善电路设计 并进行了软件设计 本文设计的施工升降机无线控制系统造价低 控制方便 安全 可靠 满足施工 现场的要求 关键词 关键词 施工升降机 无线控制 单片机 学院本科生毕业设计 论文 ABSTRACT Construction elevator is personnel and materials to enhance the mechanical the most common in the construction industry With the construction of the development construction elevator safety convenience increasingly demanding Electronic control technology development but also for the development of construction elevator to bring possible Originally AT89S52 microcontroller through the application of wireless control of the construction elevator Specific work completed as follows 1 Completed the construction elevator control system the overall framework and design considerations 2 Use AT89S52 microcontroller NFR24L01 chip designed wireless transmitter module keyboard input circuit Show circuit microcontroller interface circuit 3 Use AT89S52 microcontroller NFR24L01 chips and L298N chip designed wireless receiver module And a drive motor circuit auxiliary circuit power supply circuit 4 starting from the reliability improving the circuit design This design of construction hoist wireless control system low cost easy to control safe reliable and meet the requirements of the construction site Keywords construction hoist wireless control SCM 学院本科生毕业设计 论文 iii 目目 录录 第一章第一章 绪论绪论 1 1 1 国内外研究现状 2 1 2 本论文研究内容 4 第二章第二章 总体设计总体设计 5 2 1 任务分析与实现 5 2 2 楼层信号获取硬件方案设计 5 2 3 软件方案设计 6 第三章第三章 发射电路设计发射电路设计 8 3 1 键盘输入电路设计 8 3 1 1 按键的确认 8 3 1 2 键盘的工作方式 8 3 2 显示电路设计 9 3 2 1 LED 数码管简介 10 3 2 2 LED 数码管的基本参数和引脚功能 10 3 3 信号处理电路设计 11 3 4 无线发射 接收模块电路 11 3 5 时钟电路设计 18 3 6 上拉电阻的作用 18 3 7 发射模块电路图 18 第四章第四章 接收信号及驱动电机电路设计接收信号及驱动电机电路设计 20 4 1 接收模块 20 4 2 单片机 20 4 3 电机驱动模块 21 4 4 霍尔传感器模块 22 4 4 1 检测传感器的选用及测量原理 22 4 4 2 集成开关霍尔传感器 22 4 4 3 74LS74 芯片的运用 23 4 5 辅助模块 24 4 5 1 看门狗电路 24 学院本科生毕业设计 论文 iv 4 5 2 电源电路 24 4 5 3 程序输入电路 25 4 5 4 复位及时钟电路 25 4 5 5 报警电路 26 4 6 接收模块总电路图 26 第五章第五章 可靠性设计可靠性设计 28 5 1 硬件的可靠性设计 28 5 1 1 合理选择单片机型号 28 5 1 2 其他方法 28 5 2 软件的可靠性设计 31 5 3 设计合理的复位电路 32 第六章第六章 软件部分设计软件部分设计 33 6 1 软件总体设计思路 33 6 2 软件总体设计流程图 33 6 2 1 发送模块 33 6 2 2 接收 驱动电机模块 34 6 3 主要子模块程序设计 34 6 3 1 按键显示模块设计 34 6 3 2NFR24L01 模块程序设计 35 第七章第七章 总结总结 37 参考文献参考文献 38 致谢致谢 39 附录附录 A 程序程序 40 学院本科生毕业设计 论文 0 第一章第一章 绪论绪论 人员和物料的提升机械 其吊笼是完成提升任务的具体执行装置 目前吊笼多是 两根主立柱焊接的钢结构 周围有钢丝保护网 吊笼前后分别安装着单 双开吊笼门 顶部有活动板门 配备的专用梯可作为紧急出口 也可以在顶部进行架设 维修和保 养等工作 目前吊笼的最主要缺陷是自重过大带来的不良影响 特别是应用在高层或 超高层建筑物上时影响尤其显著 施工升降机是以各类钢材为主结构的组件 因此它的利润空间是很小的 对于施 工升降机 其利润是随其架设高度的增加而增加的 如果在整个架设高度上都使用同 样规格的标准节和主弦杆 经济投入势必较大 同时从整个结构受力状态来说 它也 是不理想的 而如果能够根据载荷 危险截面位置 架设高度将结构分成几段为其分 别选取不同公称尺寸的标准节和主弦杆 则可大大地降低施工升降机的生产成本 将 整个架设高度简单的分成二段或三段 按受力状态为各段的标准节和主弦杆选择合理 的公称尺寸 则可达到这个目标 改进施工升降机的速度特性是改善其产品综合性能 的一个主要方面 它可以提高施工效率 随着高层和超高层的建筑量的不断增加 改 进施工升降机的速度特性显得尤为重要 而速度特性的改进 绝不能以影响其产品性 能为代价 提升速度增加的同时 还要具备良好的运行性能 安全性和可靠性 因此 变频器在现代施工升降机上应用得越来越广泛 提高额定起重量对国产施工升降机来说 是在今后发展中需要解决的主要问题之 一 施工升降机经过了多年的发展 仍然基本上沿用原来的机型模式 真正意义上的 突破还不多见 目前对大额定起重量施工升降机的需求己初现端倪 提高额定载重量 将是今后施工升降机的发展方向 根据 GB 厅 10054 一 19 施工升降机技术条件 要求施工升降机必须具备安全 防坠器 同时对安全防坠器的各种性能指标也做出了规定 升降机古代就有 一个绞 盘 一根绳子加上滑轮 就能够组成升降机了 但是 如果要用升降机载人 就必须 解决安全防坠落问题 这是相当复杂的事情 业内人士称安全防坠落问题是升降机发 展道路上的世界难题 150 年前 美国人奥的斯发明了安全钳 从此开创了升降机载客 时代 他的名字也就是当今全球最大的电梯厂商的厂名 高楼里的电梯 运行自如 由电脑控制 运行的平稳程度远远超过施工升降机 主要是使用钢丝绳传动的原因 但是 100 多年来 用钢丝绳传动的升降机在室外露天作业的安全防坠落的提升速度在 24 36m min 之间 单笼额定载重量基本上不超过 2 吨 目前 虽然国产施工升降机己经取得了很大的发展 但是仍然存在着许多不足之 处 首先 没有应用不同公称尺寸的材料作为标准节来分段架设 根据现代设计理论 可以全面地掌握施工升降机在每个架设高度任何截面上的应力状态 从结构受力状态 学院本科生毕业设计 论文 1 分析 无论架设高度是多高的施工升降机其底部的标准节都是承受应力最大的部分 而随着施工升降机架设高度的增加其应力状态更加恶劣 而当架设高度一定时 施工 升降机上部标准节的应力状态要比下部的标准节理想的多 通过对施工升降机结构的 有限元模型计算和模态分析也同样可以验证这一结论 因此 将施工升降机按架设高 度分段 选取不同截面形式的材料作为标准节 可以大大减少施工升降机的钢材消耗 量 减轻自重 降低生产成本 其次 产品形式较为单一 没有根据建筑工程与架设 高度的需要而采用不同结构的施工升降机 三角型截面的标准节 由于少了一根主弦 杆 在成本 钢材消耗量 安装的便利等方面有着很大优势 对于架设高度为 100 米 以下的建筑 使用该种施工升降机有着巨大的价格优势 可见 根据各种不同的建筑 需要 采用不同截面形状的标准节 能够真正提高性价比 根据建筑工程与架设高度 的需求 可采用大额定提升起重量的施工升降机 目前国内绝大多数的厂家生产的施 工升降机的最大额定起重量是 2 吨每笼 从提高工作效率的角度考虑 可以选择单笼 的最大额定起重量为 3 吨或以上的机型 大额定起重量产品的需求已经受到了施工升 降机厂家的重视 瑞典 AUMAK 公司生产的 SCANDO650 施工升降机的额定起重量己 经达到了 3 2 吨 再次 升降机没有广泛地采用变频器来改善施工升降机的速度特性 变频器在改 善速度特性方面是起着极其重要的作用 过去 变频器由于技术还不成熟 而且价格 较高 大多数施工升降机厂家是不会考虑安装变频器作为主要改变速度特性的装置 这些年来变频器已广泛使用在各种改变速度特性的场合 而且技术成熟了 体积减小 了 价格降低了 这些都为施工升降机在改变提升速度的同时改善启 制动特性带来 了可能 正因为使用变频器 对施工升降机可以实现理想的自动平层功能 而且大大 提高了施工升降机的档次以及整机的安全性和舒适性 产品性能 可靠性和寿命也进 一步提高 最后 吊笼自重过大 影响了额定起升载重量 施工升降机作为垂直运送率 但 是该行业在今后还是有着巨大的发展空间 我们应该正确认识目前施工降机存在的不 足 通过先进的理论和科技手段全面地掌握施工升降机的各种特性并在此基础上改进 我们现有的产品 使其具有更高的科技含量 更强的市场竞争力 1 1 国内外研究现状国内外研究现状 近年来 国产施工升降机得到了迅速发展 国际著名的 ALIMAK 公司的产品也远 不比 20 多年前那样风光无限了 我国施工升降机的迅速发展极大程度地冲击了它的市 场 这与国产升降机所具有先进的技术性能 过硬的产品质量 明显的价格优势等诸 多因素分不开的 现代设计理论是施工升降机发展的基础 近年来 随着各种理论的迅速发展 给 学院本科生毕业设计 论文 2 国产施工升降机的迅速崛起奠定了强大的理论基础 特别是结构动力分析 有限元模 型计算 优化方法 机械振动与模态分析 计算机辅助设计等 人们把这些理论应用 到施工升降机的研究与开发上 给施工升降机的发展带来巨大变化利用这些理论人们 可以全面掌握任何高度位置上标准节的任何部位的应力状态 可以得到施工升降机悬 臂部分的动态特性以及由吊笼提升速度的加大给施工升降机带来的影响 总而言之 利用这些理论 可以完全掌握施工升降机各方面的结构特性和工作状态 施工升降机 作为垂直运送人员及物料的提升机械 它主要是由塔身 吊笼 起升机构和附墙结构 组成 当然施工升降机还包括控制系统和安全装置 这些年来 施工升降机的标准节 一直没有大的变化 并且不论多大的架设高度 采用的基本都是从上到下规格相同的 钢材 吊笼虽然有多种型式 但都是型钢焊接而成 近年来 国外施工升降机的提升 速度已由 40r min 提高到了 60r min 80r min 甚至高达 96r inin 单笼额定载重量在 3 吨以上 而国产施工升降机施工升降机是建筑施工中不可缺少的垂直运输机械 自 1973 年第一台国产齿轮齿条式施工升降机诞生以来 历经 30 多年的不断发展 升降机 在结构形式 功能 用途 安全装置等多个方面都有了很大的变化和发展 施工升降机主要用于城市高层和超高层的各类建筑中 这主要因为这样的建筑高 度对于使用井字架 龙门架来完成作业是十分困难的 近年来 随着建筑高度的不断 增加 架设高度大的施工升降机的需求量也在不断增加 建筑施工升降机除了应用在 高层建筑中还可以应用在大桥的建设中 此外 它还可以应用在大型化工厂冷却塔 发电厂的烟囱 广播电视塔以及煤矿等多种施工场合下 施工升降机已成为建筑行业 中一种必不可少的机械设备 如今 施工升降机已广泛的应用于建筑工地上 承担着垂直运输人员及货物的工 作 但是 毋庸讳言 施工升降机的性能和可靠性还不够完善 安全事故时有发生 造成了人员的伤亡和不可挽回的经济损失 事故的原因主要是施工升降机安全保护装 置存在问题 导致了升降机的安全性能下降 从而为施工升降机的正常工作带来了重 大的安全隐患 这可能会导致事故的发生 因此 安全保护装置的可靠性 完善性直 接影响着人身及货物安全 安全防坠器作为施工升降机最为重要的安全保护装置 它的性能的好坏直接影响 到施工人员及货物的安全 因此为施工升降机配备一种安全可靠的安全防坠装置 可 以保证施工升降机在工作过程中不会发生事故 从而保证施工人员及货物的安全 本课题的最终目的是研制出一台高性能 高效率 低成本的钢丝绳提升式施工升 降机 同时 为该施工升降机设计并制造出一台符合规范要求 安全可靠 使用方便 反应灵敏 制作简单的安全防坠器 以及超载保护装置 高度限位装置 为施工升降 机提供可靠的安全保障 在建筑机械的大家族里 施工升降机没有像其它建筑机械那样高的年增长机操作 和机构作较大改动 即结构应简单 适用性要广 学院本科生毕业设计 论文 3 1 2 本论文研究内容本论文研究内容 根据施工升降机的发展现状 存在的问题 提出了用无线控制施工升降机 使得 更安全 方便 本文应用 AT89S52 单片机为核心控制元件 结合其他模块对施工升降 进行无线控制 在地面上 能实时的显示升降机所在的楼层 通过按键控制升降机需 要去的楼层 完成的内容具体如下 1 施工升降机控制系统的整体框架及设计思路 2 设计了无线发射模块 3 设计了无线接收模块 以及驱动电机电路 4 从可靠性出发 完善电路设计 学院本科生毕业设计 论文 4 第二章第二章 总体设计总体设计 2 1 任务分析与实现任务分析与实现 本设计的任务是 以单片机为处理核心 对施工升降机进行无线控制 本系统总体思路如下 初始化系统 设定当前施工升降机所在的楼层 并且通过 发射信号模块 将楼层信号传递给升降机上的接收模块 单片机处理信号 存储当前 楼层信号 在地面输入升降机要去的楼层 经单片机处理后 发射给控制升降机的部 分 这样单片机通过比较当前楼层和要去的楼层 决定电机是正转还是反转 每当升 降机到一楼层 霍尔传感器获得信号 通过触发器 将信号给单片机 施工升降机楼 层的变化 会实时的显示在地面的 LED 显示屏幕上 要求达到的各项指标及实现方法 如下 1 通过 NFR24L01 来进行无线信号的发射接收 2 利用霍尔传感器产生楼层变化数的脉冲信号 3 利用 L298 对电机进行控制 4 对数据进行处理 要求用 LED 显示里程总数和即时速度 实现 利用软件编程 对数据进行处理得到需要的数值 最终实现目标 单片机 对施工升降机的无线控制 能实时的显示当前楼层功能 2 2 楼层信号获取硬件方案设计楼层信号获取硬件方案设计 楼层信号 首先要解决是采样的问题 使用单片机进行楼层信号处理 可以使用 简单的脉冲计数法 只要升降机每经过一层 产生一个或固定的多个脉冲 将脉冲送 入单片机中进行计算 即可获得转速的信息 常用的计数元件有霍尔传感器 光电传 感器和光电编码器 楼层信号传感器的选择也有以下几种方案 使用光敏电阻获得楼 层信号 利用编码器对经过的楼层数进行测量 利用霍尔传感器对楼层信号进行检测 利用干簧管型传感器测量楼层 光敏电阻对光特别敏感 当白天行驶时 外界光源将 导致光敏电阻发出错误信号 光敏电阻对环境的要求相当高 如果光敏电阻或发光二 极管被泥沙或灰尘所覆盖 光敏电阻就不能再进行准确测量 而编码器必须安装在车 轴上 安装较为复杂 霍尔元件或干簧管不但不受天气的影响 即使被泥沙或灰尘覆 盖也不会有影响 而且安装方便 所以本设计采用霍尔元件对楼层信号进行测量 既 简单易行 又经济适用 使用霍尔传感器获得脉冲信号 其机械结构也可以做得较为简单 只要在每一层 上粘上一粒磁钢 霍尔元件固定在升降机上 当施工升降机经过楼层时霍尔元件靠近 学院本科生毕业设计 论文 5 磁钢 就有信号输出 就会不断地产生脉冲信号输出 这种传感器不怕灰尘 油污 在工业现场应用广泛 此控制系统的硬件主要组成 单片机 信号发射模块 L298N 键盘等 整体结 构如图 2 1 所示本系统总体设计思路是 由键盘发出电平信号 单片机接受并转换成控 制信号发送给信号发射模块 信号接收模块接收信号 传给单片机 单片机再控制电 机的转动 在系统中按键的作用是控制整个系统的 LED 为实时显示 该系统由二个模块组成 第一模块是信号发射模块 第二个模块为信号接收 处 理并驱动电机工作模块 二个模块互相通信 在第一模块里 有 LED 能即时显示升降 机所处在的楼层 二个模块的信号发送 接收模块都采用 NFR24L01 芯片 为了获得 较为准确的楼层信息 采用霍尔传感器模块 考虑到实际工作情况 要求该系统具有比较高的可靠性 故设计了看门狗电路 并采取了其他一系列的保护措施 另外 还专门设计了 5V 电源 给芯片提供稳定的电压 使得系统更安全可靠 2 3 软件方案设计软件方案设计 通过软件控制单片机的功能是单片机的主要特点和优点 程序的设计要考虑合理 性和可读性 遵循模块化设计的原则 采用自顶向下的设计方法 模块化设计使程序 的可读性好 修改及完善方便 软件设计包括主程序 楼层计算子程序 延时子程序 中断服务子程序 显示子 程序等等 中断子程序是将传感器产生的信号接入外部中断 0 将经过 74LS74 分频后的信号 接入外部中断 1 利用中断和定时器对分别对里程进行累加 图图 2 1 系统框架系统框架 图图 学院本科生毕业设计 论文 6 数据处理子程序是将进入单片机的脉冲信号与实际要显示值之间有一定的对应关 系 经过软件编程显示所需要的值 显示子程序是将数据处理的结果送显示器显示 学院本科生毕业设计 论文 7 第三章第三章 发射电路设计发射电路设计 发射电路由键盘输入电路 显示电路 NFR24L01 发射模块 复位电路 时钟电 路组成 3 1 键盘输入电路设计键盘输入电路设计 键盘是由一组按键开关组成的 通常 按键所用的开关为机械弹性开关 这种开 关一般为常开型 平时 按键不按下时 按键的触点是断开状态 按键被按下时 他们 才闭合 由于机械触点的弹性作用 一个按键开关从开始按上至接触稳定要经过一定 的弹跳时间 即在这段时间里连续产生了多个脉冲 在断开时也不会一下子断开 存 在同样的问题 按键开关在闭合及断开的瞬间 均伴随有一连串的抖动 抖动时间的 长短由按键的机械特性决定 一般为 5ms 10ms 而按键的稳定闭合期的长短则是由 操作人员的按键动作决定的 一般为十分之几秒的时间 此种抖动在对步进电机的控 制时会产生一定的影响 为消除这种抖动 在软件设计时会设计一个去抖动模块来加 以解决 3 1 1 按键的确认按键的确认 按键的确认就是判别按键是否闭合 反映在电压上就是和按键相连的引脚呈现出 高电平或低电平 如果高电平表示断开 那么低电平则表示闭合 所以通过检测电平 的高低状态 便可以确认按键是否按下 本次设计中 在键盘的部分采用四个按键 分别控制步进电机的转动方向 加速 减速 3 1 2 键盘的工作方式键盘的工作方式 键盘的工作方式有 3 种 即程序控制扫描 定时扫描和中断扫描方式 1 程序控制扫描方式 程序控制扫描方式是指单片机在空闲时 才调用键盘扫描程序 并反复的扫描键盘 直到用户从键盘上输入命令或数据 而在执行键入命令或处理键入数据过程中 CPU 将不再影响键入要求 直到 CPU 重新扫描键盘为止 具体过程如下 1 判别有无按键按下 2 键扫描取得闭合键的行 列值 3 用计算法得到键值 学院本科生毕业设计 论文 8 4 判断闭合键是否释放 如果没有释放则等待 如果闭合键释放 将闭合键的键 号保存 并转去执行闭合键的功能 5 返回 2 定时扫描方式 定时扫描方式就是每隔一定时间对键盘扫描一次 它利用单片机内部的定时器产生 一定时间的定时 当定时时间到就产生定时器溢出中断 CPU 响应中断后对键盘进行 扫描 并在有键按下时识别出该键执行响应的键功能程序 3 中断扫描方式 键盘工作在程序控制扫描方式时 当无键按下时 CPU 要不间断的扫描键盘直到 有按键按下为止 如果 CPU 要处理的事情很多 这种工作方式就不能适应 定时扫描 方式只要定时时间到 CPU 就去扫描键盘 工作效率有了一定的提高 由此可见 这 两种方式常使 CPU 处于空扫描的状态 而中断扫描方式下 CPU 可以一直处理自己的 工作 直到有键闭合时发出中断申请 CPU 响应中断 执行响应的中断服务 才对键 进行处理 从而提高了 CPU 的工作效率 本设计键盘使用的是简单的程序控制扫描方 式 如图 3 1 所示 3 2 显示电路设计显示电路设计 在日常生活中 我们对 LED 数码管并不陌生 LED 数码管已作为很多电子产品的 通用器件 如在仪表 汽车 机械电子及很多家用电子产品中都可以看到 在单片机 的人机交流界面中 一般的输出方式有以下几种 发光管 LED 数码管 液晶显示器 发光管和 LED 数码管比较常用 软硬件都比较简单 SW1SW2SW3SW4 SW5SW6SW7SW8 SW9SW10SW11SW12 SW13SW14SW15SW16 P2 0 P2 1 P2 2 P2 3 P2 4 P2 5 P2 6 P2 7 VCC R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 VCC 10K PR1 图图 3 1 按键电路按键电路 学院本科生毕业设计 论文 9 3 2 1 LED 数码管简介数码管简介 LED 数码管分共阳极与共阴极两种 其工作特点是 当笔段电极接低电平 公共 阳极接高电平时 相应笔段可以发光 共阴极 LED 数码管则与之相反 它是将发光二 极管的阴极 负极 短接后作为公共阴极 当驱动信号为高电平 端接低电平时 才能 发光 LED 的输出光谱决定其发光颜色以及光辐射纯度 也反映出半导体材料的特性 常见管芯材料有磷化镓 GaP 砷化镓 GaAs 磷砷化镓 GaAsP 氮化镓 GaN 等 其中氮化镓可发蓝光 发光颜色不仅与管芯材料有关 还与所掺杂质有关 因此用同 一种管芯材料可以制成发出红 橙 黄 绿等不同颜色的数码管 其他颜色 LED 数码 管的光谱曲线形状与之相似 仅入 值不同 LED 数码管的产品中 以发红光 绿光 的居多 这两种颜色也比较醒目 LED 数码管等效于多只具有发光性能的 PN 结 当 PN 结导通时 依靠少数载流子的注人及随后的复合而辐射发光 其伏安特性与普通二 极管相似 在正向导通之前 正向电流近似于零 笔段不发光 当电压超过开启电压 时 电流就急剧上升 笔段发光 因此 LED 数码管属于电流控制型器件 其发光亮 度 L 单位是 cd m2 与正向电流 IF 有关 用公式表示 L KIF 即亮度与正向电流成正 比 LED 的正向电压 U 则与正向电流以及管芯材料有关 使用 LED 数码管时 工作 电流一般选 10mA 左右 段 既保证亮度适中 又不会损坏器件 3 2 2 LED 数码管的基本参数和引脚功能数码管的基本参数和引脚功能 LED 数码管正向压降一般为 1 5 2V 额定电流为 10mA 最大电流为 40mA 本 设计采用 4 位一组共阳 LED 数码管 用 P1 来控制数码管的短选和 p2 口控制位选位选 其管脚分配和内部结构 见图 3 2 图图 3 2 LED 共阳数码管管脚及内部结构共阳数码管管脚及内部结构 学院本科生毕业设计 论文 10 3 3 信号处理电路设计信号处理电路设计 信号处理采用型号为 AT89S52 的单片机 其功能特征描述如下 AT89S52 是一种 低功耗 高性能 CMOS8 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器技术制造 与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容 片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程 亦适于常规编程器 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 3 4 无线发射 接收模块电路无线发射 接收模块电路 随着我国国际地位和科研水平的不断提高 无需导线连接的无线数据系统对用户 有着极大的吸引力 无线数据系统采用了能在局域范围内无线传输信息的数字网络 在不改动原有设施的前提下 将有效的数据信息准确 快速和安全地传送给与会者 因此 无线数据系统设备的设计得到了国内外相关领域厂商的广泛关注 未来 无线 数据系统很有可能代替现有的有线数据系统 成为今后数据传输的主流 要了解无线数据传输 就得先了解无线传输技术 下面大概介绍一下几种常见 的无线传输技术 e 1 d 2 dp 3 c 4 g 5 4 6 b 7 3 8 2 9 f 10 a 11 1 12 LEDX1 Comment 4 P0 1 P0 2 P0 3 P0 4 P0 5 P0 6 P0 7 V1 V2 V3 V4 P0 0 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 VCC 220PR2 VCC 图图 3 3 LED 显示模块显示模块 学院本科生毕业设计 论文 11 1 U 段无线传输技术 超高频 UHF Ultra High Frequency UHF 波段则是指频率为 300 3000MHz 的特 高频无线电波 具有特点是 1 稳定性高 2 写距离远 3 讯速率较高 但 U 段技术由于频段 多 使用范围广 容易串频和被听 保密性较差 2 红外线技术 红外通讯技术的特点 1 它是目前在世界范围内被广泛使用的一种无线连接技术 被众多的硬件和软件 平台所支持 2 通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无线的数据收发 3 主要是用来取代点对点的线缆连接 4 具有不能穿透障碍物的特性 有效保障了会议信息的安全与保密 5 安装方便快捷 成本低 当然我们还是需要注意一下红外线技术的一些局限性 在进行系统安装时 设备 距离红外信号收发器的距离通常比较短 大都在 10 米内 且应远离其它红外光源 如 日光灯 等离子屏等 以避免干扰 3 WAP 技术 WAP 是 Wireless Application Protocol 即无线应用协议 的缩写 无线应用协议 也称为无线应用程序协议 目前应用广泛 是在数字移动电话 Internet 及其他个人数 字助理机 PDA 计算机应用之间进行通信的开放性全球标准 在工作方面 对于日理万机 经常与时间竞赛的商务人士 WAP 更能为用户提供 市场上最新的第一手信息 完全配合用户的业务和工作需要 在生活方面 无论用户 身在何处 都可以通过 WAP 上网 进行各项线上银行服务 在娱乐方面 WAP 也为 用户提供了崭新的消费模式 无论您走到那里 都可以随心所欲地与朋友甚至其他 WAP 用户 一起上网 玩游戏 一起分享 WAP 的乐趣 BOSCH 的 DCN 无线讨论系 统采用的就是该无线技术 通过倍受赞誉的无线介入点能够为方圆 40 米 164 英尺 左右的空间提供稳固如一的强大连接 WAP 既可部署在会议室中心以获得最佳的覆盖 率 也可以移动到会议室中最适合的位置 尽管 WAP 有其强大的优势 但是也必须指出 WAP 在技术角度上的局限性 主要 存在于两个方面 1 WAP 设备和 WAP 承载网络 2 WAP 设备受 CPU 随机访问存储器 RAM 只读存储器 ROM 和处理速 度的限制 3 WAP 承载网络是低功率的网络 一般在办公环境中的带宽多为 11M WAP 承载网络的固有特性是可靠性不高 稳定性不高和不可 学院本科生毕业设计 论文 12 4 2 4G 频射技术 2 4G 无线技术 其频段处于 2 405GHz 2 485GHz 之间 所以简称为 2 4G 无线技 术 这个频段里是国际规定的免费频段 是不需要向国际相关组织缴纳任何费用的 这就为 2 4G 无线技术可发展性提供了必要的有利条件 而且 2 4G 无线技术不同于之 前的 27MHz 无线技术 它的工作方式是全双工模式传输 在抗干扰性能上要比 27MHz 有着绝对的优势 这个优势决定了它的超强抗干扰性以及最大可达 10 米的传 输距离 此外 2 4G 无线技术还拥有理论上 2M 的数据传输速率 比蓝牙的 1M 理论传 输速率提高了一倍 这就为以后的应用层提高了可靠的保障 2 4G 有着自己独到的优 势所在 相比蓝牙它的产品制造成本更低 提供的数据传输速率更高 相比同样免费 的 27MHz 无线技术它的抗干扰性 最大传输距离以及功耗都远远超出 这里选用 NFR24L01 芯片为无线发射 接收模块芯片 该芯片的是一款新型单片 射频收发器件 工作于 2 4 GHz 2 5 GHz ISM 频段 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 并融合了增强型 ShockBurst 技术 其中输出功率和通信 频道可通过程序进行配置 nRF24L01 功耗低 在以 6 dBm 的功率发射时 工作电流也 只有 9 mA 接收时 工作电流只有 12 3 mA 多种低功率工作模式 掉电模式和空闲模 式 使节能设计更方便 1 NRF24L01 主要特性如下 1 GFSK 调制 2 硬件集成 OSI 链路层 3 具有自动应答和自动再发射功能 4 片内自动生成报头和 CRC 校验码 5 数据传输率为 l Mb s 或 2Mb s 6 SPI 速率为 0 Mb s 10 Mb s 7 125 个频道 8 与其他 NRF24 系列射频器件相兼容 9 QFN20 引脚 4 mm 4 mm 封装 10 供电电压为 1 9 V 3 6 V 2 NRF24L01工作模式 NRF24L01 有工作模式有三种 收发模式 空闲模式 关机模式 工作模式由 PWR UP register PRIM RX register 和 CE 决定 见表 3 3 学院本科生毕业设计 论文 13 1 收发模式 收发模式有 Enhanced ShockBurstTM 收发模式 ShockBurstTM 收发模式和直接收 发模式三种 1 Enhanced ShockBurstTM 收发模式 在 Enhanced ShockBurstTM 收发模式下 使 用片内的先入先出堆栈区 数据低速从微控制器送入 但高速 1Mbps 发射 这样可以 尽量节能 因此 使用低速的微控制器也能得到很高的射频数据发射速率 与射频协议 相关的所有高速信号处理都在片内进行 这种做法有三大好处 尽量节能 低的系统 费用 低速微处理器也能进行高速射频发射 数据在空中停留时间短 抗干扰性高 Enhanced ShockBurstTM 技术同时也减小了整个系统的平均工作电流 在 Enhanced ShockBurstTM 收发模式下 NRF24L01 自动处理字头和 CRC 校验码 在接收数据时 自动把字头和 CRC 校验码移去 在发送数据时 自动加上字头和 CRC 校验码 在发 送模式下 置 CE 为高 至少 10us 将时发送过程完成后 Enhanced ShockBurstTM 发射流程 A 把接收机的地址和要发送的数据按时序送入 NRF24L01 B 配置 CONFIG 寄存器 使之进入发送模式 C 微控制器把 CE 置高 至少 10us 激发 NRF24L01 进行 Enhanced ShockBurstTM 发射 D N24L01 的 Enhanced ShockBurstTM 发射 1 给射频前端供电 2 射频数据打包 3 高速发射数据包 4 发射完成 NRF24L01 进入空闲状态 Enhanced ShockBurstTM 接收流程 A 配置本机地址和要接收的数据包大小 B 配置 CONFIG 寄存器 使之进入接收模式 把 CE 置高 C 130us 后 NRF24L01 进入监视状态 等待数据包的到来 D 当接收到正确的数据包 正确的地址和 CRC 校验码 NRF2401 自动把字头 地 址和 CRC 校验位移去 模式 PWR UP PRIM RXCEFIFO 接收111 发射101数据已在发射堆栈里 发射101 0当CE有下降沿跳变时 数据已经发射 空闲2101发射堆栈空 空闲1 0此时没有数据发射 掉电0 表表 3 1 NRF24L01NRF24L01 工作模式工作模式 学院本科生毕业设计 论文 14 E NRF24L01 通过把 STATUS 寄存器的 RX DR 置位 STATUS 一般引起微控制器 中断 通知微控制器 F 微控制器把数据从 NewMsg RF2401 读出 G 所有数据读取完毕后 可以清除 STATUS 寄存器 NRF2401 可以进入四种主 要的模式之一 2 ShockBurstTM 收发模式 ShockBurstTM 收发模式下 使用片内的先入先出堆栈区 数据低速从微控制器送 入 但高速 1Mbps 发射 这样可以尽量节能 因此 使用低速的微控制器也能得到很 高的射频数据发射速率 与射频协议相关的所有高速信号处理都在片内进行 这种做 法有三大好处 尽量节能 低的系统费用 低速微处理器也能进行高速射频发射 数据 在空中停留时间短 抗干扰性高 nRF24L01 的 ShockBurstTM 技术同时也减小了整个 系统的平均工作电流 在 ShockBurstTM 收发模式下 nRF2401 自动处理字头和 CRC 校验码 在接收数 据时 自动把字头和 CRC 校验码移去 在发送数据时 自动加上字头和 CRC 校验码 当发送过程完成后 数据准备好引脚通知微处理器数据发射完毕 ShockBurstTM 发射流程 A 当微控制器有数据要发送时 其把 CE 置高 使 NRF24L01 工作 B 把接收机的地址和要发送的数据按时序送入 NRF24L01 C 微控制器把 CE 置低 激发 nRF24L01 进行 ShockBurstTM 发射 D nRF24L01 的 ShockBurstTM 发射 过程如下 1 给射频前端供电 2 射频数据打包 加字头 CRC 校验码 3 高速发射数据包 4 发射完成 nRF2401 进入空闲状态 ShockBurstTM 接收流程 A 配置本机地址和要接收的数据包大小 B 进入接收状态 把 CE 置高 C 200us 后 NRF24L01 进入监视状态 等待数据包的到来 D 当接收到正确的数据包 正确的地址和 CRC 校验码 NRF24L01 自动把字头 地址和 CRC 校验位移去 E NRF24L01 通过把 DR1 这个引脚一般引起微控制器中断 置高通知微控制器 F 微控制器把数据从 nRF2401 移出 G 所有数据移完 NRF24L01 把 DR1 置低 此时 如果 CE 为高 则等待下一个 数据包 如果 CE 为低 开始其它工作流程 3 直接发送模式 学院本科生毕业设计 论文 15 A 当微控制器有数据要发送时 把 CE 置高 B nRF2401 射频前端被激活 C 所有的射频协议必须在微控制器程序中进行处理 包括字头 地址和 CRC 校验 码 直接接收模式 A 一旦 nRF2401 被配置为直接接收模式 DATA 引脚将根据天线接收到的信号开 始高低变化 由于噪声的存在 B CLK1 引脚也开始工作 C 一旦接收到有效的字头 CLK1 引脚和 DATA 引脚将协调工作 把射频数据包 以其被发射时的数据从 DATA 引脚送给微控制器 D 这头必须是 8 位 E DR 引脚没用上 所有的地址和 CRC 校验必须在微控制器内部进行 2 空闲模式 NRF24L01 的空闲模式是为了减小平均工作电流而设计 其最大的优点是 实现 节能的同时 缩短芯片的起动时间 在空闲模式下 部分片内晶振仍在工作 此时的 工作电流跟外部晶振的频率有关 3 关机模式 在关机模式下 为了得到最小的工作电流 一般此时的工作电流为 900nA 左右 关机模式下 配置字的内容也会被保持在 NRF24L01 片内 这是该模式与断电状态最 大的区别 6 配置过程 NRF2401 的所有配置工作都是通过 SPI 完成 共有 30 字节的配置字 我们推荐 NRF24L01 工作于 Enhanced ShockBurstTM 收发模式 这种工作模式下 系统的程序 编制会更加简单 并且稳定性也会更高 因此 下文着重介绍把 NRF24L01 配置为 Enhanced ShockBurstTM 收发模式的器件配置方法 ShockBurstTM 的配置字使 NRF24L01 能够处理射频协议 在配置完成后 在 NRF24L01 工作的过程中 只需改 变其最低一个字节中的内容 以实现接收模式和发送模式之间切换 ShockBurstTM 的配置字可以分为以下四个部分 数据宽度 声明射频数据包中数据占用的位数 这使得 NRF24L01 能够区分接收 数据包中的数据和 CRC 校验码 地址宽度 声明射频数据包中地址占用的位数 这使得 NRF24L01 能够区分地址 和数据 地址 接收数据的地址 有通道 0 到通道 5 的地址 CRC 使 NRF24L01 能够生成 CRC 校验码和解码 当使用 NRF24L01 片内的 CRC 技术时 要确保在配置字 CONFIG 的 EN CRC 中 学院本科生毕业设计 论文 16 CRC 校验被使能 并且发送和接收使用相同的协议 7 NRF24L01接口电路 见图3 4 3 5 复位电路设计复位电路设计 复位电路总体分为 上电复位 按键复位两种 上电复位主要是一个是在系统加 电的时候 能够使单片机正常复位 并开始从 0000H 处开始执行程序 而按键复位主 要是在调试过程中 需要有一个复位按键 能够方便的在运行时实现复位 这个复位 电路的原理很简单 就是利用 RC 电路的充电时间 使得 RST 端能够保持在高电平一 段时间 一般取经验值 R 10K C 10uF Rs 200 RST 在高电平复位 低电平时 正常工作 10 F 电容和 10K 电阻组成一个 RC 延时电路 为单片机提供上电复位 加 入 10 F 电容目的是不会让两边电压发生突变 200 的电阻是使电容 C19 的放电电 流不至于太大 本系统就是采用此种复位方式 其电路图如图 3 5 所示 CE 1 CSN 2 SCK 3 VSS 14 VDD 15 N F R 24L01 MOSI 4 MISO 5 IRQ6 VDD7 VSS8 XC29 XC110 ANT1 12 VDD PA 11 VSS 20 DVDD 19 VDD 18 VSS 17 IREF 16 ANT2 13 NFR24L01 3 3V 10nF C9 1nF C8 22K R7 33nF C7 GND X1 16MHZ 1M R8 22pF C1 22pF C2 L3 L1 1 5pF C5 1 0pF C6 L2 2 2uF C3 4 7pF C4 IRQ 3 9nH 8 2nH 2 7nH CE CSN SCK MOSI MISO E1 1K R6 1K R5 1K R4 1K R3 1K R2 1K R1 图图3 4 NRF24L01接口电路接口电路 key1 0 01uF C1 GND GND 图图 3 5 复位电路复位电路 学院本科生毕业设计 论文 17 3 6 时钟电路设计时钟电路设计 在这个最小系统中 采用的是最常用的内部时钟方式 一般情况下 单片机选用 的是 12MHz 晶振 在此频率上 T1 可以很容易的产生 9600 的波特率供串口使用 再由两只瓷片电容构成并联谐振电路 接在放大器的反馈回路中 事实上对外接电容 并没有严格的要求 典型值选用 20PF 30PF 的电容 本电路中使用 1 个 30 PF 的电容 它的主要作用是为单片机提供工作时钟 如图 3 6 所示 3 7 上拉电阻的作用上拉电阻的作用 P0 口没有上拉电阻 故作为普通 IO 口用的时候 须加上拉电阻 P2 口内部存在 上拉电阻 但因为其用作矩阵键盘 为了得到较高的可靠性 故将其也再加上外部上 拉 一般上拉电阻取值为 1K 10K 阻值越小 能提供的上拉能力也越强 但功耗 也会随之上升 3 8 发射模块电路图发射模块电路图 综上所设计的 得到发射模块电路图如图 3 7 所示 AT89S52 30pF C4 30pF C5 GND 图图 3 6 时钟电路时钟电路 学院本科生毕业设计 论文 18 CE 1 CSN 2 SCK 3 VSS 14 VDD 15 N F R 24L01 MOSI 4 MISO 5 IRQ6 VDD7 VSS8 XC29 XC1 10 ANT1 12 VDD PA 11 VSS 20 DVDD 19 VDD 18 VSS 17 IREF 16 ANT2 13 NFR24L01 3 3V 10nF C9 1nF C8 22K R7 33nF C7 GND X1 16MHZ 1M R8 22pF C1 22pF C2 L3 L1 1 5pF C5 1 0pF C6 L2 2 2uF C3 4 7pF C4 IRQ 3 9nH 8