基于ZigBee的多功能显示屏

1、内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业论文）题 目：基于ZigBee的多功能显示屏学生姓名：xxx学 号：xxx专 业：电子信息工程班 级：信息2011-2班指导教师：xx内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）基于Zigbee的多功能显示屏摘 要科技改变未来，随着经济和科技的发展，人们现在的生活也因而进入了信息量激增的时代。本设计全系统的设计基于在IAP15F2K61S2单片机处理器的平台上进行设计，并突破固有的方式将LED点阵显示屏移植到可以灵活控制的智能小车上，通过ZigBee无线模块对数据的传输，实现了对智能小车的避障自停、移动控制的基础上，也实现了对LED点阵屏的各种应用功能的设计

2、，包括上位机自定义输入汉字字符可移动展示功能、传感器监测温湿度展示功能以及提取的系统实时时钟显示功能等。该设计可以适用于实时广告显示、实时时钟显示、温湿度显示等，操作简单，实用性强。本设计的设计过程整体包括以下这四个方面：第一，硬件开发，通过Altium Designer软件进行工程的建立，通过对原理图的仿真，以确保电路原理图能够达到预想的工作效果。第二，软件开发，主要完成对智能小车的驱动、ZigBee的双线收发数据处理以及对LED点阵屏的驱动编写以及上位机以及下位机的编写。第三，硬件设计，整个硬件系统的运作是在IAP15单片机进行功能选择后的控制系统、智能小车L298N驱动电路、智能小车和L

3、ED点阵屏供电电路以及各传感器电路的设计。第四，软件编写，电脑上位机由C Sharp语言进行设计、在15单片机和上位机之间的双线无线通信传输数据的实现、通过改变PWM波对智能小车的控制、LED点阵屏的显示内容更改以及对字体颜色变换的程序编写。关键词：单片机IAP15F2K61S2；LED点阵屏；ZigBee无线双向传输The screen based on ZigBeeAbstractChange the future of science and technology, with the development of economy and science and technology, w

4、e now life is thus entered the era of information explosion. The design of the whole system design based on Design of SCM in IAP15F2K61S2 processor platform, and will break through the inherent way of LED dot matrix display screen can be transplanted into the flexible control of the intelligent car,

5、 through the ZigBee wireless module for data transmission, to realize the obstacle avoidance of the smart car stop, mobile control, on the basis of also implements the function of the various application of LED dot matrix screen design, including PC custom input Chinese characters portable display f

6、unction, temperature and humidity sensors to monitor display function and extraction system real time clock display function, etc. The design can be applied to real-time advertising display, real time clock display, temperature and humidity, such as simple operation, strong practicability.This desig

7、n mainly includes the following aspects: first, the hardware development, through Altium Designer software engineering, through the principle diagram of the simulation, to ensure that the circuit principle diagram work can achieve expected effect. Second, software development, mainly to complete the

8、 smart car driving, ZigBee double to send and receive data processing as well as to the LED lattice screen driver writing and the writing of the upper machine and lower machine. Third, hardware design, the whole hardware system is the core of IAP15 SCM smallest system, smart car L298N motor drive ci

9、rcuit, smart cars and LED dot matrix screen power supply circuit and the design of LED dot matrix screen driver circuit. Fourth, software, computer host computer by C Sharp language design, implementation, two-way wireless communication data transmission between the 15 MCU and PC by changing the PWM

10、 wave control, LED dot matrix screen display content of the smart car and change the font color change of program.Key words: single chip microcomputer IAP15F2K61S2;The LED lattice screen;ZigBee wireless two-way transmission目 录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1 引言11.2 课题的目的和意义11.3 课题的国内外研究现状21.4 论文的内容安排3第二章 设计

11、相关技术52.1 STC15F2K61S2单片机52.2 PCB电路板制作与Altium Designer软件62.3 LED点阵显示屏技术72.4 Zigbee无线通信技术82.5 C Sharp语言与Microsoft Visual Studio 2010软件10第三章 系统的总体结构113.1 系统总体设计113.2 系统的硬件设计133.3 系统的软件设计13第四章 下位机设计154.1 下位机硬件设计154.2 下位机程序编写21第五章 上位机界面设计与程序编写255.1 上位机界面设计255.2 上位机程序设计28第六章 总结与发展35参考文献36附录38致谢44III内蒙古科技大

12、学毕业设计说明书（毕业论文）第一章 绪论1.1 引言信息化时代的来临，人们通过感官获取信息的方式也逐渐变得多样化，其中LED点阵屏是人们日常生活中获取信息不可或缺的重要来源之一。LED显示屏分为单色显示屏、双基色显示屏和全彩显示屏，可根据应用场合和所要求的显示效果来选择，如单色显示屏一般用来播放简单文字，证券公司或者银行等机构用得比较多；双基色显示屏一般采用的是红、绿两种颜色，用来播放文字、简单图片等，一般用在车站等场所；全彩显示屏可以用来播放文字、图片、视频等，一般应用于商业广告、舞台演出等1。纯色点阵屏，各个发光点只是单纯显示单一光种的LED；双色点阵屏，它每个发光点由两种单色的彩色LED

13、灯构成；全彩点阵屏，和双色点阵屏是同样的结构原理，它的每个像素点有三种纯色的LED发光管，根据三基色原理，从而进行各种颜色的组合显示。LED显示屏是由发光二极管点阵模块组成的大屏幕显示系统，可以动态显示文字、图像和视频等信息，其使用寿命长，可靠性高，功耗低，亮度高，色彩丰富，已在工业、交通、商业广告、信息发布、体育比赛等领域得到了广泛的应用2。以往人们随处可以见到的LED点阵显示屏，通常都是采取人工布线的方式，通过光缆传输等传输媒介进行显示内容的信息传输，这种方式它的布线花费很大，也占用了很多土地资源，所以LED显示屏的应用受到了很多限制。人们现在是节约型社会，而LED显示屏最突出的优点就在于

14、节能、环保、使用寿命长，而且操作简单，符合当代可持续发展的理念。本设计灵活的将以往固定不动的LED点阵屏移植到智可以灵活控制的智能小车上，通过稳固到智能小车上的ZigBee无线模块进行无线传输数据，可以实现点对点的双线通信，从电脑上位机端判断智能小车所处的状态并进行控制，传感器模块返回来的数据，实时的显示到上位机界面上，并能把上位机界面能够显示的内容，发送给LED点阵屏显示，既改变了以往LED显示屏固定不动的方式，还可以进行适时适地的进行信息传播、广告宣传以及温湿度显示等功能。 1.2 课题的目的和意义1.选题的目的面对高科技技术持续的发展与完善，LED点阵屏作为科技产品的重要成果之一，在日常

15、生活科技产品中，使用的比例也在慢慢的加大，从而更大程度的的推动了信息化社会步伐的发展。在科技社会的大力推动下，LED点阵屏在各个行业也开始发挥出重要的作用，比如银行里的股票汇率等信息的展示、火车站里车票信息的公布、工厂里各个机器组的运行情况以及各类小的信息广告体育馆里的赛况直播等。2008年中国北京奥运会的举办成功，LED显示屏对赛事的直播以及结果的公布发挥了重要的作用，很大程度推进了中国LED产业的发展。LED点阵屏作为在生活中可以获取各种不同信息的重要渠道之一，它以显示醒目、内容丰富多彩以及可以美化城市，从而赢得了人们更多的喜爱。 2.选题的意义人们平常能够见到的基本都是采取布线方式传输的

16、LED点阵屏，但是采取这种形式在很大程度上，影响了LED点阵屏大规模的在一些地方更好的为人们提供信息。在市面上，处处可见的LED点阵屏产品带来的效果影响着人们的日常生活，比如车站、大型商场、酒店等，都在它们各自的领域得到了充分的应用，它们大多数是有线控制，不但布线成本高，往往还需要一个终端，或者一台计算机进行控制，而且现在大多数的LED显示屏，安装到那里，它们所处位置的就是不能再移动的，很大的缺乏了灵活性，也增添了布线和配置方面的以及管理方面的费用，并且周期较长不能及时的对一些信息进行适时适地的传播。本设计为了实现智能移动LED点阵屏对实时数据信息的传输，将一个ZigBee无线模块嵌入到智能小

17、车平台上，通过ZigBee无线模块之间点对点的通信，实现数据的双线收发，既实现了目前主流智能小车得多种功能，集合多款传感器于一体，能够适时适地的完成对温湿度数据以及小车前进方向距离的检测，单片机将处理后的数据通过串口发送给ZigBee，经过ZigBee无线传输，将接收到的数据显示在上位机界面上，然后对整个下位机系统进行控制，比如小车移动的控制，LED点阵时间显示，广告宣传，温湿度显示等，不但可以用于固定的坏境，如社区街道，公交车站以及大型商场等等，还可以进行移动宣传，给人们的平常生活又增加了一种美妙的视觉感受。1.3 课题的国内外研究现状1. 国内研究现状虽然我国在LED材料制造方面与国际先进

18、水品之间还有一定的差距，但就LED显示屏控制系统而言，国内研究、设计水平基本与国外同步。如今对LED显示屏控制系统的研究、设计主要集中在显示控制终端与LED控制卡通信技术和LED控制卡设计两个方面3。国内在LED点阵屏的创新研究有了很大的成就，但是就目前而言，研发出来的LED显示系统基本都是比较传统的，都靠着有线传输来实现显示内容的发送，并用电脑来控制整个系统要显示的内容，传统意义上的LED显示系统仍然面需要我们继续的创新与改进。2011年度，行业整体技术创新方向主要集中在大屏幕控制、高密度显示新产品开发、特殊项目异型工程化设计、LED显示应用拓展产品以及产品可靠性、节能等方面。在传统LED显

19、示屏领域，各种室内外LED显示屏关键技术基本成熟，产品整机在可靠性和工艺水平方面不断改进和完善4，形成了标准化系列产品。创新一直以来都是科技最重视的，同时创新推动LED整个行业走向迅速速友好发展的方向，好的创新理念是整个LED企业最重视的，也一直在寻找。在将来， LED显示技术会在无线技术领域开阔新的天地，将会持续不断地在多彩性、低花费、对能源使用较低的情况下，继续向高性能方面不停的改革和成长。2. 国外研究现状在高亮度大屏幕视频显示技术方面，JumboTron系统被公认为是世界的领先者，JumboTron的技术特点在于采用了独特的图像控制器，确保了图像的高清晰度，目前，全世界有23个国家在使

20、用JumboTron超大屏幕电子显示屏，总使用面积已超过14000平方米5。国外在LED点阵显示屏的研究上比中国较早，目前国外主要在研究如何改善LED的发光程度，如何减少LED的电压能耗以及LED的制造成本等方面。1.4 论文的内容安排第1章 ：绪论。主要大概的阐述了本设计的主要目的、研究的重要意义以及国内外的发展现状；第2章 ：设计中主要相关的技术。介绍各个组件所应用到的关键技术，并对所应用到的技术加以说明；第3章 ：系统整体的结构。主要介绍该设计的整体的框架和说明；第4章 ：系统下位机设计。主要介绍整体的硬件电路设计原理，并且分模块介绍各个模块的主要功能以及下位机程序编写；第5章 ：系统的

21、上位机界面设计。主要是介绍软件的功能组成和每个个功能的实现方法与过程以及上位机程序编写；第6章 ：总结与发展。简单地说明设计的收获与不足之处和无线控制点阵显示屏未来的发展趋势。第二章 设计相关技术本作品主要涉及的技术有：STC15F2K61S2单片机、PCB电路板制作与Altium Designer软件、点阵显示屏显示技术、ZigBee无线通信技术、C Sharp语言与Microsoft Visual Studio 2010软件。2.1 STC15F2K61S2单片机STC15F2K61S2是STC公司生产的单一时钟/机器周期为1 T的单片机，是高速/高可靠/低功耗/超强抗干扰的新一代8051

22、单片机，采用第8代加密技术，加密性强，并且指令代码完全兼容传统的8051单片机6。STC15单片机特点如表2.1，主控单片机引脚图如图2.1所示。表2.1 STC15单片机特性图 2.1 主控单片机管脚图本设计中的单片机IO口分配主要如下，单片机的P0口用来驱动智能小车的电机驱动模块；主控的P0.3口驱动DHT11数字温湿度模块，对所处情况的温湿度进行实时的数据检测，并将检测到的数据传输给MCU处理；单片机的P1.0口、P1.1口、P1.6口、P1.7口驱动超声波测距模块在小车前进方向进行距离的检测，并将检测到的数据传输给MCU处理。2.2 PCB电路板制作与Altium Designer软件

23、本设计的PCB电路图制作是由Altium Designer软件设计的。Altium Designer 是原Protel软件开发商Altium公司推出的一体化的电子产品开发系统，软件主要在Windows操作系统上运行7，为使用者在使用上带来极大的方便，该软件的主要功能如表2.2。表2.2 Altium Designer软件功能表这套软件通过把原理图设计、电路仿真、PCB绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术的完美融合，为设计者提供了全新的设计解决方案。软件主要实现以下几方面功能：1原理图设计；2印刷电路板设计；3FPGA的开发；4嵌入式开发；53D PCB设计。使用Altiu

24、m Designer完成工程项目时，主要运用1、2两项，通过原理图设计与印刷电路板设计可以完成对电路的基本设计，而通过电路仿真等功能一方面可以明确系统的各项性能，另一方面可以通过仿真对所设计的电路进行适当的调整，以实现电路的最优生产。因此，掌握Altium Designer软件的各项功能，并合理到运用到电路设计当中可以为电子电路的设计提供完美的解决方案。本设计使用Altium Designer 软件设计了不同模块的硬件电路原理图与PCB电路图，通过对整个电路原理图的设计并封装各个组件，再生成到PCB原理图设计中去，然后再对各个元件进行合理的布局、布线，最终将设计好的PCB电路图转化为可以打印出

25、来的Protel 99se软件版本，通过专用的腐蚀液最终将印好的PCB板制成可以工作的电路板。2.3 LED点阵显示屏技术发光二极管(light emitting diode, LED)，是一种把电能变成光能的特种器件，当电流通过它的时候，可以产生可见光，LED显示屏是利用发光二极管点阵模块或像素单元组成的平面式显示屏幕8。当适合的电流流过发光二极管的时候，就能够产生人们肉眼可以看到的可见光，点阵模块的结构很大程度的省略了不必要的连线。人们经常使用的N*M LED点阵显示屏有: 8*8像素 LED点阵模块、16*16的 LED点阵模块等，点阵模块可以分为共阴极和共阳极两种连接类型，连接方式如图

26、2.2。本设计中用于显示的是共阳极连接方式，尺寸为16*64 LED点阵屏，就是把多个共阳极连接的尺寸大小为8*8点阵模块，并在行驱动模块和列驱动模块的共同驱动下工作。图2.2 LED共阴极和共阳极使用点阵模块显示构成人们所见到的图形或文字以及各种想要的效果，它的可操作性是非常灵活的，人们设计者只要了解它的工作原理，就可以根据人们想要的显示效果做出任意的组合形式和各种不同的变化，人们需要根据行驱动芯片以及列驱动芯片的工作原理，通过编程，编写好可以工作的的数据文件，LED点阵屏根据编写好的程序显示出人们想要得到的比较满意的结果。如图2.4所示，扫描驱动电路一般采用多行的同名列共用一套驱动器，行驱

27、动器一行的行线连到电源的一端，列驱动器一列的列线连到电源的另一端，当行驱动选中第i行，列驱动选中第,J列时，对应的LED器件根据列驱动器的要求进行显示。控制电路负责有序地选通各行，在选通每一行之前还要把该行各列的数据准备好，一旦该行选通，这一行线上的器件就可以根据列数据进行显示9。因为LED点阵屏电路使用模块不同，点阵屏的设计思路也是有差别的，LED点阵屏的设计方法包括静态扫描方式和动态扫描方式两大类。因为LED点阵屏使用的发光二极管，需要对发光点的数目一起控制，屏体的主要部分是显示点阵，以及行列驱动电路。显示点阵多采用64x16单色或双色显示单元拼接而成由于LED发光器件数目较多，不宜使用静

28、态驱动电路，通常采用扫描驱动方式10。 图2.4点阵内部结构图该设计所用LED点阵屏摒弃了市面上将控制单元单片机部分和显示单元显示屏相互分离的做法，将控制单元和显示单元合二为一，具有体积小布线简单等优点。本设计使用的LED点阵屏在点阵系统中嵌入自带的GB2313字库，应用者在使用时可以直接上手操作，使用非常的方便。LED点阵显示屏使用的是RS485通信接口，RS485这种网络结构它的特点是接口连接简单方便，非常的容易操作等优点，在很多工业系统中都可以使用。使用485 接口时，点阵屏一条主线上最多能够级联200 多个8*8点阵屏。LED点阵屏至多能够显示256 个可以相同也可以不同的字符，也就是

29、在显示屏上至多能够显示256个ASCII字符，也可以说最多能够显示128个汉字。当显示内容超过8个字符时，显示内容会采用滚屏方式显示。当LED点阵屏将设计者所设定的内容全部显示完成之后，LED点阵屏将会自觉循环显示之前所显示的内容，使用非常的人性化。2.4 Zigbee无线通信技术ZigBee是一种短距离、低功耗、低成本的无线通信技术，ZigBee是IEEE802.15.4协议的代名词，ZigBee的称呼来自于自然界中蜜蜂飞行时候的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞行和“嗡嗡”(zig)声地抖动翅膀的“舞蹈”来与其它的蜜蜂进行信息的交流，换言之蜜蜂是依靠这样的沟通方式构成了蜜蜂群体中的通信网络1

30、1。ZigBee技术它相对于蓝牙和WiFi在面向自动化生产控制中有着更加突出的优点，从而使得ZigBee技术在多种行业里边的自动化级别的控制以及在一些需要远程控制的领域，ZigBee技术都能够很好的发挥出它独有的特点。ZigBee无线通信技术它的具有很多良好的特点，它的特点基本可以概括如下：1. 工作能耗低：ZigBee模块在待机状态下，仅仅使用俩块常见的5号电池，就可以支持一个ZigBee节点持续工作半年到俩年之久，还有可能会更长。2. ZigBee使用成本很低：ZigBee协议被重新修改之后，减低了成本，也减低了对对控制器的依赖要求。3. 低速率数据传输：ZigBee无线通信的速率为250

31、kbps，达到了低速率发送与接收信息数据的要求。4. ZigBee技术近距离传输：相互毗邻的俩个ZigBee节点，它们的数据有效传输范围为10-100m之间。5. ZigBee技术很短时延：ZigBee模块收到数据后的响应很快，大多只要很短的15ms就可以从休眠状态转换到工作状态。6. ZigBee技术高容量：ZigBee技术它能够工作不同的网络形式下，能够在不同的组网形式下正常传输数据。在众多的不同规范中， IEEE 802.15.4标准是最初专为低速率个人无线区域网(LR-WPANs) 提供服务协议,在下一代无线网络技术中最有发展前景12。在人们平时能够接触到的ZigBee、蓝牙、wifi

32、通信标准中，ZigBee协议标准的要求相对比较低。ZigBee 技术将主要嵌入消费性电子设备、家庭和建筑物自动化设备、工业控制装置、电脑外设、医用传感器、玩具和游戏机等设备中，支持小范围内基于无线通信的控制和自动化13。人们在日常生活中要采取无线网络通信时，当符合下列条件中的至少一条时，ZigBee技术首先被采用： (1)需要通信的距离不是很远； (2)通信中没有太大的数据量进行传输； (3)不需要一直更换电池，用来维持系统的通信；(4)需要使用通信的设备不会太大，只能使用干电池或者数据线提供电源动力；(5)使用干电池提供电力，不需要一直供电工作的情况下；(6)当使用无线通信的范围很大时，通常

33、采取ZigBee组网形式来完成无线网络的数据传输。2.5 C Sharp语言与Microsoft Visual Studio 2010软件Visual Studio是微软公司推出的开发环境，是目前最流行的Windows平台应用程序开发环境，其集成开发环境（IDE）的界面被重新设计和组织，变得更加简单明了，Visual Studio 2010同时带来了NET Framework 4.0、Microsoft Visual Studio 2010 CTP( Community Technology Preview-CTP)，并且支持开发面向Windows 7的应用程序，除了Microsoft SQL

34、 Server，它还支持 IBM DB2和Oracle数据库14。一些用来进行设计的语言中，C+是设计者们最优先选择的，随着人们的设计工程越来越庞大，越来越复杂，慢慢的在C+的使用上就出现了弊端，于是实用性更加好的C-sharp语言被发明。C-sharp语言还可以称为C#语言，它在使用中设计起来非常的简单、方便，具有很高的人性化设计。C-sharp语言的特点如表表2.2。表2.2 C-sharp语言的特点第三章 系统的总体结构3.1 系统总体设计本设计整体由电脑PC上位机、ZigBee无线传输模块、自带字库的16*64像素LED双色点阵显示屏、智能小车L298N芯片驱动电路、给整个系统供电的电

35、源供电部分以及各个起到不同作用的传感器组合而成，如图3.1所示，电脑上位机的功能包括设置ZigBee无线的连接参数、控制智能小车的移动、从电脑上位机界面上自由更改LED点阵显示屏的内容显示方式，包括汉字的向左移动显示、字体的红绿橙颜色的改变以及想要显示的汉字内容和时间日期的叠加效果显示，还有LED的显示内容，包括自定义的汉字显示、提取电脑系统的时间日期显示以及检测到的数据经由单片机处理完成后发送回来在界面上显示后再发给点阵屏进行显示。图3.1 基于ZigBee的多功能显示屏流程图系统整体的设计流程是：第一步先把开关打开，这时可以看到LED点阵显示屏模块初始显示开机正常，然后显示内容马上变换成欢

36、迎使用，这是提前在程序里写好的数据，点阵屏进入到固定待机显示的状态，然后电脑端的和小车上的ZigBee模块都进入到工作状态，它们之间建立点对点的通信连接，此时就可以根据自己的想法，对小车的控制和显示的效果通过电脑上位机就可以对整个终端系统做出完整的功能选择与操作。点阵屏功能选择后所显示的内容，通过PC界面控制中的上位机LED点阵显示部分来完成具体的操作选择，这些主要功能包括输入的汉字字符显示、提取的系统日期时间显示、温湿度传感器发送给上位机的温湿度显示，当需要显示相应的功能时，我们只需要点到相应的按钮即可完成功能的选择。然后再通过PC上位机见面中的小车操作部分采取相应的功能，来完成终端车的功能

37、选择操作。当小车在想要的移动效果的过程中，LED显示屏任然在显示着设定好的显示内容，从而更加人性化的展示想要的显示效果，并且在小车的移动过程中可以随意更改显示的内容和字体颜色等效果。当小车的超声波模块和红外模块检测到小车前进方向有挡住前进的阻碍物时，传感器模块便会将检测到的数据，通过单片机的TXD串口传输给终端部分的ZigBee模块，进而把不同的传感器数据迅速传输给与PC用数据线连接的ZigBee模块，电脑上位机界面上的小车控制模块中的停止按钮就会自动变红，停车信号通过上位机端ZigBee模块将停车信号快速发送给终端的ZigBee模块，单片机将数据处理后，实现小车的自动停止移动。本设计采取ST

38、C15F2K61S2单片机作为核心的CPU处理器，对整个设计方案采取分模块化的设计，运用多种可以使设计更加贴近生活的传感器模块，组成了有各种不同的应用检测电路。基于ZigBee的多功能显示屏的特点包括：(1) ZigBee双线传输数据：各传感器模块将将检测到的数据通过ZigBee模块传输给上位机，上位机进行相应的控制之后，控制信号和显示内容再经ZigBee模块传输给相应的模块；(2) 信息的宣传广播：在上位机文字输入部分任意更改显示内容；(3) 温湿度数据显示：上位机界面实时显示测量数据，并可以将数据选择在点阵屏上显示出来；(4) 测量距离：上位机进行显示实时的距离，当障碍物在设定的危险范围内

39、，小车自动停止，小车控制部分特定按键变红色，停止按键变成绿色；(5) 使用电脑上位机进行数据显示和控制，更加直观的观察数据并作出相应的操作。3.2 系统的硬件设计该设计的下位机硬件电路包括：整个硬件系统的核心STC15单片机最小系统控制部分、给整个系统供电的7.4V电源经过降压电路降压后输出5V电源供电系统、使用RS485通信的自带字库的LED点阵屏、L298N芯片控制直流电机部分、使用IEEE802.15.4协议标准的俩块CC2530 ZigBee模块，可实现点对点之间的数据传输，还有各个不同的传感器检测部分，共同搭建而成整个硬件系统。系统硬件组成框图如图3. 2。图3.2 系统硬件组成框图

40、整个系统最重要的控制芯片就是STC15处理器，它决定着整个系统的运行，控制命令在STC15处理器内部分析处理后，处理好的数据由IO口输出。单片机将电机旋转控制信号经IO口传输给L298N之后，判断所给电平信号为高电平还是低电平，从而更进一步的进行小车的移动控制，通过在电脑上位机端更改想要的显示方式，通过ZigBee无线模块点对点的数据传输，并将数据发送到RS485通信接口，在LED点阵显示屏自带的字库翻译之后，就会显示人们想要显示的内容。3.3 系统的软件设计电脑上位机设计是在Microsoft Visual Studio平台下完成设计，整体的设计操作简单、实用。为了能够更好地增加用户的体验感

41、，在上位机的功能设计中，添加了ZigBee无线通信串口设置、智能车控制指令发送、点阵屏显示方式功能选择以及显示内容的更改和颜色变换。图3.3 PC上位机设计流程图如图3.3所示，首先要在串口设置处选择打开串口，选择对应的端口进行连接，判断ZigBee点对点通信是否连接，如果已经连接则允许发送数据，否则不通过，连接建立好之后，软件可以通过ZigBee模块发送数据控制点阵的汉字移动显示、字体颜色改变、日期时间显示以及温湿度显示等功能。第四章 下位机设计下位机设计所实现的主要功能是通过单片机最小系统对当前环境中的温度数据、湿度数据以及距离数据进行实时准确的检测，单片机的TXD与RXD通信串口和Zig

42、Bee模块的对应的TXD、RXD串口用导线连接，从而完成数据的传输，数据经过ZigBee传输至上位机进行处理、显示和存储。下位机主要完成下位机系统硬件设计与单片机程序设计，下面进行详细介绍。4.1 下位机硬件设计下位机硬件是在Altium Designer平台下完成，全体硬件电路主要由以下几部分组成：STC15F2K61S2最小系统电路；小车的驱动电路；Zigbee模块3.3V供电电路；7.4V电源经降压芯片转成5V供电系统以及各个使传感器工作在正常状态下的电路。系统硬件原理图如图4.1。图4.1 系统硬件原理图1. L298N电机驱动电路L298N是SGS公司的产品，其内部包含4通道逻辑驱动

43、电路，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V，2A以下的电机15。1脚和15脚可单独引出连接电流采样电阻器，形成电流传号，L298可驱动2个电机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之问分别接2个电动机，5、7、10、12脚接输入控制电平，控制电机的正反转，ENA，ENB接控制使能端，控制电机的停转16。STC15单片机使用内部定时器，从设定好的串口发送特定的PWM控制脉冲调速信号，完成了对智能小车直流电机的有效控制。L298N引脚排列如图4.2所示。图4.2 L298N芯片引脚图图4.3电机驱动原理图芯片控制端的电平高低是通过IAP15单片机的

44、I/O口输入决定的，根据L298N芯片的输入输出关系，表4.1是电机功能逻辑图。对电机输入相应的控制电平，就可以实现对直流电机的驱动。L298N驱动原理图如图4.3。表4.1电机功能逻辑图2. 红外避障电路红外传感器模块是现代在各种避障应用中性价比较高的一款产品，它可以一边发送特定频率的红外线，一边接收，主要靠红外发射管与接收管来完成这个动作，发射管在发射出红外线后，当障碍物（反射面）在检测方向4-10米范围内遇到，红外线会迅速反射回来并被接收，它的精确度可达1m，模块尺寸较小，易于安装，使用非常方便，但是缺点在于易受周围环境干扰而且在红外检测前方距离不是很长，从而影响避障效果。 图4.3 红

45、外避障原理 图4.4 红外避障流程图 3. 超声波测距电路超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器，超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点17。超声波是一种穿透性相当强的波，在气体中它可以正常工作，在固液体中超声波一般也能够穿透。波测超声波传感器在应用领域的代表作是1997年美国的NASA火星探测车上运用的超声障碍物检测设备18。我们可以指出的意义，在理论的固体中的应用，超声波像光的反射原理进行工作19。超声波工作时，当前方出现可以声波穿不过去的物体时，此时超声波会在固体

46、的表面发生反射，反射回来的声波被接收，传送给与它相连接的单片机进行数据处理，超声波的检测灵敏度很高，所以在工业生产控制领域、军事防御等方面，超声波被经常用来发挥不可替代的角色。超声波模块的性能非常稳定，但是不可以在户外恶劣的环境下工作，不可以在比较炎热的环境里工作，并且工作在有很大压强的环境下时，超声波模块就会失区避障的能力。测距的原理如图4.5。图4.5超声波测距原理框图超声波测量精度很高，产生人耳不能听到的高频声波，若检测到超声波传播方向上有不能穿过去的固体，大部分声波会在固体表面形成很小的反射角，小部分的声波会穿过固体表面发生折射。经过反射的声波被接收后，经过芯片处理后，可以将固体所在的

47、距离信息传输给STC15单片机做进一步的处理。表4.2超声波模块电气参数4. DHT11数字温湿度传感器DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，具有极高的可靠性与稳定性，单线制串行接口，使之十微控制器的连接可以更简洁，并且功耗极低，信号传输距离可达20m以上，DHT11采用4针单排引脚封装，电路连接方便20。它将温度感测、湿度感测功能集成到一个芯片上，集成度高，可同时测量温湿度21。才目传感器内部嵌入一个可以检测湿度的感湿元件和一个可以检测温度的 NTC测温元件。本设计中，通过温湿度传感器和新一代的8位STC15单

48、片机相应的串口相连接，就可以实现温湿度的数据传输。DHT11传感器得到广泛使用，和它本身的特点分不开，这些特点为：1体积小，适合很多地点的应用；2检测温湿度灵敏度高；3数据处理很快；4制作成本低，用途很广泛；5性能稳定6使用方法简单，易于操作。在本设计中DATA线与单片机P2.3口相连接实现数据传输，模块接线图如图4.6所示。模块与单片机通信采用串行通信（单线双向），每回的通讯时间在4ms左右，一次完整的数据传输为40bit。通信框图如图4.2所示。 图 4.6温湿度传感器应用电路图 图4.7 DHT11通信框图5. LED点阵显示屏模块本设计中，组成LED点阵屏的是16个8x8高亮度的、分辨

49、率较高的3.75双色点阵，点阵屏整个屏幕最多能够显示四位汉字，如果超出四个中文汉字，所要显示的字就会发生滚动现象。点阵屏采用5V的直流供电，可以在屏幕上显示很多字体效果，比如中文汉字、阿拉伯数字及英文字母的显示以及动态特效展示。三色LED点阵屏的接口主要有两个，如图4.8所示，下图中蓝色的接口是RS485接口，而黑色的接口是电源接口。LED点阵屏的通信接口是四个螺丝端子排列焊接而成的RS485通信接口。485电路会很容易烧坏，如果连接RS485没有共地。电源的接口规格是5.5x2.1 mm。图4.8 LED显示屏RS485接口要想使点阵屏正常工作，需要改变点阵屏上反面的拨码开关，也就是要改变地

50、址，如图4.9所示。点阵屏上拨码开关的数量不能高于八位，通常开关地址的数量是六位。拨码开关下方粉色的字，分别代表着屏幕地址相对应的位，从右到左分表表示地址的第1到8位。安装了拨码开关后并拨到ON的位为0，不然就为1，没有安装拨码开关的位为1。本设计中，点阵屏要把后面的1、2俩个地址开关推上去，才可以使其正常工作。图4.9 485地址设置LED点阵屏的数据帧格式如下：数据帧格式：XX XX XX XX XX XX XX XX XX1 2 3 4 5 6 N N+1 N+21) 第一字节：起始数据，作为数据帧的同步，设置为0X01。2) 第二字节：屏幕485通信接口的位置，可以通过改变拨码开关进行

51、设置。3) 第三字节：“有效数据”的长度=数据帧长度-2(校验数据)。长度单位为字节。4) 第四字节： 累加标记。当第四字节累加标记取值为0X00时，LED点阵屏原来设定显示的内容就会被覆盖，变成新的设定的内容。当第四字节累加标记取值是0X01的时候，新内容将不会覆盖之前显示的内容，将会在显示完之前显示的内容之后再进行显示新内容。5) 第五字节：这个字节表示显示效果。若该字节设置成0X01，设定LED点阵屏字体颜色为红色；当该字节取值为0X02时，设定显示的字体颜色为绿色；当该字节取值为0X03时，设定显示的字体颜色为橙色；当该字节取值为0X04时，设定显示的字体颜色为红色，字体并伴有闪烁效果

52、；当该字节取值为0X05时，设定显示内容为绿色，并伴有闪烁效果；当该字节取值为0X06时，设定显示的字体颜色为橙色，并伴有闪烁效果。6) 第六到第N字节：中文字体和ASCII数据，中文字体的编码形式为GBK，ASCII是标准的ASCII形式。7) 第N+1和第N+2字节：这2位字节是用于检验之前的N个不同作用的字节相加起来后，也就是数据帧，判断是否发生异常。如果检测到数据帧没有发生错误，屏幕将在20ms内发送回所有字节的相加之和：0X01 0X00 0X21 0X03。数据帧如果出错，不返回任何的内容。本设计打开LED点阵屏开关时显示内容为“欢迎使用”，并清除原来的内容，显示效果为红色。数据帧

53、格式为：01 03 0D 00 01 BB B6 D3 AD CA B9 D3 C3 06 1C。和校验计算方法：01+03+0D+00+01+BB+B6+D3+AD+CA+B9+D3+C3=61。4.2 下位机程序编写本设计的下位机程序编写是在Keil软件平台下进行编写，工程具体包括以下几个文件：io.c；delay.c；csb.c；dht11.c，下位机工程视图如图4.10。 图 4.10下位机工程视图下位机软件主要完成的目标是：通过DHT11数字温湿度模块与单片机P0.3口的数据通信，将检测到的温湿度数据返回给上位机；通过超声波测距模块与单片机的P1.0口、P1.1口、P1.6口、P1.

54、7口的数据通信，将检测回来得数据，传输到上位机；通过单片机串口驱动LED点阵模块完成相应的内容显示以及字体颜色得更改；ZigBee点对点进行数据通信，数据从IAP15单片机TXD和RXD串口输出，数据在ZigBee点对点的的双线通信中安全有效的快速发送，将小车的所处状态以及各个传感器检测到的数据返回到上位机进行显示。程序设计框图如图4.11。下位机在程序开始运行时，先会进行延时1s的等待，以此跳过由于电路启动而引起抖动的不稳定状态，延时过后会进行函数的声明以及主函数main函数的运行，在main函数中，首先进行串口初始化，串口发送初始显示状态为“欢迎使用”程序以及字体颜色选择的程序，将会在点阵

55、屏上显示亮眼的红色字体“欢迎使用” 效果。图 4.11 下位机程序设计流程图在主函数中的while循环中，while函数每进行循环一次，每次循环都会进行自加的标志位lj同时也会存在延时等待约有100ms，每次的循环中当lj=5时，会通过函数wsd与DHT11温湿度检测模块进行数据通信，以获取温湿度信息；当lj=10时并自动清零，同时会通过csb函数与超声波测距模块进行数据通信，以获取距离信息，并同时发送检测到的温湿度数据以及距离信息到上位机csb用发送oushujufasong。由下位机程序设计可知道，串口每发送大概1s时间，再进行一次数据的发送，以防止串口的数据发送过快，从而导致数据传输发生

56、错误或者数据丢失。下面对各项硬件功能的程序设计进行介绍：1 温湿度数据监测功能程序实现温湿度检测功能的程序实现，主要是通过dht11.c中的DHT11_ReadTempAndHumi()函数与wsd()函数，并通过在主函数while循环中，每隔100ms左右调用一次wsd()函数，实现温湿度数据的更新。在整个程序的while循环里，wsd()函数里会通过运行DHT11_ReadTempAndHumi()函数，并将该返回来的数据让它等于变量wsd，从而DHT11_ReadTempAndHumi()函数实现与DHT11温湿度检测模块的通信。首先DHT11_ReadTempAndHumi()函数会发

57、送开始信号，并等待应答，如果没有应答信号，这时函数会返回ERROR，代表本次的调用没有接收到温湿度的数据，如果接收到应答信号，则函数会继续进行数据的接收，并将所接收到的温湿度的数据处理并返回OK，wsd()函数根据变量wsd的值，来进行进一步的处理，如果wsd等于OK代表数据接收成功，并发送到上位机；如果wsd的值等于ERROR，则代表数据接收失败，不进行数据的处理。程序实现框图如图4.12所示。图 4.12 温湿度数据检测程序实现框图2 超声波检测功能程序实现超声波数据检测功能程序的实现，主要通过csb.c中的csb()函数来实现，在主函数while循环中，执行csb()函数可以进行超声波测距，其中由StartModule()函数发送开始测量信号。程序实现框