基于单片机(mcs51)的无线抢答器.doc

基于MCS51的无线抢答器设计本科毕业设计（论文） 题 目 基于MCS51的无线抢答器设计 学生姓名 专业班级 学 号 院 （系） 计算机与通信工程学院 指导教师(职称) 完成时间 39基于MCS51的无线抢答器设计郑州轻工业学院毕业设计（论文）任务书题目 基于MCS51的无线抢答器设计 专业 通信工程 学号 姓名 主要内容：1、了解AT89C2051芯片结构和使用；2、.掌握PT2262/PT2272编解码芯片的设计方法；3、掌握无线发射接受芯片F05A/J05B的设计方法；4、基本电路的设计。基本要求：1、 掌握AT89C2051、PT2262/PT2272、F05A/J05B等主要芯片的功能和参数；2、 掌握Protel99SE和WAVE6000等软件的使用方法；3、 能够运用所学知识进行基本电路的设计。主要参考资料等：1、原始资料: 1 张毅刚,新编MCS51单片机应用设计（第二版）,哈尔滨工业大学出版社。 2 唐俊翟,单片机原理与应用，冶金工业出版社。3 张义和，例说8051，人民邮电出版社。 4 黄智伟，无线数字收发电路设计，电子工业出版社。2、技术条件: 硬件配备：计算机一台， 软件配置：WAVE6000G软件,Protel99SE 软件完 成 期 限：20年 月 日指导教师签章： 专业负责人签章： 年 月 日目录摘要IABSTRACTII1 绪论11.1 单片机控制系统概述11.2 单片机控制系统的优势32 8路无线抢答器系统设计42.1系统组成42.1.1 发射单元42.1.2 接收单元72.2编解码芯片PT2262/PT227282.2.1编码器PT226282.2.2解码器PT2272102.2.3 PT2262/PT2272工作原理122.3 无线发射接收模块142.3.1 射频发射模块F05P142.3.2 射频接受模块J04V162.4单片机AT89C2051182.4.1 AT89C2051182.4.2 AT89C2051的开发与应用192.5 74LS595202.5.1 器件特性202.5.2 引脚功能202.5.3 工作原理212.6 LED数码管212.7 硬件电路232.7.1硬件设计232.7.2 烧写程序242.7.3 硬件电路调试273 程序设计293.1 程序流程图293.2程序清单30结 论34致 谢35参考文献36基于MCS51的无线抢答器设计基于MCS51的无线抢答器设计摘要本文介绍的是8路无线抢答器。系统由发射端和接收端组成，发射端由按键、编码器和发射芯片组成，系统共有8个输入通道。接收端由接收芯片、解码器、主控芯片、显示电路组成。抢答信号由编码芯片PT2262编码后经射频发射芯片F05P发出，经接收端的接收芯片J04V接收后，由Pt2272解码后输入主控芯片AT89C2051，抢答结果由显示电路经LED数码管显示出来。抢答按钮与显示主机无线连接,无须布线, 移动灵活, 是一种成本低、体积小、可靠性高的无线能抢答器，能够在各种场合灵活使用。关键词：抢答器/无线/单片机Design of Grabbing for Replying the Result Wireless Machine Based On MCS-51ABSTRACTThis article describes the Grabbing for Replying Wireless machine with 8 channels. This system has two parts: one is transmission unit, the other is receival unit. Keystroke, encoder and transmission chip constitute the transmission unit. The system has 8 input channels. Receival chip, decoder, main control chip and display circuit constitute the receival unit. The signal is coded by the code chip PT2262,and then it is transmitted by RF transmission chip F05P. The receival chip J04V receives the signal, and then the decoding chip PT2272decodes it and sends it to the AT89C2051.At last, the result will display on the LED by display circuit. The grabbing button and the display control machine connect with wireless technology .The system does not need any wire, and the grabbing button could be moved to anywhere in a certainly distance. This system has low cost and power; it could be used in each kind of situation freely.Keywords : Vie for answering/ Wireless/ MCU1 绪论1.1 单片机控制系统概述单片机,也被称为微控制器（Microcontroller）,是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：微处理器（CPU）、存储器（RAM，ROM，）、和各种输入、输出接口（定时器/计数器，并行I/O口，串行口，A/D转换器以及脉冲调制器PWM等）。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上1。图1.1 单片机结构框图单片机硬件系统由以下几部分组成：（1）运算器：计算机的运算部件，实现算术和逻辑运算。（2）控制器：计算机的指挥控制部件，使各部分能自动协调工作。运算器和控制器是计算机的核心部分，常把它合在一起称为中央处理器，简称CPU。（3）存储器：计算机的记忆部分。又分为内存储器和外存储器。（4）输入设备：用于将程序和数据输入到计算机中。（5）输出设备: 把数据计算或加工的结果，以用户需要的形式加工或保存。单片机由于体积小、质量轻、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化、使用方便、抗干扰能力强和成本低等优点比专用处理器最适合应用于嵌入式系统，因此现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。它已经渗透到我们生活的各个领域， 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，从电饭褒、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。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。单片机的发展大致分为三个阶段2：（1）、1976-1978：初级阶段。以MCS-48为代表。具有8位CPU，并行I/O端口，8位时序同步计数器，寻址范围不大于4KB，但是没有串行口。（2）、1978-1982：高性能阶段，具有串行I/O端口，多种中断处理系统，16位时序同步计数器，RAM/ROM容量加大，寻址范围可达64KB，有的芯片还有A/D转换端口。（3）、1982-至今：8位单片机处理器改良型及32位单片机处理器阶段。1.2 单片机控制系统的优势单片控制的系统，相对于传统数字电路，其系统结构更简单，以单片机为核心的电路系统相对于纯数字电路系统具有很大的优势，单片机的逻辑功能强大，通过编程可容易实现复杂的功能，而纯数字电路在实现较复杂的功能时，由于单个芯片的功能有限，导致电路结构复杂，硬件规模庞大。以单片机为核心的电路系统在不改变硬件电路的条件下，通过修改程序可实现电路功能的改变，纯数字电路系统在改变电路功能时，必须对硬件电路作出修改。因此单片机系统的通用性和可维护性都更强。由于单片机的逻辑功能已十分强大，而且外围芯片和接口电路的发展使得单片机为核心的系统在设计开发时变得简单而且快捷，数字逻辑芯片的功能有限，在开发纯数字电路时需要有负载的逻辑运算，开发过程较为繁琐。传统的机械控制方式，功能单一，结构简单，而且故障频繁，效率低下，而使用单片机做为核心部件进行控制，通过编程，可实现多种功能的高效率控制，而且可以很容易的实现控制的智能化和全自动化，可以达到很高的性价比。2 8路无线抢答器系统设计2.1系统组成本设计的设计方案：利用编/解码芯片及发射、接收电路与单片机构成的主机电路来无线接收八路抢答信号，并识别最先按下按钮组的组号。本系统的设计思路是采用编/解码芯片（PT2262/PT2272）和发送、接收电路（F05A/J05B）将抢答信号送给单片机（AT89C2051），通过单片机对信号进行处理，并将抢答到的组号发送显示部分（LED显示），由LED显示出抢答结果。图2.1 系统的信息流程2.1.1 发射单元发射单元由五部分组成：电源、抢答按钮、编码器、发射器、天线。主要是对信号进行采集时期转换成可用信号并将其发送出去。具体框图如下：图2.2 发射端框图 发射单元各部分功能如下：电源：像其它各部分供电。抢答按钮：为抢答者提供抢答输入。编码器：完成对抢答信号独立地址的编码，在接收到开关信号后能准确及时发出信息。发射器：完成对传输过来的驱动信号进行大功率的电/磁转换，并用一定的频率将其发射出去。天线：使发射器发射的信号能更好的发射出去。当抢答者按下抢答器按钮时，使对应PT2262地址编码就产生一个对应的地址码，同时PT2262向发射器发出一个编码，经发射器发射出去。图2.3 发射单元原理图2.1.2 接收单元接受单元由八部分组成：电源、天线、接收器、解码器、晶体振荡器、单片机（AT89C2051）、移位寄存器（74LS595）、LED显示器。接收发射部分发射过来的信息，进行对应地址解码，并输出解码信号送给单片机处理，单片机对信号进行处理，辨认出抢答结果，并通过LED显示。具体框图如图2.4。图2.4 接收单元框图接收单元各部分功能如下：电源：向各部分供电。天线：是接收器对信号进行有效接收。接收器：完整的接收发射端发来的编码信号，经整形好送入解码器解码。解码器：完成对传入信号的识别、对应地址编码后将数据信息发送给单片机处理系统。晶体振荡器：为单片机提供同步时钟信号。单片机（AT89C2051）：对解码器送来的信号进行处理，辨认出抢答结果，并将结果送给寄存器。移位寄存器（74LS595）：对单片机送来的数据进行串入并出的转换，并将数据送入LED显示器。LED显示器：完成信号的显示。接收器接收发送端发过来的信号，由PT2272进行对应地址解码，和PT2262对应地址的PT2272输出解码信号，解码信号送往AT89C51对信号进行处理，然后将抢答器结果送到寄存器驱动LED显示。图 2.5 接受端原理图2.2编解码芯片PT2262/PT22722.2.1编码器PT2262PT2262/PT2272 是台湾普城公司生产的一种CMOS 工艺制造的低功耗低价位通用编解码电路，PT2262/PT2272 最多可有12 位(A0-A11)三态地址端管脚(悬空,接高电平,接低电平)，任意组合可提供531441 地址码,PT2262 最多可有6 位(D0-D5)数据端管脚,设定的地址码和数据码从17 脚串行输出，可用于无线遥控发射电路。编码芯片PT2262 发出的编码信号由：地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字，解码芯片PT2272 接收到信号后，其地址码经过两次比较核对后，VT 脚才输出高电平，与此同时相应的数据脚也输出高电平，如果发送端一直按住按键，编码芯片也会连续发射。当发射机没有按键按下时，PT2262 不接通电源，其17 脚为低电平，所以315MHz 的高频发射电路不工作，当有按键按下时，PT2262 得电工作，其第17 脚输出经调制的串行数据信号，当17 脚为高电平期间315MHz 的高频发射电路起振并发射等幅高频信号，当17 脚为低平期间315MHz 的高频发射电路停止振荡，所以高频发射电路完全收控于PT2262 的17 脚输出的数字信号，从而对高频电路完成幅度键控（ASK 调制）相当于调制度为100的调幅。图2.6 PT2262外形图及管脚图表2.1 PT2262 管脚说明：名称管脚说明A0-A111-8，10-13地址管脚，用于进行地址编码，可置为“0”“1”“F”D0-D57-8，10-13数据输入端，有一个为“1”即有编码输出，内部下拉Vcc18 电源正端(+)Vss9 电源负端(-)TE14编码启动，发射有效，用于多数据发射，低电平有效OSC1/OSC216/17振荡电阻输入/输出端，它们所接电阻决定振荡频率Dout17编码输出端（正常时为低电平）（注:在具体的应用中，外接振荡电阻可根据需要进行适当的调节，阻值越大振荡频率越慢，编码的宽度越大，发码一帧的时间越长）表2.2 PT2262的极限参数（Ts=25OC）参数符号参数范围单位电源电压VCC2-15V输入电压Vi-0.3 - VCC +0.3V输出电压Vo-0.3 - VCC +0.3V最大功率（VCC=12V）Pa300mW工作温度Topt-20- +70OC贮存温度Tstg-40 - +125OC表2.3 PT2262的电气参数参数符号测试条件最小值典型值最大值单位电源参数VCC212V电源电流ICCVCC =12V，振荡器停振 A0-A11 开路0.020.3uADout输出驱动电流IOHVCC =5V，VOH=3V-3mAVCC =8V，VOH=4V-6mAVCC =12V，VOH=6V-10mADout输出陷电流IOLVCC =5V，VOH=3V2mAVCC =8V，VOH=4V5mAVCC =12V，VOH=6V9mAPT2262采用CMOS工艺制造，功耗低，外部元器件少，使用RC振荡电阻决定工作频率，具有很宽的工作电压范围：2.6-15V，数据编码可达6 位，地址码最多可达531441 种。因此PT2262广泛应用于车辆防盗系统、家庭防盗系统、遥控玩具及其他电器遥控。2.2.2解码器PT2272 PT2272是与PT2262配对的解码器，采用18引脚双列直插式封装。图2.7 PT2272外观及引脚图表2.4 PT2272引脚说明名称管脚说明A0-A111-8，10-13地址管脚，用于地址编码，可置0、1.悬空，必须与PT2262一致，否则不解码。D0-D57-8，10-13数据管脚，只有在地址码与PT2262一致时，它才能输出与PT2262数据端对应的高电平，否则输出为低电平，锁存型只有在接收到下一数据时才能转换。VCC18电源正端（+）VSS9电源负端（-）DIN14数据信号输入端，来自接收模块输出端。OSC1/OSC216/15振荡电阻输入输出端，所接电阻决定振荡频率。VT17解码有效输出端（常低），解码有效时变成高电平（瞬态）。表2.5 PT2272的极限参数（Ta=25 OC）参数符号参数范围单位电源电压VCC3-15V输入电压Vi-0.3 - VCC +0.3V输出电压Vo-0.3 - VCC +0.3V最大功耗Pa300mV工作温度Topt-20 - +70OC贮存温度Tstg-40 - +125OC PT2272 解码芯片有不同的后缀，表示不同的功能，有L4/M4/L6/M6 之分，其中L 表示锁存输出，数据只要成功接收就能一直保持对应的电平状态，直到下次遥控数据发生变化时改变。M 表示非锁存输出，数据脚输出的电平是瞬时的而且和发射端是否发射相对应，可以用于类似点动的控制。后缀的6 和4 表示有几路并行的控制通道，当采用4 路并行数据时（PT2272-M4)，对应的地址编码应该是8 位，如果采用6 路的并行数据时(PT2272-M6)，对应的地址编码应该是6 位。PT2262/2272 芯片的地址编码设定和修改：在通常使用中，我们一般采用8 位地址码和4 位数据码，这时编码电路PT2262 和解码PT2272 的第18 脚为地址设定脚，有三种状态可供选择：悬空、接正电源、接地三种状态，3 的8 次方为6561，所以地址编码不重复度为6561 组，只有发射端PT2262 和接收端PT2272的地址编码完全相同，才能配对使用，遥控模块的生产厂家为了便于生产管理，出厂时遥控模块的PT2262 和PT2272 的八位地址编码端全部悬空，这样用户可以很方便选择各种编码状态，用户如果想改变地址编码，只要将PT2262 和PT2272 的18 脚设置相同即可，例如将发射机的PT2262 的第1 脚接地第5 脚接正电源，其它引脚悬空，那么接收机的PT2272 只要也第1 脚接地第5 脚接正电源，其它引脚悬空就能实现配对接收。当两者地址编码完全一致时，接收机对应的D1D4 端输出约4V 互锁高电平控制信号，同时VT 端也输出解码有效高电平信号。用户可将这些信号加一级放大，便可驱动继电器、功率三极管等进行负载遥控开关操纵。2.2.3 PT2262/PT2272工作原理PT2262地址输入有“1”、“0”和“开路”三态，数据输入有“1”和“0”两种状态。由各地址、数据的不同接脚决定，编码从Dout端输出。PT2262 发出的编码信号由地址码，数据码、同步码组成一个完整的码字，PT2272收到信号后，其地址码经两次比较核对后，VT脚输出高电平，如果发送端一直按主键，编码芯片会连续发射。当发射机没有按下键时，PT2262不接通电源，17脚为低电平，315MHZ的高频发射电路不工作，当有按键按下时，PT2262得电工作，其17脚输出经调制的串行数据信息， 当PT2262将数据连同地址有17脚串行发送，经双线传输到PT2272的14脚。当解码器的地址与编码器的地址相同是，解码器将接收到发送来的数据，并将数据输出端锁存，同时在VT端输出一个脉冲信号。图2.8 PT2262编码时序图图2.9 PT2262内部原理图Dout输出的编码信号是调制在38KHZ载波上的，OSC1、OSC2外接的电阻决定载频频率，一般电阻在430K-470K之间选择即可。下图是红外发射接收的典型电路原理图，为正确解调出调制的编码信号，接收端需加一级前置放大级，保证输入PT2272的信号幅度足够大。PT2272各输出通过各种接口即可控制相应的负载。图2.10 PT2262-IR和PT2272红外发射和接收典型电路下图是PT2262构成的6路发射电路，图中Vcc通过按键接通后芯片供电，这样静态时PT2262-IR不耗电，特别适合供电的场合。如果使用电源电压较低（如3V），二极管应选低压差的型号（如IN60等）。图2.11 PT2262构成的发射电路2.3 无线发射接收模块2.3.1 射频发射模块F05P引脚功能：1、正电源：+3V-12V2、地3、数据信号输入（平时为低电平）4、外接天线。图2.12 F05P外形图与其引脚表2.6 F05P的性能参数发射频率：315MHz 433MHz工作电流：DC+3V-12V发射电流：2-10mA发射功率：10mW传输速率：1000次）的Flash ROM；15个双向I/O口；6个中断源；低功耗睡眠功能；可编程UARL通道；2.7V-6V的宽工作电压范围；两个16位可编程定时/计数器；时钟频率0-24MHz；软件设置睡眠和唤醒功能；两个外部中断源；128*8bit内部RAM；两个双向串行通信口；两级加密位；内置一个模拟比较放大器。AT89C2051继承了8031最重要的引脚，其引脚图如下：图2.16 2051引脚P1 口为准双向端口，P3.0-P3.6为双向端口，并且保留全部P3的第二功能，如P3.0与P3.1的串行通信功能，P3.2与P3.3的中断功能，P3.4与P3.5的定时器输入功能。在引脚驱动能力上，它具有很强的下拉能力，P1/P3的下拉能力可达到20mA。相比之下，89C51与87C51最大可达15mA，但限定9脚电流之和小于71mA，这样引脚的平均电流只有9mA。他的驱动能力的增强，使得它可以直接驱动LED数码管。为增加对模拟量的输入，2051在内部构造了一个模拟信号比较器，其输入端连到P1.0和P1.1口，比较结果存入P3.6对应寄存器（P3.6在2051外部无引脚）。对于一些不太复杂的控制电路我们就可增加少量元件来实现。AT89C2051具有很宽的工作电源电压，为2.7V-3.6V，当工作在3V时，电流相当于6V工作时的1/4。工作于12MHz时，动态电流为5.5mA，空闲态为1mA，掉电态仅为20mA。这样小的功耗很适合于电池供电的小型控制系统。AT89C2051片内有2Kbytes的Flash程序存储器，128字节的片内RAM，与8031内部相似。由于2051内部设置全静态工作，所以允许工作时的时钟为0-24MHz，也就是说，允许在低速工作时不破坏RAM内容。相比之下，一般的8031对最低工作时钟限制为3.5MHz，因为其内部RAM是动态刷新的。2051不允许构造外部总线来扩展程序/数据存储器，所以它也不需要ALEPSEN、RD、WR一类的引脚。AT89C2051在内部I/O控制上继承了MCS-51的特性，5路2级优先中断，串行口，2路定时器/计数器。AT89C2051设计有两个程序保密位，保密位1被编程之后，程序存储器不能再被编程除非作一次擦写，保密位2被编程之后，程序不被读出。2.4.2 AT89C2051的开发与应用AT89C2051常采用下面两种方法开发应用系统：1、由于它内部程序存储器为Flash，所以修改它内部的程序十分快捷方便，只要配备一个可以AT89C2051的编程器即可。调试人员可以采用程序编辑-编译-固化-插到电路板中试验这样反复循环的方法，对于熟练MCS-51的程序员来说，这样的调试方法并不十分困难。2、将普通的8031仿真器的插头中P1.0-P3.6引出来仿真205T,这种方法可以运用单步、断点的调试方法，但是仿真不够真实。 AT89C2051具有很高的性价比，体现在：（1）、与8031系统比较：如果需要构造一个8031的最小系统的话，除了CPU之外，至少需要一片27C64，而系统的有效引脚和AT89C2051基本相同。从元器件的成本，电路板的面积和加密性来看，使用AT89C2051都是合算的。（2）、与PIC单片机比较：AT89C2051的价格高于PIC的OTP型号，但大大低于PIC的EPROM型，AT89C2051片内不含Watch Dog，这是其不足之处，但AT89C2051中断系统、堆栈结构、串行通信、定时器/计数器等都大大强于PIC系统。由于PIC芯片中无标准串口，所以在单片机的联网应用上，PIC不太合适。与PIC相比AT89C2051更适合较复杂的应用场合，适合一些软件需要多次修改的应用。就目前中国市场的情况来看，AT89C2051有很大的市场。其原因有下列4点：（1）、AT89C2051采用的是MCS-51的核心，十分容易为广大用户所接受；（2）、AT89C2051内部基本保持了8031的硬件I/O功能；（3）、AT89C2051采用Flash存储器技术，可重复擦写1000次以上，容易解决调试问题。（4）、AT89C2051适合于家用电器控制，分布式测控网络，I/O量不是很大的应用系统。2.5 74LS5952.5.1 器件特性74LS595是一个8位串行输入并行输出并带有锁存功能的非常实用的移位寄存器。可实现串行输入，8位并行输出。存储状态寄存器有三种寄存器，它的并行口有三态输出，即：高电平、低电平、高阻抗。74LS595输出寄存器可以直接清除，具有20MHz的移位频率。74LS595采用低电压TTL电路。74LS595移位寄存器和存储器是分别的时钟。数据在SCHcp的上升沿输入，在STcp的上升沿进入存储寄存器中去。如果两个时钟连在一起，则移位寄存器总是比存储寄存器早一个脉冲。移位寄存器有一个串行移位输入（SER），一个串行输出（QH）,和一个异步的低电平复位；存储寄存器有一个并行8位的，具备三态的总线输出，当使能端为低电平存储器的数据输出到总线。2.5.2引脚功能图2.17 74LS595引脚图QA-QH：锁存寄存器数据并行输出；QH：移位寄存器数据串行输出；SRCLR：主复位，低电平时有效；SRCK：移位脉冲输入端；RCK：锁存时钟输入；G：并口控制端，低电平时锁存寄存器的数据在并口上实时表现出来，高电平时并口出现高阻抗（通常接地）。SER：移位寄存器数据串行输入。2.5.3 工作原理在移位时钟SRCLR上升沿狮队SER串口输入的数据进行取样，数据保存在移位寄存器。在锁存时钟RCLK上升沿时对移位寄存器的数据传送到锁存寄存器。连续的输入移位时钟时，数据就不断地向