无线传输报警系统的毕业设计

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1、无线传输报警系统的设计摘要：本设计采用了德州TI公司的16位单片机MSP430F449、NORDIC公司的NRF24LO1、红外热释电传感器LHI778，设计完成了无线传输报警系统。设计中重点探讨了红外热释电感应器对人体信号的检测、信号的处理、MSP430F449的中断方式和低功耗模式nRF24L01的射频通信原理；介绍了在IAR开发平台下采用C语言编程实现MSP430F449的信号控制。经过滤波、放大、有限电压比较等处理将红外热释电传感器输出的微弱信号转换为单片机能识别的数字信号。MSP430单片机将传感器采集到的盗情信号传送给射频收发模块nRF24L01，通过无线方式发送到AT89S51单

2、片机控制的nRF24L01接收模块，再通过串口将接收到的信息传输到上位机；上位机不仅可以显示检测到的信息，也可以将信息以文本形式保存便于日后查询。关键字：无线传输；红外传感器；MSP430F449； nRF24L01The Design of Wireless Transmission Alarm SystemAbstract: This design used 16-bit single chip MSP430F449 which is from Texas TI Company, nRF24L01 of NORDIC Company, and infrared ray sensor LHI

3、778. This paper accomplished the wireless transmission alarm system. The important contain of this design is the discussion of human bodys signal dictation, signal processing, interrupt model of MSP430F449 and the radio frequency communication theory of nRF24L01with low power consumption mode. Use C

4、 programming language to control the signal of MSP430F449 under IAR platform. Firstly, the infrared ray sensors will output a faint voltage signal which is filtered, magnified and compared and so on. At the same time, the digital signal which was managed by MSP430 chip will be transmitted nRF24L01,

5、the nRF24L01 connect with the MSP430. Secondly, another nRF24L01 which was fixed on AT89S51 received the signal from the modular of nRF24L01; the AT89S51 chip sounds an alarm. Finally, the signal which is from AT89S51 was transmitted PC. The PC will not display the detected information, but also cou

6、ld save this information as text form, so that can find record in the future.Keywords: Wireless transmission, infrared ray sensors, MSP430F449, nRF24L01目 录第一章 绪论11.1 概述11.2 任务目标11.3 目的和意义11.4 系统特色21.5 无线报警系统的总体设计框图2第二章 无线传输报警系统的硬件设计32.1 电源模块32.2 信号检测模块42.2.1 菲涅尔透镜原理42.2.2 红外热释电传感器42.2.3 信号的处理62.3 MS

7、P430模块92.4 射频模块142.5发声模块19第三章 无线报警系统的软件设计213.1 基于MSP430F449的信号发射模程序编写213.2 基于AT89S51的接收模块程序编写263.3 基于MSComm控件的人机界面293.4 nRF24L01常用函数32总结34参考文献35致 谢036 / 4036 / 40第一章 绪论1.1 概述随着无线技术的日益发展，无线传输技术应用越来越被各行各业所接受。无线传输作为一个特殊使用方式也逐渐被广大用户看好。其安装方便、灵活性强、性价比高等特性使得更多行业的监控系统采用无线传输方式，建立被监控点和监控中心之间的连接。无线监控技术已经在现代化交通

8、、运输、水利、航运、铁路、治安、消防、边防检查站、森林防火、公园、景区、厂区、小区、等领域得到了广泛的应用。随着人们对对自己所处环境的安全性的要求的提高，尤其是在家居安全方面，人们不得不时刻留意那些不速之客，无线报警器因此应运而生。它能帮助人们更好的监控自己的居住环境。无线报警器的研制在国内外都比较火热，现在很多公司正在进行各种无线报警器的研制，但大多都是通过一般的射频信号传输，其抗干扰性和保密性都不能得到保证，且可移动性差，一旦固定后再移动就需要专门的人员，基于nRF24L01设计出的无线报警器可以完全克服以上的缺点，将会得到更多的人青睐。1.2 任务目标设计一个无线传输报警系统，以红外热释

9、电传感器、MSP430低功耗单片机、NRF24L01为核心器件。红外热释电传感器产生的信号经过滤波、放大等处理后传给MSP430微处理器处理，信号经处理后采用串口通信方式传输到上位机显示，并作出报警措施。信号的传输采用无线传输方式（传输芯片用nRF24L01）。1.3 目的和意义采用无线传输报警系统是为了实现对一个空间进行多点监控，当有人进入这个空间时，通过报警灯、报警声进行报警，以达到监控的目的。并在PC机上显示，以便工作人员迅速赶到现场。和有线报警系统相比较：(1) 无线传输报警系统安装更方便，对地形环境要求不高。(2) 无线传输报警系统的抗破坏性强：既能达到系统建设的目的，又能解决线路被

10、破坏时报警信息无法传达的问题。（3）系统配置灵活：根据不同层次用户的需求建设相应的投资资金额度，可以灵活多变的配置系统，在保证使用功能的前提下使系统具有很高的性价比。1.4 系统特色1）信号的无线传输方式nRF24L01无线收发一体芯片和蓝牙一样，都工作在2. 4GHz自由频段，能在全球无线市场畅通无阻。2.4GHz ISM(Industry、Science、Medical，工业、科学、医疗)频段是能够在全世界各个国家自由通用，不需要事先向各个国家申请使用执照。nRF24L01支持多点间通信，最高传输速率超过2Mbps，最大传输距离（室内）可达到30米左右，是业界体积最小、功耗最少、外围元件最

11、少的低成本射频系统级芯片。当芯片工作在发射模式下发射功率为0dBm 时电流消耗为11.3mA ，接收模式时为12.3mA，掉电模式和待机模式下电流消耗更低。2) 系统的低功耗nRF24L01和MSP430都是功耗很低的芯片，特别是MSP430的超低功耗工作模式：用户可以根据CPU外围模块对时钟的需要，通过软件控制MSP430时钟系统，合理的利用系统资源，实现整个系统的超低功耗，而使得系统在只使用内部电源的情况下运行得更久，更符合现在的环保理念。1.5 无线报警系统的总体设计框图根据设计题目要求，经过仔细思考和相关信息的查证，所选信号采集传感器为被动式红外热释电传感器。该传感器以非接触形式检测出

12、人体辐射的红外线，并将其转换为电压信号，经信号处理电路实现报警。下图1-1是本系统的系统的总体设计框图。人体信号检测模块控制模块（MSP430）射频发射模块(nRF24L01)（nF24L01）射频接收模块（nRF24L01）控制模块（AT89S51）报警模块（蜂鸣器，发光二极管）人机界面图1-1 系统总体设计框图第二章 无线传输报警系统的硬件设计本设计可以从大体上分为以下几个模块：电源模块；信号检测模块；控制模块（MSP430，AT89S51单片机）；收发模块nRF24L01。2.1 电源模块系统的主要功能模块是单片机MSP430F449、红外热释电传感器LHI778和射频芯片nRF2401

13、。MSP430F449的供电电压为1.83.6V，LHI778的工作电压为2.2V15V，nRF24L01的工作电压范围为1.93.6V（超过3.6V会烧坏芯片，推荐3.3V）。由于设计的需要HC-SR501的工作电压定为5V,MSP430F449和nRF24L01的工作电压定为3.3V。本系统采用了无线传输的方式，为了安装方便灵活，在信号发射端不宜采用外部电源供电。而在信号接收端和上位机连接，采用的是外部电源。电源模块的主要作用是提供能量，使用过程时总是希望使用体积小、容量大的电源。常用的电池有镍锰电池、镍镉电池、锂-锰电池、锂离子电池、燃料电池，其中锂离子电池重量轻、容量大和镍氢电池相比，

14、重量较镍氢轻3040%，能量比却高出60。能量密度是同重量的镍氢电池的1.52倍，应用非常广泛，所以此次设计使用的是CR26505锂锰电池作为电源。CR26505的输出电压是3V，作为信号处理模块的电源时是用两节电池串联得到6V电源，再经过电源芯片LM7805得到稳定的5V输出电压(LM7805是三端稳压集成电路，它具有一个固定的电压输出值5V)。LM7805的连接电路如图2-1-1所示。图2-1-1 LM7805连接电路另外单片机MSP430F449和nRF24L01电源芯片采用的是LM1117-3.3，这款芯片在输入电压大于4.75V时能稳定输出3.3的电压。LM1117-3.3的连接电路

15、如图2-1-2。图2-1-2 LM1117-3.3连接电路2.2 信号检测模块信号检测模块主要由光学系统、热释电红外传感器、信号滤波和放大等几部分组成。其结构如图2-2-1所示。待测目标（红外线）菲涅尔透镜热释电红外传感器信号处理图2-2-1 热释电红外传感器组成的信号检测部分2.2.1 菲涅尔透镜原理本设计使用的菲涅尔透镜该透镜透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜。菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高红外热释电传感器的探测接收灵敏度。当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区

16、”进入“高灵敏区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而增强其能量幅度。2.2.2 红外热释电传感器1）红外热释电传感器内部电路信号检测采用的是LHI778红外热释电传感器，该传感器主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2*1mm的探测元件。在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。由探测元件将接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，它和放大电路相配合，可将信号

17、放大70分贝以上，这样就可以测出1020米范围内人的行动。图2-2-2红外热释电传感器封转内部电路人体辐射的红外线中心波长为910um，而探测元件的波长灵敏度在0.220um范围内几乎稳定不变。在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为710um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。图2.2.3传感器对人体的敏感程度和方向的关系热释电红外线传感器对人体的敏感程度还和人的运动方向关系很大。热释电红外线传感器对于径向移动反应最不敏感,而对于横切方向(即和半径垂直的方向)移动则最为敏感.

18、在现场选择合适的安装位置是避免红外探头误报、求得最佳检测灵敏度是极为重要的一环。2）红外热释电传感器工作原理人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10um左右的红外线，红外热释电探头就是靠探测人体发射的10um左右的红外线而进行工作的。人体发射的10um左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。2.2.3 信号的处理信号处理主要是把红外热释电传感器采集到的微弱电信号进行滤波、放大、比较，为报警功能的实现打下基础。信号的处理部分功

19、能框图如图2-2-4所示。传感器输出信号第一级信号放大第二级信号放大双限电压比较器图2-2-4 信号处理部分功能1）工作原理红外热释电传感器输出信号的幅度和频率主要取决于目标人体的温度、探测区域背景、人体和传感器的距离、光学透镜系统的焦距和它的设计方式。人体温度和探测区域背景的温差很大，离传感器越近，输出信号的幅值将越大。红外热释电传感器配合菲涅尔光学透镜使用时，输出信号波形电压峰值约为1mV。由于传感器输出的信号非常微弱，容易受到噪声的干扰，甚至有信号被淹没在噪声中。研究发现传感器上输出信号的干扰源主要来自传感器的热噪音，固有噪音、放大器的电压电流噪声等。要减少热噪音带来的影响，应尽量缩短热

20、释电传感器和前置放大电路之间的距离，减少外界热干扰，并在前置放大电路中串人低通滤波电路，限制噪声宽带。传感器的固有噪声电压峰值约为50V，室外热空气流动能够产生接近250V的噪声，在室内也接近180V。其他可能存在的干扰，如空间电磁波干扰和机械振动等，噪声的幅值接近100V。三种噪声叠加最大幅值接近300V。2）信号处理电路设计实现根据上面所述红外热释电传感器的输出信号特性，设计了如图2-2-5电路图.图2-2-5 信号处理电路图图2-2-5中红外热释电传感器D端和5V电源间串联10K的电阻，用于降低射频干扰，G端接地，S端接47K的负载电阻，偏置电压约为1V。传感器输出直接耦合到低噪声运放（

21、LM324）构成的滤波电路和第一级放大电路的反向输入端，进行第一级放大。图2-2-6 第一级放大电路电路的增益和频率有关，当输入信号频率为1HZ时，第一级放大增益约为：输出的信号电阻R6和电容C4进一步滤波后进行第二次放大。图2-2-7 第二级放大电路第二级放大增益为：计算电路增益Au1和Au2的乘积约为2000，然后信号再进过双限电压比较器（图2-2-8）进行比较。双限电压比较器由四运放（LM324）的另两个放大器构成。从前面对噪音分析可知，噪音源最大幅值接近300V，经过两级放大电路后，最大噪音幅值达到600mV。第二级放大电路偏置在VCC/2,即2.5V，因此，双限电压比较器的高低阀值应

22、设置为3.1V和1.9V时才能有效抗噪音干扰，即当放大器输出信号电平大于3.1V或者小于1.9V时，比较器输出高电平，表示探测到移动人体。否则输出低电平。图2-2-8 双限电压比较器2.3 MSP430模块单片机是整个系统的核心模块，选择一款合适的单片机对整个设计至关重要。本设计中选用了一款超低功耗单片机美国德州仪器（TI）推出的16位超低功耗的混合信号处理器(Mixed Signal Processor) MSP430系列单片机。而由于无线射频模块本身不具有和上位机通信功能，所以又选用了一块AT89S51单片机。下面就对MSP430系列低功耗单片机作简单的介绍。1）MSP430系列单片机特点

23、MSP430系列的单片机是美国TI公司推出的超低功耗16位单片机系列中的一种，低电压供电、宽工作电压范围1.83.6V。该芯片具有60KB的Flash ROM，2KB RAM，采用串行在线编程方式，为用户编程和控制参数提供灵活的空间。MSP430F449具有强大的中断功能及输出、功能选择、中断等多个寄存器，使得功能口和通用I/O口复用。在对同一个I/O口进行操作前，首先要选择其要实现的功能，这就增强了端口的功能和灵活性。该芯片还具有两个通用同步/异步串行通信接口，有十分方便的开发调试环境，片内有JTAG调试接口，只需要PC机和JTAG调试器即可进行开发。开发语言有C语言和汇编语言，编译简单，而

24、且具有较好的移植性和通用性。MSP430F44x特点如下：超低功耗，活动模式下，在1MHz工作频率下，在电源电压为2.2V的情况下，工作电流为280A。待机模式（standby）下，工作电流仅为1.1A。掉电模式(power down)为0.1A，这时RAM中的数据还能有效保持。从待机到唤醒的响应时间不超过6s，12位的A/D转换器带有内部参考源、采样保持、自动扫描特性，还有可编程电压检测器掉电检测，可在线串行编程，不需要外部编程电压。高集成度。将很多外围模块集成到了MCU芯片中，增大硬件冗余。内部以低功耗、低电压的原则设计，这样系统不仅功能强、性能可靠、成本降低，而且便于进一步微型化和便携化

25、。具有高速和低速两套时钟。系统运行频率越高，电源功耗就会相应增大。为更好地降低功耗，F44x单片机可采用三套独立的时钟源：高速的主时钟、低频时钟（如32.768kHz）以及DCO片内时钟。可在满足功能需要的情况下按一定比例降低MCU主时钟频率，以降低电源功耗。在不需要高速运行的情况下，可选用副时钟低速运行，进一步降低功耗。通过软件对特殊功能寄存器赋值可改变CPU的时钟频率，或进行主时钟和副时钟切换。内部电路可选择性工作。 F44x单片机可以通过特殊功能寄存器选择使用不同的功能电路，即依靠软件选择其中不同的外围功能模块，对于不使用的模块使其停止工作，以减少无效功耗。具有多种节能工作模式。 F44

26、x单片机具有五种节能模式：LPM0、LPM1、LPM2、LPM3、LPM4。这五种模式为其功耗管理提供了极好的性能保证。如图2-3-1所示：图2-3-1各种工作模式下MSP430的耗电情况MSP430工作模式通过控制位设置。在各种工作模式下，时钟系统所产生的3种时钟活动状态是各不相同的。2）MSP430F449引脚图如图2-3-3所示图2-3-3 MSP430F449引脚从图2.3.3中可以看出, MSP430F449主要分为三个部分，即P1、P2、P3、P4、P5、P6，液晶口以及特殊用途的端口（复位、晶振、AD外部参考电压）。MSP430F449复位电路MSP430可以有4种复位来源：在V

27、CC端加上供电电源、在RST/NMl端输入低电平信号、可编程看门狗定时器超时或在对WDTCTL寄存器写入时密钥不符。MSP430F449复位电路的和其它单片机的按键复位有所不同，它是典型的上电复位电路，通过上拉电阻把RST引脚的电压拉低。此次设计采用的复位电路如图2-3-4所示。当电源接通时，C1电容会逐渐充满电，这个过程必须有，正是这个过程保证CPU正确的“RESET”。而当电源断电后，C1内储存的点通过二极管释放，使得下一次电源接通后CPU能正确复位。图2-3-4上电复位电路此电路的电阻R4和单片机的RST/NMl（58引脚）相连，RST/NMI引脚在加载电压VCC后设置成复位功能。引脚的

28、复位功能直保持到不选此功能为止。处于复位功能状态下，在RST/NMI引脚上拉低至GND，然后释放，则MSP430按以下顺序开始工作：将在复位向量地址0FFFEH中包含的地址加载入PC；亦样放 RST/NMI引脚后，CPU从复位向量中所含的地址开始运行。状态寄存器SR复位；除PC和SR外，用户程序对全部寄存器进行初始化(如SP、RAM等)。对外围模块中T的寄存器进行处理；决定工作频率的系统时钟从DOC的最低糊率开始工作。启动晶振时钟后频率调整目标值。时钟电路MSP430F449有两个时钟源，由低频和高频晶振构成，其中晶振XTAL1为3.2KHz，晶振XTAL2为8MHz，两个晶振都接有两个15p

29、F的电容，C16、C17、C12、C13都是15pF的电容，用来滤除不同频率的干扰因素。晶振是感性的元件，它和两个电容串联，在正常工作时，会产出谐振。电容越小，使晶振、外部电容器和 MSP430 之间的信号线尽可能保持最短。它们的电路图如图2-3-5和2-3-6所示：图2-3-5低频时钟源图 2-3-6高频时钟源MSP430F449的基本端口MSP430F449的基本端口包括P1、P2、P3、P4、P5、P6、S和COM。MSP430F449各端口和功能如表2.3.1所示：表2.3.1 MSP430F449端口功能端口功能P1、P2I/O、中断能力、其他片内外设功能P3、P4、P5、P6I/O

30、、其他片内外设功能S、COMI/O、驱动液晶MSP430F449各种端口有大量的控制寄存器供用户操作，最大限度提供了输入输出的灵活性。其中P1和P2有7个寄存器，P3、P4、P5和P6各有4个寄存器。寄存器特性如下：每个I/O位都可以独立编程；允许任意组合的输入、输出和中断；P1和P2所有8位都可用于外部中断处理；可以使用所有指令对寄存器操作；可以按字节输入、输出，也可按位进行操作。端口数据输出特性微处理器输入端口的漏电流对系统的耗电影响很大。MSP430单片机输入端口的漏电流最大为50nA，远低于其他系列单片机（一般为110A）。不管是灌电流还是拉电流，每个端口的输出晶体管都能够限制输出电流

31、（最大约6mA），保证系统安全。端口COM和S，这些端口实现和液晶片的直接接口。COM端口为液晶片的公共端，S端口为液晶片的段码端。液晶片输出端也可经软件配置为数字输出端3）MSP430F449的中断系统MSP430F449单片机有三种中断：复位中断、非屏蔽中断和可屏蔽中断。引起复位中断：加电源电压；RST/NMI引脚加低电平；看门狗定时器溢出；看门狗定时器密钥不符。非屏蔽中断在以下情况产生：RSTNMI脚有上升沿信号；荡器故障。可屏蔽中断源如下：看门狗定时器溢出；其他有中断能力的外围棋块。2.4 射频模块本系统选用的无线收发芯片NORDIC公司出品的nRF24L01射频收发芯片。1) nRF

32、24L01简介nRF24L01是 NORDIC 公司最近生产的一款无线通信通信芯片，采用 FSK 调制，内部集成 NORDIC 自己的 Enhanced Short Burst 协议。可以实现点对点或是 1 对 6 的无线通信。无线通信速度可以达到 2M（bps）。NORDIC 公司提供通信模块的 GERBER 文件，可以直接加工生产。嵌入式工程师或是单片机爱好者只需要为单片机系统预留 5 个 GPIO，1 个中断输入引脚，就可以很容易实现无线通信的功能，非常适合用来为 MCU 系统构建无线通信功能。2）nRF24L01引脚功能介绍nRF24L01一共有16个功能引脚，如图2-4-1所示。图2

33、-4-1 nRF24L01引脚图各个引脚功能的描述如表2.4.1所示。表2.4.1 nRF24L01引脚描述引脚名称引脚功能描述1CE数字输入RX或TX模式选择2CSN数字输入SPI片选信号3SCK数字输入SPI时钟4MOSI数字输入从SPI数据输入脚5MISO数字输出从SPI数据输出脚6IRQ数字输出可屏蔽中断脚7VDD电源电源（+3V）8VSS电源接地（0V）9XC2模拟输出晶体振荡器2脚10XC1模拟输入晶体振荡器1脚/外部时钟输入脚11VDD-PA电源输出给RF的功率放大器提供的+1.8V电源12ANT1天线天线接口113ANT2天线天线接口214VSS电源接地（0V）15VDD电源电

34、源（+3V）16IREP模拟输入参考电流17VSS电源接地（0V）18VDD电源电源（+3V）19DVDD电源输出去耦电路电源正极端20VSS电源接地（0V）3）nRF24L01功能框图图2-4-2 nRF24L01功能框图nRF24L01 的框图如图2-4-2所示，从单片机控制的角度来看，我们只需要关注图2.4.2 右面的六个控制和数据信号，分别为 CSN、SCK、MISO、MOSI、IRQ、CE。CSN：芯片的片选线，CSN 为低电平芯片工作。SCK：芯片控制的时钟线（SPI 时钟）MISO：芯片控制数据线（Master input slave output）MOSI：芯片控制数据线（Ma

35、ster output slave input）IRQ：中断信号。无线通信过程中 MCU 主要是通过 IRQ 和 NRF24L01 进行通信。CE： 芯片的模式控制线。 在 CSN 为低的情况下，CE 协同 NRF24L01 的 CONFIG 寄存器共同决定 NRF24L01 的状态。4）射频模块电路原理图由于nRF24L01工作在2.4GHz频段，在原理图设计过程中着重考滤其抗干扰能力、电源的滤波、天线的匹配网络、晶体布局等。射频模块电路原理图如图2-4-3所示。图2-4-3 射频模块电路原理图5）/4印制板单极天线为了满足体积小，成本低的要求，将/4单极天线4集成印刷在无线收发模块上是一个

36、很好的解决方案，四分之一波长单极天线是一种依赖于地电平的单端馈电天线，它必须有一个有效的地电平。单极天线在PCB上的导线的长度主要由天线的谐振频率决定。四分之一波长单极天线有较大的带宽增益，单极天线在PCB上导线的长度不是最关键的，但是它像其它类型的天线一样，当环境参数（如到地电平的距离，地电平的大小，PCB天线导线的大小和厚度等）变化时，四分之一波长单极天线的增益也会随之变化，在每一种应用中，如果环境参数变化了，则四分之一波长单极天线的长度可能需要改变，以使其表现出最佳的性能。6）PCB板制作PCB布线在PCB设计中，布线是完成产品设计的重要步骤，可以说前面的准备工作都是为它而做的，在整个P

37、CB中，以布线的设计过程限定最高，技巧最细、工作量最大。PCB布线有单面布线、双面布线及多层布线。布线的方式也有两种：自动布线及交互式布线，在自动布线之前，可以用交互式预先对要求比较严格的线进行布线，输入端和输出端的边线应避免相邻平行，以免产生反射干扰。必要时应加地线隔离，两相邻层的布线要互相垂直，平行容易产生寄生耦合。自动布线的布通率，依赖于良好的布局，布线规则可以预先设定， 包括走线的弯曲次数、导通孔的数目、步进的数目等。一般先进行探索式布经线，快速地把短线连通， 然后进行迷宫式布线，先把要布的连线进行全局的布线路径优化，它可以根据需要断开已布的线。并试着重新再布线，以改进总体效果。PCB

38、板布局在设计中，布局是一个重要的环节。布局结果的好坏将直接影响布线的效果，因此可以这样认为，合理的布局是PCB设计成功的第一步。布局的方式分两种，一种是交互式布局，另一种是自动布局，一般是在自动布局的基础上用交互式布局进行调整，在布局时还可根据走线的情况对门电路进行再分配，将两个门电路进行交换，使其成为便于布线的最佳布局。在布局完成后，还可对设计文件及有关信息进行返回标注于原理图，使得PCB板中的有关信息和原理图相一致，以便在今后的建档、更改设计能同步起来, 同时对模拟的有关信息进行更新，使得能对电路的电气性能及功能进行板级验证。PCB的注意事项及解决的办法反射信号：如果一根走线没有被正确终结

39、(终端匹配)，那么来自于驱动端口信号脉冲在接收端被反射，从而引发不预期效应，使信号轮廓失真。当失真变形非常显著时可导致多种错误，引起设计失败。同时，失真变形的信号对噪声的敏感性增加了，也会引起设计失败。如果上述情况没有被足够考虑，EMI将显著增加，这就不单单影响自身设计结果，还会造成整个系统的失败。延时和时序错误：信号延时和时序错误表现为：信号在逻辑电平的高和低门限之间变化时保持一段时间信号不跳变。过多的信号延时可能导致时序错误和器件功能的混乱。通常在有多个接收端时会出现问题。电路设计师必须确定最坏情况下的时间延时以确保设计的正确性。多次跨越逻辑电平门限错误：信号在跳变的过程中可能多次跨越逻辑

40、电平门限从而导致这一类型的错误。多次跨越逻辑电平门限错误是信号振荡的一种特殊的形式，即信号的振荡发生在逻辑电平门限附近，多次跨越逻辑电平门限会导致逻辑功能紊乱。过冲和下冲：过冲和下冲来源于走线过长或者信号变化太快两方面的原因。串扰：串扰表现为在一根信号线上有信号通过时，在PCB板上和之相邻的信号线上就会感应出相关的信号，称之为串扰。信号线距离地线越近，线间距越大，产生的串扰信号越小。异步信号和时钟信号更容易产生串扰。因此解串扰的方法是移开发生串扰的信号或屏蔽被严重干扰的信号。电磁辐射：EMI(Electro-Magnetic Interference)即电磁干扰，产生的问题包含过量的电磁辐射及

41、对电磁辐射的敏感性两方面。EMI表现为当数字系统加电运行时，会对周围环境辐射电磁波，从而干扰周围环境中电子设备的正常工作。它产生的主要原因是电路工作频率太高以及布局布线不合理。7）nRF24L01的PCB绘制图2-4-4 nRF24L01的PCB板2.5发声模块图2-6-1 发声模块原理图报警器的主要功能是实现声音和指示灯报警，由AT89S51控制发声部分实现该功能。为了实现节能，该模块主要由一个蜂鸣器、一些发光二极管组成，其中蜂鸣器发声主要由一个三极管来驱动，三极管选用PNP型（8550）三极管，它是常用的一种驱动发声的三极管，驱动发声部分的电路原理图如图2-6-1所示。P1.2端为蜂鸣器的

42、驱动信号输入端。第三章 无线报警系统的软件设计无线报警系统的软件可分为信号发射模块软件、信号接收模块软件和PC人机界面软件3.1 基于MSP430F449的信号发射模程序编写信号发射模块主要是对MSP430F449进行编程，由它控制信号的采集，信号的发送。1）软件开发工具IAR C430简介IAR的Embedded Workbench 是一个适应各种不同CPU的目标系统开发的集成环境。它提供方便且功能丰富的窗口界面，使开发和调试的效率大大提高。Embedded Workbench以下简称为Workbench。Workbench支持多种微处理器。针对用户特定的目标系统，用创建项目（Project

43、s）的方法来进行开发和管理。Workbench包含的适用工具有：具有语法表现能力的文本编辑器、编译器、汇编器、连接器、函数库管理器、实现操作自动化的Makeg工具、内嵌C语言级和汇编的调试器C-SPY。下面先概括的介绍这些工具的一般特性。图3-1-1 Workbench调试界面Workbench Workbench具有以下基本特性：可在Windows9x/2k/NT下运行；分层次的项目管理；Windows风格的可视化用户界面；必要时可用Make重新编译、汇编和连接文件；Workbench的所有工具都完全集成在一起，以方便使用；支持直观的拖放功能；有超文本风格的操作帮助。Workbench的内嵌

44、编辑器特性Workbench的内嵌编辑器是专门针对源程序编辑设计的，有以下特性：用文本字体和颜色来区别显示C语言的语法成分；有功能强大的搜索和替换命令，可以实现多文件搜索；可以从出错列表直接转移到源文件中相应的出错位置；自检括号的匹配；自动实现文本缩排；每个窗口都有很多级的撤消和重做功能；项目建立在Windows平台上，允许多窗口同时编辑；可以对全目标、源文件设置选项。C编译器特性IAR的C430编译器提供了C语言的标准特性，并且添加了许多为利用MSP430系列的特性而设计的扩展功能。C430编译器和MSP430汇编器集成在一起提供，共享连接器和库管理工具。表3.1.1 几种模式的配置模式PW

45、R_UPPRIM_RXCEFIFO寄存器状态接收模式111-发射模式101数据在TX FIFO 寄存器中发射模式1010停留在发送模式，直至数据发送完待机模式2101TX FIFO 为空待机模式11-0无数据传输掉电0-C-SPY调试器特性C-SPY调试器是一个独立的软件，但是可以集成在Workbench环境中运行，实现C代码或汇编代码的执行和调试。2）nRF24L01发射模块编程nRF24L01的工作模式有4中，分别是接收模式、发射模式、空闲及掉电。如表3.1.1所示。待机模式：待机模式 I 在保证快速启动的同时减少系统平均消耗电流在待机模式 I 下晶振正常工作。在待机模式 II 下部分时钟

46、缓冲器处在工作模式 当发送端 TX FIFO 寄存器为空并且 CE 为高电平时进入待机模式II 在待机模式期间，寄存器配置字内容保持不变。掉电模式：在掉电模式下,nRF24L01 各功能关闭保持电流消耗最小进入掉电模式后，nRF24L01 停止工作，但寄存器内容保持不变。掉电模式由寄存器中PWR_UP 位来控制。数据包处理方式：nRF24L01有两种数据包处理方式：ShockBurstTM和增强型ShockBurstTM。ShockBurstTM 模式：ShockBurstTM 模式下nRF24L01 可以和成本较低的低速MCU 相连。高速信号处理是由芯片内部的射频协议处理的。nRF24L01

47、 提供SPI 接口，数据率取决于单片机本身接口速度。ShockBurstTM 模式通过允许和单片机低速通信而无线部分高速通信，减小了通信的平均消耗电流。在ShockBurstTM 接收模式下，当接收到有效的地址和数据时IRQ 通知MCU.随后MCU 可将接收到的数据从RX FIFO 寄存器中读出。在ShockBurstTM 发送模式下,nRF24L01 自动生成前导码及CRC 校验. 数据发送完毕后IRQ 通知MCU ,减少了MCU 的查询时间.也就意味着减少了MCU 的工作量同时减少了软件的开发时间.nRF24L01 内部有三个不同的RX FIFO 寄存器(6 个通道共享此寄存器)和三个不同

48、的TX FIFO 寄存器.在掉电模式下,待机模式下和数据传输的过程中MCU 可以随时访问FIFO 寄存器.这就允许SPI接口可以以低速进行数据传送,并且可以应用于MCU 硬件上没有SPI 接口的情况下.增强型的ShockBurstTM 模式。增强型 ShockBurstTM 模式可以使得双向链接协议执行起来更为容易、有效。典型的双向链接为：发送方要求终端设备在接收到数据后有应答信号，以便于发送方检测有无数据丢失。一旦数据丢失，则通过重新发送功能将丢失的数据恢复。增强型的ShockBurstTM 模式可以同时控制应答及重发功能而无需增加MCU工作量。增强型ShockBurstTM 发送模式流程a

49、.配置寄存器位PRIM_RX 为低。b.当MCU 有数据要发送时，接收节点地址（TX_ADDR）和有效数据(TX_PLD)通过SPI 接口写入nRF24L01。发送数据的长度以字节计数从MCU 写入TX FIFO。 当CSN 为低时数据被不断的写入。发送端发送完数据后，将通道0 设置为接收模式来接收应答信号，其接收地址(RX_ADDR_P0)和接收端地址(TX_ADDR)相同。c.设置CE 为高启动发射CE 高电平持续时间最小为10 us。d. nRF24L01 ShockBurstTM 模式：无线系统上电启动内部16MHz 时钟无线发送数据打包见数据包描述高速发送数据由MCU 设定为1Mbp

50、s 或2Mbpse.如果启动了自动应答模式（自动重发计数器不等于0，ENAA_P0=1），无线芯片立即进入接收模式。如果在有效应答时间范围内收到应答信号，则认为数据成功发送到了接收端。此时状态寄存器的TX_DS 位置高并把数据从TX FIFO 中清除掉。如果在设定时间范围内没有接收到应答信号，则重新发送数据。如果自动重发计数器（ARC_CNT）溢出（超过了编程设定的值），则状态寄存器的MAX_RT 位置高，不清除TX FIFO 中的数据。当MAX_RT 或TX_DS 为高电平时IRQ 引脚产生中断。IRQ 中断通过写状态寄存器来复位。如果重发次数在达到设定的最大重发次数时还没有收到应答信号的话

51、，在MAX_RX 中断清除之前不会重发数据包。数据包丢失计数器(PLOS_CNT)在每次产生MAX_RT 中断后加一。也就是说，重发计数器ARC_CNT 计算重发数据包次数。PLOS_CNT 计算在达到最大允许重发次数时仍没有发送成功的数据包个数。f.如果CE 置低，则系统进入待机模式I。如果不设置CE ，为低则系统会发送TX FIFO 寄存器中下一包数据。如果TX-FIFO 寄存器为空并且CE 为高则系统进入待机模式II。g.如果系统在待机模式II 当CE 置低后系统立即进入待机模式I.3）MSP430F449初始化函数void SysClkInit(void) unsigned int i

52、; unsigned char DCOtap = 0x01; SCFQCTL |= SCFQ_M; FLL_CTL0 &= XCAP18PF; _BIS_SR(OSCOFF); FLL_CTL1 &= XT2OFF; IFG1 &= OFIFG; do IFG1 &= OFIFG; /清除振荡器失效标志 for (i = 5000; i; i-); /延时，等待XT2起振 SCFI1 |= (DCOtap+) & 0x0f) 3; while (IFG1 & OFIFG); /判断XT2是否起振FLL_CTL1 = (SELM1 + SELS); /MCLK,SMCLK时钟为XT2 _EINT

53、(); return; 3.2 基于AT89S51的接收模块程序编写1)编程软件Keil C51简介系统概述 Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。下面详细介绍Keil C51开发系统各部分功能和使用。Keil C51单片机软件开发系统的整体结构C51工具包的整体结构，uVision和Ishell分别是C51 for Windows和for Dos的集成开发环境(I

54、DE)，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。然后分别由C51及C51编译器编译生成目标文件(.OBJ)。目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以和库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件(.ABS)。ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。Keil C51的系统界面图3-2-1 Keil C51系统界面AT89S51串口驱动函数下面给出单片机AT89S51和上位机串口通信的

55、关键代码。SCON= 0x40; /串口方式1PCON=0; /SMOD=0REN=1; /允许接收TMOD= 0x20; /定时器1定时方式2TH1= 0xfd; /11.0592M 9600波特率TL1= 0xfd;TR1= 1; /启动定时器 while(1) i=0; while(trdatai!=0x00)SBUF=trdatai; while(TI=0); TI=0; i+; for (j=0;j50000;j+); i=0;while(trdata1i!=0x00)SBUF=trdata1i; while(TI=0); TI=0; i+; for (j=0;jAdd to Pro

56、jectComponent and Controls”菜单命令。会弹出如图3-3-1对话框图3-3-1 Component and Controls对话框选择Microsoft Communications Control, version 6.0，单击Insert按钮将它插入到我们的Project中来，接受缺省的选项。这时在ClassView视窗中就可以看到CMSComm类了，并且在控件工具栏Controls中出现了电话图标，现在要做的是用鼠标将此图标拖到对话框中，程序运行后，这个图标是看不到的。3）初始化并打开串口对串口进行初始化，一般来说要完成以下几个设置：设定通信端口，即CommPort属性设定通信协议，即HandShaking属性设定传输速率等参数，即Settings属性设定其他参数，有必要时加上其他属性设定打开通信端口，即将PortOpen属性设为TRUE下面给出串口设置函数初始化的关键代码：m_ctrlComm.SetCommPort(3); /co