职业鉴定技师论文基于nRF401的无线数传模块设计

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1、天津市职业鉴定技师论文基于nRF401的无线数传模块设计姓名：职业：维修电工技师身份证件号：所在单位：66摘 要随着人类社会的发展与进步，人类对通信的依赖程度越来越高。无线通信以其不需铺设明线，使用便捷等特点，在现代通信领域占据重要地位。在无线通信领域,越来越多的通信产品大量涌现出来，但设计无线数据传输产品往往需要相当的无线电专业知识和价格高昂的专业设备，因而影响了用户的使用和新产品的开发。nRF401是一个为433MHz ISM频段设计的真正单片UHF无线收发芯片，无需进行初始化和配置，不需要对数据进行曼彻斯特编码，最高速率可以达到20Kbps,发射功率可以调整，最大发射功率是+10dBm,

2、需要非常少的外围原件，低功耗。它为短距离无线数据传输应用提供了较好的解决办法, 使用nRF401降低了开发难度，缩短了开发周期，使产品能更快地推向市场。本文提出了一种应用于无线数据收发系统的设计思路及实现方案，给出了基于无线射频芯片nRF401和AT89S52单片机的无线数据传输模块的设计方法,详细分析了各部分实现原理，并对系统的传输距离、传输数据的正确性进行了测试。试验表明，该系统性能稳定，具有较强的抗干扰能力，有较强的实用价值。关键词：AT89S52；nRF401；单片机；无线通信；射频收发ABSTRACTWith the development and the progress of h

3、uman society, people began to depend more and more on communications. Wireless communications plays an important role in the field of modern communications because of doesnt need to build the clear lines with it and usage convenience. In the field of wireless communications, more and more communicat

4、ions products emerge. However, the design of wireless data communication products often require considerable wireless expertise and high professional specialized equipment, thereby affecting users use and the new product development. nRF401 is the 433MHz ISM frequency band design wireless transceive

5、rs chip, dose not need to initialize ,configure and carry on the Manchester coding, the tallest velocity can attain the 20 Kbps ,transmitting power can adjust and can attain the +10dBm, need quite a little outer circle ,low dissipation, Nrf401 for short-distance wireless data communication applicati

6、ons provide a better solution, using it reduced development difficulty, and shortened the development cycle, so that the products can be faster to the market. This article proposes one kind of the designs which applies to the wireless data transceiver system and a realizable plan. And the design met

7、hodology of the wireless data communication module is given based on the single chip microcomputer of AT89S52 and wireless radio frequency chip nRF401, analyses each part of the realization of the principle in detail, and test is conducted for the transmitted distance and correctness of data transmi

8、ssion of the system. The experimentation proves that the system has the characteristics of steady performance and strong anti-jamming ability, it has a stronger practical value.Key Words：AT89S52;nRF401;Single-chip computer; wireless communications; RF transceiver目 录引言11 无线数据收发系统11.1 系统组成结构112系统实现过程1

9、2 收发部分原理与设计22.1 无线收发芯片nRF401介绍22.1.1 引脚功能介绍22.1.2 电气特性32.1.3芯片内部结构42.2 时序参数42.3 应用电路设计52.3.1原理图设计52.3.2 PCB板图设计62.4 使用中应注意的问题73 电路电源设计83.1 LM317T介绍83.1.1 引脚排列83.1.2 内部结构83.2 应用电路设计83.2.1 输出电压的估算93.2.2 外接元器件的选取94 控制部分原理104.1 AT89S52功能介绍104.1.1 内部结构104.1.2引脚功能114.3 串口通信124.1.1 串口通信方式124.1.2 串行通信控制器134

10、.1.3 串行工作方式1145 液晶显示部分155.1 OCM12864-2液晶显示模块功能简介155.1.1 引脚功能155.1.2 最大工作范围155.1.3 指令描述1652与AT89S52的接口电路176 软件设计196.1 主程序196.2 液晶显示子程序206.3数据收发子程序206.4 键盘子程序217 测试结果及分析227.1 硬件电路测试227.2 系统测试227.2.1 测试方法22结 论24参考文献25致 谢26附录1 无线数传模块系统图27附录2 程序源代码28英文翻译50引言无线技术的发展将一个美好的梦想装进人们心中，那就是个人通信。相比较而言，用无线数传模块建立专用

11、无线数据传输方式比其他方式具有如下优点：成本廉价：用无线数传模块建立专用无线数据传输方式，节省人力物力，投资相当节省。客户根据现场环境的需要还是会选用无线的方式来实现通讯。建设工程周期短：当要把相距数公里到数十公里距离的远程站点相互连接通讯的时候，采用有线的方式，必须架设长距离的电缆或者挖掘漫长的电缆沟，这个工程周期可能就需要数个月的时间，而用数传模块建立专用无线数据传输的方式，只需要架设适当高度的天线，工程周期只需要几天或者几周就可以，相比之下，无线的方式可以迅速组建起通信链路，工程周期大大缩短。适应性好：有线通讯的局限性太大，在遇到一些特殊的应用环境，比如遇到山地、湖泊、林区等特殊的地理环

12、境或是移动物体等布线比较困难的应用环境的时候，将对有线网络的布线工程有着极强的制约力，而用无线数传模块建立专用无线数据传输方式将不受这些限制，所以说用无线数传模块建立专用无线数据传输方式将比有线通讯有更好的更广泛的适应性，几乎不受地理环境限制。扩展性好：在用户组建好一个通讯网络后，常常因为系统的需要增加新的设备。如果采用有线的方式，需要重新布线，施工比较麻烦，而且还有可能破坏原来的通讯线路，但是如果采用无线数传电台建立专用无线数据传输方式，只需将新增设备与无线数传电台相连接就可以实现系统的扩充了，相比之下有更好的扩展性。设备维护上更容易实现：有线通讯链路的维护需沿线路检查，出现故障时，一般很难

13、及时找出故障点，而采用线数传模块建设，则没有线路维护的困难。伴随着短距离、低功率无线数据传输技术的成熟，无线数据传输被越来越多地应用到新的领域。与有线通信方式相比，无线通信以其不需铺设明线，使用便捷等一系列优点，在现代通信领域占据重要地位。但以往的无线产品存在范围和方向上存在局限，例如，一些无线产品在使用时，无法将信息反馈给控制者；还有一些无线产品不能很好地显示参数或状态信息，如果能在系统中增加一块小型液晶显示电路，产品不仅能向用户显示其状态或状态的改变，而且可以大大降低成本。正如人们所发现的，只要建立双向无线通信-双工通信并且选择成本低的收发芯片，就会出现许多新应用。目前许多应用领域都采用无

14、线的方式进行数据传输，这些领域涉及小型无线网络、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线遥控系统、无线标签身份识别、非接触RF智能卡等。由于无线收发芯片的种类和数量比较多，无线收发芯片的选择在设计中是至关重要的，正确的选择可以减小开发难度，缩短开发周期，降低成本，更快地将产品推向市场。选择无线收发芯片时应考虑需要以下几点因素:功耗、发射功率、接收灵敏度、收发芯片所需的外围元件数量、芯片成本、数据传输是否需要进行曼彻斯特编码等。nRF401是近两年比较流行的、应用比较广泛的一种无线收发芯片，由北欧的NORDIC公司设计推出。该芯片采用蓝牙核心技术设计，是一个为433MHz ISM频段

15、设计的真正单片UHF无线收发芯片，满足欧洲电信工业标准(ETSI)EN300200-l V12，l。它采用FSK调制解调技术，最高工作速率可以达到20Kbps，发射功率可以调整， 最大发射功率是+l0dBm。nRF40l的天线接口设计为差分天线，以便于使用低成本的PCB天线。它要求非常少的外围元件(约l 0 个)，无需声表滤波器、变容管等昂贵的元件，只需要便宜且易于获得的4MHz晶体，收发天线合一；无需进行初始化和配置，不需要对数据进行曼彻斯特编码，有两个工作频宽(4339243433MHz)，工作电压范围可以从3V-5V，还具有待机模式，可以更省电和高效。本次设计主要是利用无线收发电路，加上

16、单片机控制与液晶显示制成一套完整的无线数据收发系统。1 无线数据收发系统1.1 系统组成结构无线数据传输系统有点对点，点对多点和多点对多点三种。本系统由于实际应用的需要，接收器和数据终端之间的数据传输通过nRF401进行，构成点对点无线数据传输系统。整个系统中，两数据终端之间的无线通信采用433MHz的频段作为载波频率，收发通过串口通信。 无线数据收发系统1可以分为无线收发控制电路、单片机控制电路、显示电路和按键电路四部分组成，系统原理如图1-1所示： 单片机控制系统 单片机控制系统键盘无线数据收发系统可以分为无线收发控制电路、单片机控制电路、显示电路和按键电路四部分组成，系统原理如图2-1所

17、示：无线收发模 块无线收发模 块液晶显示统可以分为无线收发控制电路、单片机控制电路、显示电路和按键电路四部分组成，系统原理如图2-1所示：图1-1 无线数据收发系统12系统实现过程当我们需要发送数据时，使用按键来输入所需发送的信息。按键与单片机AT89S52的P3.2-P3.5口相接，单片机的 P1.0口控制信息的发送与接收，并且TXD端（P3.1）与收发器的DIN端相连，通过TXD端将数据传入收发器，收发器接收到数据后，通过FSK调制，将信号发送出去；接收端的收发器通过解调，将载波信号转换为数字信号，完成信息传输过程；收发器的输出端通过RXD端将数字信号输入到单片机；单片机将数据传送到显示器

18、，这样就完成了一次数据发送与接收并显示的过程。本系统采用的是半双工传送方式。所谓半双工就是通信的双方均具有发送和接收信息的能力，信道也具有双向传输性能。但是，通信的任何一方都不能同时既发送信息又接收信息，即在指定的时刻，只能沿某一个方向传送信息。所以上述实现过程只介绍了由一方传送到另一方的过程，而相反方向与其原理相同。2 收发部分原理与设计2.1 无线收发芯片nRF401介绍以往设计无线数传产品往往需要相当的无线电专业知识和价格高昂的专业设备，传统的电路方案不是电路烦琐就是调试困难，令人望而却步，影响了用户的使用和新产品的开发，nRF401的出现使人们摆脱了无线产品设计的困难，nRF401采用

19、抗干扰能力强的FSK调制方式，工作频率稳定可靠，外围元件少，便于设计生产，功耗极低，适合于便携式手持产品的设计，由于采用了低发射功率，高接受灵敏度的设计，满足无线管制要求，无需使用许可证，是目前低功率无线数传的理想选择。2.1.1 引脚功能介绍图2-1 nRF401引脚图表2-1 nRF401管脚描述2引脚名称功能功能描述引脚名称引脚功能描述1XC1晶振输入11RF-PER发射功率设置2VDD电源(3-5V DC）12CS通道选择3VSS地（0V）13VDD电源(3-5V DC)4FILT回路滤波器14VSS地5VCO1VC0外接电感15ANT2天线接头6VCO2VC0外接电感16ANT1天线

20、接头7VSS地17VSS地8VDD电源(3-5V DC)18PWR-UP电源开关9DIN数据输入19TXEN发射允许10DOUT数据输出20XC2晶振输出(1) 9脚及10脚分别是DIN输入数字信号和DOUT输出数字信号均为标准的逻辑电平信号，需要发射的数字信号通过DIN输入，解调出来的信号经过DOUT输出。(2) 12脚为通道选择。CS=“0”为通道#1（433.92MHz），CS=“1”为通道#2（434.33MHz）。(3) 18脚为电源开关。PWR_UP =“1”为工作模式，PWR_UP =“0”为待机模式。(4) 19脚TXEN。高电平允许发送数据，低电平允许接收数据。(5) ANT

21、1、ANT2：天线接入端。表2-2 芯片工作状态与控制引脚关系3输入响应TXENFREQPWR-UP通道号模式0011433MHz接收0112315MHz接收1011433MHz发射1112315MHz发射XX0-待机2.1.2 电气特性nRF401是一个单片RF收发芯片，工作频率为国际通用的数传频率433MHz；具有FSK调制和解调能力，抗干扰能力强，特别适合工业控制应用；采用PLL频率合成技术，频率稳定性好；最大发射功率达+10dBm，数据速率可达20kb/s；具有2个信号通道，适合需要多信道工作的特殊场合；工作电压在+35V之间，最低工作电压为2.7V；它还提供进一步降低电流消耗的待机模

22、式，接收待机状态仅为8A；仅需外接一个晶体和几个阻容、电感元件，即可构成一个完整的射频收发器。nRF401接收机使用频移键控(FSK)调制方式，改善了噪声环境下的系统性能。与幅移键控(ASK)方式相比，这种方式的通信范围更广，特别是在附近有类似设备工作的场合。表2-3 nRF401电气特性参数数值参数数值频率通道1/2MHz43392/434.33最大速率/Kbs-120调制方式FSK电源电压/V2.7-5.25频偏/kHz15接收时电源电流/uA250最大RF输出功率/dBm10发射时电源电流/mA8灵敏度/dBm-105待机模式电源电流/uA82.1.3芯片内部结构nRF401无线收发芯片

23、的结构框图如图3-2所示。芯片内包含有发射功率放大器（PA）、低噪声接收放大器（LNA），晶体振荡器（OSC），锁相环（PLL），压控振荡器（VCO），混频器（MIXER）等电路。在接收模式中，RF输入信号被低噪声放大器（LNA）放大，经由混频器（MIXER）变换，这个被变换的信号在送入解调器（DEM）之前被放大和滤波，经解调器解调，解调后的数字信号在DOUT端输出。在发射模式中，压控振荡器（VCO）的输出信号是直接送入到功率放大器（PA），DIN端输入的数字信号被频移键控后馈送到功率放大器输出。由于采用了晶体振荡器和PLL合成技术，频率稳定性极好。图2-2 nRF401芯片内部结构框图2.2

24、 时序参数nRF401有3种工作模式：接收模式（RX）、发射模式（TX）和等待模式（Standby）。工作模式可由2个引脚设定，分别是TXEN和PWR_UP。因此通过单片机控制nRF401的工作模式，使其在接收、发射、等待任一种状态之间转换。不同工作模式下的时序如表2-4所示。(1) TXRX之间的切换当从RXTX模式时，数据输入脚（DIN）必须保持为高至少1ms才能发送数据。当从TXRX模式时，数据输出脚（DOUT）至少3ms以后有数据输出。(2) StandbyRX的切换从待机模式到接收模式，当PWR_UP输入设成1时，经过tSR时间后，DOUT脚输出数据才有效。对nRF401来说，tSR

25、最长的时间是3ms。(3) StandbyTX的切换从待机模式到发射模式，所需稳定的最大时间是tST 。(4) Power UpTX的切换从上电到发射模式过程中，为了避免开机时产生干扰和辐射，在上电过程中TXEN的输入脚必须保持为低，以便于频率合成器进入稳定工作状态。当由上电进入发射模式时，TXEN必须保持1ms以后才可以往DIN发送数据。(5) Power UpRX从上电到接收模式过程中，芯片将不会接收数据，DOUT也不会有数据输出，直到电压稳定达到2.7V以上，并且至少保持5ms。表2-4 不同工作模式下的时序模式控制名称最大延时条件TXRXtTR3ms连续工作RXTXtRT1msStan

26、dbyTXtST2msStandbyRXtSR3msPower UpTXtVT4ms上电Power UpRXtVR5ms2.3 应用电路设计2.3.1原理图设计(1) 输入输出当nRF401是接收模式时，ANT1和ANT2引脚端提供射频输入到低噪声放大器（LNA）；当nRF401为发射模式时，从功率放大器提供射频输出到天线。(2) PLL环路滤波器PLL环路滤波器，是一个单端二阶滤波器，滤波器元件参数值：C3=820pF，C4=15nF，R2=4.7kW。(3) VCO电感芯片的VCO电路需要外接一个VCO电感，这个电感是非常关键的，需要一个高质量的片式电感，Q值大于45，最大误差2%。(4)

27、 晶振电路晶体振荡器需要外接晶振，晶振的特性要求是：并联谐振频率f=4MHz，并联等效电容C05pF，晶振等效串联电阻RESR150W，全部负载电容，包括印制板电容CL14pF。负载电容CL如下式所示： （2-1） 式中和， 和是电路板的寄生电容。(5) RF输出功率连接在RF_PWR端和VSS之间的电阻R3可以设置输出功率，最大发射功率可以调整到+10dBm。nRF401的应用原理图4如图2-3所示。图2-3 nRF401的应用原理图2.3.2 PCB板图设计印刷电路板（PCB）的设计直接关系到射频性能，PCB使用1.6mm厚的FR-4双面板，分元件面和底面5。PCB的底面有一个连续的接地面

28、，射频电路的元件面以nRF401为中心，各元器件紧靠其周围，以尽可能减少分布参数的影响。元件面的接地面保证元件充分接地，大量的通孔连接元件面的接地面到底面的接地面。nRF401采用PCB天线，在天线的下面没有接地面。射频电路的电源使用高性能的射频电容去耦，去耦电容尽可能的靠近nRF401的VDD端，一般还在较大电容的表面安装的电容旁并联一个小数值的电容。射频电路的电源与接口电路的电源分离，nRF401的VSS端直接连接到地面。注意不能将数字信号或控制信号引入到PLL回路滤波器元件上。2.4 使用中应注意的问题nRF401的工作电压为3V，与单片机构成的微控制系统连接时应注意电平匹配。在发射模式

29、时，通信速率最高为20Kb/s。发送数据之前需将电路置于发射模式（TXEN=1），接收模式转换为发射模式的转换时间至少1ms，可以发送任意长度的数据。发送结束后应将电路置于接收模式（TXEN=0），发射模式转换为接收模式的转换时间至少3ms。在接收模式接收到的数据可以直接送到单片机串行接口。PWR_UP=“0”为待机模式，电路进入待机状态，工作电流8uA,在待机状态下电路不接收和发送数据。3 电路电源设计由于nRF401的工作电压为3V,所以要制作一个电压转换电路，以使控制部分的电压转换为3V。本电源电路由LM317T三端口稳压器件构成。3.1 LM317T介绍LM317T是由美国国家半导体公

30、司在2001年生产的一种三端口稳压器件，他的输出电压可以通过调整电阻进行一定幅度的调整。输出的电压幅度在1227 V之间，基本上可以满足大多数集成芯片所需要的电压幅度。3.1.1 引脚排列输入调整LM3171 2 3输出LM317T可调式稳压器引脚排列图如图3-1所示，除输入、输出端外，另一端称为调整端。图3-1 三端可调式集成稳压器外形及引脚排列3.1.2 内部结构LM317T可调式集成稳压器内部结构6如图4-2所示。321调整电路保护电路偏置电路误差放大基准电路偏置电路ADJU0图3-2 LM317T可调式集成稳压器内部结构3.2 应用电路设计由LM317T构成的电源电路如图3-3所示。图

31、3-3 由LM327T构成的电源电路将+5v电压输入LM317T的第三脚，经第二脚即可输出稳定的直流电压。调节Rp的大小可改变加到第一脚的调整电压大小，可使输出的稳定直流电压在1.2-37v范围内连续可调。3.2.1 输出电压的估算（1）Uo=1.2-37V连续可调，ICM=1.5A,IOmin5mA。（2）最小输入、输出压差（Ui-Uo）min=3V,最大输入、输出（Ui-Uo）max=40V。（3）CW(LM)317的UREF固定在1.25V,IADJ=50uA，R1、RP构成取样电路。实质上电路构成串联型稳压电路，Uo=1.25(1+RP/R1)V。3.2.2 外接元器件的选取（1）为保

32、证负载开路时IOmin5mA,R1max=UREF/5mA=250,取240。（2）Uomax=37V,RP为调节电阻，代入Uo和R1，求得RP值为6.86k左右，用10k的可调电位器。（3）C1为输入端滤波电容，取2200uF/25V。C2是为了减小R2两端波纹电压而设置的，一般取10uF/25V。C3是为了防止输出端负载呈感性时可能出现的阻尼振荡，取220uF/25V7。（4）VD5、VD6是保护二极管，稳压器正常工作时，该二极管处于截止状态；VD5用于防止输入短路时C3反向放电损坏稳压器；VD6用于防止输出短路时C2通过调整端放电而损坏稳压器，可选普通整流二极管IN4007。（5）R2、

33、LED组成电源指示电路，R2选用5.1的金属膜电阻器，LED用5mm的发光二极管。4 控制部分原理控制电路主要组成部分为单片机AT89S52，通过AT89S52与nRF401进行串行通信，并用其控制nRF401的TXEN端，来调整收发状态。AT89S52还控制液晶屏的显示和按键等一些工作。4.1 AT89S52功能介绍AT89S52是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，片内含8k bytes的可重复编程的Flash存储器(ROM)和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），3个16位可编程定时计数器，1个全双工串行通信口，器件采用ATMEL公司的

34、高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统。AT89S52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。4.1.1 内部结构AT89S52单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时器/计数器、并行I/O口、串行I/O口和中断系统等几大单元以及数据总线、地址总线和控制总线三大总线构成。图4-1为AT89S52内部框图8。外部中断P0 P1 P2 P3输入/输出端口定时器输入中断控 制外部扩充最大至64KB8KBROM外部扩充最大至64KB256BRAMC

35、PUOSC控制总线4个I/O PORT串行I/O口TIMER0T0TIMER1T1TIMER2T2TXD RXD图4-1 AT89S52内部框图4.1.2引脚功能（1）P0口有三个功能：外部扩充存储器时，当作数据总线（D0-D7）。外部扩充存储器时，当作地址总线（A0-A7）。不扩充时，可做一般I/O口使用，但内部无上拉电阻，作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。（2）P1口只做I/O口使用，其内部有上拉电阻。（3）P2口有两个功能：扩充外部存储器时，当作地址总线（A8-A15）使用。做一般I/O口使用，其内部有上拉电阻。（4）P3口有两种功能：除了作为I/O口使用外（内部有上拉电阻），还有一些

36、特殊功能，如表4-1所示：表4-1 端口引脚的特殊功能端口的引脚特殊功能端口的引脚特殊功能P3.0RXD（串行输入口）P3.4T0（TIME0的外部输入脚）P3.1TXD（串行输出口）P3.5T1（TIME1的外部输入脚）P3.2INT0（外部中断）P3.6WR（外部RAM的写入控制信号）P3.3INT1（外部中断）P3.7RD（外部RAM的读取控制信号）（5）VCC：电源+5V（6）GND：接地（7）RST/VPD ：此脚为高电平时（约两个机器周期），可将CPU复位。（8）ALE/PROG：地址琐存使能信号端。在系统扩展时，ALE用于控制P0口输出的低8位地址送入锁存器锁存起来，以实现低位地

37、址和数据的分时传送。此外由于ALE是以六分之一晶振频率的固定频率输出的正脉冲，因此也可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。（9）PSEN:程序储存使能端。在读外部ROM时，PSEN有效（低电平），以实现外部ROM单元的读操作。（10）EA/VPP:访问程序存储器控制信号端。当EA /VPP信号为低电平时，对ROM的读操作限定在外部程序存储器；而当EA/VPP为高电平时，则对ROM的读操作是从内部程序存储器开始，并可延续至外部程序存储器。（11）XTAL1 XTAL2:接石英晶体振荡器。机器周期=石英晶体12。AT89S52引脚如图4-2所示图4-2 AT89S52引脚图4.3 串口通信计算机的数据

38、传送共有两种方式：并行数据传送和串行数据传送。并行数据传送的特点是：各数据位同时传送，传送速度快、效率高。但并行数据传送有多少数据位就需要多少根数据线，因此传送成本高。并行数据传送的距离通常小于30米，在计算机内部的数据传送都是并行的。串行数据传送的特点是：数据传送按位顺序进行，最少只需一根传输线即可完成，成本低但速度慢。计算机与外界的数据传送大多数是串行的，其传送的距离可以从几米到几千公里。通常把计算机与其外界的数据传送称之为通信，因此提到通信就是指串行通信，串行通信又分为异步和同步两种方式。在单片机中使用的串行通信都是异步方式。4.1.1 串口通信方式AT89S52串行口可设置四种工作方式

39、，可有8位、10位和11位帧格式。本系统中，AT89S52采用串行口工作于方式1，即每帧10位的异步通信格式：1位起始位，8位数据位（低位在前），1位停止位。当SM0=0，SM1=1时，串行口选择方式1。其帧格式为9： 停止起始D6D7D0D1D2D3D4D5 图4-3 帧格式图4.1.2 串行通信控制器（1）串行控制寄存器SCONSCON是AT89S52的一个可位寻址的专用寄存器，用于串行数据通信的控制。单元地址98H，位地址9FH-98H。寄存器内容10及位地址如表4-1所示。表4-1 寄存器内容及位地址位地址9FH9EH9DH9CH9BH9AH99H98H位符号SM0SM1SM2RENT

40、B8RB8TIRI各位功能说明如下： SM0、SM1：串行口工作方式选择位。 SM2：多机通信选择位。 REN：串行口允许接收位。1时允许接收，0时禁止接收。 TI： 串行口发送中断标志位。在方式1中，于发送停止位之前，由硬件置位。因此TI=1，表示帧发送结束。 RI： 串行口接收中断标志位。在方式1中，当接收到停止位时，该位由硬件置位。RI=1，表示帧接收结束。（2）电源控制寄存器PCONPCON的地址为87H，该寄存器的最高位（SMOD）是串行口波特率的倍增位，当SMOD=1时，串行口波特率加倍。系统复位时，SMOD=0。寄存器内容及位地址如表4-2所示。表4-2 电源控制寄存器内容位序B

41、7B6B5B4B3B2B1B0位符号SMOD-GF1GF0PDID（3）中断允许寄存器IE在IE中，ES位为串行中断允许控制位。ES=0时禁止串行中断，ES=1时允许串行中断。寄存器内容及位地址如表4-3所示。表4-3 中断允许寄存器内容位地址0AFH0AEH0ADH0ACH0ABH0AAH0A9H0A8H位符号EA-ESET1EX1ET0EX0（4）串行数据缓冲器(SBUF)串行数据缓冲器SBUF的地址为99 H，用来存放需发送和接收的数据，它由两个独立的寄存器组成，一个是发送缓冲器，另一个是接收缓冲器，它们占用同一地址（99H）。当执行写SBUF指令时，数据写入到串行口发送缓冲器中，读SB

42、UF就是读串行口接收缓冲器。4.1.3 串行工作方式1（1）数据发送与接收11方式1的数据发送是由一条写发送寄存器（SBUF）的指令开始，随后在串行口由硬件自动加入起始位和停止位，构成一个完整的帧格式，然后在移位脉冲的作用下，由TXD端串行输出。一个字符帧发送完后，使TXD输出线维持在“1”状态下，并将SCON寄存器的TI置“1”，通知CPU可以接着发送下一个字符。接收数据时，SCON的REN位应处于允许接收状态（REN=1）。在此前提下，串行口采样RXD端，当采样从“1”向“0”的状态跳变时，就认定是接收到起始位。随后在移位脉冲的控制下，把接收到的数据位移入接收寄存器中。直到停止位到来之后置

43、位中断标志位RI，通知CPU从SBUF取走接收到的一个字符。(2) 波特率的设定（4-1） 其中计数初值为X，fosc为晶振频率，SMOD为PCON寄存器最高位的值。5 液晶显示部分本设计的液晶显示部分主要使用OCM12864-2型号的液晶显示模块。5.1 OCM12864-2液晶显示模块功能简介OCM12864-2液晶显示模块是128X64点阵型液晶显示模块，可显示各种字符及图形，可与CPU直接接口，具有8位标准数据总线、6条控制线及电源线。采用KS0108控制IC。5.1.1 引脚功能OCM12864-2的管脚功能12如表5-1所示。表5-1 OCM12864-2管脚说明管脚号管脚说明1V

44、SS逻辑电源地。2VDD逻辑电源+5V。3V0LCD调整电压，应用时接10K电位器可调端。4RS数据/指令选择：高电平：数据D0-D7将送入显示RAM。 低电平：数据D0-D7将送入指令寄存器执行。5R/W读/写选择：高电平：读数据；低电平：写数据。6E读写使能，高电平有效，下降沿锁定数据。7DB0数据输入输出引脚。8DB1数据输入输出引脚。9DB2数据输入输出引脚。10DB3数据输入输出引脚。11DB4数据输入输出引脚。12DB5数据输入输出引脚。13DB6数据输入输出引脚。14DB7数据输入输出引脚。15CS1片选择信号，高电平时选择左半屏。16CS2片选择信号，高电平时选择右半屏。17R

45、ET复位信号，低电平有效。18VEELCD 驱动，负电压输出，对地接 10K 电位器19LEDA背光电源,LED+（5V）。20LEDK背光电源,LED-（0V）。5.1.2 最大工作范围1、逻辑工作电压(Vcc)：4.55.5V2、工作温度(Ta)：055(常温) / -2070（宽温）5.1.3 指令描述（1）显示开/关设置表5-2 显示开关指令R/WRSDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0LLLLHHHHHH/L功能：设置屏幕显示开/关。 DB0=H，开显示；DB0=L，关显示。不影响显示RAM（DD RAM）中的内容。（2）设置显示起始行表5-3 设置起始行指令R/WRSD

46、B7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0LLHH行地址（063）功能：执行该命令后，所设置的行将显示在屏幕的第一行。显示起始行是由 Z 地址计数器控制的，该命令自动将 A0-A5 位地址送入 Z 地址计数器，起始地址可以是 0-63 范围内任意一行。Z地址计数器具有循环计数功能，用于显示行扫描同步，当扫描完一行后自动加1。（3）设置页地址表5-4 设置页地址指令R/WRSDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0LLHLHHH页地址（07）功能：执行本指令后，下面的读写操作将在指定页内，直到重新设置。页地址就是DD RAM的行地址，页地址存储在X地址计数器中，A2-A0可表示8页，

47、读写数据对页地址没有影响，除本指令可改变页地址外，复位信号(RST)可把页地址计数器内容清零。（4）设置列地址表5-5 设置列地址指令R/WRSDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0LLLH列地址（063）功能： DD RAM的列地址存储在Y地址计数器中，读写数据对列地址有影响，在对 DD RAM进行读写操作后，Y地址自动加1。（5）状态检测表5-6 状态检测指令R/WRSDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0HLBFLON/OFFRSTLLLL功能：读忙信号标志位(BF)、复位标志位(RST)以及显示状态位(ON/OFF)。 BF=H：内部正在执行操作； BF=L：空闲状

48、态。 RST=H：正处于复位初始化状态；RST=L：正常状态。 ON/OFF=H：表示显示关闭； ON/OFF=L：表示显示开。（6）写显示数据表5-7 写显示数据指令R/WRSDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0LHD7D6D5D4D3D2D1D0功能：写数据到DD RAM，DD RAM是存储图形显示数据的，写指令执行后Y地址计数器自动加1。D7-D0位数据为1表示显示，数据为0表示不显示。写数据到DD RAM前，要先执行“设置页地址”及“设置列地址”命令。（7）读显示数据表5-8 读显示数据指令R/WRSDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0HHD7D6D5D4D3D

49、2D1D0功能：从 DD RAM读数据，读指令执行后Y地址计数器自动加1。从 DD RAM读数据前要先执行“设置页地址” 及“设置列地址”命令。注：设置列地址后，首次读 DDRAM 中数据时，须连续读操作两次，第二次才为正确数据。读内部状态则不须要此操作。52与AT89S52的接口电路在AT89S52的P3.6和P3.7口接入四-二输入与非门芯片74LS00来控制显示器的读写使能信号端；显示器的8根数据总线接在AT89S52的P0口，实现数据传输；在显示器的V0口接一电位器，由于液晶的对比度会随着温度的变化而相应变化，所以加电位器可以调节液晶的对比度。液晶显示部分电路13如图5-1所示。图5-

50、1 与单片机AT89S52的接口电路6 软件设计无线数据传输主要由无线数据收发器、AT89S52单片机、显示器和按键组成，收发器与AT89S52间用串行口通信。整个系统的各个部分都是服务于无线数据传输这个目的。所以，在整个系统的软件设计中，无线数据的传输是最为重要的。这里使用汇编语言编写单片机控制程序。控制系统CPU采用AT89S52单片机，nRF401芯片发射/接收模式由程序控制，当有控制发送的按键按下时，nRF401为发射状态，其余的时候nRF401始终处于接收状态。DOUT、DIN分别和单片机的RXD和TXD端相连，作为发射和接收时的数据传输。TXEN和P1.0端相连，由单片机的P1.0

51、端对其发射还是接收进行程序控制。6.1 主程序YYY设置串口工作方式扫描键盘，同时判断是否有数据接收判断是否有键按下？判断是否接收到数据？执行相应的程序CRC校验是否正确数据处理送入显示初始化开始NNN主程序流程图见图6-1。图6-1 主程序流程图6.2 液晶显示子程序液晶显示模块OCM12864-2内有一个忙标志位ACC.7，它反映了控制器KS0108内部运行时序状态。当ACC.71时，表示内部操作正在运行，不能接收外部数据；当ACC.70时，表示已准备好接收，可以随时接收单片机发来的数据和命令，这是OCM12864向单片机发出的唯一联络信号。液晶显示子程序流程图见图6-2。入口对OCM12

52、864初始化写入显示设置命令ACC.7=0？延时1ms获得显示RAM地址YN延时1ms检测忙信号写入相应的数据数据显示完毕返回主程序图6-2 液晶显示子程序流程图6.3数据收发子程序单片机AT89S52控制nRF401的收发状态、完成编解码等工作。nRF401芯片 “PWR-UP” 端接高电平,“CS” 端接低电平，分别表示系统在上电后始终处于 “正常工作模式”和“工作频道为通道1”。单片机AT89S52控制nRF401，使其一直为接收状态。当按键4按下时，AT89S52接收到输入的低电平信号，从脚送出高电平至P1.0脚，使nRF401进入发射状态。数据收发子程序流程图见图6-3。入口置nRF

53、401为接收状态判断按键4是否按下置nRF401为发射状态数据发射YN键盘扫描入口置nRF401为接收状态判断按键4是否按下置nRF401为发射状态数据发射YN键盘扫描图6-3 数据收发子程序流程图6.4 键盘子程序图6-4为键盘子程序流程图，此流程图的含义是：当有按键按下时，程序开始进行判断是哪个按键按下，判断完毕后则转向相应的键处理子程序，进行字符的输入或命令的处理，并通过按键4把要发送的数据进行CRC校验编码，再把编码后的数据发送出去。有按键按下判断是哪个按键按下按键1按键4按键3按键2CRC校验发送数据清零选择要发送的数据将要显示的数据移位移位图6-4 键盘子程序流程图7 测试结果及分

54、析7.1 硬件电路测试本设计中将控制模块和无线射频模块分开设计，控制模块通过一只单排7脚的接口控制射频模块，测试的步骤如下：(1) 将控制模块和无线射频模块焊好，检查确认无虚焊、粘焊。(2) 先对控制模块上电进行测试，主要是测试控制模块的串口能否收发数据，测试方法是将控制模块的串口与PC机的串口通过RS232标准相连接，并将串口的程序写到AT89S52上，然后用串口测试软件测试，如果串口能收发数据，便可开始对无线射频模块进行测试。(3) 将无线收发模块与控制模块连接起来，上电进行测试，按照程序，上电时处于接收状态，看是否与程序吻合。(4) 确认射频模块上电处于接收状态后，可测试nRF401的第

55、4管脚是否为1.1V左右，如果是，则说明VCO电感设计合理，否则要重新设计PCB板，此外，nRF401在没有数据接收时,仍会自动从DOUT发送随机数据，使用万用表进行测试时，该引脚电压应为2.5V左右。7.2 系统测试7.2.1 测试方法由于无线通信环境的不确定性，各种环境下的传输效果是不尽相同的，路径损耗、建筑物影响、人体影响、外界干扰、多径现象和周围环境的吸收等都会对传输的距离产生一定的影响，只能在一个给定的条件下进行测试和评估。因此，分别选择了不同的试验场地来进行实验。(1) 当建筑物很多的时候，数传模块两端均离地面1.5m（2.0m）高时，能够达到的最佳通信距离为510m；接收灵敏度为

56、23秒；当发送端发送一段数据时，接收端能准确显示这段数据15。(2) 在空旷场地，数传模块两端均离地面1.5m高时，最远的通信距离能够达到80m；接收灵敏度为35秒；当发送端发送一段数据时，接收端能准确显示。但测试中的通信距离与数据手册上的说明相差较大，原因可能源于调谐天线。在实验中发现，当有人员走动或其它信号出现的时候，通信的距离会变得不稳定，这是由于天线是一个辐射器件，任何环境的改变都会影响天线的性能。测试中还发现，在现场即使没有任何发送器，在nRF401的DOUT引脚上也会观察到微小的连续数字“噪声”。后来通过研究发现，当接收器打开时，环境中的任何信号（数据或噪声）都会被天线捕捉到并被解

57、调。这就是所看到的系统中没有工作的发送器却存在“噪声”的原因。通过对系统数据传输能力的测试，该系统发送和接收数据正确、可靠，各元件工作正常。在硬件连接正确的基础上，利用nRF401进行串行数据接收及发送，收到了较好效果。结 论此次设计将应用于无线通信领域，并且针对当前市场上无线产品的不足进行了改进。本文根据nRF401的特点，提出了一种将其应用无线数据收发系统的实现方案。此方案采用了较完善的软硬件设计和抗干扰措施，保证了系统工作的安全性和可靠性，是一种较好的设计思路，具有通用性，便于投入实际应用。并且只要稍作改动就可以应用到小区传呼、工业数据采集、自动读表、警报和安全系统、无线键盘、无线操纵杆、家庭自动化、遥测和玩具等其他一些短距离无线通信领域，实现无线数据的双向传输，具有较好的市场应用价值。参考文献1 李朝青. 无线发送/接收IC芯片及其数据通信技术选编.北京：北京航空航天大学出版社,2003.2 黄智伟. 无线数字收发电路设计电路原理与应用实例.北京：电子工业出版社,2003.3 黄智伟,朱卫华.433