无线表决系统的设计-毕业设计

无线表决系统的设计

学生：XXX 指导教师：XXX

内容摘要：目前，在机关、学校和企事业单位会议中，经常要对某些议案进行表决以及对集体或者个人进行不记名民主测评。为此，需要研制一种无线会议表决系统，该系统要具有无需安装布线，使用于任何会场而不改变会场原始装修风格，并具有功耗低、功能强、可靠性高和使用方便等优点。为此，设计了一种基于NRF905的投票、表决系统。

该系统主要通过上位机将表决的人数和开始表决的状态传递给主控器，主控器与表决器之间通过无线模块传递表决信息，最后将处理的信息传输给PC机显示出来。

关键词：无线表决系统表决器主控器射频收发模块

Design of wireless voting system Abstract:at present, in government departments, schools and enterprises and institutions in the meeting, often for some vote and the collective or individual bearer democratic evaluation. For this, need to develop a wireless conference voting system, the system should be installed without wiring, for use in any venue without altering the original style of decoration, and has the advantages of low power consumption, strong function, high reliability and easy to use. Therefore, based on the design of a NRF905 voting, a voting system.

This system mainly through the PC will be a quorum and began voting state passed to the main controller, the main controller and the voting device through a wireless module transmits the voting information, then the information is transmitted to the PC machine display.

Keywords:wireless voting system for voting device controller RF transceiver module

目录

前言 (1)

1 方案论证 (1)

1.1 控制器部分设计方案 (2)

1.2 无线射频收发器件的选择 (3)

1.3 表决信息处理的方案选择 (3)

2 系统总体框图 (3)

3 硬件电路中各单元电路的选取及电路设计 (5)

3.1 电源电路 (5)

3.2 掉电存储模块 (5)

3.3 主控芯片AT89C52及其外围基本电路 (6)

3.3.1 AT89C52的主要性能 (6)

3.3.2 AT89C52的功能概述 (7)

3.3.3 AT89C52的外围基本电路 (7)

3.4 NRF905无线收发模块电路 (8)

3.4.1 NRF905模块简介 (8)

3.4.2 NRF905模块的工作方式 (9)

3.4.3 配置NRF905模块 (10)

3.4.4 SPI指令设置 (11)

3.4.5 SPI时序 (11)

3.5 显示模块12864 (12)

3.5.1 显示模块12864的概述 (12)

3.5.2 显示模块12864的指令描述 (12)

3.5.1 显示模块12864的读写时序 (14)

3.6 MAX232电平转换电路 (15)

3.7 蜂鸣器提示电路 (17)

4 软件设计 (17)

4.1 表决系统总体流程图 (17)

4.2 PC机软件设计 (18)

5 总结 (18)

致谢 (18)

附录1 表决器电路图 (20)

附录2 主控器电路图 (21)

附录3 表决器PCB (22)

附录4 主控器PCB (23)

附录5 (24)

参考文献 (33)

无线表决系统的设计

前言

在传统的表决方式中，通常会以书面方式进行投票表决，最后汇总表决的结果。这种表决方式繁琐且容易出错，在大型的表决现场会浪费很长时间。随着社会民主化进程的不断发展，投票表决在会议中的应用越来越多，传统的投票表决方式已不能满足现代会议快节奏、高效率、自动化的要求。

数字投票表决系统有效地解决了这些问题：代表们在自己的座位上就能投票表决，省却了以往排队投票的步骤；系统会即时统计并在会场投影显示出投票表决结果，节省了收集统计的人工与时间、避免了人为错误的发生、节省了与会代表等待结果的时间。

目前，表决器可分为有线表决器和无线表决器两大类，有线表决器通常使用导线来传输信号。但有线传输方式存在如下的缺点：一、扩展性能差，使用不便。二、存在信号衰减。三、复杂的线路连接。随着射频技术和集成电路技术的高速发展，人们对无线通信的要求越来越高。无线通信功能的实现更便捷，数据传输速率更快，抗干扰能力更强。短程、便捷、廉价的无线通信技术正引起越来越多的关注。因此，许多的应用领域采用了无线通信技术。

据了解，英国的萨里大学为解决“大班型”教育问题上，萨里大学采用了加拿大SMART公司生产的交互式投票表决系统，系统基本组合包括1台PC个人电脑、1台控制主机及电源器，控制主机及电源器最多可连接300只有线表决器，增加1台辅助电源器可多连接400只表决器。

目前，我国的中学或者是大学在“大班问题”以及会议表决上，多数还采用书面表决或者有线表决的方式，组网能力差，表决效果差，系统的稳定性还有待提高。

我们设计的投票、表决系统以 MCS-51 系列单片机中的具有ISP 功能的AT89C52 单片机为微控制器，采用挪威Nordic 公司的NRF905 芯片组成的无线收发模块，给出了一种简单便捷的无线通信设计系统。

1 方案论证

1.1 控制器部分设计方案

微控制器的选择方面，主要要考虑：处理器的速度、要实现的功能、 I/O 端口类型和数量、内存容量以及功耗等。

方案一：基于PIC单片机的微控制器。该系列单片机不是单纯的功能堆积，而是以多型号来满足不同层次的需要，并可提供低价的OTP芯片。另外，该系列单片机还具有低功耗睡眠功能、掉电复位锁定、上电复位电路、看门狗电路等功能，而且外围器件少、占用空间小；成本低，保密技术也十分可靠，可最大限度地保护开发者的利益。因此，在工业控制、仪器仪表、计算机、家电等诸多领域具有极其广阔的发展前景。

方案二：采用MSP430F123单片机 16位 RISC 混合信号处理器, 具有以下特点:1、极低的工作电压, 在1.8～3.6V之间均可正常工作;2、极小的功耗, 在活动模式时,工作电流仅需200mA,在休眠模式下只需要3mA, 在关闭状态仅仅

需要0.1mA;3、内部具有 3个时钟信号, 包括1 个高频时钟,1 个低频时钟和 1 个DCO, 灵活的时钟选择使得系统可以在最合理的时钟下进行工作,大大降低了系统的功耗,方便了系统的设计;4、丰富的外围接口,包括标准串口、SPI接口

和I2C接口，方便连接多种设备；5、内部具有 256 bit 的 RAM 和 8 kbit的FLASH；6、具有中断唤醒功能，可以通过中断使单片机从休眠模式转为活动模式，非常适合于无线网络的设计要求。

方案三：采用常用的AT89C52单片机作为核心控制器，AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。

由于对AT89C52单片机比较熟悉，采用AT89C52单片机作为控制器也基本能够满足要求，因此综合考虑选用方案三。

1.2 无线射频收发器件的选择

在选择无线射频收发器件的时候，主要考虑：无线芯片的功耗，器件的收

发距离，收发的灵敏度，信号的衰减和电磁干扰等。

方案一：采用PT2262/2272红外收发器件，是一对带地址、数据编码功能的红外遥控发射/接收芯片。其中发射芯片PT2262-IR将载波振荡器、编码器和发射单元集成于一身，使发射电路变得非常简洁。接收芯片PT2272的数据输出位根据其后缀不同而不同，数据输出具有“暂存”和“锁存”两种方式，方便用户使用。PT2262具有19位二进制编码功能；PT2272的解码只有4～6位，这就限制了数据。

方案二：采用NRF905无线收发器件，NRF905由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成,不需外加声表滤波器, 天线可采用PBC环形天线或单端鞭状天线 ,发射功率最大为 10 dB,接收灵敏度为 460 dB,在开阔地带传输距离最远可达 600 m以上。nRF905采用 SP I (串行外设接口 )与微控制器连接 ,可自动处理字头和 CRC (循环冗余码校验 ) ,使用极为方便 ,只需将要发送的数据和接收机地址送给 NRF905, NRF905自动完成数据打包(加字头和CRC校验码 )、发送 ,在接收中有载波检测和地址应配引脚 ,接收到正确的数据包时 ,自动移去字头、地址和 CRC校验码 ,然后通知微处理器取数据。

基于NRF905的传送距离、接受灵敏度、发射功率等因素的考虑，决定采用NRF905芯片来完成无线数据传输。

1.3 表决信息处理的方案选择

主控器接收到表决器的表决信息后，需要将表决信息处理后在PC机上显示出来，在信息处理过程的问题我们给出了两种方案。

方案一：采用主控芯片作为信息处理的核心。通过主控器的主控芯片来处理无线接受过来的表决信息，将每个选手的表决信息汇总处理，再通过串口通信RS-232来传送给PC机显示每个选手的表决信息。

方案二：采用PC机来作为信息处理的核心。这样就将主控器作为一个数据接受的过程，并将接受的表决信息直接传送给PC机，让PC机来直接处理表决的信息，并将处理后表决信息的汇总在PC机上显示出来。

基于对单片机的理解和认识，决定采用方案一的方法，通过主控芯片来处理表决信息。

2 系统总体框图

本系统是由多台便携式表决器、一台主控制器和一台PC机组成。系统组成框图由图2-1所示。

图 2-1 系统方框图

PC机通过RS-232与主控制器相连，向主控制器发出各种指令，主控制器接收指令后，再根据各种指令通过无线数据传输电路向表决器发出相应命令，当表决器执行相应指令之后，通过无线数据传输电路向主控制器发送表决信息，然后再由主控制器将接收到的表决信息上传给PC机，由PC机显示表决结果，至此完成无线表决的结果。

该系统总体设计由两部分构成，一部分为无线发射系统（如图2-2所示）通过按键表决功能对0至200个选手进行“赞同”，“反对”，或“弃权”操作，确认表决的信息后将每个选手的信息存储在24C02当中，并在显示模块12864中显示表决信息，单片机AT89C52将信息通过NRF905发射出去；另一部分为无线接收系统（如图2-3所示），接收A机发送的数据，如果单片机B机在一定时间内收不到数据信息或收到的信息出错的话，那么单片机A机会重新发送数据，重新等待B机的接收，直到接收数据正确为止，然后将数据送至单片机B 机，通过12864显示模块将0至200个选手的投票信息显示出来，并通过串行通信RS-232将表决信息传送给电脑，有VB软件编程将表决信息以表格形式在电脑上显示出来。

图2 -2 无线发射系统

图2-3 无线接收系统

3 硬件电路中各单元器件的选取及电路设计

3.1 电源电路

如图3.1-1采用AMS1117芯片，将5伏左右的电压转换成3.3伏左右，来为NRF905芯片供电已满足无线收发芯片的正常工作。

PC 通信显示

复位电路

AT89C52

单片机 A 机

NRF905无线发

射模块

AT24C02掉电存储模块 MAX232电平转换电路

按键电路 蜂鸣器提示电路 AT89C52

单片机 B 机

NRF905无线接收模块

AT24C02存储模块

MAX232电平转换电路

蜂鸣器提示电路

复位电路

12864显示电路

C9 10u f

C10

100u f 32

1

V V

ADJ

IN OUT

U2

LM1117

+3V

+5V

图3.1-1电路

3.2 掉电存储模块

24C02，串行E2PROM是基于I2C-BUS 的存储器件，遵循二线制协议，由于其具有接口方便，体积小，数据掉电不丢失等特点，在仪器仪表及工业自动化控制中得到大量的应用。它与单片机的接口非常简单，如下图5所示。 E0，E1，E2为器件地址线，WP为写保护引脚，SCL，SDA为二线串行接口，符合I2C总线协议。

在一般单片机系统中，24C02 数据受到干扰的情况是很少的，但是随着单片机抗干扰性能的变差，以及恶劣工业环境中单片机系统的应用，一些智能单片机控制系统相继出现24C02数据被冲掉的问题，而且随着单片机的牌号以及24C02的牌号不同而出现不同程度的干扰现象。以前通过简单的器件之间替换比较，发现不同牌号的24C02其抗干扰性能是不一样的，于是就认定24C02器件存在"质量"好坏的问题。后来在一次偶然的机会里，发现有些24C02的WP引脚并不起到保护作用，也就是说将 WP引脚与CPU 输出引脚断开并保持高电平的情况下，CPU仍然能够对24C02中的数据进行修改写入！

PRE 1VDD 8E12WC 7E23SCL 6GND

4

SDA

5

4C8

104+5V

scl sda

图 3.2-1电路

3.3 主控芯片89C52及其基本外围电路 3.3.1 AT89C52的主要性能 与MCS-51单片机产品兼容 8K 字节在系统可编程Flash 存储器 1000次擦写周期

4.0-

5.5V 的工作电压 全静态操作：0Hz ～33MHz 三级加密程序存储器 32个可编程I/O 口线 2个16位定时器/计数器 6个中断源

全双工UART 串行通道 低功耗空闲和掉电模式 掉电后中断可唤醒 看门狗定时器及双数据指针 双数据指针

掉电标识符和快速编程特性 3.3.2 AT89C52功能概述

AT89C52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。AT89C52的管脚如图3.3.2-1所示。

图3.3.2-1引脚图

AT89C52具有以下标准功能： 4k 字节Flash ，128字节RAM ，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，2个16 位定时器/计数器，一个5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，AT89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选的节电工作模式。空闲模式下，CPU 停止工作，但允许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。

3.3.3AT89C52外围基本电路

Y1

11.0592

C1

30p

C2

30p

图 3.3.3-1 电路

RST

S10

C3R14200

R151K

+5V

RET

图3.3.3-2 复位电路

AT89S52外围基本电路由复位电路和晶振电路组成。如上图7、8所示，复位电路虽然简单，但其作用非常重要。一个单片机系统能否正常运行，首先要检查是否能复位成功。在此设计当中，复位电路采用上电自动复位和手动复位相结合，由电阻R14、R15、电容C3、按键S10组成。在通电瞬间，电容C3通过电阻R15充电，RST 端出现正脉冲，用以复位。只要电源的上升时间按不超过1ms ，就可以实现自动上电复位，即接通电源就完成了系统的复位的初始化。所谓的手动复位，是指通过接通按键开关S10，使单片机计入复位系统。若系统上电运行后出现程序运行混乱，一般是通过手动复位实现。 3.4 NRF905无线收发模块电路 3.4.1 NRF905 模块简介

NRF905 芯片是挪威Nordic 公司推出的单片射频收发器。芯片工作电压DC1.9～3.6V ，nRF905可以自动完成处理字头和CRC （循环冗余码校验）的工作，可由片内硬件自动完成曼切斯特编码/解码，使用SPI 接口与微控制器通信，配置非常方便，其功耗非常低，以-10dBm 的输出功率发射时电流只有11mA ，在接收模式时电流为12.5mA 。 nRF905单片无线收发器工作由一个完全集成的频率调制器，一个带解调器的接收器，一个功率放大器，一个晶体震荡器和一个调节器组成。ShockBurst 工作模式的特点是自动产生前导码和CRC ，可以很容易通过SPI 接口进行编程配置。NRF905 模块的高频头用户接口电路管脚图如图 3.4.1-1管脚功能说明如表

3.4.1-1所示。

图9 3.4.1-1接口电路管脚

表1 3.4.1-1 模块管脚功能说明

管脚名称管脚功能说明

1 VCC 电源电源+3.3~3.6V DC

2 TX-EN 数字输入工作模式选择

3 TRX-CE 数字输入使能芯片发射或接收

4 PWR-UP 数字输入芯片上电

5 uCLK 时钟输出（未使用）

6 CD 数字输出载波检测

7 AM 数字输出地址匹配

8 DR 数字输出接收或发射数据完成

9 MISO SPI接口SPI输出

10 MOSI SPI接口SPI输入

11 SCK SPI时钟SPI时钟

12 CSN SPI使能SPI使能

13、14 GND 地接地

3.4.2 NRF905模块的工作方式

NRF905一共有四种工作模式如下表2所示, 其中有两种活动RX/TX 模式和两种节电模式。工作模式由TRX_CE、TX_EN、PWR_UP 的设置来设定。

表2 3.4.2-1 NRF905的工作模式

PWR-UP TRX-CE TX-EN 选择模式

0 X X 掉电与SPI编程模式

1 0 X 待机与SPI编程模式

1 1 0 ShockBurst接收模式

1 1 1 ShockBurst发射模式

（1）ShockBurst TX 发射模式

如图3.4.2-1所示，典型的NRF905发送流程分以下几步。

图10 NRF905模块数

据发送流程

1、当微控制器

有数据要发送

时，通过SPI接

口，按时序把接

收机的地址和要

发送的数据送传

给NRF905，SPI

接口的速率在通信协议和器件配置时确定；

2、微控制器置高TRX_CE和TX_EN，激发NRF905的ShockBurstTM发送模式；

一、NRF905的ShockBurstTM发送：1、射频寄存器自动开启；2、数据打包(加字头和CRC校验码)；3、发送数据包；4、当数据发送完成，数据准备好引脚被置高；

1、AUTO_RETRAN被置高，NRF905不断重发，直到TRX_CE被置低；

2、当TRX_CE被置低，NRF905发送过程完成，自动进入空闲模式。注意：ShockBurstTM工作模式保证，一旦发送数据的过程开始，无论TRX_EN 和TX_EN引脚是高或低，发送过程都会被处理完。只有在前一个数据包被发送完毕，NRF905才能接受下一个发送数据包。

（2）ShockBurst RX 接收模式

如图3.4.2-2示，NRF905接收流程分以下几步。

图3.4.2-3F905模块数据接收流程

1、当TRX_CE为高、TX_EN为低时，NRF905进入ShockBurstTM接收模式；

2、650us后，NRF905不断监测，等待接收数据；

3、当NRF905检测到同一频段的载波时，载波检测引脚被置高；

4、当接收到一个相匹配的地址，AM引脚被置高；

5、当一个正确的数据包接收完毕， NRF905自动移去字头、地址和CRC校验位，然后把DR引脚置高；

6、微控制器把TRX_CE置低，NRF905进入空闲模式；

7、微控制器通过SPI口，以一定的速率把数据移到微控制器内；

8、当所有的数据接收完毕，NRF905把DR引脚和AM引脚置低；

9、NRF905此时可以进入ShockBurstTM接收模式、ShockBurstTM发送模式或关机模式。

当正在接收一个数据包时，TRX_CE或TX_EN引脚的状态发生改变，NRF905立即把其工作模式改变，数据包则丢失。当微处理器接到AM引脚的信号之后，其就知道NRF905正在接收数据包，其可以决定是让NRF905继续接收该数据包还是进入另一个工作模式。

（3）节电模式

NRF905的节能模式包括关机模式和节能模式。在关机模式，NRF905的工作电流最小，一般为2.5uA。进入关机模式后，NRF905保持配置字中的内容，但不会接收或发送任何数据。空闲模式有利于减小工作电流，其从空闲模式到发送模式或接收模式的启动时间也比较短。在空闲模式下，NRF905内部的部分晶体振荡器处于工作状态。

3.4.3 配置NRF905模块

所有配置字都是通过SPI接口送给NRF905。SIP接口的工作方式可通过SPI 指令进行设置。SPI接口由状态寄存器、射频配置寄存器、发送地址寄存器、发送数据寄存器和接收数据寄存器5个寄存器组成。状态寄存器包含数据准备好引脚状态信息和地址匹配引脚状态信息；射频配置寄存器包含收发器配置信息，如频率和输出功能等；发送地址寄存器包含接收机的地址和数据的字节数；发送数据寄存器包含待发送的数据包的信息，如字节数等；接收数据寄存器包含要接收的数据的字节数等信息。

3.4.4 SPI指令设置

当CSN 为低时, SPI接口开始等待一条指令。任何一条新指令均由CSN 的

由高到低的转换开始。用于SPI 接口的有用命令见下表3所示：

表3.4.4-1PI指令设置

指令名称指令格式SPI串行接口指令操作WC 0000XXXX 写配置寄存器XXXX指出写操作的开始字节地址RC 0001XXXX 读配置寄存器XXXX指出读操作的开始字节地址WTP 00100000 写TX有效数据1-32字节写操作全部从字节0开始RTP 00100001 读TX有效数据1-32字节读操作全部从字节0开始WTA 00100010 写TX地址1-4字节写操作全部从字节0开始RTA 00100011 读TX地址1-4字节读操作全部从字节0开始RRP 00100100 读RX有效数据1-32字节读操作全部从字节0开始

3.4.5 SPI时序

下面SPI读时序如图3.4.4-2示，SPI写时序如图3.4.4-3示。

图3.4.4-2 PI读时序

图3.4.4-3 PI写时序

3.5 显示模块12864电路

3.5.1 显示模块12864的概述

显示模块12864C-1是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128 ×64,内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII 字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8×4行16×16 点阵的汉字.也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略于低相同点阵的图形液晶模块。

表3.5.1-1 12864功能管脚分部

编号符号引脚说明编号符号引脚说明