基于单片机的无线表决器设计电子信息工程大学论文

湖州师范学院求真学院毕业设计（论文）

2014 届

题目基于单片机的无线表决器设计

专业电子信息工程

学生姓名

学号10283441

指导教师

论文字数约1万1千

完成日期2014-02-20

湖州师范学院求真学院教务部印制

基于单片机的无线表决器设计

摘要：根据STC89C52单片机和无线表决系统的特点，本文介绍了一种用单片机控制液晶LCD屏显示模拟表决结果的方法。同时从无线表决器的模块选择，电路分析，软件程序设计等方面，介绍了无线表决器的各个模块的功能，电路的功能，以及各个模块电路中元器件的作用。该设计具有用户自行投票，液晶显示投票结果和投票数目的功能。该设计基本能达到会议投票表决目的，设计具有成本低、效果好等优点，无论对于科学研究还是市场价值都有一定的意义。

关键词：无线表决，单片机，LCD1602液晶显示，按键模块

The Design of Wireless Voting Device based on MCU

Abstract:According to the characteristics of STC89C52 single-chip microcomputer and wireless voting sys tem, this paper presents a LCD screen display with a single chip analog control vote.In this paper, wireless voting systerm based on MCU is discussed mainly from the aspect of the module selection, circuit analysis and software design. This paper introduces the function of each module, the function of the circuits and the action of the components in the circuits. The design has the user to vote, the voting results and the number of votes for liquid crystal display function. This design can basically achieve the purpose of the conference voting, and have the advantages of low cost, good effect, and certain significance both for scientific researc h and market value.

Key words：Wireless voting, single chip, LCD1602display, keyboard module

目录

第一章绪论 (1)

1.1引言 (1)

1.2无线表决器的研究现状与发展趋势 (1)

1.2.1研究现状 (1)

1.2.2发展趋势 (2)

1.3本章小结 (2)

第二章系统硬件设计 (3)

2.1系统整体的设计方案与选型比较 (3)

2.2系统硬件总体框图 (3)

2.3单片机最小系统 (4)

2.3.1单片机的选型与比较 (4)

2.3.2单片机STC89C52简介 (4)

2.3.3复位电路 (4)

2.3.4晶振电路 (5)

2.4无线模块的设计 (5)

2.4.1无线模块的选型与比较 (5)

2.4.2无线模块电路的设计 (6)

2.4.3 NRF24L01工作模式 (6)

2.4.4 寄存器配置 (7)

2.5显示模块的设计 (7)

2.5.1显示模块的选型与比较 (7)

2.5.2显示模块电路的设计 (8)

2.6按键电路 (8)

2.7电源模块的设计 (9)

2.8辅助电源的设计 (10)

2.8.1X1117简介 (10)

2.8.2X1117稳压电路的设计 (10)

2.9本章小结 (11)

第三章系统软件设计 (12)

3.1主机流程图 (12)

3.3 NRF24L01无线模块流程图 (13)

3.3.1无线发送模式流程图 (13)

3.3.2无线接收模式流程图 (14)

3.4 1602液晶流程图 (15)

3.5按键扫描流程图 (16)

3.6本章小结 (17)

第四章系统综合测试 (18)

4.1系统综合测试思路 (18)

4.2硬件测试 (18)

4.3软件测试 (18)

4.4本章小结 (19)

第五章结论 (20)

5.1实物成果 (20)

5.2设计总结 (20)

参考文献 (22)

致谢 (23)

附录1：主机电路图 (24)

附录2：从机电路图 (25)

第一章绪论

1.1引言

随着社会的不断发展，各种各样的电子科技技术不断产生，越来越多的新产品被不断的需求。这个时候，表决器就以它瘦小的身姿挤进了社会这个大舞台。目前，表决器在学校、企业、政府的各种会议上和电视娱乐等节目上被广泛的应用。表决器不仅节省了人力物力财力，使计算错误的概率大大降低。而且保证了投票结果的隐私性，保密性，可靠性，科学性，并在一定程度上减少统计时间的浪费，提高工作效率，更加真实准确的做出决议。

目前，市场上的表决器主要分为两种类型：有线表决器和无线表决器，一般是由有线网络构成。不过有线表决器布线比较复杂，节点较多，使用起来故障比较多而且不容易排除，使用者也很不方便。无线表决器具有一些有线表决器没有的优点，例如低成本，比较少的接口故障，应用范围广泛，灵活性能比较好，系统测试很简单，节省了布线繁琐的过程。近年来，近距离无线传输技术和无线局域网的快速发展使得无线表决系统可以通过无线技术来实现。

采用无线表决的方式，可以快速处理大量的信息，在短时间里面就可以完成表决的过程。实时的显示表决的信息，民主公正，简洁明了，直观方便。更加可以体现出表决的实际意义。既提高了工作效率，又起到了应有的目的。所以，综上所述，无效表决器系统的研究，具有一定的市场价值和研究意义。

1.2无线表决器的研究现状与发展趋势

1.2.1研究现状

基于ZigBee技术的无线表决系统的设计，具有构造简单，功耗低，容易扩展，时延短，成本低，安全等特点。但是，ZigBee技术最大的特点是短距离，低速率，一般用于数量较少，范围较小的场合[1][2]。

基于MSP430单片机的无线表决系统设计,是一种基于MSP430F123和nRF905的无线表决系统的硬件和软件设计和实现。该系统具有低功耗、功能强、可靠性高和使用方便的优点[3]。

基于Dolphin 芯片组的大型无线表决系统设计，该系统具有良好的保密性、传输距离长、容易发展和强大的可扩展性的特点.该方案采用跳频技术，该技术在跳频无线领域的性能表现都不错,但也限制了其在其他领域的应用[4]。

基于CC1100的新型无线投票表决器设计与实现实现了非接触式射频卡储存个人信息, 节省了时间人力和物力，并具有可靠性高和容易扩展的特点[5]。

基于RFID和RS485总线的无线表决系统，一种基于射频识别和RS485 技术的无线表决系统，该系统具有低功耗、可靠性高、稳定性好、成本低，安装方便等特点，它的整体功能和各项指标都具有非常高的实用性[6]。

基于AT89C系列单片机的表决系统的设计，功能强大，性能优越，性价比较高，可以实现大规

模、中距离，高传输速率、成本低的主从通信，一主多从、主从呼叫相应的串行通信[7]。

1.2.2发展趋势

由于有线表决器系统布线具有繁琐的布线过程，结构复杂，困难的安装、调试和维护，故障率高，占地面积广，使用不便。所以，设计出了无线表决器。

一开始出现的无线表决器构造简单，功耗低，容易扩展，时延短，成本低，安全等特点[8-9]。但是，距离比较短，速率比较低，只能用于数量较少，范围较小的场合[1][2]，显然这不满意的无线表决系统，于是又慢慢设计出了传输距离远的基于Dolphin 芯片组的大型无线表决系统，然而该系统采用跳频技术，该技术在跳频无线领域的性能表现都不错,但也限制了其在其他领域的应用[4]。后来，出现的一款表决器采用了非接触式射频卡储存个人信息, 省了时间人力和物力，并具有可靠性高和容易扩展的特点[5]。一直到现在的单片机，可以实现大规模、中距离，高传输速率、成本低的主从通信，一主多从、主从呼叫相应的串行通信[7]。

我相信，以后的表决器的设计会越来越贴合人们的需要。

1.3本章小结

因为无线通信的产生，因为表决的发展，因为民主的需求，因为效率的要求，使得无线表决器的产生成了个必然的结果。无线表决器出现的地方也越来越广，使人们的生活也越来越便利，所以无线表决器的出现非常有意义与价值。

而我要做的无线表决器主要有一个计算机，一个主控制器，若干个分支控制器和若干个表决器组成。主控制器、分支控制器和表决器部分用单片机和总线技术来实现。主控制器与分支控制器、分支控制器与表决器构成一个符合通信规范，又可以彼此串行连接的多单片机网络。最后使主控制器到分支控制器，再到表决器实现通信方式。使系统可以直接进行无线投票、采集数据、快速的统计数据进行汇总、准确的显示投票的结果。当然，无线表决器出来的数据要准确，可靠，快捷，操作尽量简便，性能稳定，还要方便维护，总的来说要性价比高。

第二章系统硬件设计

2.1系统整体的设计方案与选型比较

方案一：基于ZigBee技术的无线表决系统的设计，具有构造简单，功耗低，容易扩展，时延短，成本低，安全等特点。但是，ZigBee技术最大的特点是短距离，低速率，一般用于数量较少，范围较小的场合[1][2]。

方案二：基于单片机的表决系统的设计，功能强大，性能优越，性价比较高，可以实现大规模、中距离，高传输速率、成本低的主从通信，一主多从、主从呼叫相应的串行通信[7]。

综上所述，方案二性价比高，且控制效果好，电路也较为简单，可以使用所学的知识进行设计，所以综上所述，故选择方案二。

2.2系统硬件总体框图

图2-1主机硬件总体方案和框图

图2-2 从机硬件总体方案和框图

系统的硬件总体方案如2-1所示，本设计使用STC89C52单片机为主控芯片，整个系统由两部分组成,图2-1的主机的硬件框图和图2-2的从机的硬件框图。其中，主机由单片机、5V1A电源电路、12MHZ时钟电路、复位电路、无线模块NRF24L01、液晶LCD1602等组成。从机由无线模块、按键电路、12MHZ时钟电路、和复位电路组成。因为输入的是5V直流电源，而无线模块NRF24L01的工作电压是1.9~3.6V，所以电路中添加了一个稳压电路。电源电压通过X1117的稳压芯片，然后再经过

两个并联的电容，给无线模块NRF24L01供电。

2.3单片机最小系统

2.3.1单片机的选型与比较

方案一：采用8051单片机。8051单片机作为初代的单片机，其内存为4KB。其片内程序存储器ROM为掩膜型，在制造芯片时，已将应用程序固化进去，使它具有了某种专用功能。

方案二：采用STC89C52单片机[8]。STC89C52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STC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，STC89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。

就两种方案而言，无论是从运行速度、内存，还是性价比等方面，STC89C52单片机都明显优越于8051单片机，故这里选择STC89C52单片机。

2.3.2单片机STC89C52简介

STC89C52单片机是美国Intel公司生产的低功耗，高性能的8位单片机，片内含8位中央处理器，4KB程序存储器，128B数据存储器，中断系统，2个16位定时器/计数器,4个8位可编程并行I/O口,内置一个全双工串行通信口，21个特殊功能寄存器，,功能强大，可灵活应用于各种控制领域。

图2-3 STC89C52单片机

2.3.3复位电路

为了确保系统电路可靠稳定的运行，复位电路是必不可少的一部分[9]。该电路的作用相当于计算机上的清零按钮，将电路清零恢复到起始状态。只需给STC89C52单片机的复位引脚RST加上大于2个机器周期的高电平就可使STC89C52复位。

复位电路分为上电自动复位和按钮复位两种，它们都能使单片机实现复位工作，而我采用的是按键复位。如图2-4所示，向RST引脚施加一定的高电平，当单片机检测到9号引脚有高电平时，单片机进行复位，即将RST引脚拉高并维持至少24个时钟周期后，单片机会进入复位状态每次上电后由于电容两端电压不能突变，电容两端电压都为5V，此时持续的高电平就可以用于单片机的上电复位，然后电容逐渐充电，几毫秒后，R2上电流慢慢降为0，RST端电压也慢慢降为低电平，电容充电完毕，单片机进入工作状态。即到达上电复位目的。

在程序运行中按下S2键电容开始放电，电容负级RST端随着电容的放电电压逐渐升高，在达到高电平后就可用于单片机的复位，而松开按键后，电容又进入充电状态，几毫秒后，R2上电流慢慢降为0，RST端电压也慢慢降为低电平，电容充电完毕，单片机进入工作状态。

图2-4 复位电路

2.3.4晶振电路

晶振有有源晶振和无源晶振之分，作用都是发出时钟信号。如图2-5所示，该晶振电路是由两个大小为33pf的电容C7、C8和一个12Mhz晶振组成。

晶振具有固定的频率，它是单片机的时钟，是一个标准量。数字电路都是按节拍来进行处理的，而晶振就是来提供这个节拍的，如果没有了晶振，也就没有了节拍，也就无法处理任何数据。时钟频率与时钟电路的质量都会对单片机生产影响[10]。

图2-5晶振电路

2.4无线模块的设计

2.4.1无线模块的选型与比较

方案一：采用蓝牙模块。蓝牙的工作频段主要是2400~2483.5MHz，其中跳频信道有79个，每个为1MHz。蓝牙是近距离无线通信技术的标杆，最高数据传输速率可达1Mbps，基本能保持721Kbps

左右的较稳定的传输速率，最大能保持10m的传输距离，还可进行语音通信。但它也存在它的不足之处。它的应用程序较繁琐，产品的价格相对昂贵。

方案二：采用NRF24L01无线模块。这是一个射频模块。它支持2.4GHz的全球开放的ISM频段，最大的发射功率为0dBm，具有高传输速率的特点。它的功耗低，当它工作在等待模式时，电流消耗为22uA，并且它同时具有125个频点，能够满足多点通信的需求。当它工作在PCB天线状态下，它的正常有效距离为10米。它的价格也相对的较为便宜。

综上所述，根据无线表决器[11-12]设计的技术要求，按照性价比最高的抉择方案，最终选择方案二。

2.4.2无线模块电路的设计

图2-6无线模块NRF24L01

NRF24L01是一款世界通用的真正的单片无线收发芯片。它拥有本次设计的无线传输数据的能力，从而实现远程控制的功能。它在本次设计中传输的是按键模块检测出来的数据。它内部设有链路层，具有自动应答及自动重发功能，工作电压在1.9至3.6V之间。它在有天线状态时，在空旷地可视直线传输距离有30到50米，在无天线时，直线传输距离达到10米左右，符合本次设计的需求。

2.4.3 NRF24L01工作模式

通过配置寄存器可将NRF24L01配置为发射、接收、待机及掉电四种工作模式[13],如表2-1所示：

表2-1 NRF24L01的工作模式

待机模式分为模式1和模式2。待机模式1：用来减少电流消耗，晶体振荡器仍然工作。待机模式2：当TX FIFO寄存器为空并且CE=1时进入该模式。待机模式下，所有配置字仍然保留。

掉电模式由寄存器中PWR-UP位来控制。该模式下电流消耗最小，无线模块不工作，但寄存器内

容不变。

NRF24L01在不同模式下引脚的功能：

表2-2 NRF24L01 引脚功能

2.4.4 寄存器配置

SPI口为同步串行通信接口，最大传输速率为10 Mbps。传输单个字节时：先送高位再送低位。传输数据字节时：先传送低字节，再传送高字节。与SPI相关的指令共有8个如表2-3所示，使用时这些控制指令由NRF24L01的MOSI输入。相应的状态和数据信息是从MISO输出给单片机。

nRF24L0l所有的配置字都由配置寄存器定义，这些配置寄存器可通过SPI口访问。NRF24L01 的配置寄存器共有25个，常用的配置寄存器如表2-3所示。

表2-3 常用的配置寄存器

2.5显示模块的设计

2.5.1显示模块的选型与比较

方案一：采用数码管显示。数码管显示器根据数码管的驱动方式的不同有两种显示方法：静态显示和动态扫描。在显示位数较多时，单片机I/O口开销大且需要提供的I/O口连接的电路也很复杂，扫描消耗资源多，功耗大，占CPU时间长，反应不灵敏。

方案二：采用1602液晶屏[14]显示。LCD1602液晶具有显示信息量大，数字式接口，功耗小，成本低，体积小等优点。与数码管相比，开销小，需要提供的I/O接口电路也比较简单，反应灵敏。

综上所述，LCD1602液晶显示具有显示质量高，体积小，功耗低，反应灵敏的特点。比较方案一，方案二更符合本系统的设计要求，故选择方案二。

2.5.2显示模块电路的设计

1602是一款蓝底白字的液晶显示屏，能够同时显示32个字符[15]，主要分成2行。它可以显示字母、符号和数字。在本次设计中，它可以不同从机的表决结果。

图2-7 LCD1602液晶

关于LCD1602液晶显示屏接口的说明：

第1脚：VSS为接地端。

第2脚：VCC接+5V电源。

第3脚: VL是液晶显示器对比度调整端，当对比度处于最弱：接电源的正极；当对比度处于最高：接电源。对比度过强的时候会产生“鬼影”,所以使用时一般会连接一个电位器来调整对比度。

第4脚：RS为寄存器选择，当输出为高电平时，RS选择数据寄存器；当输出为低电平时，RS 选择指令寄存器。与单片机P2.7连接。

第5脚: R/W为读写信号线，当RS和R/W都为低电平时，可写入指令或者显示地址；当RS和R/W都为高电平时，可读忙信号。当RS与R/W其中一个为高电平，一个为低电平时，可写入数据[8-9]。与单片机P2.6连接。

第6脚： E端是使能端，低电平时执行命令。与单片机P2.5连接。

第7-14脚：DB0-DB7。与单片机P0.0～P0.7连接。

第15脚：BLA接+5V电源。

第16脚：BLK为接地端。

2.6按键电路

出于对无线表决器[10-11]操作功能的考虑，我最后决定用三个按键来实现功能，分别是S1、S2和S3。三个按键分别代表着各自不同的意义。当S1闭合的时候，1602液晶显示屏上会显示YES，代表投票的结果是赞同;当S2闭合的时候，屏幕上会显示***,代表投票的结果是弃权；当S3闭合的时候，1602上则会显示NO，那代表投票的结果是反对。当然，每次投票进行时，从机上的按键键，在同一

时间只能按下一个。如果两个或三个按键同时按下，则表示这次投票无效，LCD1602液晶上不会显示任何结果。

图2-8 按键电路

2.7电源模块的设计

在本设计中，由于整个系统中除了无线模块模块需要的电压为3.3V，其他模块均为5V，所以，在接入电源处，直接引入5V直流稳压电源，大大简化了电路的设计。

如图2-9可以看出，该系统是主机上的电源电路，由J3开关电源接口5V-1A，二极管D1，自锁开关S1，C2、C3、C4三个电容，发光二极管D2和电阻R1组成。其实，二极管D1具有（1）单向导通特性，防止反接，可以保护电源。（2）0.7V管降压，如果电源电压大于5V，可以将电压降到5V，以方便液晶和单片机。发光二极管D2，在这个电路中的起到一个电源指示灯的作用。而R1在这里则是限流电阻，为了防止电路中的电流过大。C2、C3、C4三个电容的作用是相同的，都是用来稳压，滤波。同时还有蓄电，充电和放电的功能。

如图2-10是由一个电源接口和一个电容组成的从机电源电路，从机的电源是从主机上连接过来的，这里的电容的作用跟主机上的相同。

电源电路的综合功能就是给整个运行电路提供电源。

路

图2-9 主机电源电路

图2-10 从机电源电路

2.8辅助电源的设计

2.8.1X1117简介

X1117是一个低漏失电压调整器，它是由一个PNP驱动的NPN管组成的，数据手册上给的漏失电压定义为：VDROP = VBE+ VSAT。为了确保X1117的稳定性，输出至少需要连接一个22UF的钽电容。所以，该稳压电路满足了这一合理要求。

图2-11 X1117的管脚排列图

如图2-11可以看到X1117的3个管脚的排列情况，分别为；GND/ADJ、VOUT、VIN.该稳压模块的作用是将5V的输入电压转化为3.3V的输出电压。

2.8.2X1117稳压电路的设计

如图2-12所示，该电路是由主要是由一个稳压芯片X1117，一个电解电容和一个无极性电容组成。电解电容C5是47μF=47*10^6PF=4.7*10^7PF,而无极性电容C6是10*10^4PF=1*10^5PF。在这个电路中是电解电容和无极性电容并联，是因为电路可能会产生高频干扰，而电解电容对电流的电阻很大，所以，光用一个大的电解电容去信号干扰滤波的效果是不好的。而单独使用一个无极性电容，也是不可行的，因为无极性电容的容量比较小。所以呢，就要把两种电容并联起来，取长补短，增强电路对高频干扰的吸收能力，使电路的电压平稳，增加电路的安全性。