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基于单片机无线电子点菜系统硬件设计及实现

七月30th,2016

随着人民生活水平的提高和生活方式的转变,餐饮业具有巨大的投资市场,被称为中国的黄金产业.无线电子点菜系统是无线通信技术的典型应用,把无线技术用于餐饮业将会极大提高餐馆的工作效率和服务质量. 论文给出了无线电子点菜系统的完整的硬件平台的设计和实现方案.整个系统有主机端和移动端两部分组成,无线通信的双方依托一定的硬件平台,按照约定好的协议来实现数据交换.设计的硬件平台时,首先详细介绍了平台将要用到的一些芯片,然后使用Protel99SE设计出了系统的原理图和PCB(PrintCircuitBroad,印刷电路板)图,在设计的硬件平台的基础上,依据所用芯片的编程原则,在Windows环境下,以C51语言为编程语言,开发出了无线通信系统的驱动程序来实现双方约定的通信协议.文中还附带简要介绍了用到的软件开发工具,以及系统的局限性,并提出了进一步改进的方案. 为了使整个系统更加完善,用VisualC++6.0开发了串口调试工具,实现了将远端数据发送到计算机并以窗口形式显示和通过窗口形式将计算机上的数据发送到远端,基本达到了论文的设计目的.

关 键 词无线通信,ZigBee,单片机,nRF2401

目录 摘 要IV ABSTRACTV 第一章绪论1 1.1研究背景和意义1 1.3论文的研究内容4 1.4内容安排4 第二章ZIGBEE协议分析6 2.1ZIGBEE协议框架6 2.2ZIGBEE协议优缺点和应用前景8 2.2.1ZigBee协议的优点9 2.2.2ZigBee协议存在的问题及解决方案9 2.2.3ZigBee协议应用前景10 2.3基于ZIGBEE协议的芯片10 第三章基于ZIGBEE协议的硬件系统的设计及实现14 3.1STC89C58RD+单片机概述14 3.2开发板的各个组成部分原理图以及功能15 3.2.1单片机最小系统组成电路15 3.2.2串行口电平转换部分16 3.2.3LED部分17 3.2.4开发板和无线数据传输模块接口部分17 3.2.5键盘部分18 3.3无线数据传输模块19 3.4无线数据传输模块和开发板的PCB图设计20 3.4.1开发板的PCB图20 3.4.2无线数据传输模块的PCB图22 第四章硬件驱动程序和串行口调试工具24 4.1硬件驱动程序24 4.1.1主机端硬件驱动程序24 4.1.2移动端驱动程序28 4.2串行口调试工具28 4.2.1串行通信的基本原理28 4.2.2程序设计原理30 第五章总结与展望37 5.1全文总结37 5.2研究展望38 致谢39 参考文献40 附录41

摘 要

Abstract Alongwiththeenhancementofthelevelofthepeople'slivesandthetransformationofthelifestyle,thediningindustrywhichiscalledgoldindustryinChinahasthehugeinvestmentmarket.Thewirelesselectronicorderingfoodsystemisthetypicaluseofthetechnologyofwirelessmunication.Usingthetechnologyofwirelessmunicationinthediningindustrywilllargelyimprovetheworkingefficiencyandthegradeofservice. Thepresentpaperbringsuptheplanofthehardwaredesignofthethewirelesselectronicorderingfoodsystemandhowtorealize.Theoverallsystemismadeupoftwoparts,oneisthemainendandtheotheristhemobileend.Bothsidesofwirelesscorrespondencedependoncertainhardwareplatforms.Theyexchangedataaccordingtotheprotocolwhichbothsideshaveagreedonbefore,andthedataistransformedinspecificframeform.Whendesigningthehardwareplatform,firstanalyzestheCMOSchipsthatwillbeusedinthesystem.Then,thepaperusesProtel99SEtodesigntheprinciplepictureandthePCBpictureofthesystem.Inthisfoundation,accordingtotheprogrammingrulesoftheCMOSchipsusedinthesystem,thepaperexploitsthedrivingprogramofthesystemusingC51programminglanguageintheWindowsoperatingsystem.Bytheway,thispaperalsobrieflyintroducesthesoftwaredevelopmentkitswhichwillbeusednext,analyzesthelimitationsofsystem,andalsoproposeshowtoimproveit. Inordertomaketheentiresystemmoreprehensive,thepaperalsoexploitstheserialdebuggingtoolinVisualC++6.0todisplaythedatafromremoteendinthewindowonputerandsenddatatoremoteendinthewindowform.Thisbasicallyachievesthegoal.

KEYWORLDwirelessmunication,ZigBee,Single-ChipMicroputer,nRF2401

第一章绪论 1.1研究背景和意义

人类利用无线通信技术的历史已经有几千年了,古时候用的烽火台就是最原始的无线通信.但这时候的无线通信技术还只是处于萌芽阶段,只有到19世纪末意大利人马可尼发明无线电报开始,人类才真正开始大规模地利用无线通信技术[1].近数十年来随着计算机技术和电子技术的发展,无线通信技术更是以日新月异的速度向前发展,它也成为了通信领域的一个重点研究方向. 现代的无线通信技术是建立在硬件电路的基础上的,因此微电子技术[2]的发展直接制约着无线通信技术的发展.回顾集成电路的发展历程,我们可以看到,自发明集成电路至今40多年以来,"从电路集成到系统集成"这句话是对IC产品从SSI(SmallScaleIntegrated,小规模集成电路)到VLSI(VeryLargeScaleIntegrated超大规模集成电路)今天特大规模集成电路发展过程的最好总结,即整个集成电路产品的发展经历了从传统的板上系统(System-on-board)到片上系统(System-on-a-chip)的过程.随着集程度的提高,芯片的体积能耗和成本在逐步降低.这也使电子产品向便携式和低端市场发展. 虽然微电子的发展历史已经有半个多世纪,但是射频芯片[1][2]的发展却是近几年的事.从分类上来看,射频芯片属于专用集成电路.目前国际上有很多专门生产射频芯片的公司,例如Nordic公司和Chipcon公司.这些芯片一般工作在免费频段,采用专门的调制解调技术,内部集成了很多电路.像Nordic公司的NRF2401芯片,它是单片射频收发芯片,工作于2.4~2.5GHzISM(IndustrySciencemedicine,工业,科学,医学)频段,芯片内置频率合成器,功率放大器,晶体振荡器和调制器等功能模块,输出功率和通信频道可通过程序进行配置.芯片能耗非常低,以-5dBm的功率发射时,工作电流只有10.5mA,接收时工作电流只有18mA,多种低功率工作模式,节能设计更方便.其DuoCeiverTM技术使nRF2401可以使用同一天线,同时接收两个不同频道的数据. 无线电子点菜系统是无线通信技术的一个典型应用.近些年来,随着人民生活水平的提高和生活方式的转变,餐饮业具有巨大的投资市场,被称为中国的黄金产业.人们在消费过程中对服务质量也有了更高的要求,同时餐馆之间的激烈竞争也促进了无线通信技术在餐饮业中的应用.无线电子点菜系统的目的就是利用最先进的2.4GRF无线通信技术,嵌入式移动数据库技术[3][4],以及触摸屏的掌上电脑技术,为餐饮业走向全面数字化提供了完整的解决方案.该系统能够提高餐馆档次,提高效率,自动结账,避免人为错误,避免跑单,实时监控餐馆状况,提供各种各样统计信息,精简人手,管理库存,提高服务品质等,为餐饮行业带来崭新的管理理念与服务手段,优化业务流程,为客户提供更好的服务,实现企业价值最大化同时又使成本最低化,是餐饮行业向信息化发展的一个重要标志.由于使用无线技术通信,可以不用进行复杂的布线,这也大大降低了餐馆的建设成本,减少了对线路维护的开支.同时,无线通信的可以移动性也使服务员随时可以和吧台联系. 无线电子点菜系统基于目前很热门的技术–嵌入式技术[3],依托一定的硬件平台.因此微电子技术的发展对系统的性能有很大的限制,目前微电子技术已经发展到了SOC(SystemOnChip,片上系统),集成度获得了极大的提高.同时,芯片的价格,体积和能耗进一步降低,这些都使无线电子点菜系统向移动化和大众化方向发展.可以说,随着微电子技术的进一步发展,无线电子点菜系统仍然有很大的发展空间.

1.2无线通信技术的发展现状

按照发射功率的不同,无线通信技术可分为短距离无线通信技术和长距离无线通信技术,它们各自依托的硬件平台和通信协议也有很大不同.几种常见的长距离无线通信系统如GPRS系统和我国即将投入使用的3G系统,它们都有一些共同的特点:使用专门的频段,需要专门的公司进行运营.由于本系统要求传输距离有限,而且对成本有限制,因

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