無線傳輸記分系統設計

任璐+李文石+錢敏

摘 要：無線記分系統的設計分為發送端和接收端兩部分。發送端控制程序通過RS232串口通信發送比分數據到單片機控制的下位機，并經由nRF24L01無線射頻模塊的天線發送數據；接收端通過單片機控制的無線射頻模塊天線接收數據，并使用8段LED數碼管顯示記分情況。系統的整體設計包括硬件電路、軟件程序設計；發送端上位機界面程序采用VB6.0設計，發送端下位機和接收端單片機程序采用C51。給出了軟件設計流程圖、硬件實物運行現場圖。測試表明，系統運行性能良好。

關鍵詞：無線計分系統；單片機控制；nRF24L01；后臺控制

中圖分類號：TP274.2；TN925 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.22.005

體育比賽深受人們喜愛，比賽記分是比賽過程的重要組成部分。相比于大型比賽采用昂貴的大型電子記分系統，大部分中小型球賽依舊采用傳統人工翻牌的記分模式。因此，針對以上問題，我們設計了一款輕巧的便攜型式電子無線遙控記分系統，成本相對低廉。該系統采用NORDIC公司的nRF24L01無線通信收發芯片和STC公司的STC89C52RC單片機。系統的硬件電路簡單，電路制作費用低 。經過多次實驗測試，系統的工作性能穩定，效果良好，可以廣泛運用于中小型球類比賽。

1 系統總體方案

該無線遙控記分系統由發送端、接收端兩部分組成；發送端由上、下位機兩部分組成；下位機由觸摸按鍵、LED顯示數碼管、nRF24L01射頻發送模塊和MCU核心處理單元構成；上位機采用PC，通過普通9針RS232串口與下位機通信；接收端由nRF24L01射頻接收模塊、MCU核心處理單元、LED顯示數碼管組成。系統結構如圖1所示。

2 系統硬件設計

發送端下位機硬件系統包括主控制單元我國、射頻收發模塊、晶振電路、復位電路、顯示單元、串口通信單元（包括電平轉換模塊）、電源模塊等。接收端包括主控制單元、射頻收發模塊、晶振電路、復位電路、顯示單元、電源模塊等。下面介紹主要部分電路的設計。

2.1 核心處理單元

核心處理單元采用STC公司生產的低功耗、高性能、超強抗干擾的微控制器STC89C52RC。基于CMOS工藝，攜有8 K在系統可編程Flash存儲器，與80C51產品指令和引腳完全兼容，能為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活度非常有效的解決方案。

STC89C52RC單片機內部資源豐富，系統設計過程時充分利

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用了這一特性，將其作為主控芯片，沒有增加過多外設。單片機的I/O端口具體資源利用情況為：P1口及中斷與nRF24L01射頻收發模塊相連接，控制信息的發送/接收；P0口與數碼管的段選線連接，控制顯示的字段；P2端口與數碼管的位選線相連接，控制顯示數字的位；P3.0口（Rxd）與MAX232芯片的T2 OUT引腳相連；P3.1口（Txd）與MAX232芯片的T2 IN引腳相連接。P3.0和P3.1兩端口作為PC機和單片機之間的串行通信口，負責兩機之間信息傳輸的橋梁。軟件部分是單片機對nRF24L01讀/寫控制使之讀出當前的比分值，并實現與PC機的通信。

PC機的串口是RS-232電平，單片機的串口是TTL電平，為了使其能夠進行通信，使用集成芯片MAX 232進行電平轉換。

2.2 射頻模塊

nRF24L01是單片射頻收發芯片，工作于2.4～2.5 GHz ISM頻段。低功耗工作電壓為1.9～3.6 V。工作溫度范圍較大，可在-40～80 ℃內正常工作。nRF24L01配外置天線，無阻擋傳輸距離50～100 m，配PCB內置天線，無阻擋傳輸距離為20～50 m。該芯片有125個通訊通道，可滿足多點通訊和調頻需要。無線收發器包括頻率發生器、增強型Shock BurstTM模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器、解調器。輸出功率、頻道選擇和協議的設置可以通過SPI接口進行設置。空中數據傳輸率最高可達2 Mb/s，有自動應答和自動再發射功能。通過對相應寄存器的寫入和讀出來完成對芯片的控制，比如實現nRF24L01相應寄存器的初始化工作、識別處理數據的收發情況，并確保在數據傳輸中不發生數據丟包現象等。

PCB 布線的質量對射頻性能有很大影響，一個差的PCB板設計可能導致丟包，甚至可能導致無法實現其應有的功能。nRF24L01的射頻PCB板設計及其周邊元件包括匹配網絡等可以從Nordic下載。此外，使用至少兩層板（包括一個地層）。nRF24L01的直流供電電源應盡可能靠近芯片的 VDD 引腳，并經高質量的RF電容去耦；最好用一個大電容 （比如4.7 uF的鉭電容）并聯一個小電容；nRF24L01的供電電源必須經過很好的濾波，并與數字供電電源分離。

PCB板避免使用長的電源走線，所有元器件的地、VDD及去耦電容應盡可能地靠近nRF24L01芯片。如果在PCB 板的頂層有鋪銅“地”，VSS應直接與鋪銅面連接；如果在PCB板的底層有鋪銅“地”，則應該在離VSS腳盡可能近的地方放置過孔連接。每個VSS最少應有一個過孔，所有數字信號線和控制信號線都不能與晶振和電源線距離過近。

*[基金項目]江蘇省高等學校創新創業訓練計劃項目（編號：201413983008Y）

2.3 四位LED數碼管顯示

顯示部分是一個四位8段LED數碼管。8段數碼管由多個發光二極管封裝在一起組成“8”字形，引線在元件內部已連接完成，只引出各個筆段和公共電極。其工作環境范圍寬泛，可達-40～75 ℃；壽命長，正常情況下可超過80 000 h。數碼管外殼采用阻燃PC塑料制作，強度高、抗沖擊、抗老化、防紫外線、防塵、防潮。

8段數碼管可以通過專用驅動芯片控制，可滿足各種復雜工程需求。為了點亮數碼管，可以選擇靜態驅動方式或動態驅動方式。

在本系統中，數碼管采用動態驅動方式。該方式中，四位數碼管的段選線相應的并聯在一起，由一個8位I/O端口控制，形成了段選線的多路復用。而位選線分別由相應的I/O線控制，實現了各位的分時選通。

2.4 觸摸按鍵

本設計中發送端下位機上設置了幾個按鈕，可作為直接計分數據的發送開關，用于測試和手持式控制。此時，不需要使用上位機。由于本系統中所需按鍵數較少，因此，采用彈性小按鍵作為觸摸按鍵，直接用I/O端口線構成單個按鍵電路，接口電路配置靈活、軟件結構簡單。按鍵輸入采用低電平有效工作模式。

3 系統軟件設計

3.1 發送端下位機/接收端C51軟件設計

發送端下位機/接收端C51程序設計包含微控制器的初始化、對nRF24L01的訪問和對四位8段數碼管的控制。根據系統的硬件設計，需要對nRF24L01模塊和數碼管顯示模塊進行硬件資源的配置和定義。

nRF24L01模式是由PWR_UP、CE和PRIM_RX三個引腳定義的，根據系統的需要來配置其工作狀態。在配置時，需要分別根據三個引腳的不同狀態配置不同模式。以下僅列出部分硬件資源。

單片機數據發送流程為：①將接收機的地址（RX_ADDR）和要發送的數據（TX_DATA）寫入nRF24L01；②配置寄存器（CONFIG寄存器）的工作模式，使其處于發送模式后，通過微控制器將CE拉高，時長至少10 μs；③讀取狀態寄存器STATUS內的內容；④判斷發送完成標志位是否被置位；⑤清空標志位和數據緩沖，nRF24L01進入空閑狀態。

單片機數據接受流程為：①將本機的地址和要接收的數據寫入nRF24L01；②配置CONFIG寄存器，使其切換為接收模式，然后將CE拉高，時長至少130 μs；③判斷接收完成標志位是否被置位；④清空標志位；⑤讀取數據緩存區內的數據；⑥清空數據緩沖，此后nRF24L01進入任意模式。

對于數碼管顯示模塊程序而言，出于節省I/O口、減小功耗的考慮，數碼管顯示采用動態掃描方式，P2.0～P2.3作為位選信號的輸出端，P0.0～P0.7作為段選信號輸出端，利用人眼的視覺暫留現象和二極管的余暉效應達到顯示效果，具體如下：

3.2 發送端上位機主控界面VB軟件設計

為了方便進行一體化控制，比如計分數據存儲、多場次計分等，本系統設計了后臺PC上位機主控制界面程序，采用VB6進行程序設計。上位機和下位機之間采用通用RS232串口進行數據通信。程序控制界面設計如圖2所示。

后臺主控制程序VB初始化程序如下：

4 結束語

本項目根據實際需要完成了計分系統的研究與設計，包括整機設計、下位機底層硬件和軟件設計，較好地達到了預期目標，系統實物圖如圖3所示。圖中列出了發送端上位機（PC控制臺界面）、下位機（圖中所示為發送端）、串口連接線和接收端。

系統充分利用了STC89C52RC單片機微型化、低功耗、抗干擾能力強和nRF24L01可較遠距離傳輸信息等優點，節省了電力和人力成本。該系統可根據賽制要求更改，以適用于不同的競賽場合。

參考文獻

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〔編輯：張思楠〕