第一组 无线反向呼叫器设计报告

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无线反向呼叫器 系统概要设计报告

专业：通信工程 设计小组：第一组

设计人员：黄涛、左芬卉、刘畅、陈雪、任咪、姜萍、贺攀、周石磊 完成日期：2014.11.11

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目录

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概述........................................................................................................................................... 1 1.1 编写目的 ....................................................................................................................... 1 1.2 适用范围 ....................................................................................................................... 1 1.3 读者对象 ....................................................................................................................... 1 1.4 术语和缩写 ................................................................................................................... 1 1.5 参考资料 ....................................................................................................................... 2 设计概述 ................................................................................................................................... 2 2.1 设计约束 ....................................................................................................................... 2 系统概述 ................................................................................................................................... 3 系统总体架构 ........................................................................................................................... 3 4.1 功能架构 ....................................................................................................................... 3 系统功能模块1 发射器 ........................................................................................................ 3 5.1 子模块1 80C51芯片 ................................................................................................ 4 5.2 子模块2 nRF2401芯片 ............................................................................................ 5 5.3 子模块3 矩阵键盘 .................................................................................................... 7 5.4 发射器总体连线图 ....................................................................................................... 8 系统功能模块2 接收器 ........................................................................................................ 9 6.1 子模块1 报警发生电路 .......................................................................................... 10 6.2 子模块2 80C51芯片 ............................................................................................ 12 6.3 子模块3 nRF2401芯片 ............................................................................................. 12 6.4 接收器总体连线图 ..................................................................................................... 12 运行环境 ................................................................................................................................. 13 7.1 软件平台 ..................................................................................................................... 13 7.2 硬件平台 ..................................................................................................................... 13 设计约定 ................................................................................................................................. 13 待解决问题 ............................................................................................................................. 13

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1 概述

随着人们对服务质量要求的不断提高，避免餐厅人力资源的浪费。我们针对

餐饮行业设计了一套反向呼叫系统。只要餐饮服务人士按下客人的餐桌号码，该餐桌的客人的呼叫器就会接收到信号，客人就可以自己去服务台取餐。

1.1 编写目的

利用所学单片机知识，设计一套简单的反向呼叫系统。只要餐饮服务人士按下客人的餐桌号码，该餐桌的客人的呼叫器就会接收到信号，客人就可以自己去服务台取餐。

1.2 适用范围

餐饮行业、宾馆、酒店、医院等。

1.3 读者对象

适读人群广泛，有单片机基础皆可。

1.4 术语和缩写

术语和缩写 80C51 表1 常用元件术语及缩写 解释 备注 MCS-51系列单片机的典型产暂无 品型号 nRF2401 单片射频收发芯片，适用于多种无线通信的场合 暂无 LM386 音频功率放大器 暂无 1

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1.5 参考资料

表2 参考文献 参考文件 电话自动呼叫器 《病房呼叫器设计》 基于单片机的无线病房呼叫器 呼叫器的设计和制作 http://wenku.http://www.wodefanwen.com//view/893e1e0abb68a98271fefac6.html?qq-pf-to=pcqq.c2c http://baike.so.com/doc/1704776.html http://www.go-gddq.com/html/s733/2012-01/881433.htm 备注 刘整著 郭红霞著 陈新岗著 秦凯胜著 暂无 暂无 暂无 2 设计概述

对当前我国的餐厅情况，为了能够使顾客有一个安静便捷的就餐环境，并且为了减少餐厅服务人力资源的浪费，我们组设计了一种快速及时的无线呼叫系统。该系统除了解决服务及时问题外，还使得餐厅服务总台对每张餐桌的使用情况了如指掌，还可以使顾客及时取餐，进而为餐桌的科学管理提供的可靠依据。 在餐厅就餐，经常遇到如下问题。第一，服务员同时为几张餐桌同时提供服务，他们经常因去厨房送顾客点菜单、去收银台替顾客结帐等工作而远离提供服务的餐桌，此时当客人所点的餐做好时却不能够及时被送到餐桌上。第二，顾客在包房用餐时经常谈及不便于让别人知道的内容或者想要有一个安静的就餐环境，此时服务员来送餐的时候很不方便。第三，若餐厅很大，服务总台很难实时掌握餐桌使用信息，这将直接影响安排顾客就餐。该无线呼叫服务系统解决了以上问题。

2.1 设计约束

1我们所用到的nRF2401在仿真软件proteus中不存在，所以无法通过此○

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仿真平台事先对所设计的反向呼叫器进行运行验证。而必须通过实物进行检验，显得不是很方便。

2此设计对元件的参数也有要求，比如电阻、电容等。因此参数的设定是○

否合适对设计的成败有很大的影响。

3 系统概述

本系统由顾客接收系统和餐厅服务呼叫系统两个子系统组成。当顾客所点的餐做好时，服务员在餐厅服务总台按下点该餐的客人所对应的桌牌号，那么该餐桌的客人手上拿的接收器就会有鸣叫声响和LED灯光闪烁，客人接收到信号后就可以自己去餐厅服务台取餐。

4 系统总体架构

4.1 功能架构

本设计方案由发射器和接受器构成，使用射频收发芯片使系统工作在频段433HZ附近。系统使用单片机编码和解码，每个接收器有一个唯一的识别码，当服务员按键盘号码并按发射键后，信号被发射出去。接受器收到信号后发出鸣叫及LED灯光闪烁。总体原理框图如图1、图2所示。

图1 发射器原理框图 图2 接收器原理框图

5 系统功能模块1 发射器

发射器由矩阵键盘来控制几号桌的地位的设置，当呼叫按键按下后，地址被读入单片机，经过处理在送至发射芯片。呼叫器的核心电路是单片机、矩阵键盘与发射芯片的连接电路。接收器负责接收呼叫器发来的信号，并进行解码、显

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示及报警。发射器由一个矩阵键盘、单片机、无线收发芯片及相应外围电路构成。 发射器器采用4×4矩阵键盘，单片机选用AT80C51，发射芯片采用nRF2401。 发射器的工作流程如图3所示：

图3 发射器流程图

5.1 子模块1 80C51芯片

AT80C51的引脚功能：

单片机的40个引脚大致可分为4类：电源、时钟、控制和I/O引脚。如图4所示。

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图4 80C51芯片引脚图

1、 电源

（1） VCC - 芯片电源，接+5V； （2）VSS - 接地端； 2、 时钟

XTAL1、XTAL2 - 晶体振荡电路反相输入端和输出端。 3、 控制线

（1）ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲 ① ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址

② PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。

（2）PSEN:外ROM读选通信号。 （3）RST/VPD:复位/备用电源。

① RST（Reset）功能：复位信号输入端。

② VPD功能：在Vcc掉电情况下，接备用电源。 （4）EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPROM编程电源。 ① EA功能：内外ROM选择端。

② Vpp功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源 4、I/O线

80C51共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。 P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。

5.2 子模块2 nRF2401芯片

nRF2401可作为无线收发芯片，其引脚图如图5所示：

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图5 nRF2401芯片引脚图

它的引脚功能表如表3所示：

表3 nRF2401芯片引脚功能表

nRF2401的工作模式：

nRF2401有工作模式有四种：收发模式、配置模式、空闲模式和关机模式。nRF2401的工作模式由PWR_UP 、CE、TX_EN和CS三个引脚决定。

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nRF2401的主要特点：

1、外围元件极少，只需要一个晶振和一个电阻即可以设计射频电路； 2、发射功率和工作频率等所有工作参数可全部通过软件设置； 3、电源电压范围为1.9—3.6V,功耗很低；

4、电流消耗很小，-5dB输出功率时的典型峰值电流为10.5m;

5、芯片内部设置有专门的稳压电路，因此使用任何电源均有很好的通信效果； 6、带有数据时隙和数据时钟恢复功能； 7、掉电模式可以很容易的实现低功耗需求。 nRF2401设计时注意的问题：

在调试NRF24L01时，肯定遇到这样的问题，NRF24L01供电是3.3V，最大电压不能超过3.6V，但是89C51电压是5V。NRF24L01电源是好解决，加一个117（3.3V的LDO）就可以了，但是数据口电压不容易控制，很容易因为电流倒灌而导致烧坏nRF2401元器件，为此，我们的解决办法是：在每个数据口加一个10K下拉电阻，这样就可以使nRF2401工作在3.3V以下。

5.3 子模块3 矩阵键盘

对于一个餐厅来讲，我们通常使用的8个按键电路必定满足不了实际需要，可能需要更多的按键，但是单片机的硬件资源有限，这时就需要使用矩阵按键，根据如下电路图6可知，虽然使用了8个端口，但是我们却组成了4*4按键也就是16个按键，通过8个IO口，控制16个按键。

以下是对矩阵键盘工作原理的介绍：

（1）键盘列扫描

由P(2)口循环输出一键扫描码（事先存放在扫描数组变量中，如key_scan[]={0xef,0xdf,0xbf,0x7f}），使键盘的4行电平全为1,4列电平轮流有一列为0其余为1。 （2）键盘判断

利用（P2&0x0f）算法有无按键压下。若行线低4位不全为1，说明至少有一个按键压下，此时P2口的读入值必为根据按键闭合规律确定的键模数组key_buf[]值之一。

Key_buf[]={0xee,0xde,0xbe,0x7e, 0xed,0xdd,0xbd,0x7d, 0xeb,0xddb,0xbb,0x7b, 0xe7,0xd7,0xb7,0x77} （3）键值计算

若将行列式键盘中自左至右，自上而下的排列顺序号作为其键值，则通过逐一对比P2读入值与键模数组，可求闭合按键的键值。

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图6 矩阵键盘连接原理图

5.4 发射器总体连线图

图7 发射器总体连线图

由于在proteus中没有nRF2401,所以我们没有直接在proteus仿真软件中将nRF2401画在上面。通过查阅相关资料可知：单片机用软件模拟SPI总线，使用P2.0、P2.1、P2.2口模拟SPI的DA-TA、CLK、CS。PWR_UP决定是否允许首发信号，分别与单片机的P1.3、P1.4连接。DR1是数据接收完毕信号端，当有数据需要接收时DR1为高电平，单片机读取完数据后DR1为低电平。DR1信号经非门变换后与单片机的中断0端连接，为了检测是否已经读取完nRF2401的数据，

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将DR1与P3.4连接。单片机中断是低电平触发，而nRF2401的中断信号DR1是高电平，因此在DR1端加了一个反相器。

nRF2401与80C51的接口接线为：P2.0口与nRF2401的8引脚相接，P2.1口与nRF2401的7引脚相接，P2.2与nRF2401的5引脚相接，P2.3与nRF2401的23引脚相接,P2.4与nRF2401的1引脚相接；P3.2和P3.4通过一个反相器与nRF2401的6引脚相接。

在连接线路的过程中，我们参考了下图（仅作为参考，在实际设计中很多都有变动）：

图8 参考实验图

6 系统功能模块2 接收器

系统功接收器硬件电路分为接收芯片、单片机、报警电路、LED显示部分。

其接收芯片与呼叫器部分一样，采用nRF2401。单片机采用80C51，接收器在收到信号后进行报警，提醒就餐顾客。

其中接收器的工作流程图如下：

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图9 接收器工作流程图

6.1 子模块1 报警发生电路

在报警发生电路中主要应用LM386芯片， LM386是一种音频集成功放，具

有自身功耗低、更新内链增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点的功率放大器，广泛应用于录音机和收音机之中。

LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器,主要应用于低电压消费类产品。为使外围元件最少,电压增益内置为20。但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容,便可将电压增益调为任意值,直至 200。输入端以地位参考,同时输出端被自动偏置到电源电压的一半,在6V电源电压下,它的静态功耗仅为24mW,使得LM386特别适用于电池供电的场合。 LM386芯片特性 ：

静态功耗低，约为4mA，可用于电池供电。 工作电压范围宽，4-12V or 5-18V。 外围元件少。

电压增益可调，20-200。 低失真度。

LM386引脚功能：

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图10 LM386芯片引脚图

引脚2为反相输入端，3为同相输入端；引脚5为输出端；引脚6和4分别为电源和地；引脚1和8为电压增益设定端；使用时在引脚7和地之间接旁路电容，通常取10μF。

查LM386的datasheet，电源电压4-12V；静态消耗电流为4mA；电压增益为20-200dB；在1、8脚开路时，带宽为300KHz；输入阻抗为50K；音频功率0.5W。 尽管LM386的应用非常简单，但稍不注意，特别是器件上电、断电瞬间，甚至工作稳定后，一些操作（如插拔音频插头、旋音量调节钮）都会带来的瞬态冲击，在输出喇叭上会产生非常讨厌的噪声。

1、通过接在1脚、8脚间的电容（1脚接电容+极）来改变增益，断开时增益为20dB。因此用不到大的增益，电容就不要接了，不光省了成本，还会带来好处--噪音减少。

2、PCB设计时，所有外围元件尽可能靠近LM386；地线尽可能粗一些；输入音频信号通路尽可能平行走线，输出亦如此。

3、选好调节音量的电位器。质量太差的不要，否则受害的是耳朵；阻值不要太大，10K最合适，太大也会影响音质。 4、尽可能采用双音频输入/输出。好处是：“+”、“－”输出端可以很好地抵消共模信号，故能有效抑制共模噪声。

5、第7脚（BYPASS）的旁路电容不可少，实际应用时，BYPASS端必须外接一个电解电容到地，起滤除噪声的作用。工作稳定后，该管脚电压值约等于电源电压的一半。增大这个电容的容值，减缓直流基准电压的上升、下降速度，有效抑制噪声。在器件上电、掉电时的噪声就是由该偏置电压的瞬间跳变所致。 6、减少输出耦合电容。此电容的作用有二：隔直+耦合。隔断直流电压，直流电压过大有可能会损坏喇叭线圈；耦合音频的交流信号。它与扬声器负载构成了一阶高通滤波器。减小该电容值，可使噪声能量冲击的幅度变小、宽度变窄；太低还会使截止频率（fc=1/(2π*RL*Cout)）提高。

7、电源的处理，也很关键。如果系统中有多组电源，由于电压不同、负载不同以及并联的去耦电容不同，每组电源的上升、下降时间必有差异。可行的方法：将上电、掉电时间短的电源放到+12V处，选择上升相对较慢的电源作为LM386的Vs，但不要低于4V。

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6.2 子模块2 80C51芯片

功能介绍如发射器模块

6.3 子模块3 nRF2401芯片

功能介绍如发射器模块

6.4 接收器总体连线图

图11 接收器总体连线图

其中上图中未连接的四根线仍连接nRF2401，具体连接方式仍旧为：P2.0口与nRF2401的8引脚相接，P2.1口与nRF2401的7引脚相接，P2.2与nRF2401的5引脚相接，P2.3与nRF2401的23引脚相接,P2.4与nRF2401的1引脚相接； P3.2和P3.4通过一个反相器与nRF2401的6引脚相接。P0.4接了一个按键，当用户接收到信号后，用于清除数据。

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7 运行环境

7.1 软件平台

WIN32,WINCE,MAC等。

7.2 硬件平台

IBM,SUN,嵌入式设备等

8 设计约定

暂无

9 待解决问题

部分元器件在proteus中无法仿真实现，这给设计带来了困难与浪费，因此在设计上如果能通过程序改编或对proteus中存在的元器件进行组合来代替proteus中不能仿真的元器件，就会使设计更加方便，而不至于在最后的实物连接中出现过多的错误而造成多资源浪费。

部分元器件参数的设置不一定很合适，这可能会影响最后的结果。 实验编程是我们的一大难题，需要进一步与老师同学交流。

针对供电电池问题，目前我们决定把供电电池并在一起使用来达到装置所需电压值，不过这会造成资源浪费，因为针对餐厅每天接待的客人数目，蜂鸣器和LED灯响应时间的长短都会影响电池的使用寿命。而一节干电池的市场价格并不便宜！

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/lqfr.html