无线传输记分系统设计

任璐+李文石+钱敏

摘 要：无线记分系统的设计分为发送端和接收端两部分。发送端控制程序通过RS232串口通信发送比分数据到单片机控制的下位机，并经由nRF24L01无线射频模块的天线发送数据；接收端通过单片机控制的无线射频模块天线接收数据，并使用8段LED数码管显示记分情况。系统的整体设计包括硬件电路、软件程序设计；发送端上位机界面程序采用VB6.0设计，发送端下位机和接收端单片机程序采用C51。给出了软件设计流程图、硬件实物运行现场图。测试表明，系统运行性能良好。

关键词：无线计分系统；单片机控制；nRF24L01；后台控制

中图分类号：TP274.2；TN925 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.22.005

体育比赛深受人们喜爱，比赛记分是比赛过程的重要组成部分。相比于大型比赛采用昂贵的大型电子记分系统，大部分中小型球赛依旧采用传统人工翻牌的记分模式。因此，针对以上问题，我们设计了一款轻巧的便携型式电子无线遥控记分系统，成本相对低廉。该系统采用NORDIC公司的nRF24L01无线通信收发芯片和STC公司的STC89C52RC单片机。系统的硬件电路简单，电路制作费用低 。经过多次实验测试，系统的工作性能稳定，效果良好，可以广泛运用于中小型球类比赛。

1 系统总体方案

该无线遥控记分系统由发送端、接收端两部分组成；发送端由上、下位机两部分组成；下位机由触摸按键、LED显示数码管、nRF24L01射频发送模块和MCU核心处理单元构成；上位机采用PC，通过普通9针RS232串口与下位机通信；接收端由nRF24L01射频接收模块、MCU核心处理单元、LED显示数码管组成。系统结构如图1所示。

2 系统硬件设计

发送端下位机硬件系统包括主控制单元我国、射频收发模块、晶振电路、复位电路、显示单元、串口通信单元（包括电平转换模块）、电源模块等。接收端包括主控制单元、射频收发模块、晶振电路、复位电路、显示单元、电源模块等。下面介绍主要部分电路的设计。

2.1 核心处理单元

核心处理单元采用STC公司生产的低功耗、高性能、超强抗干扰的微控制器STC89C52RC。基于CMOS工艺，携有8 K在系统可编程Flash存储器，与80C51产品指令和引脚完全兼容，能为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活度非常有效的解决方案。

STC89C52RC单片机内部资源丰富，系统设计过程时充分利

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用了这一特性，将其作为主控芯片，没有增加过多外设。单片机的I/O端口具体资源利用情况为：P1口及中断与nRF24L01射频收发模块相连接，控制信息的发送/接收；P0口与数码管的段选线连接，控制显示的字段；P2端口与数码管的位选线相连接，控制显示数字的位；P3.0口（Rxd）与MAX232芯片的T2 OUT引脚相连；P3.1口（Txd）与MAX232芯片的T2 IN引脚相连接。P3.0和P3.1两端口作为PC机和单片机之间的串行通信口，负责两机之间信息传输的桥梁。软件部分是单片机对nRF24L01读/写控制使之读出当前的比分值，并实现与PC机的通信。

PC机的串口是RS-232电平，单片机的串口是TTL电平，为了使其能够进行通信，使用集成芯片MAX 232进行电平转换。

2.2 射频模块

nRF24L01是单片射频收发芯片，工作于2.4～2.5 GHz ISM频段。低功耗工作电压为1.9～3.6 V。工作温度范围较大，可在-40～80 ℃内正常工作。nRF24L01配外置天线，无阻挡传输距离50～100 m，配PCB内置天线，无阻挡传输距离为20～50 m。该芯片有125个通讯通道，可满足多点通讯和调频需要。无线收发器包括频率发生器、增强型Shock BurstTM模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器、解调器。输出功率、频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置。空中数据传输率最高可达2 Mb/s，有自动应答和自动再发射功能。通过对相应寄存器的写入和读出来完成对芯片的控制，比如实现nRF24L01相应寄存器的初始化工作、识别处理数据的收发情况，并确保在数据传输中不发生数据丢包现象等。

PCB 布线的质量对射频性能有很大影响，一个差的PCB板设计可能导致丢包，甚至可能导致无法实现其应有的功能。nRF24L01的射频PCB板设计及其周边元件包括匹配网络等可以从Nordic下载。此外，使用至少两层板（包括一个地层）。nRF24L01的直流供电电源应尽可能靠近芯片的 VDD 引脚，并经高质量的RF电容去耦；最好用一个大电容 （比如4.7 uF的钽电容）并联一个小电容；nRF24L01的供电电源必须经过很好的滤波，并与数字供电电源分离。

PCB板避免使用长的电源走线，所有元器件的地、VDD及去耦电容应尽可能地靠近nRF24L01芯片。如果在PCB 板的顶层有铺铜“地”，VSS应直接与铺铜面连接；如果在PCB板的底层有铺铜“地”，则应该在离VSS脚尽可能近的地方放置过孔连接。每个VSS最少應有一个过孔，所有数字信号线和控制信号线都不能与晶振和电源线距离过近。

*[基金项目]江苏省高等学校创新创业训练计划项目（编号：201413983008Y）

2.3 四位LED数码管显示

显示部分是一个四位8段LED数码管。8段数码管由多个发光二极管封装在一起组成“8”字形，引线在元件内部已连接完成，只引出各个笔段和公共电极。其工作环境范围宽泛，可达-40～75 ℃；寿命长，正常情况下可超过80 000 h。数码管外壳采用阻燃PC塑料制作，强度高、抗冲击、抗老化、防紫外线、防尘、防潮。

8段数码管可以通过专用驱动芯片控制，可满足各种复杂工程需求。为了点亮数码管，可以选择静态驱动方式或动态驱动方式。

在本系统中，数码管采用动态驱动方式。该方式中，四位数码管的段选线相应的并联在一起，由一个8位I/O端口控制，形成了段选线的多路复用。而位选线分别由相应的I/O线控制，实现了各位的分时选通。

2.4 触摸按键

本设计中发送端下位机上设置了几个按钮，可作为直接计分数据的发送开关，用于测试和手持式控制。此时，不需要使用上位机。由于本系统中所需按键数较少，因此，采用弹性小按键作为触摸按键，直接用I/O端口线构成单个按键电路，接口电路配置灵活、软件结构简单。按键输入采用低电平有效工作模式。

3 系统软件设计

3.1 发送端下位机/接收端C51软件设计

发送端下位机/接收端C51程序设计包含微控制器的初始化、对nRF24L01的访问和对四位8段数码管的控制。根据系统的硬件设计，需要对nRF24L01模块和数码管显示模块进行硬件资源的配置和定义。

nRF24L01模式是由PWR_UP、CE和PRIM_RX三个引脚定义的，根据系统的需要来配置其工作状态。在配置时，需要分别根据三个引脚的不同状态配置不同模式。以下仅列出部分硬件资源。

单片机数据发送流程为：①将接收机的地址（RX_ADDR）和要发送的数据（TX_DATA）写入nRF24L01；②配置寄存器（CONFIG寄存器）的工作模式，使其处于发送模式后，通过微控制器将CE拉高，时长至少10 μs；③读取状态寄存器STATUS内的内容；④判断发送完成标志位是否被置位；⑤清空标志位和数据缓冲，nRF24L01进入空闲状态。

单片机数据接受流程为：①将本机的地址和要接收的数据写入nRF24L01；②配置CONFIG寄存器，使其切换为接收模式，然后将CE拉高，时长至少130 μs；③判断接收完成标志位是否被置位；④清空标志位；⑤读取数据缓存区内的数据；⑥清空数据缓冲，此后nRF24L01进入任意模式。

对于数码管显示模块程序而言，出于节省I/O口、减小功耗的考虑，数码管显示采用动态扫描方式，P2.0～P2.3作为位选信号的输出端，P0.0～P0.7作为段选信号输出端，利用人眼的视觉暂留现象和二极管的余晖效应达到显示效果，具体如下：

3.2 发送端上位机主控界面VB软件设计

为了方便进行一体化控制，比如计分数据存储、多场次计分等，本系统设计了后台PC上位机主控制界面程序，采用VB6进行程序设计。上位机和下位机之间采用通用RS232串口进行数据通信。程序控制界面设计如图2所示。

后台主控制程序VB初始化程序如下：

4 结束语

本项目根据实际需要完成了计分系统的研究与设计，包括整机设计、下位机底层硬件和软件设计，较好地达到了预期目标，系统实物图如图3所示。图中列出了发送端上位机（PC控制台界面）、下位机（图中所示为发送端）、串口连接线和接收端。

系统充分利用了STC89C52RC单片机微型化、低功耗、抗干扰能力强和nRF24L01可较远距离传输信息等优点，节省了电力和人力成本。该系统可根据赛制要求更改，以适用于不同的竞赛场合。

参考文献

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〔编辑：张思楠〕