1、通信系統(tǒng)原理課程設(shè)計(jì)基于51單片機(jī)和紅外遙控的點(diǎn)陣貪食蛇院系：惠州學(xué)院電子科學(xué)系 班級：11電子信息工程1班組員： 翁銖煒 110703131林貴玉 110703122目錄第一章方案設(shè)計(jì)與論證 11、 穩(wěn)壓電源模塊方案論證 12、單片機(jī)的選擇論證 23、點(diǎn)陣驅(qū)動方案論證 2第二章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 3第三章紅外遙控系統(tǒng)介紹 41、紅外通訊原理 42、紅外遙控系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 53、調(diào)制 54、發(fā)射系統(tǒng) 65、一體化紅外接收頭 76、紅外編碼格式 8第四章 硬件設(shè)計(jì) 101、8X8 LED單色點(diǎn)陣的原理說明102、LED陣列驅(qū)動電路 103、 穩(wěn)壓電源電路 104、 蜂鳴器及其驅(qū)動電路 115、紅外接收模塊電

2、路 116、單片機(jī)最小系統(tǒng) 127、系統(tǒng)總原理圖 12第五章 軟件設(shè)計(jì) 141、主程序工作流程 142、 LED點(diǎn)陣初始化 143、 貪吃蛇的移動 154、食物的隨機(jī)出現(xiàn) 155、紅外遙控 15第六章測試與調(diào)試 17第七章總結(jié) 19附錄一系統(tǒng)源程序20緒論：本文根據(jù)貪食蛇的游戲規(guī)則，主要闡述基于 51 單片機(jī)和紅外遙 控的點(diǎn)陣貪食蛇的設(shè)計(jì)方案及思路。本文以 ATMEL AT89S5單片機(jī) 為控制核心， 使用 8*8 點(diǎn)陣為顯示模塊， 設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)貪食蛇最基本的 功能。文章詳細(xì)介紹了紅外遙控貪食蛇的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)。 硬件部 分利用紅外接收頭的輸出接在 AT89C52單片機(jī)INT1中斷口，通過跳

3、 變沿觸發(fā)的方式來觸發(fā)單片機(jī) INT1 中斷，從而可以對編碼脈沖進(jìn)行 接收、存儲和解碼， 然后根據(jù)對應(yīng)的鍵值實(shí)現(xiàn)點(diǎn)陣上貪食蛇的各種運(yùn) 動變換。貪吃蛇，是一種益智小游戲。其游戲背景：蛇引誘夏娃吃了蘋果 之后，就被貶為毒蟲， 陰險(xiǎn)的象征，而蛇吃東西是整只動物吞進(jìn)去的， 大概在文藝復(fù)興的時(shí)候就有人發(fā)明了這么一種游戲， 是現(xiàn)在貪吃蛇的 前身，后來慢慢地發(fā)展成了現(xiàn)有的貪吃蛇游戲。 其游戲規(guī)則比較簡單， 就是一條小蛇， 不停地在屏幕上游走去吃屏幕上出現(xiàn)的食物， 越吃越 長，到了一定的長度之后， 就可以進(jìn)入下一關(guān)，越到后面的關(guān)卡蛇移 動的速度越快， 只要蛇頭碰到四周的墻壁或者碰到自己的身體， 小蛇 就立即斃

4、命并結(jié)束游戲。第一章 方案設(shè)計(jì)與論證：1、穩(wěn)壓電源模塊方案論證：常用的電源有串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電源( LM2940、7805 等)和開關(guān)型穩(wěn)壓電源(LM2596 LM2575等)兩大類。前者具有紋波小、電路結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)，但是 效率較低，功耗大；后者功耗小，效率高，但電路卻比較復(fù)雜，電路的紋波大。 對于單片機(jī)，需要提供穩(wěn)定的5V電源，由于LM2940的穩(wěn)壓的線性度非常好，所 以選用LM2940對其進(jìn)行供電。在本設(shè)計(jì)中，51單片機(jī)使用5V電源，電池使用 7.2V電源?？紤]到電源為充電電池組，額定電壓為 7.2V，實(shí)際充滿電后電壓則 為7.0-7.3V，所以單片機(jī)及紅外遙控模塊需采用穩(wěn)壓后的 5V電源

5、供電。方案一：使用三端穩(wěn)壓電路78XX系列，如7805。工作原理：是電流源型穩(wěn) 壓電路，是通過調(diào)節(jié)輸出電流來保證輸出端電壓的， 其反饋量是電壓， 基準(zhǔn)量也 是電壓，經(jīng)過內(nèi)部電路轉(zhuǎn)化成反饋電流和基準(zhǔn)旁路電流， 其差值又去旁路內(nèi)部電 流源使輸出電流滿足端電壓的穩(wěn)定。方案二：使用LM2940氐壓差三端穩(wěn)壓路綜合兩種方案考慮，LM2940比7805的轉(zhuǎn)換效率高。7805直接輸入不接輸 出的情況下，其內(nèi)部還會有3mA的電流消耗（靜態(tài)電流）。而 LM2940的靜態(tài)電 流就比它遠(yuǎn)遠(yuǎn)小得多了。 最終采用方案二。2、單片機(jī)的選擇論證 ：方案一：AT89S52單片機(jī)是一種高性能8位單片微型計(jì)算機(jī)。它把構(gòu)成計(jì) 算機(jī)

6、的中央處理器CPU、存儲器、寄存器、I/O接口制作在一塊集成電路芯片中， 從而構(gòu)成較為完整的計(jì)算機(jī)、而且其價(jià)格便宜。方案二：C8051F005單片機(jī)是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片， 具有與8051 兼容的微控制器內(nèi)核，與 MCS-51 指令集完全兼容。除了具有標(biāo)準(zhǔn) 8052的數(shù)字 外設(shè)部件，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其他數(shù)字外設(shè) 及功能部件，而且執(zhí)行速度快。但其價(jià)格較貴以上兩種方案綜合考慮，選擇方案一。3、點(diǎn)陣驅(qū)動方案論證 ：正向點(diǎn)亮一顆LED至少也得1020毫安，若電流不夠大，則 LED不夠亮。而不管是8051的輸入/輸出口，還是TTL CMOS的輸出端，其高態(tài)輸出電流

7、都 不是很高，不過12毫安而已，因此，很難直接高態(tài)驅(qū)動 LED這時(shí)候就需要額 外的驅(qū)動電路。QB EoIfr) VI C3) stQt I74HCS95國OEQI U因RCKQG叵tj回 9CLR可 5QII方案一：采用74HC595芯片驅(qū)動LED有以下特 點(diǎn)：速度較快，功耗較小，LED的數(shù)目多少隨意，既 可以控制共陰極的LED顯示器，也可以控制共陽極 的LED顯示器，可以軟件控制LED的亮度，還可以 在必要的時(shí)候關(guān)斷顯示（數(shù)據(jù)保留），以減小功耗， 并可隨時(shí)喚醒顯示。用它設(shè)計(jì)的電路，不僅軟硬件 設(shè)計(jì)簡單，而且功耗低，驅(qū)動能力強(qiáng)，占用的I/O 口T37OtHt20DO*2.-CM-D518010

8、2-I17S-05&4-615亠CHre-?u05-13osC7-u-7END-107線較少,是一種造價(jià)低廉，應(yīng)用靈活的設(shè)計(jì)方案。方案二：74HC573是 8位三態(tài)鎖存器?？涉i存地址、數(shù) 據(jù)、可作緩沖器用。當(dāng)鎖存器的輸入端出現(xiàn)有效信號，輸入狀態(tài)被鎖存到輸 出端，直到下一個(gè)鎖存信號到來時(shí)刷新。這里的三態(tài)，是指 它的輸出可以是“ 0”或“ 1”狀態(tài)，又可以是高阻狀態(tài)。高阻態(tài)相當(dāng)于隔斷狀態(tài)，沒有邏輯控制功能。74HC573有驅(qū)動能力.每個(gè)口輸出電 流可達(dá)正負(fù)35MA。綜上考慮，74HC573然占用的IO 口比74HC595多，但其輸出電流較大, 最終選擇方案二。第二章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì):本系統(tǒng)是基于紅外遙

9、控的點(diǎn)陣貪食蛇。主要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能：1、通過紅外遙控器上的指定按鍵（上、下、左、右）控制點(diǎn)陣上的貪食蛇 的前進(jìn)方向；2、遙控器上有七個(gè)檔位可以調(diào)節(jié)貪食蛇運(yùn)動的速度，已達(dá)到調(diào)整游戲難度 的效果；3、貪食蛇每前進(jìn)一步，蜂鳴器響一次；4、貪食蛇且前進(jìn)的方向不同，蜂鳴器響的聲音不同（即頻率不同）；5、貪食蛇撞上 墻”或者蛇本身”，游戲結(jié)束，回到初始頁面；6、貪食蛇每 “吃掉 ”一個(gè)食物，蛇本身長度加一個(gè)單位。本系統(tǒng)電路主要分為五個(gè)模塊：穩(wěn)壓電源模塊、紅外遙控模塊、單片機(jī)最 小統(tǒng)模塊、點(diǎn)陣及其驅(qū)動模塊、蜂鳴器及其驅(qū)動模塊。圖 2.1 系統(tǒng)總框圖第三章 紅外遙控系統(tǒng)介紹1、紅外通訊原理：紅外遙控是單工的

10、紅外通信方式， 本設(shè)計(jì)的紅外遙控采用以通信方式為基礎(chǔ) 的紅外遙控， 而且本設(shè)計(jì)也使用了紅外通信技術(shù)， 故著重分析紅外通信的基本原 理。紅外通信是利用紅外技術(shù)實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)間的近距離保密通信和信息轉(zhuǎn)發(fā)。 它一般 由紅外發(fā)射和接收系統(tǒng)兩部分組成。 發(fā)射系統(tǒng)對一個(gè)紅外輻射源進(jìn)行調(diào)制后發(fā)射 紅外信號，而接收系統(tǒng)用光學(xué)裝置和紅外探測器進(jìn)行接收， 就構(gòu)成紅外通信系統(tǒng)。紅外線是波長在750nm至1mn之間的電磁波，它的頻率高于微波而低于可 見光，是一種人的眼睛看不到的光線。 紅外通信一般采用紅外波段內(nèi)的近紅外線， 波長在0.75um至25um之間。紅外數(shù)據(jù)協(xié)會（IrDA）成立后，為了保證不同廠 商的紅外產(chǎn)品能夠獲

11、得最佳的通信效果， 紅外通信協(xié)議將紅外數(shù)據(jù)通信所采用的 光波波長的范圍限定在 850 至 900nn 之內(nèi)。紅外通信的基本原理是發(fā)送端將基帶二進(jìn)制信號調(diào)制為一系列的脈沖串信 號（載波信號），通過紅外發(fā)射管發(fā)射紅外信號。常用的有通過脈沖寬度來實(shí) 現(xiàn)信號調(diào)制的脈寬調(diào)制（PWM和通過脈沖串之間的時(shí)間間隔來實(shí)現(xiàn)信號調(diào)制的 脈時(shí)調(diào)制（PPM兩種方法。脈時(shí)調(diào)制（PPM是紅外數(shù)據(jù)協(xié)會（IrDA）和國際電子 電工委員會（IEEE）都推薦的調(diào)制方式，本設(shè)計(jì)采用PPMS制方法，即用兩個(gè)脈沖圖3.1 PPM調(diào)制波形圖普通的紅外遙控采用面向指令的幀結(jié)構(gòu)， 數(shù)據(jù)幀由同步碼，地址碼和指令碼 組成，指令碼長度多為816個(gè)比

12、特，傳送多字節(jié)遙控協(xié)議時(shí)效率偏低，而增 加指令碼的長度不利于接收器同步，為此本設(shè)計(jì)選用一種面向字節(jié)的幀結(jié)構(gòu)， 采 用類似于異步串行通信的幀結(jié)構(gòu)，每幀由一個(gè)起始位（二進(jìn)制數(shù)0） 、8個(gè)數(shù)據(jù)位和2個(gè)停止位（二進(jìn)制數(shù)1 ）構(gòu)成，如圖3.2所示。每幀傳送1個(gè)字節(jié) 的數(shù)據(jù)，幀與幀間隔大于2ms，幀結(jié)構(gòu)不含地址信息，尋址問題由高層協(xié)議解決 8。圖3.2數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)示意圖由于紅外光存在反射，在全雙工的方式下發(fā)送的信號也可能會被本身接收, 因此，紅外通信應(yīng)采用異步半雙工方式，即通信的某一方發(fā)送和接收是交替進(jìn)行 的。2、紅外遙控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：紅外遙控系統(tǒng)主要分為調(diào)制、發(fā)射和接收三部分，如圖3.3所示:圖3.33、調(diào)制

13、:紅外遙控發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)采用調(diào)制的方式，即把數(shù)據(jù)和一定頻率的載波進(jìn)行 與”操作，這樣可以提高發(fā)射效率和降低電源功耗。調(diào)制載波頻率一般在30khz到60khz之間，大多數(shù)使用的是38kHz，占 空比1/3的方波，如圖3.4所示，這是由發(fā)射端所使用 455kHz晶振決定的。 在發(fā)射端要對晶振進(jìn)行整數(shù)分頻，分頻系數(shù)一般取12，所以455kHz十1237.9 kHz 38kHz。4、發(fā)射系統(tǒng)：目前有很多種芯片可以實(shí)現(xiàn)紅外發(fā)射，可以根據(jù)選擇發(fā)出不同種類的編碼。 由于發(fā)射系統(tǒng)一般用電池供電，這就要求芯片的功耗要很低，芯片大多都設(shè)計(jì)成可以處于休眠狀態(tài)，當(dāng)有按鍵按下時(shí)才工作， 這樣可以降低功耗芯片所用的晶振應(yīng)該有

14、足夠的耐物理撞擊能力，不能選用普通的石英晶體，一般是選用陶瓷共鳴器，陶 瓷共鳴器準(zhǔn)確性沒有石英晶體高，但通常點(diǎn)誤差可以忽略不計(jì)紅外線通過紅外發(fā)光二極管(LED)發(fā)射出去，紅外發(fā)光二極管內(nèi)部材料和普通發(fā)光二極管不同，在其兩端施加一定電壓時(shí)，它發(fā)出的是紅外線而不是可見光圖3.5A簡單驅(qū)動電路圖3.5B射擊輸出驅(qū)動電路如圖3.5A和圖3.5B是LED的驅(qū)動電路，圖3a是最簡單電路，選用元件時(shí)要注意三極管的開關(guān)速度要快，還要考慮到LED的正向電流和反向漏電流，一般流過 LED的最大正向電流為100mA，電流越大，其 發(fā)射的波形強(qiáng)度越大。圖3.5A電路有一點(diǎn)缺陷，當(dāng)電池電壓下降時(shí)，流過LED的電流會降低

15、，發(fā)射波形強(qiáng)度降低，遙控距離就會變小。圖2.5B所示的射極輸出電路可以解決這個(gè)問題，兩個(gè)二極管把三級管基極電壓鉗位在 1.2V左 右，因此三級管發(fā)射極電壓固定在 0.6V左右，發(fā)射極電流IE基本不變，根據(jù)IEIC所以流過LED的電流也基本不變，這樣保證了當(dāng)電池電壓降低時(shí)還可以保證一定的遙控距離。5、一體化紅外接收頭：紅外接收電路通常被廠家集成在一個(gè)元件中，成為一體化紅外接收頭。內(nèi)部電路包括紅外監(jiān)測二極管，放大器，限副器，帶通濾波器，積分電路， 比較器等。紅外監(jiān)測二極管監(jiān)測到紅外信號，然后把信號送到放大器和限幅器， 限幅器把脈沖幅度控制在一定的水平，而不論紅外發(fā)射器和接收器的距離遠(yuǎn)近。 交流信號

16、進(jìn)入帶通濾波器，帶通濾波器可以通過30khz到60khz的負(fù)載波，通 過解調(diào)電路和積分電路進(jìn)入比較器，比較器輸出高低電平，還原出發(fā)射端的信號 波形。注意輸出的高低電平和發(fā)射端是反相的， 這樣的目的是為了提高接收的靈 敏度。一體化紅外接收頭，如圖3.6所示：圖3.6紅外接收頭紅外接收頭的種類很多，引腳定義也不相同，一般都有三個(gè)引腳，包括供 電腳，接地和信號輸出腳。根據(jù)發(fā)射端調(diào)制載波的不同應(yīng)選用相應(yīng)解調(diào)頻率的接收頭。本設(shè)計(jì)選擇HX1383，因?yàn)槠湫詢r(jià)比較高，且易于購得，如圖3.7 :1838體比力能搖應(yīng)決紅外樓攻述7T金屬盍圖3.7紅外接收頭內(nèi)部放大器的增益很大，很容易引起干擾，因此在接收頭的供電

17、腳上須加上濾波電容，一般在 22uf以上。有的廠家建議在供電腳和電源之間接入 330歐電阻，進(jìn)一步降低電源干擾。6、紅外編碼格式：遙控發(fā)射器專用芯片很多，紅外遙控的編碼目前廣泛使用的是：NEC Protocol的PWM（脈沖寬度調(diào)制）和Philips RC-5 ProtocoI的PPM,本設(shè)計(jì)基于NEC協(xié)議。 其編碼特征如下： 、8位地址和8位指令長度； 、地址和命令2次傳輸（確保可靠性） 、PWM脈沖位置調(diào)制，以發(fā)射紅外載波的占空比代表“ 0”和“1”； 、載波頻率為38Khz ; 、位時(shí)間為1.125ms 或2.25ms ;NEC碼的位定義：一個(gè)脈沖對應(yīng)560us的連續(xù)載波，一個(gè)邏輯 1傳輸需要2.25ms（560us脈沖+1680us 低電平），占空比1/4 ;一個(gè)邏輯0的傳輸需要1.125ms（560us 脈沖+560us 低電平），占空比1/2。而遙控接收頭在收到脈沖的時(shí)候?yàn)榈碗娖?，在沒有脈沖的時(shí)候?yàn)楦唠娖?，這樣，我們在接收頭端收到的信號為：邏輯1應(yīng)該是560us低+1680us高，邏輯0應(yīng)該是560us低+560us 高。如圖 3.8圖3.8NEC遙控指令的數(shù)據(jù)格式為：同步碼頭、地址碼、地址反碼、控制碼、控制反碼。同步碼由一個(gè)9ms的低電平和一個(gè)4.5ms的高電平組成，地址碼、地址反碼、控制碼、控制反碼 均是8位數(shù)據(jù)格式。按照低