基于指紋識別的往返跑控制系統(tǒng)方案

1、 PAGE4 / NUMPAGES28科技學院2013屆本科畢業(yè)論文（設計）論文題目：基于指紋識別的往返跑控制系統(tǒng)學生： 夢杰所在院系： 機電學院所學專業(yè)： 應用電子技術教育導師： 邵鋒完成時間：2013年05月18日摘 要在傳統(tǒng)的往返跑體育訓練和比賽中,教練或者裁判以觀測掐表的方式來測取運動員成績,這樣不僅存在較大的誤差,甚至誤判,而且工作人員勞動強度大和效率低。為解決這些難點，系統(tǒng)采用以簡單易用的ZFM-206指紋識別模塊采集運動員信息，以成本較低、應用廣泛、易于程序燒錄的STM32F103C8T6和ATMEL89S51為核心控制，以測量圍廣、檢測時間短、精度高的激光掃描運動員的通過信息，

2、以功耗低、方便實用的nRF905射頻收發(fā)器進行起點與折返點的通信，以LED顯示電路進行計數(shù)與顯示，來自動且精準的完成運動員的成績測試。這樣既可減輕教練或裁判的工作量，又能提高了工作效率與質量。關鍵字：往返跑，激光掃描，指紋識別，通訊，nRF905AbstractSports training and competition in the traditional shuttle run, coach or referee is measured observation pinch table to take the athletes performance, so that not only t

3、here is a big error, or even miscarriage of justice, and the labor intensity and low efficiency. In order to solve these difficulties, the system uses the ZFM-206 easy-to-use fingerprint recognition module acquisition athletes, as the core control to lower-cost, widely used, the easy program burn ST

4、M32F103C8T6 and ATMEL89S51, wide measurement range, short detection time high precision laser scanning athletes through information, low power consumption, convenient and practical nRF905 RF transceiver starting point turnaround point communication count and display, LED display circuit, automatic a

5、nd accurate completion of athletes testing . This will lighten the workload of the coach or referee, but also improve work efficiency and quality.Keywords: shuttle run, laser scanning, fingerprint recognition, communication, nRF905目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc3559534441 緒論 PAGEREF _Toc3559534

6、44 h 1HYPERLINK l _Toc3559534452 系統(tǒng)總體設計方案 PAGEREF _Toc355953445 h 1HYPERLINK l _Toc3559534462.1 起點控制系統(tǒng) PAGEREF _Toc355953446 h 1HYPERLINK l _Toc3559534472.2 折返點控制系統(tǒng) PAGEREF _Toc355953447 h 2HYPERLINK l _Toc3559534483 各單元電路設計 PAGEREF _Toc355953448 h 2HYPERLINK l _Toc3559534493.1 電源電路設計 PAGEREF _Toc35

7、5953449 h 2HYPERLINK l _Toc3559534503.2 指紋識別電路設計 PAGEREF _Toc355953450 h 3HYPERLINK l _Toc3559534513.2.1 ZFM-206模塊簡介 PAGEREF _Toc355953451 h 3HYPERLINK l _Toc3559534523.2.2 ZFM-206模塊工作原理 PAGEREF _Toc355953452 h 3HYPERLINK l _Toc3559534533.2.3 ZFM-206模塊硬件設計 PAGEREF _Toc355953453 h 4HYPERLINK l _Toc35

8、59534543.3 單片機的選用與最小系統(tǒng)設計設計 PAGEREF _Toc355953454 h 5HYPERLINK l _Toc3559534553.3.1 起點單片機控制電路設計 PAGEREF _Toc355953455 h 6HYPERLINK l _Toc3559534563.3.2 折返點單片機控制電路設計 PAGEREF _Toc355953456 h 6HYPERLINK l _Toc3559534573.4 激光掃描電路的設計 PAGEREF _Toc355953457 h 7HYPERLINK l _Toc3559534583.4.1 激光發(fā)射管與光敏接收管的選擇 P

9、AGEREF _Toc355953458 h 8HYPERLINK l _Toc3559534593.4.2 激光掃描電路的設計與工作原理 PAGEREF _Toc355953459 h 8HYPERLINK l _Toc3559534603.5 計時顯示模塊的電路設計 PAGEREF _Toc355953460 h 8HYPERLINK l _Toc3559534613.5.1 74LS245芯片介紹 PAGEREF _Toc355953461 h 9HYPERLINK l _Toc3559534623.5.2 四位數(shù)碼管顯示模塊 PAGEREF _Toc355953462 h 9HYPER

10、LINK l _Toc3559534633.5.3 數(shù)碼管的驅動方式 PAGEREF _Toc355953463 h 10HYPERLINK l _Toc3559534643.6 無線傳輸模塊的電路設計 PAGEREF _Toc355953464 h 10HYPERLINK l _Toc3559534653.6.1 nRF905模塊簡介 PAGEREF _Toc355953465 h 11HYPERLINK l _Toc3559534663.6.2 無線傳輸模塊系統(tǒng)的硬件設計 PAGEREF _Toc355953466 h 12HYPERLINK l _Toc3559534673.6.3 無線

11、傳輸模塊系統(tǒng)的軟件設計 PAGEREF _Toc355953467 h 13HYPERLINK l _Toc3559534684 輔助電路的設計 PAGEREF _Toc355953468 h 14HYPERLINK l _Toc3559534695 系統(tǒng)軟硬件調試 PAGEREF _Toc355953469 h 15HYPERLINK l _Toc3559534705.1 起點設備調試 PAGEREF _Toc355953470 h 15HYPERLINK l _Toc3559534715.2 折返點設備調試 PAGEREF _Toc355953471 h 15HYPERLINK l _To

12、c3559534726 結束語 PAGEREF _Toc355953472 h 15HYPERLINK l _Toc355953473致 PAGEREF _Toc355953473 h 16HYPERLINK l _Toc355953474參考文獻 PAGEREF _Toc355953474 h 17HYPERLINK l _Toc355953475附錄 1 電路總圖 PAGEREF _Toc355953475 h 18HYPERLINK l _Toc355953476附錄 2 部分子程序 PAGEREF _Toc355953476 h 201 緒論隨著社會的發(fā)展、科技的進步，人們生活水平不斷

13、的提高，人們在追求舒適生活的同時，也沒有忘記對身體素質的提高。尤其是2008年奧運會的成功召開，人們已把體育運動當做成一種時尚來追求，而跑步更是人們所青睞的運動之一。所以，很多集體場所（例如學校、軍隊、體育場等）出現(xiàn)了跑步訓練熱潮，且對于訓練的成績測試也有了越來越高的要求。人們采取各種各樣的訓練與成績測試，大多方法并不系統(tǒng)也不專業(yè)，例如人們用肉眼觀察掐秒表的方式來進行對運動員的成績考核，這些人力考核方式給教練或裁判較大的工作量，且不能有效的準確的測取運動員的成績。針對這些問題，本文設計的系統(tǒng)要求具有自動程度高、測取成績精確、勞動量小、成本低且方便實用等特點。2 系統(tǒng)總體設計方案根據控制要求,該

14、控制系統(tǒng)要對運動員是否通過起點與折返點的信息進行實時監(jiān)控,那么就必須將控制系統(tǒng)分為起點與折返點兩部分。因為系統(tǒng)要求具備自動身份識別功能，所以在起點設備中裝備了指紋識別系統(tǒng),通過無線傳輸模塊，達到起點與折返點的實時通訊，從而完成往返跑自動控制。2.1 起點控制系統(tǒng)起點設備主要有起點激光發(fā)射器和起點激光接收器兩大部分組成。我們在起點接收器上裝備上指紋識別系統(tǒng)對運動員的指紋信息進行采集，當運動員通過起點時，起點的激光掃描電路掃描到運動員的通過信息，起點接收器將這個信號傳送到對應的CPU部進行處理。與此同時，起點CPU同時發(fā)出對計時顯示電路和起點無線收發(fā)器的對應指令，計時顯示電路開始計時，并且起點無線

15、收發(fā)器將相對應的數(shù)據通過無線傳輸模塊發(fā)送給折返點設備。起點設備系統(tǒng)設計方框圖如圖1所示。圖 SEQ 圖表 * ARABIC 1 起點控制系統(tǒng)方框圖起點發(fā)射器起點激光發(fā)射模塊起點接收器無線傳輸模塊起點激光接收模塊CPU指紋識別模塊計時顯示模塊2.2 折返點控制系統(tǒng)折返點設備跟起點設備較為相似，折返點不需要指紋采集模塊與計時計數(shù)電路。它也包括折返點發(fā)射器和折返點接收器兩大部分。當運動員通過折返點，折返點的激光掃描電路掃描到運動員的通過信號，折返點接收器將這個信號傳送到對應的CPU部進行處理,同時發(fā)送指令給對應的折返點無線傳輸模塊，折返點收發(fā)器將相對應的信號通過無線傳輸送給起點設備。折返點設備系統(tǒng)設

16、計方框圖如圖2所示。折返點發(fā)射器折返點激光發(fā)射模塊折返點接收器CPU無線傳輸模塊折返點激光接收模塊圖 SEQ 圖表 * ARABIC 2 折返點控制系統(tǒng)方框圖3 各單元電路設計3.1 電源電路設計在本文設計的控制系統(tǒng)中，由于涉與到很多模塊需要單獨的供電模塊，結合到實際中應用，可將生活中較容易獲取的干電池電壓，經過MS1117-3.3串聯(lián)線性穩(wěn)壓芯片，結合電容濾波后得到更為平穩(wěn)的3.3V電壓，用來為本系統(tǒng)中指紋識別模塊和無線傳輸模塊供電。其原理圖如圖3所示。C34、C36、C35、C33都是濾波電容，LED0為電源工作指示燈。圖 SEQ 圖表 * ARABIC 3 電源電路3.2 指紋識別電路設

17、計如今的科技發(fā)展，人類的身份識別技術比較多，我們熟知的都有人臉識別、指紋識別、視網膜識別更甚者有DNA識別，如此之多的身份識別技術總體而言較為復雜，造價成本高。只有指紋識別技術較為成熟，識別度高，簡單實用，所以本文中采用ZFM-206指紋采集模塊對運動員的身份進行識別。3.2.1 ZFM-206模塊簡介ZFM-206系列光學指紋模塊是指安科技推出的穩(wěn)定量產的產品，其產品是以高性能DSP處理器AS601為核心，結合光學指紋傳感器，在無需上位機參與管理的情況下，具有指紋錄入、圖像處理、指紋對比、搜索和模板儲存的智能型模塊1。其實物圖如圖4所以。ZFM-206對比與同系列產品，它具有以下優(yōu)點：（1）

18、更人性化的窗口手指觸摸感應，功耗極低，操作方便；（2）有較高的靈敏度，無論是干濕手，都能進行準確的對指紋的識別與判斷，這一點對于運動員來將相當實用；（3）采用紅色的LED高亮光源組件，可達0光衰，延長使用壽命。（4）指紋識別性能優(yōu)，無指紋圖形畸變，且可支持360的旋轉任意角度識別，使用起來更為方便（5）有較高靈活性，可自定義15級的安全等級，適用于不同的應用場合與環(huán)境以與還具有密碼功能等等。具有這些優(yōu)點，并且市場售價并不是太高。圖 4 ZFM-206指紋識別模塊實物圖3.2.2 ZFM-206模塊工作原理人類出生7個月后，表皮指紋紋理就完全定型，保持終生不變，并且每個人的紋路都是不一樣的?；?/p>

19、這一特征，我們就可以對運動的指紋與提前保存下來的指紋進行比較，對比其相符性來確定運動員的身份。ZFM-206模塊主要功能包括指紋登記和指紋識別。指紋登記主要包括指紋采集、指紋圖像預處理、指紋特征提取、指紋特征模板存儲和輸出顯示；指紋識別與指紋登記的前三步是一樣的，完成指紋采集、預處理、特征提取后，將生成的指紋特征模塊與登記時的特征模塊進行匹配，最后輸出匹配結果。ZFM-206模塊的工作基本流程圖如圖5所示。圖 5 ZFM-206模塊工作基本流程圖指紋采集指紋采集質量評估質量評估預處理預處理特征處理特征處理指紋數(shù)據庫結果輸出特征對比登記識別指紋指紋不合格不合格合格合格ZFM-206模塊的通過特殊

20、的光學組件（同理照相機的拍照功能），可以清晰的獲得手指的指紋圖像，然后通過指紋算法提取指紋圖像中的特征，用來代表指紋的信息。ZFM-206模塊的提取的指紋特征大小為256Bytes，2個特征文件合成一個512Bytes的指紋模板文件。然后進行指紋處理，指紋處理有指紋對比（1:1）和指紋識別（1：N）兩種方式。指紋登記時，對運動員指紋進行兩次錄入，將兩次錄入圖像進行預處理，合成指紋模板存儲于指紋數(shù)據庫。指紋識別是對運動員的指紋圖像錄入處理后與數(shù)據庫信息搜索進行1:1對比，從而輸出結果。3.2.3 ZFM-206模塊硬件設計ZFM-206模塊即可以串行通訊，也可以用USB進行通訊。為了方便與單片機

21、通訊，本文中采用串行通訊。串行通訊時，模塊采用一個單排4芯間距為1.27mm的單排插座，引腳功能如表1所示。表 1 ZFM-206引腳功能說明引腳號名稱類型功能描述1Vinin電源正輸入端。（淺色：紅）2TDout串行數(shù)據輸出。TTL邏輯電平。（淺色：綠）3RDin串行數(shù)據輸入。TTL邏輯電平。（淺色：白）4GND-信號地。部與電源地連接。（淺色：黑）注：類型欄中，in表示輸入到模塊，out從模塊輸出。此模塊通過串行通訊接口，可直接與3.3V或5V電源的單片機進行通訊：模塊的數(shù)據輸出端（2腳TD）接單片機的RXD端，模塊數(shù)據接收端（3腳RD）接單片機的TXD端，1腳接+3.3V電源，4腳接地。

22、ZFM-206采用串口方式與單片機通訊，那么必須遵循其串行協(xié)議。采用半雙工也不串行通訊。默認波特率為57600bps，可以通過命令設置為9600115200bps。傳送的幀格式為10位，一位0電平起始位，8位數(shù)據位（低位在前）和一位停止位，無校驗位，如圖6所示。圖 6 ZFM-206串行通訊協(xié)議和上位機通訊時，由于上位機電壓較高，通常用一個電平轉換電路，采用MAX232轉化接頭,ZFM-206就可以和上位機進行通訊了。MAX232芯片是美信公司專門為電腦的RS-232標準串口設計的接口電路,使用+3.3V單電源供電。由于MAX232是個比較成熟的轉換器件，在這里就不對MAX232進行詳細介紹。

23、其接口轉換電路如7圖所示。圖 7 ZFM-206與上位機串口通訊電平轉換ZFM-206模塊觸摸感應信號輸出，高電平有效。當運動員的手指未接觸到采集窗口上的觸摸屏時，觸摸信號為低電平；當手指接觸到采集窗口的觸摸屏上，觸摸信號輸出變化為高電平。該信號送給單片機，單片機喚醒指紋識別模塊，指紋模塊開始工作。因為ZFM-206模塊平時只給觸摸感應電路供電，因此功耗低，基于這一點，不用擔心其功耗問題，所以它只有工作于不工作兩種狀態(tài)，沒有休眠狀態(tài)。當有觸摸信號輸入時，模塊開始工作，若不需要工作時，斷開模塊電源既可。3.3 單片機的選用與最小系統(tǒng)設計設計由于本論文設計的系統(tǒng)中起點控制系統(tǒng)同時包含了指紋識別模塊

24、和無線傳輸模塊，并且這兩個模塊都牽涉到了串口通訊，而折返點則沒有指紋識別模塊，所以起點采用不同于折返點的控制芯片,分別控制起點和折返點設備。3.3.1 起點單片機控制電路設計由于指紋識別模塊和上位機通訊都要用到串口通訊，選擇的芯片必須包含2個或兩個以上的串口。STM32F103C8T6芯片就可滿足本部分系統(tǒng)設計要求，并且STM32F103C8T6功能強大，外設配置豐富，性價比高。所以在本部分系統(tǒng)電路中采用STM32F103CT6作為主控芯片，它屬于增強型的，32位基于ARM核心Cortex-M3 CPU,工作電壓為2.03.6V，帶512字節(jié)閃存程序存儲器的微控制器，高達64K字節(jié)的SRAM，

25、最高72MHz工作頻率,3個12位模數(shù)轉換器，1s的轉換時間，2通道12位的D/A轉換器，12通道DMA控制器，有80個快速I/O端口，多達4個16位的定時器，每個定時器有多達4個用于輸入捕獲、輸出比較、PWM或脈沖計數(shù)的通道和增量編碼器輸入，2個16位帶死區(qū)控制和緊急剎車，用于電機控制的PWM高級控制定時器，2個看門狗，有13個通信接口，2個IC接口，5個USART接口，3個SPI接口，CAN接口，USB 2.0全速接口， SDIO接口。這些豐富的外設配置，使得STM32F103C8T6大容量增強型系列微控制器適合于多種應用場合，如：電機驅動和應用控制、醫(yī)療和手持設備、PC游戲外設和GPS平

26、臺，工業(yè)應用有可編程控制器（PLC）、變頻器、打印機和掃描儀、警報系統(tǒng)、視頻對講，和暖氣通風空調系統(tǒng)等。有各種低功耗模式。使用方便，開發(fā)工具十分簡單2。單片機若要正常工作，都需要一個最小系統(tǒng)輔助芯片來完成對外圍電路的控制，STM32單片機小系統(tǒng)包括：= 1 * GB3復位電路 = 2 * GB3振蕩電路 = 3 * GB3供電電路。STM32的最小系統(tǒng)如圖8所示。圖 8 STM32單片機最小系統(tǒng)3.3.2 折返點單片機控制電路設計本論文中單片機采用的是由ATMEL公司所生產的低功耗，高性能CMOS 8位的AT89S51單片機，是市場上最為常見的單片機之一。其含4kb的可系統(tǒng)編程的Flash只讀

27、程序存儲器，器件采用ATMEL公司高密度，非易失性存儲技術生產，兼容標準8051指令系統(tǒng)與引腳。其功能強大，高性能，低價位，易用強等優(yōu)點受到廣大顧客的青睞。AT89S51具有以下特點: (1)4k Bytes Flash片程序存儲器；(2)128 bytes的隨機存取數(shù)據存儲器（RAM）；(3)32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口；(4)2個中斷優(yōu)先級、2層中斷嵌套中斷；(5)6個中斷源；(6)2個16位可編程定時器/計數(shù)器；(7)2個全雙工串行通信口；(8)看門狗（WDT）電路；(9)片振蕩器和時鐘電路；(10)與MCS-51兼容；(11)全靜態(tài)工作：0Hz33MHz；(12)三級程序存儲器

28、鎖定；(13)可編程串行通道；(14)低功耗的閑置和掉電模式4。其引腳功能在本論文就不一一介紹了,若需要,請查看相關資料。在折返點控制系統(tǒng)中，采用AT89S51芯片作為控制核心，無線收發(fā)模塊和激光掃描電路的控制是由AT89S51芯片來完成的。所以我們需要做一個最小系統(tǒng)來配合完成各部分電路工作。對于51系列單片機來講，單片機正常工作必須有五個基本電路：電源電路、時鐘電路、復位電路、程序存儲器選擇電路、外圍電路。所以說要做最小系統(tǒng)，應包括單片機、晶振電路和復位電路三個部分，然后配合外圍電路，就可以完成系統(tǒng)的運行。圖 9 AT89S51最小系統(tǒng)如圖9，AT89S51的第40腳為單片機的電源輸入端，其

29、工作電壓為3.3V5V，我們接入+3.3V電壓，第20腳為GND接地腳。第9腳為芯片的復位信號輸入端，當開機或者是開機中因干擾而使程序失控，使程序處于死循環(huán)狀態(tài)情況下需要復位。單片機的復位靠外部電路來實現(xiàn)，信號從RST端輸入，高電平有效，只要能保持15腳高電平兩個機器周期，單片機就能正常復位。常見的復位方式有兩種，一種是上電復位(自動復位),另一種是按鍵復位(手動復位)，我們采用的是上電自動復位。AT89S51單片機是一種時序電路，必須有時終信號才能正常工作。時鐘信號可由晶振電路來提供，AT89S51的18腳和19腳分別為單芯片的時鐘反向放大器輸出端與輸入端，在兩端接入晶振，配合兩個20PF瓷

30、片電容就可以得到單片機所需要的時鐘信號。芯片的31腳（EA）為部與外部程序存儲器選擇輸入端。AT89S51部含4kb的程序存儲器，所以通常接高電平，CPU先訪問片ROM，執(zhí)行部程序存儲器中的指令，當程序計數(shù)器超過0FFFH時，將自動轉向片外程序存儲器，執(zhí)行1000H后的指令。若EA接低電平時，無論片是否有程序存儲器，CPU只訪問片外程序存儲器,這里我們采用接高電平的方式。簡單的外圍電路設計完成，既可配合外圍電路工作。3.4 激光掃描電路的設計激光掃描電路設備就是在跑道的兩端，分別放上激光發(fā)射裝置和激光接收裝置，通過檢測運動員是否通過起點或者折返點，從而捕獲信息，送給單片機部進行處理。所以激光掃

31、描電路是兩個分離的單獨部分。在檢測技術上，我們選擇激光作為掃描檢測是因為激光具備普通光線所不具備的特點，即單色性好、相干性好、方向性好以與高亮度。3.4.1 激光發(fā)射管與光敏接收管的選擇由于每種光敏發(fā)射器和接收器都有自己的發(fā)射波長和接收波長的圍值,激光也是一樣,所以在選擇材料上要稍加留心,避免兩種期間不匹配造成激光發(fā)射后不能接收的問題。常用的激光管波長有很多種，在本系統(tǒng)中，我們選擇波長為650nm的、小功率的、紅色點狀半導體銅頭激光管進行發(fā)射激光。接收部分我們采用XL245PT光敏二極管，其接收波長為361000nm，能夠滿足設計要求。而且可見與不可見光均能檢測，所以使用起來比較方便。3.4.

32、2 激光掃描電路的設計與工作原理激光掃描電路模塊分為兩個部分，即激光發(fā)射電路和激光接收電路，分別分布在跑道兩旁,接收部分的光敏管若要對發(fā)射部分的發(fā)射管發(fā)射的激光進行精準檢測，就必須嚴格控制兩部分裝置的位置,對其進行反復的校準調試。單從電路方面來看，是比較簡單的。為發(fā)射模塊和接收模塊提供3.3V電壓，發(fā)射模塊串入300歐的電阻對激光管分壓,激光發(fā)射管得到額定圍電壓,就會發(fā)出一束激光，打到跑道對面的光敏管上。光敏接收管是一個型號為XL245PT的光敏二極管，光敏二極管相當于一個光敏電阻，它的阻值隨光照條件而變化。當在沒有光照條件下，光敏二極管等同于一個無窮大電阻；當有激光照射下，光敏二極管的電阻隨

33、之減小?；谶@一特性，我們將其與一個10Kb的電阻串聯(lián)，然后接入3.3V電源，取光敏二極管非接地端電位送入單片機I/O口進行掃描電路的控制與檢測。激光掃描電路的發(fā)射與接收電路圖如圖10所示。在正常激光發(fā)射與接收情況下，激光不受阻擋，光敏二級管正常接收到激光發(fā)射器發(fā)送來的激光，其阻值隨光照而急劇減小，所以光敏二極管分壓非常小，光敏二級管的非接地端電位也非常低，不足以觸發(fā)單片機工作。當運動員通過起跑線時，阻隔到激光束，此時的光敏二極管阻值很大，因此分壓也很高，此時光敏二極管的非接地端就發(fā)送一個高電平給單片機，使其工作。圖 10 激光掃描電路的發(fā)射與接收3.5 計時顯示模塊的電路設計計時顯示模塊的任

34、務就是要對運動員的成績進行實時的計時，考慮到實用圍，我們采用4位一體的連體數(shù)碼管作為顯示模塊，其顯示圍為00.0099.99S。因為數(shù)碼管是無法單獨工作的，必須配備一定的驅動芯片配合使用。市場上數(shù)碼管的驅動芯片有很多，本系統(tǒng)中考慮到性價比，采用74LS245。3.5.1 74LS245芯片介紹74LS245是一個8路同相三態(tài)雙向總線收發(fā)器，可雙向傳輸，常用來驅動LED顯示以與其他設備。74LS245既可以輸出數(shù)據，也可以輸入數(shù)據，這就是它的另外一個功能即雙向三態(tài)功能！其引腳圖如圖11所示。圖 11 74LS245引腳圖引腳介紹：A總線端 B總線端 /G三態(tài)允許端 DIR方向控制端當單片機的I/

35、O口總線負載達到或超過I/O口的最大負載能力時必須接入74LS245總線驅動器。當三態(tài)允許端/G低電平有效時，DIR=“0”，信號由B向A傳輸，即為信號接收； DIR=“1”，信號由A向B傳輸，即為信號發(fā)送。當三態(tài)允許端/G高電平有效時，A、B均為高阻態(tài)。3.5.2 四位數(shù)碼管顯示模塊現(xiàn)在的市場上顯示器件有很多,在諸多顯示電路當中,四位一體的連體數(shù)碼管顯示電路較為簡單,成本也較低,有比較廣泛的應用,所以本論文中的顯示模塊采用四位一體的LED顯示。四位數(shù)碼顯示由四個單獨由發(fā)光二極管封裝在一起組成的“8“字形的電子器件，分別有a、b、c、d、e、f以與dp點八段組成。按發(fā)光二極管單元連接方式分為共

36、陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。共陽極是將所對應的所有發(fā)光二級管的陽極連在一起，陽極為高電平時工作；共陰極與共陽極相反。LED的驅動方式有兩種,一種是靜態(tài)驅動（直流驅動）,另一種是動態(tài)驅動,在本文中將采用后一種驅動方式,我們將在下文中對數(shù)碼管的驅動方式進行詳細的介紹。在此之前我們先要了解四位數(shù)碼管部連接結構,它是將單個數(shù)碼管的同名端連在一起，將公共極D1、D2、D3、D4作為四個選位端。四位數(shù)碼管部連線如圖12所示。圖 12 四位一體數(shù)碼管部接線圖3.5.3 數(shù)碼管的驅動方式在上文中我們提到了數(shù)碼管有兩種驅動方式，分別是靜態(tài)驅動和動態(tài)驅動。（1）靜態(tài)驅動也稱直流驅動。靜態(tài)驅動是指每個數(shù)碼管的每一個段

37、碼都由一個單片機的I/O端口進行驅動。這種驅動的優(yōu)點是編程簡單，顯示亮度高，但是其占用I/O端口太多，占用資源太多，實際應用中很少用到。（2）數(shù)碼管動態(tài)驅動顯示是單片機中最為常用的一種驅動方式之一。動態(tài)驅動是將所有數(shù)碼管的8個顯示筆劃a、b、c、d、e、f、g、dp的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的I/O線控制，當單片機輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到一樣的字形碼，但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機對位選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。通過分時輪流控制各

38、個數(shù)碼管的的COM端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅動。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點亮時間為12ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象與發(fā)光二極管的余輝效應，盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據，不會有閃爍感，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I/O端口，而且功耗更低。所以在本系統(tǒng)中將數(shù)碼管的驅動方式將采用動態(tài)驅動的方式，其設計圖如圖13所示。圖 13 計時顯示電路3.6 無線傳輸模塊的電路設計在傳統(tǒng)的信號傳輸系統(tǒng)中，通常用導線來傳遞信號，在往返跑系統(tǒng)中，起點和折返點距離較遠，若用導線進行信號傳遞不僅浪費較多資源，并且導線傳

39、輸有如下弊端：（1）產生電磁干擾，（2）較長導線會存在較大的信號衰減，（3）混亂不堪的線路。隨著無線技術的迅速發(fā)展，無線技術代替了傳統(tǒng)的信號傳輸，而且相對于導線傳輸，不僅可以避免導線傳輸?shù)乃斜锥耍€具備自身的優(yōu)點，比如說更快更便捷、抗干擾能力強等等。nRF905射頻收發(fā)器就是這樣一款具備更快更便捷、抗干擾能力強的無線傳輸模塊，對于本系統(tǒng)是再好不過的選擇了。3.6.1 nRF905模塊簡介nRF905芯片是由挪威Nordic公司推出的單片射頻收發(fā)器。芯片的工作電壓為1.93.6V，32引腳QFN封裝，置硬件CRC檢錯和點對多點通信地址控制，工作在433/868/915MHz三個ISM頻段，頻

40、段之間收發(fā)模式切換時間小于650us。nRF905部由頻率合成器、接收解調器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等模塊組成，不外加聲表面濾波器也可以有良好的通訊效果。nRF905三個工作頻段中，433MHz是開放免費使用的，其最高工作速率達到50kbps，通訊距離可達300m左右，能夠滿足大多運動場的需求。1.93.6V的工作電壓，待機情況下，工作電流低至2.5uA，在以-10dB的功率發(fā)射時，工作電流也只有11MA，如此低功耗用戶再也不用為節(jié)能問題而煩惱了。收發(fā)模式之間的切換時間僅為650us，因此不會因為延時造成運動員成績的考核產生較大誤差。比賽場所一般都比較復雜，干擾大，而nRF905采用高

41、效的GFSK調制，大大提高了抗干擾能力。nRF905模塊是使用nRF905芯片開發(fā)而成。nRF905模塊的引腳接口如圖14所示，它的引腳功能如表2所以。圖 14 nRF905用戶接口電路管腳表 2 nRF905模塊用戶接口電路管腳功能說明管腳名稱管腳功能說明1VCC電源電源+3.33.6V DC2TX_EN數(shù)字輸入工作模式選擇3TRX_CE數(shù)字輸出使能芯片發(fā)射或接收4PWR_UP數(shù)字輸入芯片上電5uCLK時鐘輸出（未使用）6CD數(shù)字輸出載波檢測7AM數(shù)字輸出地址匹配8DR數(shù)字輸出接收或發(fā)射數(shù)據完成9MISOSPI接口SPI輸出10MOSISPI接口SPI輸入11SCKSPI接口SPI時鐘12C

42、SNSPI接口SPI使能13、14GND地接地nRF905模塊有兩種工作模式和兩種節(jié)電模式。工作模式包括ShockBurst接收模式和ShockBurst發(fā)射模式；節(jié)電模式包括關機模式和空閑模式。nRF905的工作模式由TRX_CE、TX_EN和PWR_UP三個引腳決定。nRF905模塊的模式控制如表3所示。表 3 nRF905模塊模式控制PWR_UPTRX_CETX_EN選擇模式0XX掉電與SPI編程模式10X待機與SPI編程模式110ShockBurst接收模式111ShockBurst發(fā)射模式nRF905模塊在ShockBurst工作模式的特點是自動產生前導碼和CRC檢驗碼，使用SPI接

43、口與微控制器通信，配置非常方便。下面給出了nRF905模塊的SPI串口接口的指令設置：#define WC 0 x00 /寫配置寄存器指令#define RC 0 x10 /讀配置寄存器指令#define WTP0 x20 /向TX_Payload寄存器寫入發(fā)送有效數(shù)據指令#define RTP 0 x21 /從TX_Payload寄存器讀取發(fā)送有效數(shù)據指令#define WTA0 x21 /向TX_Address寄存器寫入發(fā)送地址指令#define RTA 0 x23 /從TX_Address寄存器讀取發(fā)送地址指令#define RRP 0 x24 /從RX_Payload寄存器讀取接收到的

44、有效數(shù)據指令當CSN為低電平時，SPI接口開始等待下一條指令，任何一條指令均由CSN電平由高到低的轉換開始。硬件上面沒有SPI接口的單片機也可以控制nRF905模塊，可以使用普通單片機的I/O端口模擬SPI接口。3.6.2 無線傳輸模塊系統(tǒng)的硬件設計無線傳輸模塊的系統(tǒng)硬件設計分為起點和折返點兩部分，起點是以STM32F103C8T6單片機為控制核心，折返點是以AT89S51單片機為核心控制，通過I/O口對nRF905模塊的狀態(tài)口、模式接口和SPI接口進行控制的系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件設計如圖15所示7。模式控制2、13、14SPI接口5、6、9、10狀態(tài)輸出4、11、12P2.0-P2.2Nrf905高

45、頻頭單片機P2.3-P2.6P3.2-P3.3圖 15 無線系統(tǒng)硬件設計無線收發(fā)系統(tǒng)，無論是起點設備還是折返點設備，都是以單片機為基礎的控制器，其原理基本一樣，與nRF905模塊配合使用實現(xiàn)數(shù)據發(fā)送與接收功能。往返跑的無線傳輸系統(tǒng)是有一對的nRF905模塊組成的，它們相互傳遞的信息。發(fā)送端的微控制器通過將TRX_CE和TX_EN管腳同時置為高電平，控制發(fā)送端的nRF905模塊向外發(fā)送數(shù)據。接收端的微控制器將TRX_CE管腳置為高電平，而對TX_EN管腳置于低電平，接收端就由nRF905模塊接收數(shù)據。無線收發(fā)系統(tǒng)采用半雙工的通訊模式，可以實現(xiàn)兩臺單片機系統(tǒng)之間的雙向數(shù)據收發(fā)。3.6.3 無線傳輸

46、模塊系統(tǒng)的軟件設計A）無線發(fā)送系統(tǒng)軟件設計發(fā)送端的單片機將接收的地址和要發(fā)送的數(shù)據寫完后，就要控制nRF905模塊將數(shù)據發(fā)送出去，nRF905模塊在發(fā)送模式時會自動產生字頭和CRC檢驗碼。當發(fā)送過程結束后，nRF905模塊的數(shù)據傳輸完成管腳會通知單片機數(shù)據發(fā)送完畢。典型的nRF905模塊數(shù)據發(fā)送流程：（1）當微控制器要發(fā)送數(shù)據時，將接收機的地址和發(fā)送數(shù)據通過SPI接口按時序傳輸給NRF905模塊；（2）微控制器為NRF905的TRX_CE和TX_EN管腳同時提供高電平，nRF905工作模式啟動；（3）發(fā)送端的nRF905模塊發(fā)送過程處理：射頻寄存器開啟數(shù)據打包（加字頭和CRC校驗碼）數(shù)據包發(fā)送

47、發(fā)送結束，置DR腳為高電平。（4）如果AUTO_RETRAN被置為高電平，nRF905模塊默認為連續(xù)發(fā)送數(shù)據包，直到TRX_CE被置為低電平。（5）當TRX_CE被置低，NRF905發(fā)送過程完成，并自動進入空閑狀態(tài)。ShockBurstTM工作模式保證，一旦發(fā)送數(shù)據的過程開始，無論TRX_EN和TX_EN引腳是高或低，發(fā)送過程都會被處理完。只有在前一個數(shù)據包被發(fā)送完畢，NRF905才能接受下一個發(fā)送數(shù)據包。AT89S51控制nRF905數(shù)據發(fā)送流程圖如圖16（左）所示。B)無線接收系統(tǒng)軟件設計接收端的單片機控制nRF905模塊進入接收模式后，當nRF905模塊檢測到有同一頻段的載波信號且受到相

48、匹配的地址時，就開始數(shù)據包接收。當數(shù)據包正確接收完畢后，接收端的單片機在nRF905模塊處于待機狀態(tài)時通過SPI接口提取數(shù)據包中的有效接收數(shù)據。典型的nRF905模塊數(shù)據接收流程：（1）微控制器控為TRX_CE提供高電平，而降TX_EN設置為低電平，nRF905模塊進入接收模式；（2）650us后，nRF905模塊檢測傳過來的信息，準備接收數(shù)據;（3）當nRF905模塊檢測到與接收頻率胸痛的載波時，自動將載波檢測管腳（CD腳）置高；（4）當nRF905模塊接收到有效的地址時，自動將地址匹配管腳（AM腳）置高；（5）當一個正確的數(shù)據包接收完畢后，nRF905模塊自動去掉數(shù)據包的字頭、地址和CRC

49、校驗碼，然后將數(shù)據接收完成腳置為高電平；（6）微控制器將TRX_CE設置為低電平；（7）微控制器通過SPI接口以一定的速率提取數(shù)據包中的有效數(shù)據。（8）當所有的有效數(shù)據接收完畢，微控制器控制nRF905模塊數(shù)據接收完成管腳（DR腳）和地址匹配管腳（AM腳）為低電平，nRF905進入待機狀態(tài)。當正在接收一個數(shù)據包時，TRX_CE或TX_EN引腳的狀態(tài)發(fā)生改變，nRF905立即把其工作模式改變，數(shù)據包則丟失。當微處理器接到地址匹配引腳的信號之后，其就知道nRF905正在接收數(shù)據包，其可以決定是讓nRF905繼續(xù)接收該數(shù)據包還是進入另一個工作模式。AT89S51控制nRF905數(shù)據接收流程圖如圖16

50、（右）所示9。待機模式SPI寄存器配置啟動發(fā)送模式待機模式置DR,AM高電平接收數(shù)據包地址匹配信號置高啟動接收有同頻載波提取有效數(shù)據有數(shù)據發(fā)送？TRX_CE=1？數(shù)據發(fā)送結束？TRX_CE=0？AUTO_RETRAN=1NNNNNYYYYYTRX_CE=1?TX_EN=1?地址匹配？CRC正確？低NNNYYUYU圖 16 單片機控制nRF905的信號發(fā)送和接收流程圖4 輔助電路的設計考慮到電路的調試，可以在電路中接入一個蜂鳴器，用來報警系統(tǒng)中出現(xiàn)異常的情況。例如兩個模塊沒有對準，則蜂鳴器響，或者跑道有阻隔物，導致系統(tǒng)誤啟動，這時蜂鳴器長響，說明系統(tǒng)出現(xiàn)異常，則可以進行報修。同時，可以提示運動員

51、是否通過起點和折返點，由于運動員通過掃描點的速度比較快，蜂鳴器只是短暫的出現(xiàn)“滴”聲，可以起到提示效果。由于，每個運動員測試完畢后，下一個運動員再進行測試，必須進行清零，設計一個按鍵清零電路，當下一個運動員要進行成績測試時，由教練或者裁判進行手動清零。在記圈方面，我們通過簡單的發(fā)光二極管指示燈來顯示當前運動員所跑圈數(shù)即可。一般用5個發(fā)光管就能滿足日常測試要求，分別與300歐左右的電阻串聯(lián)，接在I/O口和VCC之間。這些輔助電路就不一一列舉出來，詳見電路總圖。5 系統(tǒng)軟硬件調試5.1 起點設備調試（1）首先對系統(tǒng)進行通電開機，對起點激光發(fā)射器和接收器校準調試，使起點的激光發(fā)射器對準起點的系統(tǒng)接收

52、器，若對準蜂鳴器不響則不響，若沒有對準，則蜂鳴器報警提示設備安裝有誤或者跑道有阻擋物；（2）開始測試前，事前校準好的激光裝置正常，蜂鳴器不響；（3）每次測試前必須由教練或裁判進行手動清零，清零時，不可有阻擋物阻隔激光信號。清零完畢由教練或判示意運動員上起跑線。（4）清零后，運動員上起跑線踩踏起跑線，蜂鳴器響，進入預備狀態(tài)，若運動員離開起跑線，計時開始，即時顯示電路開始工作。（5）每次測試必須踩著折返線后再返回來踩著起跑線，才算有效計圈，此時圈數(shù)加1，對應的圈數(shù)指示燈亮。當最后1圈跑回來踩踏到起跑線時，秒表計時結束，最后顯示的成績即為運動員的最終測設成績。5.2 折返點設備調試（1）和起點一樣，

53、首先對系統(tǒng)進行通電開機，對起點激光發(fā)射器和接收器校準調試，使起點的激光發(fā)射器對準起點的系統(tǒng)接收器，若對準蜂鳴器不響則不響，若沒有對準，則蜂鳴器報警提示設備安裝有誤或者跑道有阻擋物；（2）開始測試前，事前校準好的激光裝置正常，蜂鳴器不響；（3）每次踩線都有聲光提示，若中途激光裝置出現(xiàn)異常，沒有對準的情況下，蜂鳴器一直響提示設備出現(xiàn)異常。（4）每次踩踏折返線必須和起跑線配合，即有效的通過起跑線再踏折返線才能有效記圈。6 結束語經過兩個月的實驗與調試，以單片機為控制核心的基于指紋識別的往返跑控制系統(tǒng)已經調試成功了，達到了預期的設計要求并很好的實現(xiàn)各項功能。在本次設計過程中我學到了許多知識，培養(yǎng)了查閱

54、文獻、收集資料、理論分析、分析問題和解決問題的能力。提高自身實踐技能，達到理論知識和實際應用的統(tǒng)一，受益匪淺。設計知識在實際工程設計環(huán)節(jié)中必不可少，感覺到自己所學知識的優(yōu)勢與不足，覺得平時的知識積累的還不夠，仍然有好多東西需要去學習！今后要不斷地提高自身的綜合素質；同時認識到實踐也是一個不可缺少環(huán)節(jié)，只有不斷地通過理論與實踐相結合，不斷發(fā)現(xiàn)問題解決問題，才能創(chuàng)作出更好的設計作品。設計過程中使我對課題在理論上有了一個深層次的研究，開闊了自己的設計思路，也是對我在實踐環(huán)節(jié)中遇到問題的補充。本課題的研究雖然取得了一定的收獲，但在很多方面還有待于進一步的改進和完善。致這次設計是在指導老師的精心選題和耐

55、心指導下完成的。在課題選定、理論分析和方案確定上，導師給予我寶貴的建議，提供了大量的參考文獻，以他多年從事教育工作，老道的教學經驗，使在畢業(yè)設計上少走很多彎路。他和藹風趣，平易近人，溝通起來使人更加愉悅。在疑點、難點上，導師都會給我做認真的分析和耐心的講解，幫我解決了在設計中遇見的各種問題。在做畢業(yè)設計期間，還有其他老師的熱心關注與同學的鼎力幫助，有了他們，我才能克服各種困難，順利完成畢業(yè)設計和論文。在這里一并向他們表示感！最后，再次向各位領導、各位老師致以衷心的感！參考文獻1田捷.指紋識別技術的新進展J.自然科學發(fā)展，2006,16（4）,P762王永紅.STM32系列ARMCortex-M

56、3微控制器原理與實踐.航空航天大學,20083寧.基于MDK的STM32處理器開發(fā)應用M.,航空航天大學，20084 HYPERLINK :/search.dangdang /book/search_pub.php?category=01&key2=%C1%F5%BD%A8%C7%E5&order=sort_xtime_desc t _blank 建清.輕松玩轉51單片機(附光盤1) M. HYPERLINK :/search.dangdang /book/search_pub.php?category=01&key3=%B1%B1%BE%A9%BA%BD%BF%D5%BA%BD%CC%EC%

57、B4%F3%D1%A7%B3%F6%B0%E6%C9%E7&order=sort_xtime_desc t _blank 航空航天大學，20115黃智偉.全國大學生電子設計競賽系統(tǒng)設計M. :航空航天大學，20116朝清.單片機原理與接口技術(簡明修訂版).:航空航天大學,19997朝清.單片機原理與接口技術(第3版).:航空航天大學,20058郭梯云,數(shù)據傳輸.:人民郵電,19869蔡濤,無線通信原理與應用(第二版).:電子工業(yè),200210肖洪兵.跟我學用單片機.:航空航天大學,2002.811何立民.單片機高級教程.第1版.:航空航天大學，200112Meehan Joanne,Muir

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59、_semihosting) struct _FILE int handle; ; FILE _stdout; _sys_exit(int x) x = x; int fputc(int ch, FILE *f) while(USART1-SR&0X40)=0); USART1-DR = (u8) ch; return ch;#endif u8 USART_RX_BUF64; u8 USART_RX_STA=0; void uart_init(u32 bound) GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;USART_InitTypeDef USART_InitSt

60、ructure;NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1|RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; GPIO_Init(GPIOA, &GP