雷 明

(四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 圖信中心，四川 德陽 618000)

在多媒體教學(xué)普及的過程中，普遍存在如何將現(xiàn)代化教學(xué)設(shè)備和教師的課堂教學(xué)習(xí)慣有機(jī)結(jié)合的問題。目前大多數(shù)多媒體激光筆采用普通電池供電，如果電量不足則會影響使用。而激光筆多在配備了計(jì)算機(jī)的多媒體教室或會場使用，因此采用可充電鋰電池作為電源，利用計(jì)算機(jī)的USB接口直接給鋰電池充電，并且將充電部分直接集成到發(fā)射端上，整機(jī)體積小，攜帶方便。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由2個(gè)部分構(gòu)成:手持發(fā)射端和PC機(jī)接收端。手持發(fā)射端負(fù)責(zé)檢測按鍵并通過無線發(fā)送數(shù)據(jù)，PC機(jī)接收端接收到無線數(shù)據(jù)后通過USB接口向計(jì)算機(jī)發(fā)送命令。硬件系統(tǒng)框圖［1］如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)框圖

1.1 手持發(fā)射端

該部分硬件電路主要由鋰電池保護(hù)電路、充電電路、電源電路、激光二極管發(fā)光電路、主控芯片、按鍵與nRF24L01接口電路組成。鋰電池經(jīng)鋰電池保護(hù)電路、電源電路后給STC12LE4052AD單片機(jī)及后續(xù)其他電路供電。主控芯片負(fù)責(zé)檢測按鍵，并根據(jù)按鍵鍵值控制nRF24L01模塊發(fā)送數(shù)據(jù)。手持發(fā)射端硬件電路框圖如圖2所示。

圖2 手持發(fā)射端硬件電路框圖

主控芯片外圍電路主要包括晶振電路、復(fù)位電路及程序下載電路。由于該單片機(jī)程序下載使用串口直接下載程序，因此在電路設(shè)計(jì)時(shí)考慮到整體系統(tǒng)體積大小，沒有做TTL電平轉(zhuǎn)RS232電平的電路設(shè)計(jì)，只將單片機(jī)上的RXD、TXD和地線引出。實(shí)際使用時(shí)，單獨(dú)焊接一塊TTL電平轉(zhuǎn)RS232電平的模塊實(shí)現(xiàn)程序下載。STC12LE4052AD單片機(jī)采用高電平復(fù)位方式［2］。

1)功能鍵設(shè)置。在該部分電路中，共設(shè)計(jì)3個(gè)獨(dú)立按鍵，并且在普通的獨(dú)立按鍵上進(jìn)行改進(jìn)，使得有任意鍵按下時(shí)都能夠給單片機(jī)發(fā)送一個(gè)中斷信號。同時(shí)，為了使產(chǎn)生中斷信號時(shí)按鍵互不影響，將每個(gè)按鍵的輸出反向串聯(lián)二極管后接在中斷引腳上。為了降低按鍵時(shí)系統(tǒng)的功耗，按鍵電路里采用較大的電阻。

2)鋰電池充放電及其保護(hù)。鋰電池正常狀態(tài)下的放電電壓為3.7 V，在放電過程中電壓會逐漸減小。為了保障鋰電池不被損壞，且延長鋰電池壽命，鋰電池的最低放電電壓不能低于2.4 V、最高充電電壓不得高于4.2 V。本設(shè)計(jì)中采用DW01專用鋰電池電池管理芯片。

系統(tǒng)采用CN3062對單節(jié)鋰電池進(jìn)行恒流/恒壓充電，內(nèi)部固定的充電電壓為4.2 V，當(dāng)外部充電電源掉電時(shí)，CN3062自動(dòng)進(jìn)入低功耗睡眠模式，耗電電流小于3 mA。此外，電路設(shè)計(jì)有充電狀態(tài)指示燈，指示電池是否進(jìn)入充電狀態(tài)以及充電是否飽和。外接充電電源采用USB電源進(jìn)行充電。鋰電池充電電路如圖3所示。

圖3 鋰電池充電電路

3)nRF24L01無線模塊接口電路。nRF24L01無線模塊接口為標(biāo)準(zhǔn)8腳雙列直插排針接口，其中模塊使能端口CE接單片機(jī)的P1.2口、SPI使能端口CSN接P1.3口、SPI時(shí)鐘信號SCLK接P1.7(即單片機(jī)復(fù)用SCLK口)、SPI數(shù)據(jù)輸出端口MOSI接P1.5(即單片機(jī)復(fù)用 MOSI口)、SPI數(shù)據(jù)輸入端口MISO接 P1.6(即單片機(jī)復(fù)用 MISO口)、IRQ接 P3.3(即單片機(jī)外部中斷 1)［3］。

4)激光二極管發(fā)光電路。本設(shè)計(jì)采用650 nm激光二極管，其工作電壓1.5～2.5 V，工作電流小于100 mA，具體電路如圖4所示。

圖4 激光二極管發(fā)光電路

1.2 PC機(jī)接收端硬件設(shè)計(jì)

該部分硬件主要由主控芯片、nRF24L01模塊、USB接口等部分構(gòu)成。其中nRF24L01模塊負(fù)責(zé)接收手持端發(fā)送的數(shù)據(jù);USB接口采用PDIUSBD12專用USB接口芯片，負(fù)責(zé)向PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，以控制PC機(jī);RS232串口主要負(fù)責(zé)程序下載以及調(diào)試過程中調(diào)試信息顯示;主控芯片采用STC89C52RC單片機(jī)，主要負(fù)責(zé)控制nRF24L01模塊接收數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)和控制PDIUSBD12向PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。PC機(jī)接收端硬件電路框圖如圖5所示。

圖5 PC接收端硬件電路框圖

1)主控芯片外圍電路

考慮到單片機(jī)內(nèi)部FLASH大小以及IO口數(shù)量，本設(shè)計(jì)采用STC89C52RC，復(fù)位電路為高電平復(fù)位。主要外圍電路接口有 8個(gè) PDIUSBD12并行數(shù)據(jù)口 D0～D8，PDIUSBD12中斷口接單片機(jī)外部中斷0(即D12_INT接P3.2)。nRF24L01 模塊接口有 CE，CSN，SCK，MISO，MOSI，IRQ，分別接單片機(jī)P1口線，采用模擬SPI接口與nRF24L01進(jìn)行通信。

2)PDIUSBD12外圍電路

圖6 PDIUSBD12外圍電路

PDIUSBD12是帶并行總線的USB接口器件，符合通用串行總線USB 1.1版規(guī)范，集成了SIE FIFO存儲器、收發(fā)器以及電壓調(diào)整器，可與任何外部微控制器/微處理器實(shí)現(xiàn)高速并行接口2 MByte/s，具有良好EMI特性的總線供電能力，可通過軟件控制與USB的連接，具有內(nèi)部上電復(fù)位和低電壓復(fù)位電路［4］。本系統(tǒng)采用8位并口數(shù)據(jù)段與單片機(jī)相連，圖6中LED與PDIUSBD12的GL_N引腳相連，當(dāng)PDIUSBD12與計(jì)算機(jī)握手成功時(shí)會產(chǎn)生一個(gè)低電平脈沖信號，LED指示燈閃爍［5］。PDIUSBD12外圍電路如圖6所示。

圖7 USB數(shù)據(jù)接口及USB供電電路

3)USB接口電路及USB供電電路

USB數(shù)據(jù)接口及USB供電電路如圖7所示。系統(tǒng)從USB端口引出USB電源作為系統(tǒng)工作電源，圖7中R3電阻值為0 Ω，當(dāng)后續(xù)電路發(fā)生短路時(shí)，產(chǎn)生電流過大將燒壞電阻R3，斷開系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)的電源連接，從而保證了計(jì)算機(jī)的USB端口不被損壞。同時(shí)增加L1作為上電指示燈。

圖8 手持發(fā)射端軟件設(shè)計(jì)流程圖

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 手持發(fā)射端軟件設(shè)計(jì)

手持端軟件設(shè)計(jì)主要由按鍵檢測和nRF24L01無線數(shù)據(jù)發(fā)送兩大部分構(gòu)成，在系統(tǒng)初始化完成后啟動(dòng)定時(shí)器并循環(huán)檢測有無按鍵發(fā)生:如果沒有按鍵發(fā)生并且定時(shí)時(shí)間達(dá)到3 min則認(rèn)為系統(tǒng)3 min沒有被使用，為了降低功耗則讓 nRF24L01模塊以及STC12LE4052單片機(jī)進(jìn)入掉電模式;如果有按鍵發(fā)生則判斷鍵值并且清除定時(shí)時(shí)間重新開始計(jì)時(shí)，根據(jù)鍵值控制nRF24L01發(fā)送數(shù)據(jù)。手持發(fā)射端軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖8所示。

圖9 PC機(jī)接收端軟件設(shè)計(jì)流程圖

2.2 PC機(jī)接收端軟件設(shè)計(jì)

本部分在系統(tǒng)中主要負(fù)責(zé)接收并處理手持端發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后通過USB向計(jì)算機(jī)發(fā)送指令。PC機(jī)接收端軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖9所示。

為了實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對計(jì)算機(jī)的控制，采用了一個(gè)虛擬USB鍵盤，這樣單片機(jī)能夠發(fā)送計(jì)算機(jī)鍵盤上的任意一個(gè)按鍵，并且計(jì)算機(jī)能夠識別這個(gè)按鍵，其功能和計(jì)算機(jī)上的鍵盤完全一樣。

在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中共使用到3個(gè)獨(dú)立按鍵，一個(gè)組合按鍵，其中上翻頁鍵為UpArrow1，鍵值為0X52;下翻頁鍵為DownArrow1，鍵值為0X51;退出全屏播放為ESCAPE，鍵值為0X29;從當(dāng)前頁播放為組合鍵LeftShift(鍵值為0XE1)+F5(鍵值為0X3E)。

3 結(jié)語

筆者設(shè)計(jì)的通過nRF24L01點(diǎn)對點(diǎn)無線通信實(shí)現(xiàn)便攜式可充電的多媒體激光筆能夠?qū)崿F(xiàn)用手持端遠(yuǎn)程控制PPT幻燈片上下翻頁、從當(dāng)前頁播放、退出播放等預(yù)設(shè)功能，手持端能夠使用USB電源進(jìn)行充電。

［1］吳鍵，袁慎芳，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2006(9):21－23.

［2］昂志敏，金海紅，范之國，等.基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與通信實(shí)現(xiàn)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2007(10):5－8.

［3］張慶國，童賽美.基于nRF24L01的點(diǎn)對點(diǎn)高速無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)編程技巧與維護(hù)，2009(18):136－140.

［4］李志超，傅建明，許繪香.基于USB接口的高頻RFID閱讀器設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.人力資源管理，2010(4):183－184.

［5］劉云朋，陳陽.USB控制芯片PDIUSBD12典型應(yīng)用研究［J］.計(jì)算機(jī)知識與技術(shù).2009(25):245－247.