基于nrf24l01無線溫度測量系統的設計與實現(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 片封裝，不利于焊接，需要 PCB制板，大大增加了成本和開發周期。 方案三 ：采用宏晶科技有限公司的 STC12C5A60S2增強型 51單片機作為主控芯片。此芯片內置 ADC和 SPI總線接口，且內部時鐘不分頻，可達到 1MPS。而且價格適中。 考慮到此系統需要不用到 ADC，從性能和價格上綜合考慮我們選擇方案一，即用 AT89C51作為本系統的主控芯片。 無線通信模塊方案 方案一：采用 GSM模塊進行通信， GSM模塊需要借助移動衛星或者手機卡，雖說能夠遠距離傳輸，但是其成本較大、且需要內置 SIM卡，通信過程中需要收費，后期成本較高。 方案二：采用 TI公司 CC2430無線通信模塊，此 模塊采用 Zigbee總線模式，傳輸速率可達 250kbps，且內部集成高性能 8051內核。但是此模塊價格較貴，且 Zigbee協議相對較為復雜。 方案二：采用 NRF24L01無線射頻模塊進行通信， NRF24L01是一款高速低功耗的無線通信模塊。他能傳輸上千米的距離（加 PA），而且價格較便宜 ，采用 SPI總線通信模式電路簡單，操作方便。 考慮到系統的復雜性和程序的復雜度，我們采用方案三作為本系統的通信模 塊 [2]。 溫度傳感方案 方案一：采用 AD590是 美國 ANALO G DEV ICES 公司的單片集成 兩端感溫電流源。 AD590 測量熱力學溫度、攝氏溫度、兩點溫度差、多點最低溫度、多點平均溫度的具體電路，廣泛應用于不同的溫度控制場合由于 AD590精度高、價格低、不需輔助電源、線性好，常用于測溫和熱電偶的冷端補償。 但其需要用到差分放大器放大和 A/D轉換，需要原件多。 方案二： 采用美國 DALLAS公司生產的 DS18B20可組網數字溫度傳感器芯片，具有耐磨耐碰，體積小，使 用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設備數字測溫和控制領域 ； 經濟，方便 [3]。 6 使用 DS18B20線路簡單，編程容易，但是比 AD590精度 低。 AD590還需要其它輔助電路，線路復雜，編程難度大，但是溫度精確 。考慮到電路的設計，成本，還有多點通信，我們選擇方案二，即用 DS18B20作為本系統的溫度傳感器。 顯示模塊方案 方案一：選擇主控為 ST7920的帶字庫的 LCD12864來顯示信息。 12864是一款通用的液晶顯示屏，能夠顯示多數常用的漢字及 ASCII碼，而且能夠繪制圖片，描點畫線，設計成比較理想的結果。 方案二：采用字符液晶 LCD1602 顯示信息， 1602 是一款比較通用的字符液晶模塊，能顯示字符和數字等信息，且價格便宜，容易控制 。 方案三：采用 LED7段數碼顯示管顯示，其成本低，容易顯示控制，但不能顯示字符。 綜合以上方案，我們選擇了經濟實惠的字符液晶 LCD1602來作為接收端的顯示 ， 發送端用 7段數碼管顯示。 單片機與 PC 機通信模塊 采用 RS232串口與 PC機通信。 RS232 串口 是個人計算機上的通訊接口之一，由電子工業協會 (Electronic Industries Association， EIA) 所制定的異步傳輸標準接口。通常 RS232 接口以 9 個接腳 (DB9) 或是 25 個接腳 (DB25) 的型態 出現，一般個人計算機上會有兩組 RS232 接口，分別稱為 COM1 和 COM2。在多數情況下主要使用主通道，對于一般雙工通信，僅需幾條信號線就可實現，如一條發送線、一條接收線及一條地 線 [4]。 RS232C標準規定的數據傳輸速率為每秒 50、 7 100、 150、 300、 600、 1200、 2400、 4800、 9600、19200波特。 RS232C 標準規定，驅動器允許有 2500pF 的電容負載，通信距離將受此電容限制，例如，采用150pF/m 的通信電纜時，最大通信距離為 15m；若每米電纜的電容 量減小，通信距離可以增加。傳輸距離短的另一原因是 RS232屬單端信號傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題，因此一般用于20m以內的通信。 串行通信接口標準經過使用和發展，目前已經有幾種。但都是在 RS232標準的基礎上經過改進而形成的。所以，以 RS232C 為主來討論。 RS323C標準是美國 EIA(電子工業聯合會）與 BELL 等公司一起開發的 1969 年公布的通信協議。它適合于數據傳輸速率在 0～ 20200b/s 范圍內的通信。這個標準對串行通信接口的有關問題，如信號線功能、電器特性都作了明確規定。由于 通行設備廠商都生產與RS232C 制式兼容的通信設備，因此，它作為一種標準，目前已在微機通信接口中廣泛采用。 RS232是單片機間，或單片機與上位機間通訊聯絡用。 MAX232作為 RS232的電平轉換芯片，完成 TTL電平到 RS232電平的轉 換 [5]。 主機單片機接收到 NRF24L01的數據后，經 MAX232電平轉換可實現單片機程序下載與升級，同時可實現單片機與 PC 機的通信，以便將顯示數據信息通過此電路傳送到 PC 機，并存 PC 機上顯示，其串行通信電路如圖 。 系統方案確定 對于本論文的 基于 NRF24L01 無線溫度測量系統 來說，整個系統由溫度采集端和溫度接收端兩個部 7 份組成，兩者之間通過無線信道通信。數據采集端負責數據的采集和發送 。數據接收端負責數據的接收和處理。系統整體結構框圖如圖 。 圖 MAX232與 PC的串口通信電路 下位機 上位機 圖 數據采集端由傳感器、微處理器和無線模塊構成。傳感器將轉換后的數字 信號送往無線模塊打包發出 ； 數據接收端由無線模塊、微處理器及計算機組成。數據接收端接收到采集端發送的數據后，將數據按照通信協議拆包，取出里面的有效數據并通過串口發送給計算機，由計算機對采集到的數據進行分析和處理。系統硬件實現簡單，數據采集和接收端均采用無線收發一體芯片，微處理器可以單片機、數據接收端與計算機通過串口通信 [6]。 無 線 收 發 模 塊 單片機 AT89C51 PC機 控制模塊 顯示模塊 溫度傳感器 單片機 AT89C51 無線收發模塊 8 3 無線溫度采集系統的硬件電路設計 單片 NRF24L01 無線模塊 NRF24L01 芯片概述 NRF24L01 是一款新型單片射頻收發器件 ,工作于 GHz～ GHz ISM 頻段。內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等功能模塊 ,并融合了增強型 ShockBurst技術，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。 NRF24L01功耗低 ,在以 6 dBm的功率發射時，工作電流也只有 9 mA。接收時，工作電流只有 mA，多種低功率工作模式 (掉電模式和空閑模式 )使節能設計更方 便 [7]。 NRF24L01主要特性如下： GFSK調制 ； 硬件集成 OSI鏈路層 ； 具有自動應答和自動再發射功能 ； 片內自動生成報頭和 CRC校驗碼 ； 數據傳輸率為 l Mb/s或 2Mb/s； SPI速率為 0 Mb/s～ 10 Mb/s； 125個頻道 ； 與其他 NRF24系列射頻器件相兼容 ； QFN20引腳 4 mm4 mm 封裝 ； 供電電壓為 V～ V。 引腳功能及描述 NRF24L01 的封裝及引腳排列如圖 所示 [8]。各引腳功能如下： 圖 NRF24L01 封裝圖 CE：使能發射或接收 。 CSN， SCK， MOSI， MISO： SPI 引腳端 ， 微處理器可通過此引腳配置 NRF24L01： IRQ：中斷標志位 ； VDD：電 源輸入端 ； VSS：電源地 ； XC2， XC1：晶體振蕩器引腳 。 VDD_PA：為功率放大器供電，輸出為 V； 9 ANT1,ANT2：天線接口 ； IREF：參考電流輸入。 工作模式 通過配置寄存器可將 NRF241L01 配置為發射、接收、空閑及掉電四種工作模式，如表 31所示。 待機模式 1 主要用于降低電流損耗，在該模式下晶體振蕩器仍然是工作的 ； 待機模式 2 則是在當 FIFO 寄存器為空且 CE=1 時進入此 模式； 待機模式下，所有配置字仍然保留。 在掉電模式下電流損耗最小，同時 NRF24L01也不工作，但其所有配置寄存器的值仍然保留 [9]。 表 31： NRF24L01 四種工作模式 模式 PWR_UP PRIM_RX CE FIFO寄存器狀態 接收模式 1 1 1 發射模式 1 0 1 數據在 TX FIFO 寄存器中 發射模式 1 0 1→0 停留在發送模式，直至數據發送完 待機模式 2 1 0 1 TX FIFO 為空 待機模式 1 1 0 無數據傳輸 掉電 0 工作原理 發射數據時，首先將 NRF24L01 配置為發射模式：接著把接收節點地址 TX_ADDR 和有效數據TX_PLD按照時序由 SPI口寫入 NRF24L01緩存區， TX_PLD必須在 CSN為低時連續寫入，而 TX_ADDR在發射時寫入一次即可，然后 CE 置為高電平并保持至少 10μs ，延遲 130μs 后發射數據 。若自動應答開啟，那么 NRF24L01 在發射數據后立即進入接收模式，接收應答信號（自動應答接收地址應該與接收節點地址 TX_ADDR 一致）。如果收到應答，則認為此次通信成功， TX_DS 置高，同時 TX_PLD 從 TX FIFO 中清除 。若未收到應答，則自動重新發射該數據 (自動重發已開啟 )，若重發次數 (ARC)達 到上限， MAX_RT 置高， TX FIFO 中數據保留以便在次重發 。MAX_RT 或 TX_DS 置高時，使 IRQ 變低，產生中斷，通知 MCU。最后發射成功時 ,若 CE 為低則 NRF24L01 進入空閑模式1。若發送堆棧中有數據且 CE 為高，則進入下一次發射 。若發送堆棧中無數據且 CE 為高，則進入空閑模式 2。 接收數據時 ,首先將 NRF24L01 配置為接收模式，接著延遲 130μs 進入接收狀態等待數據的到來。當接收方檢測到有效的地址和 CRC 時，就將數據包存儲在 RX FIFO 中，同時中斷標志位RX_DR 置高， IRQ 變低，產生中斷，通知 MCU 去取數據。若此時自動應答開啟，接收方則同時進入發射狀態回傳應答信號。最后接收成功時，若 CE 變低，則 NRF24L01 進入空閑模式 1[10]。 10 在寫寄存器之前一定要進入待機模式或掉電模式。如下圖 、 ，給出 SPI 操作及時序圖： 圖 SPI 讀操作 圖 SPI 寫操作 配置字 SPI 口為同步串行通信接口，最大傳輸速率為 10 Mb/s，傳輸時先傳送低位字節，再傳送高位字節。但針對單個字節而言，要先送高 位再送低位。與 SPI 相關的指令共有 8 個，使用時這些控制指令由 NRF24L01 的 MOSI 輸入。相應的狀態和數據信息是從 MISO 輸出給 MCU。 NRF24L0l 所有的配置字都由配置寄存器定義，這些配置寄存器可通過 SPI 口訪問。 NRF24L01 的配置寄存器共有 25個，常用的配置寄存器如表 32 所示。 表 32：常用配置寄存器 地址（ H） 寄存器名稱 功能 00 CONFIG 設置 24L01工作模式 01 EN_AA 設置接收通道及自動應答 02 EN_RXADDR 使能接收通道地址 03 SETUP_AW 設置地址寬度 04 SETUP_RETR 設置自動重發數據時間和次數 07 STATUS 狀態寄存器，用來判定工作狀態 0A～ 0F RX_ADDR_P0～ P5 設置接收通道地址 10 TX_ADDR 設置接收接點地址 11～ 16 RX_PW_P0～ P5 設置接收通道的有效數據寬度 NRF24L01 模塊原理圖 NRF24L01 單端匹配網絡：晶振，偏置電阻，去耦電容。 下圖 為 NRF24L01單端 50Ω射頻輸出電路原理圖 。 11 C E1C S N2S C K3M O S I4M I S O5IRQ6VDD7VSS8XC29XC110V D D _ P A1 1A N T 11 2A N T 21 3V S S1 4V D D1 5IREF16VSS17VDD18DVDD19VSS20U 1N R F 2 4 L 0 1V D DC 91 0 n FC 81 n FC