基于nrf2401的無線遠程監控系統畢業設計論文-資料下載頁

【導讀】近年來隨著科技的飛速發展，遠程無線監控系統在現代生活中不斷成熟和完善。個系統建立在無線收發模塊PTR20xx的基礎之上。它是超小型，超低功耗，高速率無。監控和機器人控制中。下位機控制系統和LabVIEW的上位機監控系統構成的遠程無線溫度巡檢系統。信號傳輸到數碼管顯示電路，同時，單片機將信號傳輸給無線傳輸模塊PTR20xx。綜上所述，本設計系統提出了一種簡單，高效并且能夠被廣泛

　　

【正文】 40 bit， 只有符合本機硬件地址的數據幀才會被接收 。CRC 為數據校驗段 ， 可設定 8 bit 或 16 bit 校驗位 。 PLYLOAD 段為待發送數據段 ， 長度為幀長度減去 ADDRESS 段和 CRC 段的長度 .發送數據時 ， 控制器將數據寫 入 nRF2401，控制其將數據按幀格式打包無線發送 ； 接收數據時 ， nRF2401 一旦檢測到符合本機硬件地址的數據幀 。 便將數據幀解包 ， DR 信號置 1 提醒控制器讀取數據 。 基于 PTR20xx 無線通信數傳 系統 在本文所述的系統設計中，在無線部分，本文使用了 PTR20xx 模塊，它是基于nRF401 的無線通信數傳 系統 ，實際上，其電路結構即是前述的 nRF2401 的典型電路。 PTR20xx 是基于瑞典的北歐集成電路公司推出的無線收發一體芯片 nRF2401 無線數傳通信模塊， PTR20xx 的實質是將 nRF401 芯片和其外 圍器件作在一塊 PCB 電路板上， 受益于 nRF401 較少的外圍器件， PTR20xx 的物理尺寸僅為 40mm 27mm 5mm。 nRF401 的卓越性能使得 PTR20xx 成為超小型、超低功耗、高速率的無線收發數據傳輸 MODEM。 基于 nRF2401的遠程無線監控系統 –17– 該 系統 具有如下的特性 ： ? 接收發射合一 ； ? 工作頻率為國際通用的數傳頻段 433MHz； ? FSK 調制，抗干擾能力強，特別適合工業控制場合 ； ? 采用 DDS+PLL 頻率合成技術，頻率穩定性極好 ； ? 靈敏度高，達到 105dBm； ? 最大發射功率 +10dBm； ? 低工作電壓（ ），功耗小，待機狀態僅為 8? A； ? 具有兩個頻道，特別滿足需要多信道工作的特殊場合 ； ? 工作速率最高可達 20Kbit/s(可在較低速率下工作如 9600bps)； ? 超小體積約 40mm 27mm 5mm； ? 可直接接 CPU 串口使用，也可以接計算機 RS232 接口，軟件編程非常方便 ； ? 由于采用了低發射功率、高接收靈敏度的設計，使用無需申請許可證 ； ? 標準 DIP 引腳間距，更適合嵌入式設備。 其電器特性與 nRF2401 基本相同。 圖 描述了 PTR20xx 無線通信模塊的引腳排列，引腳功能如下： Pin1： VCC， 正電源 ， 接 至 ； Pin2： CS， 頻道選擇 ； Pin3： DO， 數據輸出 ； Pin4： DI， 數據輸入 ； Pin5： GND，電源地 ； Pin6： PWR， 節能控制， PWR=1 正常工作狀態， PWR=0 待機微功耗狀態 ； Pin7： TXEN， 發射接收控制， TXEN=1 時為發射狀態， TXEN=0 時為接收狀態。 Top View 1 VCC 2 CS 3 DO 4 DI 5 GND 6 PWR 7 TXEN 基于 nRF2401的遠程無線監控系統 –18– 圖 PTR20xx 無線通信模塊引腳排列圖 本設計中的 PTR20xx 與 PC 機以及單片機的電路如圖 ， 圖 所示 圖 PTR20xxPC 電路圖 圖 PTR20xx89S51 電路圖 基于 nRF2401的遠程無線監控系統 –19– 芯片 從休眠狀態到接收狀態的轉換時間為 3ms， 所以處于接收狀態的時間不能小于3ms。因為 nRF2401 處于接收狀態 ， 并且空中無有效信號時 ， 會有雜波信號干擾 ， 所以正常喚醒至少需要收到兩個字節的喚醒碼。系統使用 9600 的波特率 ， 發送兩個字節 ，加上起始位和停止位大致需要的時間為 。把 PWR UP 置高時間設置為 10ms， 即把處于接收狀態的時間設置為 10ms， 確保數據傳送系統能被喚醒。系統間歇周期為 1s，即在 1s 內 ， nRF401 處于接收狀態的時間為 10ms。系統使用 0xFF 作為喚醒碼 ， nRF401連續收到兩個 0xFF 即保持接收狀態 ， 此時計數器開始工作。如果兩個周期內沒有收到有效的數據幀頭 ， 則視為雜波干擾 ， 重新進入休眠狀態。這樣設置 ， 系統的平均工作電流可在 300? A 以下 ， 兩節 AA 電池可工作半年左右。 發送接收程序是數據傳送的主要部分 ， 在判斷到有效的數據幀頭后 ， 從中 提取 ID號 ， 與自身的 ID 號對比 ， 如果與自身 ID 號不相符 ， 則重新進入節電狀態。如果與自身ID 號相符合 ， 通過串口 0 向傳感器模塊發送取數據命令 ， 同時啟動定時器判斷系統是否超時 ； 如果在規定的時間內沒有返回數據 ， 則重新向模塊發送取數據命令 ； 如果連續5 次取數據不成功 ， 進入出錯處理程序 ， 向上位機發送錯誤信息 ， 等待上位機處理命令。取數據命令發送成功后 ， 等待傳感器模塊返回信息。接受到信息后 ， 按照既定的協議對數據進行分析。如果數據不正確 ,重新向傳感器模塊發送取數據命令 ； 如果數據正確 ,通過串口 1 把數據發送出去。 nRF401 靈敏度 比較高 ， 在沒有進行數據傳輸時 ， 它的數據輸出腳會有干擾信號產生的雜波輸出 ， 為了避免這種情況發生 ， 要在每個數據幀的前面加上幀頭 0x55， 加上起始位和停止位后 ， 實際發送的是 0101010101。 在實際運行過程中 ， 干擾信號產生兩個連續 0x55 的幾率非常小 ， 這樣處理可以確保數據傳輸正確。除此之外 ， 還要在信息中加上信息類型 、 本機 ID 等信息 ， 上位機接收到信息后 ， 會把收到的數據校驗 ， 如果與接收到的校驗字節不相同 ， 則向數據傳送系統發送錯誤信息。數據傳送系統收到錯誤信息后 ， 會重新發送數據。如果數據接收正確 ，上位機返回正確確認 信息。 系統控制軟件采集功能包括系統運行狀態的控制及采樣數據的動態顯示和存儲。數據進入計算機可以通過并行口、串行口及 USB 等設備接口。基于 RS232 協議的串行口是 PC 的標準接口，且其硬件簡單、易于操作，而成為單片機應用系統與 PC 機短距離通訊的理想選擇。由于 RS232 協議采用的電平是 177。 12V，因此在 TTL 電平的數字信號進入 COM 口前應進行電平的轉換。采集軟件的設計應在滿足用戶控制采集過程要求的前提下，盡量使操作方便，界面簡潔。軟件除了具有對采集過程的控制功能外，還應能實時顯示接收的數據曲 線，從而使數據采集過程可視化。 基于 nRF2401的遠程無線監控系統 –20– 由于采集端的數據是以二進制方式發送的，所以程序在讀 COM口時必須以 “ Binary”方式操作，否則將得到一堆亂碼。在數據的存儲方面，軟件至少應提供二進制、純文本兩種文件格式，以方便數據導入到其它數據處理軟件中進行各種分析。 天線的設計 天線是無線傳輸設備的出入窗口，其性能設計至關重要。 ANT1 和 ANT2 是 nRF2401接收時天線的輸入以及發送時功率放大器的輸出。連接 nRF2401 的天線是以差分方式連接到 nRF2401 的。在天線端采用的負載阻抗是 400Ω。圖 為差分方式 天線應用設計圖。 功率放大器輸出的是兩個開路輸出三極管，配置成差分配對方式，功率放大器的VDD 必須通過集電極。由于采用差分環形天線， VDD 必須通過環形天線的中心輸入，調整圖中 RF 偏壓電阻 R3 可以調節輸出發射功率，是其最大可達到 +l0dBm。 圖 差分方式天線應用設計 元器件參數 電路中的元器件參數如下表 所示： 基于 nRF2401的遠程無線監控系統 –21– 表 nRF2401 元器件參數 元件 名稱 說明 封裝 數值 單位 C1 NP0 ceramic chip capacitor, (Crystal oscillator) 0603 22 pF C2 NP0 ceramic chip capacitor, (Crystal oscillator) 0603 22 pF C3 X7R ceramic chip capacitor, (PLL loop filter) 0603 820 pF C4 X7R ceramic chip capacitor, (PLL loop filter) 0603 15 nF C5 X7R ceramic chip capacitor, (Supply decoupling) 1206 uF C6 X7R ceramic chip capacitor, (Supply decoupling) 0603 100 nF C7 X7R ceramic chip capacitor, (Supply decoupling) 0603 1 nF C8 NP0 Ceramic chip capacitor, (Supply decoupling) 0603 100 pF C9 NP0 ceramic chip capacitor, (Supply decoupling) 0603 100 pF C10 NP0 ceramic chip capacitor, (Antenna tuning) 0603 pF C11 NP0 ceramic chip capacitor, (Antenna tuning) 0603 0603 pF L1 VCO inductor, Q45 @ 433 MHz 0603 22 nH R1 chip resistor, (Crystal oscillator) 0603 0603 MΩ R2 chip resistor, (PLL loop filter) 0603 KΩ R3 chip resistor, (Transmitter power setting) 0603 22 KΩ R4 chip resistor, (Antenna Q reduction) 0603 18 KΩ X1 Crystal MHz 基于 nRF2401的遠程無線監控系統 –22– 5 系統下位機的設計 硬件的設計 基本單元設計 本系統中選用 ATMEL (愛特梅爾 )公司 的低功耗，高性能 CMOS 8 位單片機AT89S51。 此處為一最小系統，即指單片機能夠工作所必需的外部電路，包括晶振電路、復位電路，在某些系統中可能根據需要而使用外部程序存儲器以及外部數據存儲器，本系統僅使用內部 RAM 和內部 ROM。 (1)晶振電路 AT89S51[6]內部有一個用于構成振蕩器的高增益的反向放大器，引腳 XTAL1 和XTAL2 分別是此放大器的輸入端和輸出端。該放大器與作為反饋元件的晶振構成一個自激振蕩器。 圖 是晶振電路原理圖。 外接晶體以及電容 C1 和 C2 構成并聯諧振電路接在放大器的反饋回 路中，晶振應盡量靠近單片機，以減少寄生電容，提高晶振穩定性。 本系統中晶振頻率采用 ， C1 和 C2 分別 采用 22/30pF。 本系統中 ， 時鐘頻率為 4MHz 晶振 。 (2)復位電路 在單片機系統中，當振蕩器處于運行狀態時，如果在單片機的 /RST 引腳保持 2 個時鐘周期的 (24 個振蕩周期 )高電平，則單片機執行復位操作，以后每個周期執行一次，直至 RST 變低。復位后單片機從程序存儲器的地址 0000H 開始運行。 圖 、圖 分別為上電復位和上電開關電路的原理圖。 上電復位電平保持時間由電阻和電容值決定， 即 T=RC。 基于 nRF2401的遠程無線監控系統 –23– 圖 晶振電路原理圖 圖 上電復位電路原理圖 ATMEL 89S51 XTAL2 XTAL1 VSS C1 C2 基于 nRF2401的遠程無線監控系統 –24– 圖 上電開關復位電路原理圖 圖 AT89S51 最小系統 基于 nRF2401的遠程無線監控系統 –25– 數碼管顯示電路的設計 本設計中采用四位共陰極數碼管顯示，原理圖如圖 所示：顯示共有四位，用動態顯示，八位位碼和四位段碼由兩片 74HC374 輸出，位碼經 ULN20xx 倒相驅動后選擇相應顯示位。 8 位段碼輸出地址為 0X004H,位碼輸出地址為 0X002H，此處的 X 是由片選 CS 決定的。電路原理圖如圖 所示： 圖 數碼管顯示原理圖 七段數碼管字形代碼表 如表 所示 ： 表 七段數碼管字形代碼表 顯示字形 g f e d c b a 段碼 0 0 1 1 1 1 1 1 3fh 1 0 0 0 0 1 1 0 06h 2 1 0 1 1 0 1 1 5bh 3 1 0 0 1 1 1 1 4fh 4 1 1 0 0 1 1 0 66h 5 1 1 0 1 1 0 1 6dh 6 1 1 1 1 1 0 1 7dh 7 0 0 0 0