1、-I-基于 NRF24L01的单片机无线通信研究摘 要本文介绍了以 NRF24L01 无线收发模块、AT89S52 为主要组成部分的无线通信设计研究。通过应用 NRF24L01 无线模块、AT89S52 单片机进行无线通信，从而达到无线数据输功能。该无线通信包括单片机模块、无线模块、显示模块、按键模块、电平转换模块。通过详细的设计方案来研究无线通信技术，并进一步了解无线通信的广泛应用。在设计硬件的同时也设计出相对应的程序流程图，确保系统正常运行。该系统具有无线通信的功能，功耗低，传输数据快，且稳定性好。关键词：单片机；无线；接收；发送；显示屏Research of Microcontrolle
2、rs Wireless Communication Based on NRF24L01AbstractThis paper introduces the research on wireless communication design which regard NRF24L01 wireless transceiver module and AT89S52 as the main components. And the wireless communication transmits the wireless data by designing NRF24L01 chip and AT89S
3、52 Microcontroller, so that the system have a function of wireless data transmission. The wireless data transmission system consists of single-chip module, wireless module, display module, key module, and level conversion module. Through a detailed design scheme, we will study the wireless communica
4、tion technology and have further understanding of the application of wireless communication. So when designing the hardware，programs flowchart is well designed too, so as to ensure that the system can run properly. The system have a function of wireless communication which can low power consumption,
5、 and also transfer data quickly, and have good stability. Keywords：Microcontrollers; Wireless; Receive; Send; LCD-II-目录中英文摘要 .I1引言 .11.1 选题的理由及实际意义 .11.2 课题的研究现状及趋势 .11.2.1 单片机发展史 .11.2.2 无线通信技术的发展 .21.3 研究的主要内容 .22系统的总体设计规划 .32.1 功能设计 .32.2 设计原则 .32.3 硬件设计总体方案 .32.4 各模块功能介绍 .42.4.1 汉 字 及 字符显示 .42.4
6、.2 按键结构选择 .62.4.3 信号收发提示 .62.4.4 数据传输 .62.4.5 主控制作用 .92.5 本章小结 .123系统硬件电路的设计 .133.1 电源电路的设计 .133.2 单片机控制电路设计 .133.2.1 下载电路 .143.3 无线收发模块电路设计 .143.4 按键电路设计 .153.5 信号收发提示电路设 .163.6 显示电路设计 .163.7 本章小结 .164系统软件设计 .174.1 显示模块 .174.2 无线收发模块 .184.2.1 无线发送模块 .184.2.2 无线接收模块 .194.3 通信协议 .20-III-4.4 本章小结 .205
7、系统测试 .215.1 测试波形及说明 .215.2 测试结果 .236结论 .24参考文献 .24致 谢 .25附 录 .26-1-1引言1.1选题的理由及实际意义随着社会信息程度不断加强，无线通信技术日益受到重视，应用于各行各业中，成为信息传递的主流趋势。其中，数据是人们日常生活中所必需接触到的东西，并且广泛应用于计算机行业领域，数据传输是诸多应用设计的基础，也是奠定完成应用设计的垫脚石，所以对无线通信的研究就非常有必要了。同时，计算机领域也在不断更新技术，对数据传输的需求也是不容小觑，数据传输的方式设计和开发具有很好的市场前景和使用价值 。1无线通信技术对数据采集方面具有重要作用，特别使
8、用于复杂的地形条件、建筑群、爆炸等场合。此外，随着电力电子与单片机不断进步，无线通信技术取得了迅速发展，对无线模块的需求也大大增加，从而进一步提高无线数据传输的速度，可靠性也越来越高。并且，渐渐地趋于达到有线网络水平 。2无线通信数据传输应用在工业的数据采集上面，解决了一些无法正常布线的情况。其中，无线传输介质采用的是电池波，节省了各种材料费用，使用起来更为方便。最后，在单片机编码口的无线通信技术的通信系统中，收发器的数量不受限制,是通过采用多字节地址编码；由于该电路结构简单、损耗功率低、成本较低等优点，很好地便于人们使用。无线模块是无线通信的核心部分，发挥着重要功能作用 。31.2 课题的研
9、究现状及趋势1.2.1单片机发展史在 20 世纪 70 年代的时候，微小计算机成功地被研制出，单片机也就开始产生。单片机实质就是在硅片上集成各种元器件的微型计算机。最初时候，单片机只有 4 位，其多方面功能还是有欠缺的。但是，随着集成电路的高速发展，大概每隔三、四年就会产生出新一代的单片机，其各方面功能也逐渐得到改善。并且，能够将中央处理器、数据存储器、程序存储器等部件电路都集成在同一块芯片上。自从单片机诞生以来，它的综合性能在逐渐趋于完美，在很多应用设计方面，单片机可以说发挥着重要作用。单片机具有处理速度快、集成度高、功能强大、体积小等相关特点，应用在数据采集处理、通信、仪器等方面。总而言之
10、，单片机的发展历程大概可以分为三个过程：第一过程是单片机初级处理阶段，这个时期单片机有 8 位 CPU，并行 I/0 端口，寻址范围大小为 4KB，缺点是没有串行口；第二过程是单片机高级性能处理阶段，这个时期单片机多增有 I/O 串行端口，其 RAM、ROM 容量进一步扩大，寻址的范围大小可达 64KB；第三过程是 16位单片机处理阶段，这个时期单片机的研究技术可以说是相当成熟。目前为止，全世界多家企业已经制造出有 8 位的，16 位的，32 位的。它们各自有着自己的优缺点，相互推-2-动发展单片机 。41.2.2 无线通信技术的发展无线通信实质是通过利用电磁波信号在空间中信息相互交换的通信方
11、式。随着Internet 和无线通信技术的持续发展，网络信息对于人们来说是必不可少接触的东西，无线通信技术也渐渐走入人们日常生活之中，人们的生活与工作都紧密联系着无线通信。因此，人们在不断依赖无线通信产品，对产品的要求愈来愈高了。其中，短距离无线通信是无线通信技术的重要组成部分。目前，新一代无线通信技术的研究是国内外通信界最为关注的焦点。新一代无线通信技术主要指标是随时随地的无线通信和高标准无线业务，其无线通信技术主要包括为 OFDM 技术、无线电与智能天线、MIMO 技术及 Ipv6 技术。截止到目前为止，第三代移动通信系统已进入商用阶段。无线通信领域的发展显示出以下特点：移动与互联网相互结
12、合，移动与固定相互结合。但是，随着移动用户数量的增多以及互联网的普及化，人们可以在任何地方和时间接入无线网络，来获得各种各样的信息和服务，并且要求无线数据传输速率更高了。同时，未来高速多媒体数据传输将会取代语音业务行业成为新一代无线通信系统的主流业务。其中，在发展新一代无线通信技术要考虑的主要因素有：第一是无缝融合，未来无线通信将会形成以一个 IP 为中心网络体系结构，以致让不同的通信网络融为一体，朝着一个全 IP 不断发展；第二是高性能物理层，要求数据传输率高达 50-100Mb/s，以高性能的物理层作为支持；第三是灵活与自适应接入，新的物理层技术则会需要更多的适配性；第四是业务与应用适配，
13、将用户和业务的需求融合在无线通信系统中。总而言之，无线通信技术将会不断发展，其地位也是越来越重要，日益会受到人们的重视 。 51.3研究的主要内容本文的所要研究的内容是根据以下几个模块分别设计：单片机主控制模块，对各个模块的控制及设计功能；电源模块，提供合适的电源，正常驱动单片机系统以及相应模块工作；无线收发模块，负责数据的传输作用；按键模块，通过按下键值，传送数据；信号收发模块，数据发送与接收的信号提示；显示模块，设计并显示出重要信息；下载模块，便于程序烧写到单片机，让单片机控制整个系统工作。本文设计主要亮点：1.实时显示接收与发送的数据值。当该系统正常供电后，可以在 LCD 显示屏上显示出
14、系统发送的数据与接收的数据， 让人明显地看懂。2.任意设定数值通过键盘模块电路，可以根据自身需求设定相关的数值。3.无线传输数据无线通信技术已经在日常生活中随处可见，对人们生活意义相当重大，通过应用无-3-线传输解决了布线的繁琐问题。这样一来，使设备看起来更加简洁，方便人们使用。2系统的总体设计规划2.1功能设计本设计系统主要实现以下功能：1.通过利用无线收发模块对数据进行传输，根据对无线收发模块的原理理解，设定出相应的方案与措施。同时，对无线收发模块的相关程序要有一定的理解，并编写无线收发模块相关程序。在发送系统单片机 A 中，通过按下键，发送数值。此时，对于接收系统单片机 B，则应该快速地
15、接收到单片机 A 系统的数据，不能产生任意误差。2.在发送端，通过按下键，将键值发送到 LCD 显示屏上，发送信号灯则会亮起来。同时，在接受端则会接收发送端发送过来的键值，在 LCD 显示屏上显示相对应的数据与图片，接收信号灯则会亮起来。此外，可以修改键值，发送自身设定值的需求。2.2设计原则本文设计是根据以下原则：1.电路尽可能简单，让人直观看懂，以达到自身想要的功能。在设计该作品前，要事先考虑到人群使用该应用设计作品的普遍性及适用性。对于那些不懂该方面的相关知识的话，能够在短时间内很好地掌握该电路以及原理，让更多的人能够易学易懂，这就是设计此电路的目的所在。2.可靠性要好。如果在发送端发送
16、的数据与接收端接收的数据不能够一一对应的话，这样会使人们对无线通信技术产生怀疑，对于无线数据传输的发展必然会有着消极影响。因此，为了提高系统的可靠性，则必须对系统内的各个元器件进行全方面检测，保证元器件能够很好地使用。除此之外，在设计原理图与 PCB 图的时候，要考虑到元器件的特性，合理地去摆放器件以及布线，对软件与硬件的滤波也是比不可少，从而提高系统的抗干扰能力。2.3硬件设计总体方案本系统设计大致可以四个部分, 第一个部分是字符及数字的显示，包括 LCD 显示模块；第二个部分是信号的接收与发送提示，包括 LED模块；第三个部分是数据传输，包括无线收发模块；第四个部分是系统主控制，包括单片机
17、控制模块、独立键盘 图 2-1 系统总框图结构单 片 机 A键 盘 LED无 线 收 发 器 LCD 单 片 机 BLED无 线 收 发 器LCD-4-模块 ；6本系统总框图结构如图 2-1 所示：2.4各模块功能介绍 2.4.1汉 字 及 字符显示在很早之前，液晶的产品就存在于人们日常生活中，比如计算器、电子手表、游戏机等日常生活产品。LCD 的制作原理采用的是液晶的电光效应，LCD 与传统的 CRT 相互比较，LCD 的具有优点是体积小、厚度轻、重量轻、耗能少、工作电压低等。其中，本系统设计采用的是 LCD12864 液晶显示屏。该显示屏是汉字图形点阵液晶显示模块，可以在显示屏上很好地显示
18、汉字及图形，内部含有 8192 个中外汉字、128 个字符以及64256 点阵显示 。7LCD12864 主要参数指标如表 2-1 所示：供电的电压 3.3V5V显示的部分 128 列64 行显示的角度 6 点钟直视观看LCD 类型 STN 型与 MCU 连接 8 位或 4 位并行接口/3 位串行接口多功能 光标显示、画面移动、自定义字符、睡眠模式等LCD12864 尺寸结构如图 2-2 所示：表 2-1 LCD12864 主要指标图 2-2 LCD12864 尺寸结构-5-LCD12864 引脚功能说明如表 2-2 所示：引脚 引脚名称 方向 功能简介1 GND - 电源地2 VDD - 电
19、源正端3 V0 - LCD 驱动电压输入端4 RS（CS） 并行/串行 数据信号选择；串行功能的片选信号5 R/W(SID) 并行/串行 并行功能的读写信号选择；串行数据端口6 E（CLK） 并行/串行 并行功能的使能信号；串行的同步时钟7 DB0 并行/串行 数据端口 08 DB1 并行/串行 数据端口 19 DB2 并行/串行 数据端口 210 DB3 并行/串行 数据端口 311 DB4 并行/串行 数据端口 412 DB5 并行/串行 数据端口 513 DB6 并行/串行 数据端口 614 DB7 并行/串行 数据端口 715 PSB 并行/串行 并行与串行的端口选择16 NC 空脚作
20、用17 RST 并行/串行 复位功能且只在低电平有效18 VOUT 电压输出端19 BLA - 背光部分正极：+5V20 BLK - 背光部分负极：+0VLCD12864 各引脚时序如图 2-3 与图 2-4 所示：表 LCD12864 引脚简介-6-2.4.2按键结构选择随着人类经济与科技的不断发展，各种各样的产品都不断地更新，按键也是不例外。键盘从结构上可以划分为独立式键盘与矩阵式键盘。其中，对于独立式键盘而言，它一般用于单片机组成的测控系统以及智能仪器中，这种键盘结构的优点是软件和硬件都相对简单，很容易让人易懂，适合于初学者；缺点是当按键数量较多时，会占用大量线，并且没有去抖功能，会产生
21、一定的误差效果。而对于矩阵式键盘而言，这也是广泛应用在生活中的各个产品中，对于当代部分产品，需要按键数量相对较多，矩阵式键盘结构很好地适用在这些产品；它是由行线和列线共同组成，而按键则位于行、列的交叉点上。这样一来，矩阵式结构键盘会节约大量的线，并且有一定的去抖功能，大大减少误差 。8本设计系统中采用的独立式键盘。由于该系统设计是要大众化，则我采取相对简单的键盘结构，让人更加通俗易懂。与此同时，可以通过理解好简单的键盘结构后，能够进一步了解好相对难的矩阵式键盘结构。2.4.3信号收发提示为了能更好地提醒数据是否发送与接收，则本系统设计采用 LED 模块作为数据发送信号与数据接收的提示。图 2-
22、3 MCU 写程序到模块中图 2-4 MCU 从模块读出DB-DB7-7-2.4.4数据传输所谓无线数据传输是指通过利用无线数传模块将设备输出的详细数据及物理量进行远程传输。其中，无线数传设备通常为 DTD433M 频段，从而可以提供稳定性高、可靠性好、数据传输成本低。本设计采用的是 NRF24L01 无线收发模块与 AT89S52 单片机结合使用 。9NRF24L01 是一种新型单片射频收发器件，它工作在 2.4GHz2.5GHz ISM 频段。同时，NRF24L01 内部含有频率合成器、功率放大器、晶体晶振器等功能模块，输出功率和通信频道可以程序进行完成。此外，NRF24L01 功率损耗低
23、，当发射是以-6dB 功率执行时，工作电流只有 9mA，而接收的工作电流只有 12.3mA，其中多种低功率工作模式使节能设计更为方便 。NRF24L01 采用 GFSK 调制，硬件集成 OSI 链路层，具有自动应答和自动再发射功能，片内会自动生成报头文件和 CRC 校验码。同时，该无线数据传输速率可达 1Mb/s 或 2Mb/s，SPI 读写速率可达 0Mb/s10Mb/s。并且，当中总共有 125 个频道，可与其他 NRF24L01 系列射频器件相互兼容， QFN20 引脚为 4mm4mm 封装，供电电压为 1.9V3.6V。一般来说，最合适供电电压为 3.3V 。10NRF24L01 引脚结构如图 2-5 所示：NRF24L01 引脚功能说明如表 2-3 所示：引脚 名称 引脚功能 描述1 CE 数字输入 RX 或 TX 模式选择2 CSN 数字输入 SPI 片选信号3 SCK 数字输入 SPI 时钟4 MOSI 数字输入 从 SPI 数据输入脚5 MISO 数字输出 从 SPI 数据输出脚6 IRQ 数字输出 可屏蔽中断脚图 2-5 NRF24L01 引脚结构图表 2-3 NRF24L01 引脚功能简介
