1、2本科毕业论文（20 届）基于 nRF2401 模块的无线发送与接收系统的设计与实现所在学院专业班级 电子信息科学与技术学生姓名指导教师完成日期3基于 nRF2401 模块的无线发送与接收系统目录摘要 .3Abstract .4第 1 章 绪论 .5第 1.1 节 课题背景 .5第 1.2 节 无线测量的发展现状及发展趋势 .5第 2 章 系统总体方案设计 .8第 2.1 节 系统基本要求 .8第 2.2 节 硬件系统设计方案 .8第 2.3 节 软件系统设计方案 .11第 3 章 系统硬件设计 .12第 3.1 节 单片机系统的设计 .12第 3.2 节 nRF24L01 无线模块 .16第
2、 3.3 节 温度传感器 DS18B20 .19第 3.4 节 显示模块 LCD1602.22第 3.5 节 电源电路设计 .24第 4 章 系统软件设计 .25第 4.1 节 发送端软件设计 .25第 4.2 节 接收端软件设计 .27第 4.3 节 温度采集模块软件设计 .28第 4.4 节 显示模块软件设计 .31第 5 章 系统仿真与调试 .33第 5.1 节 发送端温度采集与显示仿真 .33第 5.2 节 硬件调试与调试结果 .33结论 .36参考文献 .37致谢 .38附录 .39附录 1：实物照片 .39附录 2：系统原理图 .40附录 3：部分源程序 .413摘要温度是一个最基
3、本也是非常重要的参数。人类的生产生活都与温度息息相关，在农业、工业、军事和生活等许多地方，都需要用到测温装置来检测温度。然而直接布线测量满足不了现在社会发展的需求，特别是在一些恶劣的环境里，通过直接布线测量不方便也不现实。所以现在更多的是采用无线温度测量。在实际温度控制过程中不仅要做到低耗，还要求在实际温度控制过程中既要求系统具有稳定性、实时性。因此设计一种低功耗的无线温度检测系统很有意义。所以我选择采用单片机 STC89C52 作为主控制器件，温度传感器 DS18B20 采集温度，无线传输采用 nRF24L01 模块传输。该系统结构简单，成本低，功耗小，是一种较好的无线传感器的解决方案。关键
4、字：单片机; STC89C52; 无线传输; nRF24l01; DS18B204AbstractTemperature is a very important parameters. In the industrial, medical and military and life and many other place, it needs to use the temperature measurement device to detect temperature. The traditional direct measurement wiring does not meet the re
5、quirements, especially in some environmental bad industrial environment and outdoor environment, through the direct wiring measurement is not practical. So using wireless transmission temperature testing is necessary. At present some design can realize the wireless temperature gathering, but the pri
6、ce is too high, its biggest weakness. In the actual temperature control process requires both system has stability, real-time and the need to reduce power consumption. So the design of a kind of low power consumption wireless temperature detection system is very meaningful. This paper presents a USE
7、S the monolithic integrated circuit STC89C52 control DS18B20 of the realization of the wireless temperature measuring system. Through the simple wireless communication protocol, realize the reliability and power balance, the system can realize to the temperature detection, can simultaneously determi
8、ne the temperature, can be realized the wireless remote control temperature detection system. Low power consumption, real-time wireless temperature detection is the biggest characteristic of the design. Wireless transmission using nRF24L01 module transmission. The system structure is simple, reliabl
9、e, low power consumption, low cost, it is a kind of wireless sensor solutions. Key word: MCU; STC89C52 ; wireless transmission; nRF24l01 ; DS18B20 5第 1 章 绪论第 1.1 节 课题背景在工业控制现场，常常需要采集大量的现场数据，如电压、电流、温度、湿度、气压等，温度是一个非常重要的物理量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形、结晶以及空气流动等物理和化学过程。温度控制失误就可能引起生产安全、产品质量、产品产量等一
10、系列问题，因此对温度的检测的意义就越来越大。温度采集控制系统在工业生产、科学研究和人们的生活领域中，得到了广泛应用，在工业生产过程中，很多时候都需要对温度进行严格的监控，以使得生产能够顺利的进行，产品的质量才能够得到充分的保证。温度作为一项工业常用测量对象，在工业现场和过程控制中具有至关重要的作用。随着科学技术的发展,要求温度测量的范围向深度和广度扩展,不但要求有足够的精度满足工业生产和科学技术的要求,而且还要求有广泛的测温范围。在许多测控现场，传统数据传输都是通过有线电缆实现的。随着射频、集成电路技术的发展，无线通信功能的实现更容易，数据传输速率更快，抗干扰能力更强，因此，许多应用采用了无线
11、传输技术。无线数据传输与有线数据传输相比，有诸多优点：一是成本低，省去大量布线；二是建网快捷，只需在每个终端连接无线数据传输模块和架设适当高度天线；三是适应性好，可应用于某些特殊环境；四是扩展性好，只需将设备与无线数据传输模块相连接。因此，无线传输是一种有效数据传输方式。所以使用无线传输的高精度测温系统可以对生产环境的温度进行无线传输并且能够进行使操作员可以远距离实时了解被测现场的温度变化情况,保证生产的自动化、智能化能够顺利、安全进行，从而提高企业的生产效率。第 1.2 节 无线测量的发展现状及发展趋势数据采集技术是信息科学的重要组成部分，已广泛应用于各个领域。在数据传输方式上，目前数据采集
12、系统基本上是通过有线方式进行连接，有线方式的数据传输速度快，可靠性高且运行稳定，能满足大多数情况的需要，但是其应用受现场环境和应用对象的限制。近年来，随着射频技术、微电子技术及集成电路技术的进步，无线通信技6术取得了飞速的发展，无线通信的实现成本越来越低，传输速度越来越快，可靠性越来越高，并且逐渐达到可以和有线网络相媲美的水平。短距离无线通信技术是近年来的研究热点，将无线技术引入数据采集领域，可以解决某些无法或不便布线的环境下的数据采集问题，以及解决有线网络带来的布线麻烦、不易维护等缺点。有些数据采集系统应用于智能家居领域的，但也进一步拓展至其它诸如工业控制、仪器仪表等领域对象的状态监测。随着
13、计算机技术的发展和计算机技术在信号处理中的广泛应用，现代的测量系统在数字信号处理方面的能力也大大加强了，形成了数字化测量技术。数字化测量就是借助于各种类型的传感器检测外部世界的各种信号，并转换成电信号，然后进行信号调理和 A/D 转换，使之转换成为能够在数字系统中进一步处理的数字信号。具体来说，就是将温度、湿度、气体密度等物理信号转化为数字量并传递到计算机中。作为信息源头的传感器对计量测试技术的发展有着重要作用。目前，传感器正不断朝着多功能性和智能性方向发展。目前，已经将传感器技术和新兴的无线通信技术相结合，力图通过数据传输的无线化来达到智能家居中布线不便时对室内生活环境指标数据的采集。随着计
14、算机技术、通信技术、网络技术、控制技术和信息技术的迅猛发展与提高，人们对所居住的环境提出了更高的要求，在这种形势下发展出了“智能家居”这一概念。目前，智能家居通常被定义为利用通信、网络和综合布线技术，通过家庭信息管理平台将与家居生活有关的各种子系统有机地结合的一个系统。智能家居首先要实现对所有家电设备和家居环境的监视，满足家居网络与外界进行通信的要求，实现家庭的远程监控和信息的交换。智能家居的最终目的就是满足人们对安全、舒适和方便的现代生活理念的追求。智能家居中，对当前环境状况的监测分析是首要的，无线数据采集系统即是针对智能家居中对室内生活环境指标如温度和湿度等进行采集分析的解决方案。近年来，
15、智能控制技术已取得了突飞猛进的发展，并日益显示出其重要价值。智能控制已成为多种学科的综合与集成，吸引了全球不同领域、不同学科的众多专家学者，进行着广泛的研究工作，并不断探索新的方法、新的理论和新的有效的实际应用。人们正在努力使用智能控制技术进入工程化和实用化的阶段，智能控制已渐渐渗透到人们生产、生活的各个领域，成为人们生活的重7要组成部分。随着科学技术的发展和社会的进步，电子技术、计算机技术等的革新，智能控制必将迎来发展的新时期，智能控制的未来一定会更加美好。关于温度智能控制，现在已经有了许多新的器件和方法，并且有些已经运用到实际生活和生产当中，比如美国达拉斯公司生产的 DS18B20 温度巡
16、检器，采用单线总线结构，通过一根 I/O 线与主控 CPU 进行数据和命令的传送。再如基于反射强度调制的光纤温度巡检系统，光纤传输距离可达 1km 以上，检测精度也可显著提高。而更为先进的是，某些粮仓已经在尝试将有线控制变位无线控制，利用无线传感器来实现粮情检测和智能控制。这些新器件新方法的应用，给温度智能控制带来了新的气息。8第 2 章 系统总体方案设计第 2.1 节 系统基本要求本设计的任务是利用 NRF2401 无线收发模块与接收模块实现系统间的无线通信。主要是设计以单片机为核心，使用温度传感器 DS18B20 采集温度并通过无线收发器 NRF2401 发射端传送给无线收发器的接收端，并
17、通过 LCD 显示温度值。第 2.2 节 硬件系统设计方案2.2.1 硬件电路组成及工作原理发送端：发送端由温度传感器 DS18B20，STC89C52 单片机，nRF24L01 无线射频模块，LCD1602 显示模块组成。其温度采集模块将采集的数字温度值传给单片机主控单元，单片机将温度数据传给 nRF24L01 无线射频模块，nRF24L01 将数据发送，同时在发送端的 LCD1602 显示模块进行显示。 STC8952DS18B20 LCD1602nRF24L01图 2-1 发送端系统框图接收端：接收端由 STC89C52 单片机，nRF24L01 无线射频模块，LCD1602 显示模块组
18、成。其 nRF24L01 无线射频模块接收发射端的信号传给单片机主控单元，单片机将数据传输给 LCD1602 显示模块并进行显示。9S T C 8 9 C 5 2 L C D 1 6 0 2n R F 2 4 L 0 1图 2-2 接受端系统框图2.2.2 硬件选型1、主控芯片方案方案一：采用宏晶科技有限公司的 STC12C5A60S2 增强型 51 单片机作为主控芯片。此芯片内置 ADC 和 SPI 总线接口，且内部时钟不分频，可达到 1MPS。而且价格适中。方案二：采用 TI 公司生产的 MSP430F149 系列单片机作为主控芯片。此单片机是一款高性能的低功耗的 16 位单片机，具有非常
19、强大的功能，且内置高速12 位 ADC。但其价格比较昂贵，而且是 TPFQ 贴片封装，不利于焊接，需要 PCB制板，大大增加了成本和开发周期。方案三：采用传统的 STC89C52 单片机作为主控芯片。此芯片价格便宜、操作简便，低功耗，比较经济实惠。考虑到此系统和市场上现在的情况，从性能和价格上综合考虑我们选择方案一，即用 STC89C52 作为本系统的主控芯片。2、无线通信模块方案方案一：采用 GSM 模块进行通信，GSM 模块需要借助移动卫星或者手机卡，虽说能够远距离传输，但是其成本较大、且需要内置 SIM 卡，通信过程中需要收费，后期成本较高。方案二：采用 TI 公司 CC2430 无线通
20、信模块，此模块采用 Zigbee 总线模式，传输速率可达 250kbps，且内部集成高性能 8051 内核。但是此模块价格较贵，且 Zigbee 协议相对较为复杂。方案三：采用 NRF24L01 无线射频模块进行通信，NRF24L01 是一款高速低功耗的无线通信模块。他能传输上千米的距离（加 PA） ，而且价格较便宜、 ，采用 SPI 总线通信模式电路简单，操作方便。10考虑到系统的复杂性和程序的复杂度,我们采用方案三作为本系统的通信模块。3、温度传感方案方案一：采用 AD590 是美国 ANALO G DEV ICES 公司的单片集成两端感温电流源。AD590 测量热力学温度、摄氏温度、两点
21、温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路，广泛应用于不同的温度控制场合由于 AD590 精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶的冷端补偿。但其需要用到差分放大器放大和 A/D 转换，需要原件多。方案二：采用美国 DALLAS 公司生产的 DS18B20 可组网数字温度传感器芯片，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。经济，方便。使用 DS18B20 线路简单，编程容易，但是比 AD590 精度低。AD590 还需要其它辅助电路，线路复杂，编程难度大，但是温度精确。考虑到电路的设计，成本，还有多点通信，我们选择方案二，即用 DS18B20 作为本系统的温度传感器。4、显示模块方案方案一：选择主控为 ST7920 的带字库的 LCD12864 来显示信息。12864 是一款通用的液晶显示屏，能够显示多数常用的汉字及 ASCII 码，而且能够绘制图片，描点画线，设计成比较理想的结果。方案二：采用字符液晶 LCD1602 显示信息，1602 是一款比较通用的字符液晶模块，能显示字符和数字等信息，且价格便宜，容易控制。方案三：采用 LED7 段数码显示管显示，其成本低，容易显示控制，但不能显示字符。综合以上方案，我们选择了经济实惠的字符液晶 LCD1602 来作为接收端的显示。
