1、成都理工大学工程技术学院毕业论文 基于 nRF24L01 模块的无线通信系统设计 作者姓名： 专业名称： 电子信息科学与技术专业 指导教师： 讲师 基于 nRF24L01 模块的无线通信系统设计 - I - 摘要 温度是一个非常重要的参数。在工业、医疗、军事和生活等许多地方，都需要用到测温装置来检测温度。传统直接布线测量不满足要求，特别是 在某些环境恶劣的工业环境 和户外环境，通过直接布线测量 不现实 。 因此采用 无线传输 温度检测尤为必要。 目前有些设计能够实现无线温度采集，但 价格 过高是其最大的缺点。在实际温度控制过程中既要求系统具有稳定性、实时性又需要 降低功耗。 因此设计一种低功耗
2、的无线温度检测系统很有意义。本文提出一种采用单片机 AT89S52 控制 DS18B20 实现的无线温度测量系统。 通过简单的无线通信协议，实现可靠性与功耗平衡， 该系统能实现对温度的检测，能够同时进行温度检测，是可以实现远程控制的无线温度检测系统。低功耗、实时性的无线温度检测是该设计的最大特点。 无线传输采用nRF24L01模块传输。 该系统结构简单，可靠，功耗较低，成本低，是一种无线传感器的解决方案。 关键字： 单片机 AT89S52 无线传输 nRF24l01 DS18B20 基于 nRF24L01 模块的无线通信系统设计 - II - Abstract Temperature is a
3、 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 requirements, especially in some environmental bad industrial envir
4、onment 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 price is too high, its biggest weakness. In the actual temperature c
5、ontrol 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 USES the monolithic integrated circuit AT89S52 control DS18B20 of th
6、e 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 determine the temperature, can be realized the wireless remote control te
7、mperature 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, reliable, low power consumption, low cost, it is a kind of wireless senso
8、r solutions. Key word: MCU AT89S52 wireless transmission nRF24l01 DS18B20 基于 nRF24L01 模块的无线通信系统设计 - III - 目录 摘要 .I Abstract . II 目录 . III 前言 . 1 1 系统方案分析与选择论证 . 3 1.1 系统方案设计 . 3 1.1.1 主控芯片方案 . 3 1.1.2 无线通信模块方案 . 3 1.1.3 温度传感方案 . 4 1.1.4 显示模块方案 . 4 1.1.5 单片机与 PC 机通信模块 . 5 1.2 系统最终方案 . 5 2 主要 芯片介绍和系统模
9、块硬件设计 . 7 2.1 AT89S52 . 7 2.1.1 单片机控制模块 . 11 2.2 单片 2.4GHz nRF24L01 无线 模块 . 12 2.2.1 nRF24L01芯片概述 . 12 2.2.2 引脚功能及描述 . 12 2.2.3 工作模式 . 13 2.2.4 工作原理 . 14 2.2.5 配置字 . 15 2.2.6 nRF24L01模块原理图 . 17 2.3 温度传感器 DS18B20 . 17 2.3.1 DS18B20 管脚配置和内部结构 . 18 2.3.2 DS18B20 的工作原理 . 20 2.3.3 DS18B20 的硬件设计 . 22 2.4
10、显示模块 . 23 2.4.1 接收端显示模块 . 23 基于 nRF24L01 模块的无线通信系统设计 - IV - 2.4.2 发送端显示模块 . 24 2.5 报警电路 . 25 2.6 接收端与 PC 机通信 . 25 2.7 电源电路设计 . 26 2.8 其他外围电路 . 27 3 系统软件设计 . 28 3.1 单片机软件设计 . 28 3.1.1 发送端软件设计 . 28 3.1.2 接收端软件设计 . 29 4 系统仿真 . 30 4.1 电源电路的仿真 . 30 4.1.1 +5V 电源电路仿真 . 30 4.2 发送端温度采集与显示仿真 . 30 4.3 接收端 LCD1
11、602 显示温度仿真 . 31 5 硬件电路板设计 . 33 5.1 系统硬件原理图 . 33 5.1.1 发送端原理图 . 33 5.1.2 接收端原理图 . 34 5.2 系统 PCB 图 . 36 5.2.1 发送端 PCB图 . 36 5.2.2 接收端 PCB图 . 37 5.3 硬件制作 . 37 5.4 硬件调试 . 39 5.5 硬件调试结果 . 39 6 nRF24L01 应用于无线组网 . 41 6.1 无线组网的意义及研究价值 . 41 6.2 通信模型及协议设计 . 41 总结 . 43 致谢 . 45 参考文献 . 46 基于 nRF24L01 模块的无线通信系统设计
12、 - 1 - 前言 随着社会的进步和生产的需要 ，利用无线通信进行温度数据采集的方式应用已经渗透到生活各个方面。 图 1.1 短距离无线通信的应用 在工业现场，由于生产环境恶劣，工作人员不能长时间停留在现场观察设备是否运行正常，就需要采集数据并传输数据到一个环境相对好的操控室内，这样就会产生数据传输问题。由于厂房大、需要传输数据多，使用传统的有线数据传输方式就需要铺设很多很长的通讯线，浪费资源，占用空间，可操作性差，出现错误换线困难。而且，当数据采集点处于运动状态、所处的环境不允许或无法铺设电缆时，数据甚至无法传输，此时便需要利用无线传输的方式进行数据采 集。 基于 nRF24L01 模块的无
13、线通信系统设计 - 2 - 在农业生产上，不论是温室大棚的温度监测，还是粮仓的管理，传统上都是采取分区取样的人工方法，工作量大，可靠性差。而且大棚和粮仓占地面积大，检测目标分散，测点较多，传统的方法已经不能满足当前农业发展的需要。当前的科技水平下，无线通信技术的发展使得温度采集测量精确，简便易行。 在日常生活中，随着人们生活水平的提高，居住条件也逐渐变得智能化。如今很多家庭都会安装室内温度采集控制系统，其原理就是利用无线通信技术采集室内温度数据，并根据室内温度情况进行遥控通风等操作，自动调节室内温度 湿度，可以更好地改善人们的居住 环境。 以上只是简单列举几个现实的例子，在现实生活中，这种无线
14、温度采集系统已经被成功应用于工农业、环境监测、军事国防、机器人控制等许多重要领域，而且类似于这种温度采集系统的无线通信网络已经被广泛的应用到民用和军事领域。凡是布线繁杂或不允许布线的场合都希望能通过无线方案来解决。为此，需要设计相应的接口系统，控制这些射频芯片工作，完成可靠稳定的无线数据通信，这样的研究也变得更加有意义了。 本系统的设计采用了 Nordic 公司新推出的工作于 2.4GHz 频段 NRF24L01 射频芯片，由 AT89S52 单片机控制 实现短距 离无线数据通信。该接口设计具有成本低、传输速率高、软件设计简单以及通信稳定可靠等特点。 整 个系统有发送和接收二部分，通 过NRF
15、24L01 无 线数据通信收发模块来实现无线数据传输 。发送部分以单片机 AT89S52 为核心，使用温度转换芯片 DS18B20 实时采集温度并通过 nRF24l01 将采集的温度无线传送给接收部分，然后在LCD1602 上显示，并通过串口发送到 PC 机上显示，通 过蜂鸣器实现对温度过高或过低进行报警。 基于 nRF24L01 模块的无线通信系统设计 - 3 - 1 系统方案分析与选择论证 1.1 系统方案设计 1.1.1 主控芯片方案 方案一：采用传统的 AT89S52 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。 方案二：采用 TI 公司生产的 MSP430F1
16、49 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。 考虑到此系统需要不用到 ADC，从性能和价格上综合考虑我们选择方案一，即用 AT89S52 作为本系统的主控芯片。 1.1.2 无线通信模块方案 方案一：采用 GSM模块进行通信， GSM模
17、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。 方案二：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），而且价基于 nRF24L01 模块的无线通信系统设计 - 4 - 格较便宜、，采用 SPI总线通信模式电路简单，操作方便。 考虑
18、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。 1.1.3 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
19、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。 1.1.4 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，
20、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。发送端用 7段数码管显示。 基于 nRF24L01 模块的无线通信系统设计 - 5 - 1.1.5 单片机与 PC机通信模块 采用 RS-232 串口与 PC机通信。 1.2 系统最终方案 发送端： 发送端由温度传感器 DS18B20， AT89S52 单片机， nRF24L01 无线射频模块，数码管显示模块和外设继电器组成。 D S 1 8 B 2 0 温 度 传 感器A T 8 9 S 5 2继 电 器4 位 L E D 数 码 显示 管n R F 2 4 L 0 1 无 线 模 块图 1.2 发送端系统方框图 接收端： 接收端由 AT89S52 单片机， nRF24L01 无 线射频模块， LCD1602显示模块，报警电路和串口组成。
