基于nrf24l01无线温度测量系统的设计与实现

基于nrf24l01无线温度测量系统的设计与实现内容摘要：

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 AT89C51作为本系统的主控芯片。 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），而且价格较便宜 ，采用 SPI总线通信模式电路简单，操作方便。 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 [2]。 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设备数字测温和控制领域 ； 经济，方便 [3]。 6 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。 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 ， 发送端用 7段数码管显示。 单片机与 PC 机通信模块 采用 RS232串口与 PC机通信。 RS232 串口 是个人计算机上的通讯接口之一，由电子工业协会 (Electronic Industries Association， EIA) 所制定的异步传输标准接口。 通常 RS232 接口以 9 个接脚 (DB9) 或是 25 个接脚 (DB25) 的型态 出现，一般个人计算机上会有两组 RS232 接口，分别称为 COM1 和 COM2。 在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地 线 [4]。 RS232C标准规定的数据传输速率为每秒 50、 7 100、 150、 300、 600、 1200、 2400、 4800、 9600、19200波特。 RS232C 标准规定，驱动器允许有 2500pF 的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用150pF/m 的通信电缆时，最大通信距离为 15m；若每米电缆的电容 量减小，通信距离可以增加。 传输距离短的另一原因是 RS232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20m以内的通信。 串行通信接口标准经过使用和发展，目前已经有几种。 但都是在 RS232标准的基础上经过改进而形成的。 所以，以 RS232C 为主来讨论。 RS323C标准是美国 EIA(电子工业联合会）与 BELL 等公司一起开发的 1969 年公布的通信协议。 它适合于数据传输速率在 0～ 20200b/s 范围内的通信。 这个标准对串行通信接口的有关问题，如信号线功能、电器特性都作了明确规定。 由于 通行设备厂商都生产与RS232C 制式兼容的通信设备，因此，它作为一种标准，目前已在微机通信接口中广泛采用。 RS232是单片机间，或单片机与上位机间通讯联络用。 MAX232作为 RS232的电平转换芯片，完成 TTL电平到 RS232电平的转 换 [5]。 主机单片机接收到 NRF24L01的数据后，经 MAX232电平转换可实现单片机程序下载与升级，同时可实现单片机与 PC 机的通信，以便将显示数据信息通过此电路传送到 PC 机，并存 PC 机上显示，其串行通信电路如图。 系统方案确定 对于本论文的 基于 NRF24L01 无线温度测量系统 来说，整个系统由温度采集端和温度接收端两个部 7 份组成，两者之间通过无线信道通信。 数据采集端负责数据的采集和发送。 数据接收端负责数据的接收和处理。 系统整体结构框图如图。 图 MAX232与 PC的串口通信电路 下位机 上位机 图 数据采集端由传感器、微处理器和无线模块构成。 传感器将转换后的数字 信号送往无线模块打包发出 ； 数据接收端由无线模块、微处理器及计算机组成。 数据接收端接收到采集端发送的数据后，将数据按照通信协议拆包，取出里面的有效数据并通过串口发送给计算机，由计算机对采集到的数据进行分析和处理。 系统硬件实现简单，数据采集和接收端均采用无线收发一体芯片，微处理器可以单片机、数据接收端与计算机通过串口通信 [6]。 无 线 收 发 模 块 单片机 AT89C51 PC机 控制模块 显示模块 温度传感器 单片机 AT89C51 无线收发模块 8 3 无线温度采集系统的硬件电路设计 单片 NRF24L01 无线模块 NRF24L01 芯片概述 NRF24L01 是一款新型单片射频收发器件 ,工作于 GHz～ GHz ISM 频段。 内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块 ,并融合了增强型 ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。 NRF24L01功耗低 ,在以 6 dBm的功率发射时，工作电流也只有 9 mA。 接收时，工作电流只有 mA，多种低功率工作模式 (掉电模式和空闲模式 )使节能设计更方 便 [7]。 NRF24L01主要特性如下： 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 ； 片内自动生成报头和 CRC校验码 ； 数据传输率为 l Mb/s或 2Mb/s； SPI速率为 0 Mb/s～ 10 Mb/s； 125个频道 ； 与其他 NRF24系列射频器件相兼容 ； QFN20引脚 4 mm4 mm 封装 ； 供电电压为 V～ V。 引脚功能及描述 NRF24L01 的封装及引脚排列如图 所示 [8]。 各引脚功能如下： 图 NRF24L01 封装图 CE：使能发射或接收。 CSN， SCK， MOSI， MISO： SPI 引脚端 ， 微处理器可通过此引脚配置 NRF24L01： IRQ：中断标志位 ； VDD：电 源输入端 ； VSS：电源地 ； XC2， XC1：晶体振荡器引脚。 VDD_PA：为功率放大器供电，输出为 V； 9 ANT1,ANT2：天线接口 ； IREF：参考电流输入。 工作模式 通过配置寄存器可将 NRF241L01 配置为发射、接收、空闲及掉电四种工作模式，如表 31所示。 待机模式 1 主要用于降低电流损耗，在该模式下晶体振荡器仍然是工作的 ； 待机模式 2 则是在当 FIFO 寄存器为空且 CE=1 时进入此 模式； 待机模式下，所有配置字仍然保留。 在掉电模式下电流损耗最小，同时 NRF24L01也不工作，但其所有配置寄存器的值仍然保留 [9]。 表 31： NRF24L01 四种工作模式 模式 PWR_UP PRIM_RX CE FIFO寄存器状态 接收模式 1 1 1 发射模式 1 0 1 数据在 TX FIFO 寄存器中 发射模式 1 0 1→0 停留在发送模式，直至数据发送完 待机模式 2 1 0 1 TX FIFO 为空 待机模式 1 1 0 无数据传输 掉电 0 工作原理 发射数据时，首先将 NRF24L01 配置为发射模式：接着把接收节点地址 TX_ADDR 和有效数据TX_PLD按照时序由 SPI口写入 NRF24L01缓存区， TX_PLD必须在 CSN为低时连续写入，而 TX_ADDR在发射时写入一次即可，然后 CE 置为高电平并保持至少 10μs ，延迟 130μs 后发射数据。 若自动应答开启，那么 NRF24L01 在发射数据后立即进入接收模式，接收应答信号（自动应答接收地址应该与接收节点地址 TX_ADDR 一致）。 如果收到应答，则认为此次通信成功， TX_DS 置高，同时 TX_PLD 从 TX FIFO 中清除。 若未收到应答，则自动重新发射该数据 (自动重发已开启 )，若重发次数 (ARC)达 到上限， MAX_RT 置高， TX FIFO 中数据保留以便在次重发。 MAX_RT 或 TX_DS 置高时，使 IRQ 变低，产生中断，通知 MCU。 最后发射成功时 ,若 CE 为低则 NRF24L01 进入空闲模式1。 若发送堆栈中有数据且 CE 为高，则进入下一次发射。 若发送堆栈中无数据且 CE 为高，则进入空闲模式 2。 接收数据时 ,首先将 NRF24L01 配置为接收模式，接着延迟 130μs 进入接收状态等待数据的到来。 当接收方检测到有效的地址和 CRC 时，就将数据包存储在 RX FIFO 中，同时中断标志位RX_DR 置高， IRQ 变低，产生中断，通知 MCU 去取数据。 若此时自动应答开启，接收方则同时进入发射状态回传应答信号。 最后接收成功时，若 CE 变低，则 NRF24L01 进入空闲模式 1[10]。 10 在写寄存器之前一定要进入待机模式或掉电模式。 如下图 、 ，给出 SPI 操作及时序图： 图 SPI 读操作 图 SPI 写操作 配置字 SPI 口为同步串行通信接口，最大传输速率为 10 Mb/s，传输时先传送低位字节，再传送高位字节。 但针对单个字节而言，要先送高 位再送低位。 与 SPI 相关的指令共有 8 个，使用时这些控制指令由 NRF24L01 的 MOSI 输入。 相应的状态和数据信息是从 MISO 输出给 MCU。 NRF24L0l 所有的配置字都由配置寄存器定义，这些配置寄存器可通过 SPI 口访问。 NRF24L01 的配置寄存器共有 25个，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） 寄存器名称 功能 00 CONFIG 设置 24L01工作模式 01 EN_AA 设置接收通道及自动应答 02 EN_RXADDR 使能接收通道地址 03 SETUP_AW 设置地址宽度 04 SETUP_RETR 设置自动重发数据时间和次数 07 STATUS 状态寄存器，用来判定工作状态 0A～ 0F RX_ADDR_P0～ P5 设置接收通道地址 10 TX_ADDR 设置接收接点地址 11～ 16 RX_PW_P0～ P5 设置接收通道的有效数据宽度 NRF24L01 模块原理图 NRF24L01 单端匹配网络：晶振，偏置电阻，去耦电容。 下图 为 NRF24L01单端 50Ω射频输出电路原理图。 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。