基于NRF24L01的单片机无线控制系统的设计毕业论文.pdf

基于 nrf24l01 的单片机无线控制系统的设计 xxx，物理与电子信息学院 摘要:随着智能化技术的发展，无线控制系统因功能实用，使用方便，减轻人 工操作负担而得到了广泛的应用。因此设计一款可靠，操作简便的无线控制系 统，对于提高工作效率，提升生活质量，降低人力成本有积极的意义。本系统 以 89c52 单片机和 nrf24l01 无线通信模块为核心,旨在设计一个简单实用，低 成本的无线控制系统，使其能够实现基本的无线控制功能。最后，通过实物制 作和测试，验证其可行性。该系统具备成本低廉，工作稳定，适用范围广，操 作简单等特点，实际应用前景十分广阔。 关键词：nrf24l01；无线通信 ；单片机 wireless control system based on mcu and nrf24l01 ding yue hu,college of physics and electronic information abstract: with the rapid development of intelligent technology ,the wireless control system has been widely adopted and its senseful to design a low cost,reliable and easy-using system.this system mainly based on nrf24l01 wireless communication module and 89c52 mcu control module ,the host sending data through the wireless module and the slave receiving and translating data then to make the corresponding driving module action ,so it can finish some basic control functions.finally, we verify its feasibility through the actual making and testing. the system has the advantages of low cost, stable, wide application and simple operation,with a broad prospect of application. key words:wireless control ；mcu；nrf24l01 目目录录 1引言 1 2系统制作方案1 2.1 主机模块制作 1 2.1.2 单片机最小系统 2 2.1.3 显示模块 4 2.1.4 键盘模块 5 2.1.5 无线收发模块 5 2.2 从机模块制作 6 2.2.1设备驱动模块6 3 系统软件调试8 3.1 程序工作原理 9 3.1.1 系统通信原理 9 3.1.2 程序工作流程 9 3.2 开发环境与调试工具 9 3.3 程序编译与调试10 4系统测试与性能分析 12 4.1 系统通信测试 12 4.2 系统性能分析13 5.结论 13 参考文献 13 附录14 1 引言 近些年随着信息化、智能化技术的发展，无线控制系统得到了广泛的应用， 尤其是在逐渐兴起的智能硬件领域及物联网技术领域之中1。目前国家正在大 力推广物联网产业，物联网是战略性新兴产业的重要组成部分，对加快转变经 济发展方式具有重要推动作用，工业和信息化部还制定了物联网“十二五”发 展规划 ，给智能家居系统领域的发展带来极大契机。作为物联网技术的重要组 成部分，无线控制技术必然会得到极大的发展，具有无限的应用前景和市场。 无线控制技术的广泛应用，不仅解决了需要人员亲临现场操作的问题，节省了 人力成本，同时也克服了一些例如工作环境恶劣及场地限制因素的影响，给人 们带来了极大的便利。从最常见的无线键盘鼠标、遥控灯光、无线抄表等，到 无线智能家居和楼宇自动化，以及工业领域的无线控制设备等，可以说是渗透 到了当今人们社会生产生活的方方面面2。 尽管如此，由于无线控制类产品种类繁多，成本及功能可靠性，使用简便 性差距悬殊，整体质量参差不齐。真正功能强大，操作简便，成本低廉的产品 并不多见。正是基于此情况，设计一款性能和品质兼备，易用与实用并行的无 线控制系统显得十分有市场价值，本论文就以该系统具体实物的制作和测试来 证明其可行性。 2 系统制作方案 本系统旨在设计一个基于 nrf24l01 无线模块和 89c52 单片机的， 低成本， 高稳定性，操作简单的无线控制系统3。无线模块在单片机的控制之下能够实 现指令和数据的无线传输，使从机产生相应动作，从而达到远程控制的目的。 综合考虑以上要求，整个系统的制作分别从主机和从机两个部分进行。下面来 具体介绍： 2.1 主机主机 主机主要功能是向从机发射控制命令以及显示从机当前的工作状态，具备相 应的人机交互界面和接口。下面是主机结构图（图 1.0）以及各模块介绍： 图 1.0 主机结构图 单片机最小系统 nrf24l01 无线收发模块 键盘模块 nokia5110 显示模块 电源模块 2.1.1 电源模块电源模块 电源模块功能是将交流220v市电转换为单片机需要的5v工作电压和无线 模块工作需要的 3.3v 电压。 为了缩短开发周期和使用方便， 设计中由交流 220v 转直流 5v 的部分由市场上的电源模块来代替。考虑到单片机系统工作的稳定 性，需要在 5v 电源输出端添加相应电容滤波电路，以滤除市电干扰。 同时由于 nrf24l01 无线模块工作电压在 1.9v-3.6v 之间， 超出这个电压就 有被烧坏的可能，因此在还要用集成三端稳压芯片 ams1117-3.3 进行降压，该 芯片是一个正向低压降稳压器，在 1a 电流下压降为 1.2v，同时内部集成过流 保护和限流电路，能将 5v 的直流电压稳定在 3.3v，这样能保证无线模块正常 稳定工作。下面是该芯片引脚图与实物图（图 1.1）： 图 1.1ams1117-3.3 引脚图及实物图 2.1.2 单片机最小系统单片机最小系统 单片机最小系统主要由电源、复位、晶振电路等部分组成，其原理图和制 作的实物图分别如图 1.2 和图 1.3 所示。 对于一个完整的电子设计来讲，首要问题就是为整个系统提供电源，电源 模块的稳定可靠是系统平稳运行的前提和基础，51 单片机虽然使用时间最早、 应用范围最广，但是在实际使用过程中，一个和典型的问题就是相比其他系列 的单片机，51 单片机更容易受到干扰而出现程序跑飞的现象，克服这种现象出 现的一个重要手段就是为单片机系统配置一个稳定可靠的电源供电模块。此最 小系统中的电源可以通过上述电源模块中稳定的 5v 电源提供，也可使用计算 机的 usb 口供给。 图 1.2 单片机最小系统原理图 图 1.3 单片机最小系统实物图 单片机复位电路作用是把一个例如状态机初始化到空状态，原理是在单片 机的复位引脚 rst 上外接电阻和电容，实现上电自动复位。当复位电平持续两 个机器周期以上时复位有效。复位电平的持续时间必须大于单片机的两个机器 周期。具体数值可以由 rc 电路计算出时间常数。 复位电路由按键复位和上电复位两部分组成4，见图 1.4 所示。 (1)上电复位：stc89 系列单片及为高电平复位，通常在复位引脚 rst 上连 接一个电容到 vcc， 再连接一个电阻到 gnd， 由此形成一个 rc 充放电回路保 证单片机在上电时 rst 脚上有足够时间的高电平进行复位，随后回归到低电平 进入正常工作状态，这个电阻和电容的典型值为 10k 和 10uf。 (2)按键复位：按键复位就是在复位电容上并联一个开关，当开关按下时电 容被放电、rst 也被拉到高电平，而且由于电容的充电，会保持一段时间的高 电平来使单片机复位。 图 1.4 复位模块 单片机系统里都有晶振电路，目的是产生单片机所需的时钟频率，单片机 晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，本系统为提高通信速 率，使用 11.0592mhz 的晶体振荡器作为振荡源，由于单片机内部带有振荡电 路， 所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可， 电容容量一般在 15pf 至 50pf 之间，电路见图 1.5 所示。 图 1.5 晶振模块 2.1.3 显示模块显示模块 显示模块我们采用了 nokia5110 液晶模块，相比于传统的显示模块 lcd1602，它的优点有分辨率为 84x48，可显示 4 行汉字；采用串行接口与主 处理器进行通信， 包括电源和地在内的信号线只有 8 条， 大大减少了单片机 i/o 口的占用；同时支持 spi 等多种串行通信协议，传输速率可达 4mbps，可全速 写入显示数据。模块实物图和电路原理图如图 1.5 所示，该模块总有 8 个脚， 其中： 第 1 脚：rst 复位引脚 第 2 脚：ce 片选信号 第 3 脚：dc 数据/指令选择 第 4 脚：din 串行数据输入线 第 5 脚：clk 串行时钟线 第 6 脚：vcc 电源输入（3.3v 和 5v 均可） 第 7 脚：bl 背光控制端 第 8 脚：gnd 地线 图 1.5 nokia5110 模块实物及原理图 nokia5110 显示模块的工作原理如下，在单片机程序中事先定义好各字符 的编码数组，如字符a的编码数组为0x00,0x7c,0x12,0x11,0x12,0x7c,/a。 通 过 spi 串行通信协议向 din 引脚写入该数组内数据，即可显示字符字符a， 显 示汉字和图形也是同样的道理。 2.1.4 按键按键模块模块 按键模块是用户的输入设备，即通过按键使单片机发送不同控制指令。一 般在单片机系统中按键模块有两种形式，一种是独立按键的形式，即每个按键 占用一个 i/o 口，检测采用逐个扫描形式，常用在按键较少的情况。另一种是 矩阵键盘的形式，目的是为了减少 i/o 口的占用，常用在按键数量较多的情况。 检测方法有主要有两种，一种是“行扫描法”，另一种是“高低电平翻转法”。考 虑到本系统需要的按键数目较少，故采用独立按键的形式。 原理图及实物图如图 1.6 所示： 图 1.6 按键模块 2.1.5 无线发射模块无线发射模块 nrf24l01（或 nrf24l01p） 是一款工作在 2.42.5ghz 世界通用 ism 频 段的单片无线收发器芯片。无线收发器包括：频率发生器、增强型 schockburst 模式控制器、功率放大器、晶体振荡器调制器、解调器。输出功率频道选择和 协议的设置可以通过 spi 接口进行设置。极低的电流消耗，当工作在发射模式 下发射功率为 0dbm 时电流消耗为 11.3ma，接收模式时为 13.5ma，掉电模式 和待机模式下电流消耗更低5。 因为在无线通讯应用中经常会遇到远距离通讯的要求，目前有一些 nrf24l01 无线模块在原设计上增加了 pa（功率放大器）和 lna（低噪声放大 器）的型号，如“nrf24l01+pa”等。在发射部分通过 pa 电路将 nrf24l01 最 大 0dbm 的输出功率放大到+22dbm 左右，同时在接收部分通过 lna 电路增加 接收信号的强度。通过这种方式可以有效的增加 nrf24l01 无线模块的通讯距 离，在空旷环境下最高可增加到 2km6。 主机的无线模块功能主要是发送由单片机相应控制命令给从机，同时接收 从机发来的状态数据交由单片机处理。 其电路原理图和实物图如图 1.7 和 1.8 所示： 图 1.7nrf24l01 原理图图 1.8nrf24l01 模块实物图 这样主机部分就介绍完毕，制作完成后的主机模块如图 1.9 所示： 图 1.9 完成后的主机模块 2.2 从机模块制作从机模块制作 从机与主机是两个相对独立的模块，从机主机负责多主机发来的控制命令 进行解释和执行，其结构图如图 2.0 所示，从机配备有相应的驱动模块（继电 器）执行相应动作，但是也有一些和主机相同的部分，如单片机最小系统，无 线收发模块等，这里就不再赘述，下面仅介绍设备驱动模块： 图 2.0 从机结构图 2.2.1 设备驱动模块设备驱动模块 设备驱动模块是用于执行相应实际动作的单元，如电机驱动模块，led 驱 动模块，继电器模块等，相应的动作也就是控制电机正反转，led 亮灭，继电 器打开或关闭。在这里，为了测试方便，驱动模块用继电器来充当，主要是作 为开关来控制。 图 2.1 是继电器的电路原理图和图 2.2 制作好的实物图： 图 2.1 继电器模块原理图 图 2.2 继电器模块实物 单片机最小系统 电源模块设备驱动模块 nrf24l01 无线收发模块 这样从机部分就制作完成了，图 2.3 是制作好的从机实物图： 图 2.3 从机部分实物图 3 系统软件调试 3.1 程序工作原理程序工作原理 3.1.1 无线模块通信原理无线模块通信原理 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 10us， 延迟 130us 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，则进入卜一次发射;若发送堆栈中无数 据且 ce 为高，则进入空闲模式 2。 在接收数据时，我们首先将 nrf24l0 l 配置为接收模式，接着延迟 130us 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。在写 寄存器之前一定要进入待机模式或掉电模式7。 3.1.2 程序工作流程程序工作流程 本系统程序分为主机和从机两部分，为了便于直观形象地了解，采用流程 图的方式叙述，源代码放在附录中。流程图如图 3.1 所示。 (a)主机程序工作流程图(b)从机程序工作流程图 3.1 流程图 3.2 开发环境与调试工具开发环境与调试工具 本系统的程序采用 c 语言编写，故采用 keil4 集成开发环境进行开发， 程 序的下载通过 stc-isp 软件和 pl2303usb 转串口线进行下载和调试，分别如 图 3.2 和图 3.3 所示： 图 3.2 keil4 集成开发环境 图 3.3 程序下载软件和工具 3.3 程序编译与调试程序编译与调试 程序采用模块化编程方式进行编写，即将相同功能的程序段放在一起，封 装为一个头文件和 c 文件，在头文件中包含了该模块所有功能的 api 接口，使 用时直接包含该头文件即可，便于后续的移植和使用。本系统中的 5110 显示模 块函数即采用了此种方法编写，大大提高了编程效率8。在编写程序的时候， 也出现了例如变量冲突，函数未定义等错误，通过下载到单片机中进行反复测 试和修改后终于实现了程序的编译通过，实现了所要实现的远程控制功能。如 图 3.4 所示： 现象说明：主机显示的为从机两路设备的状态，其中设备 1 即继电器模块， 控制的为绿色 led 灯，设备 2 为红色 led 灯。从显示屏上可以看出，设备 1 处于开启状态，对应现象为绿灯亮；设备 2 处于关闭状态，对应现象为红灯灭。 3.4 实际功能实现 4 系统测试 本测试旨在测试该系统在不同环境下的主机与从机间的最远通信距离以及 系统工作的可靠度，从而分析系统的性能。 4.1 通信距离测试通信距离测试 下表是不同条件下测试的最远通信距离： （单位：米） 表 1.2: 测试条件第一组第二组第三组第四组第五组平均 空旷地带27.928.027.828.127.727.9 隔一堵墙21.421.621.121.521.321.38 隔二堵墙17.517.317.417.517.117.36 隔三堵墙9.49.39.29.19.49.28 4.2 系统性能系统性能分析分析 通过以上测试，证明该系统在一般条件下，即通信距离在 20 米内，该无线 控制系统均能正常工作，且能够实现基本的控制功能，且具备一定的抗干扰能 力，可应用于实际的控制工程中去。但是超出一定距离(空旷地带为 28 米左右， 其他地方不尽相同)，系统稳定性和可靠性均变差，无法正