毕业设计（论文）-基于NRF24L01的单片机无线通信研究.doc

闽南师范大学毕业论文（设计）基于NRF24L01的单片机无线通信研究Research of Microcontrollers Wireless Communication Based on NRF24L01姓 名： _ _ 学 号：_ 系 别：_物理与信息工程学院_ 专 业：_ 电气工程及其自动化_ 年 级：_2013级_ _ 指导教师：_ _ _ 2016年12月25日学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权闽南师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密，在_年解密后适用本授权书。2、不保密。（请在以上相应方框内打“”）作者签名：日期： 年 月 日导师签名：日期： 年 月 日摘 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；显示屏全套图纸加扣 3012250582AbstractThis 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 AT89S52 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 communication 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, and also transfer data quickly, and have good stability. Keywords：Microcontrollers; Wireless; Receive; Send; LCD-33-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42.4.2 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204.4 本章小结205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261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。无线通信技术对数据采集方面具有重要作用，特别使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。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。1.2 课题的研究现状及趋势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，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，相互推动发展单片机。1.2.2 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，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。 1.3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, 图2-1 系统总框图结构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，包括单片机控制模块、独立键盘模块；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。表2-1 LCD12864主要指标LCD12864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：图2-2 LCD12864尺寸结构 表2-2 LCD12864引脚简介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1GND-电源地2VDD-电源正端3V0-LCD驱动电压输入端4RS（CS）并行/串行数据信号选择；串行功能的片选信号5R/W(SID)并行/串行并行功能的读写信号选择；串行数据端口6E（CLK）并行/串行并行功能的使能信号；串行的同步时钟7DB0并行/串行数据端口08DB1并行/串行数据端口19DB2并行/串行数据端口210DB3并行/串行数据端口311DB4并行/串行数据端口412DB5并行/串行数据端口513DB6并行/串行数据端口614DB7并行/串行数据端口715PSB并行/串行并行与串行的端口选择16NC空脚作用17RST并行/串行复位功能且只在低电平有效18VOUT电压输出端19BLA-背光部分正极：+5V20BLK-背光部分负极：+0VLCD12864各引脚时序如图2-3与图2-4所示：图2-3 MCU写程序到模块中 DB-DB7图2-4 MCU从模块读出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。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。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。NRF24L01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，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。NRF24L01引脚结构如图2-5所示：图2-5 NRF24L01引脚结构图 表2-3 NRF24L01引脚功能简介NRF24L01引脚功能说明如表2-3所示：引脚名称引脚功能描述1CE数字输入RX或TX模式选择2CSN数字输入SPI片选信号3SCK数字输入SPI时钟4MOSI数字输入从SPI数据输入脚5MISO数字输出从SPI数据输出脚6IRQ数字输出可屏蔽中断脚7VDD电源+3.3V8VSS电源0V9XC2模拟输出晶体振荡器1脚10XC1模拟输入晶体振荡器2脚/给外部时钟输入脚11VDD-PA电源输出给RF的功率放大器提供的1.8V电源12ANT1天线天线接口113ANT2天线天线接口214VSS电源0V15VDD电源+3.3V16IREP模拟输入参考电源17VSS电源0V18VDD电源+3.3V19DVDD电源输出去耦电路电源正极端20VSS电源0V表2-4 NRF24L01工作模式NRF24L01工作模式如表2-4所示：模式PWR_UPPRIM_RXCEFIFO寄存器状态接收模式111-发射模式101数据在TX FIFO寄存器中发射模式1010停留在发送模式，直至数据发送完毕待机模式2101TX FIFO为空待机模式11-0无数据传输掉电0-当要发射数据前，得先将NRF24L01功能配置选择为发射模式，将接收节点地址TX_ADDR与有效数据TX_PLOAD通过按照时序从SPI口写入NRF24L01缓存区里面。而且，TX_PLOAD需要在CSN为低电平时连续写入，TX_ADDR在发射数据时候写入一次即可，将CE脚置为高电平并保持10us，再延迟130us后发射数据。如果自动应答模式开启后，那么NRF24L01在接收数据后马上进入接收模式。若收到应答的话，那么认为此次无线通信成功，TX_DS置为高电平，TX_PLOAD应从TX FIFO中清除掉；若没有收到应答的话，则应该自动重新发射数据。如果重发次数达到上限，将MAX_RT置为高电平，则TX FIFO中会保留数据，以便下次进行重发。当MAX_RT或电TX_DS置为高电平时，会使IRQ变低，从而产生中断，并通知MCU。最后提示发射成功时，若CE为低电平就会使NRF24L01进入空闲模式1；若发送堆栈中有数据，且CE为高电平，则进入下一次发射；若发送堆栈中无数据且CE为高电平，则会进入空闲模式2。当接收数据时候，得先将NRF24L01功能配置选择为接收模式，然后紧接着会延迟130us就会进入接收状态等待数据的到来。如果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，同时则会中断标志位RX_DR置为高电平，IRQ变为低电平，则会产生中断，通知MCU去采取数据。若自动应答开启的话，接收方则会同时进去发射状态回传应答信号。最后，当接收成功时候，若CE脚变为低电平，则NRF24L01就会进入空闲模式1。 由于SPI口为同步串行通信接口，它的最大传输速率可达10Mb/s。在传输时候，应要先传送高位字节。但就针对单字节来说的话，则应该要先发送高位再发送低位。此外，与SPI相关的指令一共8个，使用这8个控制指令则由NRF24L01的MOSI引脚输入，相对应的状态和数据信息是从MISO输出给MCU。NRF24L01内置寄存器说明如表2-5所示：表2-5 NRF24L01内置寄存器介绍地址寄存器名称功能00CONFIG设置NRF24L01工作模式01EN_AA设置接收通道及自动应答02EN_RXADDR使能接收通道03SETUP_AW设置地址宽度04SETUP_RETR设置自动重发数据时间和次数07STATUS状态寄存器，判定工作状态0A0FRX_ADDR_P0P5设置接收通道地址10TX_ADDR设置发送地址（先写低地址）1116RX_PW_P0P5设置通道的有效数据宽度 跳频技术其原理是在2.4GHz频带通过一定的频宽来划分划分为若干个无线电频率信道，并且通过使用接收和发送两端一样的跳跃模式从而来完成接收与发送的讯号。此外，接收和发送双方传输信号的波形是根据其预定的规律进行离散变化。换句话说，跳频技术不是抑制干扰信号而是容忍干扰信号。 2.4.5主控制作用为了能很好地控制其他各个模块，本系统采用相对比较控制单片机芯片AT89S52。AT89S52是一种高性能、功耗低的8位微控制器。内部具有可编程Flash存储器，可以与80C51系列产品相互兼容。而且，它片上Flash可以允许在系统编程与常规编程器。同时，AT89S52具有以下功能：1.具有8k字节容量的Flash；2.具有256字节容量的RAM；3.具有4个I/O口；4.具有看门狗定时器；5.具有2个数据指针：6.内部含有3个16位定时器/计数器；7.具有中断系统；8.具有全双工串行口；9.内部含有晶振以及时钟电路；除此之外，AT89S52有2种选择节电模式。在空闲模式情况下，CPU则会停止继续工作，但是可以允许中断、串口、定时器计数器等继续工作；在掉电保护情况下，数据存储器里的内容会被保存起来，振荡器停止工作，直至遇到下一个中断或者硬件复位。AT89S52引脚结构如图2-6与图2-7所示： 图2-7 AT89S52QFP封装结构图2-6 AT9S52DIP封装结构 AT89S52内部结构如图2-8所示：图2-8 AT89S52内部结构 AT89S52各引脚功能及作用如下：VCC：电源端；GND：接地端；P0端口：P0端口是一个8位双向I/O端口，且呈现漏极开路状态。当它作为输出口的时候，每一位I/O口可以驱动8个TTL逻辑电平。此外，当对P0端口置“1”时候，引脚可以用作高阻抗输入。当要访问外部RAM和ROM时候，P0端口也可以被用作8位地址/数据复用，处于这种状态下，P0端口则会具有内部上拉电阻；P1端口：P1端口是一个8位双向I/O端口，且内部含有上拉电阻。当P1输出缓冲器的时候，可以驱动4个TTL逻辑电平。当对P1端口置“1”时候，可以作为输入端口使用。此外，P1端口还有第二功能如表2-6所示：表2-6 P1端口第二功能引脚号功能P1.0作为定时器/计数器T2的外部计数输入端口及时钟输出（T2）P1.1作为定时器/计数器T2的捕捉信号/重新载入触发信号及方向控制（T2EX）P1.5可以在系统编程使用（MOSI）P1.6可以在系统编程使用（MISO）P1.7可以在系统编程使用（SCK）P2端口：P2端口是一个8位双向I/O口，且内部含有上拉电阻。当P2端口输出缓冲器就可以驱动4个TTL逻辑电平。当对P2端口置“1”时候，可以作为输入端口使用。在访问外部RAM和ROM时候，P2端口可以送出高八位地址。当使用8位地址访问外部RAM时候，P2端口则会输出锁存器的内容；P3端口：P3端口是一个8位双向的I/O端口，且内部含有上拉电阻。当P3端口输出缓冲器就可以驱动4个TTL逻辑电平。当对P3端口置“1”时候，就可以作为输入端口使用。此外，P3端口还有第二功能如表2-7所示：表2-7 P3端口第二功能引脚号功能P3.0串行输入口（RXD）P3.1串行输出口（TXD）P3.2外部中断0（），低电平有效P3.3外部中断1（），低电平有效P3.4定时器0外部输入端（T0）P3.5定时器1外部输入端（T1）P3.6外部RAM写选通（）,低电平有效P3.7外部RAM读选通（）,低电平有效RST：复位输入功能。当有晶振工作时候，RST引脚如果持续2个机器周期高电平的话，则会使单片机复位。ALE/：地址锁存控制信号；：外部ROM选通信号；/VPP：访问外部ROM控制信号；XTAL1：是振荡器、反相放大器以及内部时钟电路的输入端口；XTAL2：是振荡器与反相放大器的输出端；2.5本章小结 在本章中，详细地介绍了该系统的功能设计、设计原则、硬件设计总体方案以及各模块的功能介绍。该五大模块为汉字与字符显示、按键结构选择、信号收发提示、数据传输及主控制。同时，对各个模块还进行了分析与介绍，对各个模块中重要模块的参数进行详细说明。3系统硬件电路的设计3.1电源电路的设计对于设计一个产品，其电源部分是相当重要。电源部分如果设计好的话，可以大大减少一些不必要的干扰。因此，在设计电源部分要格外注意。本系统中主要的用电设备有：AT89S52、NRF24L01及LCD12864。其中，AT89S52和LCD12864是得提供5V直流电压，然而，NRF24L01是得提供3.3V直流电压。因此，本系统采用的是由充电宝设备提供的5V直流电压，为AT89S52单片机及LCD12864供电，再经过由AM1117模块降压至3.3V直流电压，为NRF24L01供电。由5V直流电压降至3.3V直流电压的电路如图3-1所示：C1104图3-1 5V转3V电路 其中，AMS1117是一个正向降压稳压器。并且，在1A电流情况下，AMS1117的压降是1.2V。AMS1117共有两个版本：一个是固定输出，另一个是可调节输出。固定输出电压可以为1.5V、1.8V、2.5V、2.85V、3.0V、3.3V、5.0V，它的精确度可以达到1%。AMS1117的内部含有过热保护以及限流保护电路，在温度达到一定时候，自动会切断电路，从而对其他电路进行保护。在图3.1电路中，输出电容最小应为10uF。3.2单片机控制电路设计由AT89S52单片机构成的主控制电路如图3-2所示：图3-2 单片机控制电路在单片机控制电路中，在XTAL1与XTAL2的两引脚之间接上一电容，目的是使系统更加稳定，进而避免噪声干扰然后死机掉。由C1与K4构成的复位电路，可以对系统进行复位。3.2.1下载电路由Keil Uvision4编译好的程序烧写到单片机的下载电路如图3-3所示：图3-3 下载电路LED 其中，电阻R8起到限流作用，从而保护电源指示灯作用。3.3无线收发模块电路设计NRF24L01无线收发模块的内部结构如图3-4所示：图3-4 NRF24L01无线收发模块内部结构 其中，1脚为发送或接受模式选择，2脚为SPI片选信号，3脚位SPI时钟信号，4脚为SPI数据输入脚，5脚为SPI数据输出脚，6脚为可屏蔽中断脚。由9脚与10脚构成的外围时钟电路，X1是提供一定时钟的信号周期的晶振，R1是产生一定的负反馈和限流作用， C1与C2是作为负载电容，可以得到晶振标称的谐振频率，并能够最大限度地保证晶振频率的误差。此外，图中VDD与VSS输出脚接电容是为了进行滤波和退耦作用，提高一定的抗干扰能力。由12脚与13脚构成的外围天线电路，是为了单端匹配网络作用。3.4按键电路设计由六个按键构成的独立按键结构电路如图3-5所示：图3-5 按键电路其中，六个电阻起到固定上拉电阻作用。3.5信号收发提示电路设 由八个LED构成的简易的LED模块电路如图3-6所示：图3-6 信号接收提示电路 其中，电阻起到限流作用，防止电流过大，导致发光二极管损坏。3.6显示电路设计 LCD12864显示电路如图3-7所示： 图3-7 显示电路 其中，可以通过RW4与RW5调节LCD12864显示模块的屏幕亮度，便于人们观察屏中信息。3.7本章小结 在本章中，主要介绍了各模块的电路设计。其中，包含有电源电路设计AT89S52控制电路设计、NRF24L01无线收发模块电路设计、按键电路设计、信号收发提示电路设计、LCD12864显示电路设计。4系统软件设计4.1显示模块 LCD12864显示程序如下图所示，主程序首先应该液晶初始化，然后，进行液晶填充全为空格与判断液晶是否繁忙。接着，执行写指令与写数据。最后，执行显示字符坐标与显示字符串。本系统显示模块主程序流程如图4-1所示：图4-1 显示主程序 本显示程序经过Keil uVsion4的运行界面如图4-2所示：图4-2 显示程序编译4.2无线收发模块4.2.1无线发送模块 NRF24L01无线发送程序如下图所示，主程序应该先初始化，然后选择NRF24L01配置模式。接着，判断键盘动作，并进行数据采集和现实。最后，将采集到的数据保存到发送寄存器，并等待启动发送。本系统无线发送主程序结构流程如图4-3所示：图4-3 无线发送主程序 该发送程序经过Keil uVsion4的运行界面如图4-4所示：图4-4 发送程序编译4.2.2无线接收模块NRF24L01无线接收程序如下图所示，主程序应该先初始化，然后选择NRF24L01配置模式。接着，启动接收并判断收到的数据是否有更新。最后，读取收到的数据并将收到的数据送到缓冲器中，判断发送模块发送的数据是否结束。本系统无线接收主程序结构流程如图4-5所示：图4-5 无线接收主程序该接收程序经过Keil uVsion4的运行界面如图4-6所示：图4-6 接收程序编译4.3通信协议 通信协议就是利用两个实体进行完成通信，或者说是服务所应该遵循的某种规则和约定。进而，通过通信的通道与所用的通信设备相互连接起来的多个不同位置的数据通信系统，要使它们能够实现某种信息交换，则它们应该具备共同语言。那么，此规则称为通信协议。在本系统中，NRF24L01无线收发模块的工作原理其实就是发送模块与接收模块各自传输信号的载波按照事先预定的规律，从而进行离散变化。其中，NRF24L01处于接收模式下有6个数据通道。并且，当该6个不同的NRF24L01设置为发送模式时，就可以与同一个设置为接收模式的NRF24L01进行通讯，而设置为接收模式的NRF24L01就可以对6个发送端进行识别。当NRF24L01在确认收到一定数据后，并记录地址，从而以此为目标地址进行发送应答信号。对于发送端，数据通道0被用作接收的应答信号，则数据通道0的接收地址应与发送端的地址一致，以确保收到正确的应答信号。对于本设计中，主要在发送端通过按键进行发送数据，则接收端接收相对应的数据或者收到发送端的信号可以显示出图片。4.4本章小结在本章节中，通过设计各模块程序流程图，从而编写出相应的C语言程序。在编写程序时候，遇到了很多语法及逻辑思维错误。在此期间，感受到了程序模块化的重要性，更能让人看懂。最后，采取不断请教他人的做法，让我懂得细心与耐心的重要性。5系统测试5.1测试波形及说明 经过系列的测试与试验结果后，通过查找NRF24L01的SPI时序后，可得以下时序波形图： 图5-1 CSN与SCK波形图5-2 MISO与MOSI波形图5.1中，CSN表示第一通道信号线，SCK表示第二通道信号线。图5.2中，MISO表示第一通道线，MOSI表示第二通道线。通过上方波形与理想波形比较，大体一致，说明写入数据与读入数据此正常。则进一步说明该系统通信正常。图5-3 IRQ与SCK波形图5.3中，第一信号通道是SCK，第二信号通道是IRQ。MISO信号是在SCK的下降沿送入到NRF24L01节点，当配置完信号后，将CE脚置高，那么NRF24L01就开始发送或接收数据。当发送或者接收数据完成后，IRQ引脚会置低。从图中可以看出，从SCK的最后一个信号到IRQ置低时间大概为640us，则说明通信成功。图5-4 IRQ与SCK信号图5.4 IRQ与SCK波形 图5.4中，第一信号通道为SCK，第二信号通道是IRQ。从图中可以看出SCK的最后一个信号到IRQ置低时间为2.92ms远大于通信成功的时间，则说明在此种情况下，系统通信不成功。5.2测试结果 在经过指导老师与同学的悉心指导下，完成了该毕业设计作品。经亲自检测可得两系统间最大无线通信距离可达10米多，抗干扰能力较强。此外，在发送端通过按键送值，触发接收端接收发送端的信号并显示数据、文字以及图片。同时，在肉眼观察下，随着两系统距离变大，其无线传输速率变慢。6结论 在本设计中，可以实现单片机无线通信，并且可以通过按键传送自身设定的数据，进而达到无线数据快速传输。此外，还能通过发送端系统的按键触发，则接收端系统能够指定接收发送端传来的信号，并显示出相对应的图片与文字。该系统设计中，还设计了基于51单片机的的液晶显示以及硬件部分的详细设计思路。同时，我还学习并充分掌握Keil uVsion4编译软件的使用。 对于本设计的改进方案，要实现对日常生活温度与光照强度的采集，从而进行单片机无线通信。 参考文献 1 沈珂.无线通信技术在单片机通信系统中的应用J.中国新通信，2015(2)：81-81.2 李文元.无线通信技术概论M.国防工业出版社，2006. 3 佚名.无线数据传输技术J.通信与广播电视，1999(4).4 杨星.论单片机发展历程及技术进步J.知识经济，2011(23)：97-97. 5 王翔.无线通信技术发展分析J.通信技术，2007，40(6):62-64. 6 胡彬彬，张玮.单片机无线通信系统的设计与实现J.数字技术与应用，2014(4)：38-39. 7 史良.LCD12864显示模块与微处理器的接口设计J.矿业安全与环保，1999(5)：16-17. 8 李伍元.浅谈单片机非编码键盘工作原理及设计方法J.科技情报开发与经济，2009，19(2)：109-111. 9 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