基于nRF24L01无线通信温度监测系统

目录1引言111课题来源及意义112无线数据传输的发展状况113本课题研究的对象和内容2131对环境信号的采集及分析2132对无线模块发送接收数据分析22系统方案设计321MCU芯片选择322无线通信模块的方案323温度传感方案324显示模块方案43系统的硬件设计531硬件的系统组成532ATMEGA16主控芯片介绍533DS18B20温度传感器工作原理634NRF24L01无线模块的工作原理8341NRF24L01芯片概述8342引脚功能描述8343工作模式9344工作原理10345配置字11346NRF24L01模块的原理图1235发送端显示模块设计1336接收端与PC机通信模块设计134系统的软件设计1541发送端软件设计1542接收端软件设计155系统的调试17结束语18参考文献20致谢21牡丹江师范学院学士学位论文（设计）11引言11课题来源及意义在信息化蓬勃发展的今天，工农业的一些现场环境参数仍然是值得研究和监测的。其中一个非常重要的参数就是温度。在工业、农业，军事和生活等许多方面，都需要对温度进行监测。目前能够实现无线温度采集设计有很多，但最大的缺点是价格过高维护复杂。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的无线温度检测系统很有意义。12无线数据传输的发展状况在24GHZ非授权频段上，目前已经有了蓝牙，WIFI，ZIGBEE等多个标准无线协议。蓝牙，一种可应用于设备短距离通信（一般10M内）的无线电通信技术。其能够简化移动通信终端设备之间的信息传输，也能简化设备与因特网INTERNET之间的信息通信，所以数据传输更加迅速高效，为无线通信拓宽道路，但是其传输距离短。WIFI，是一个高频无线电信号。一个无线的网路通信技术品牌，由WIFI联盟所拥有。很容易与IEEE80211混为一谈。甚至把就认为WIFI是无线网际网路。ZIGBEE，一种基于IEEE802154标准的低功耗个域网协议。其拥有短距离、低功耗的无线通信技术特点。自动控制和远程控制领域非常适合其应用。NRF24L01，一款单芯片无线收发芯片，工作在24GHZ25GHZ频率范围内。芯片包括一个完全集成的功率放大器，频率合成器，调制器和晶体振荡器。通过3线SPI端口完成发射功率和工作频率等工作。电流消耗极低，在输出功率为5DBM仅为105MA，在接收模式仅为18MA。可以通过SPI接口进行设置输出功牡丹江师范学院学士学位论文（设计）2率频道选择和协议的设置。几乎可以用于到各种微控制器芯片，完成数据的无线传送。13本课题研究的对象和内容131对环境信号的采集及分析首先，自然界一切环境因素信号一般是模拟信号，要么我们采用A/D转换器将采集的信号转换成数字信号；要么直接使用数字式传感器，直接得到数字信号好；而我们的系统便是直接采用数字式传感器直接得到数字信号。其次，采集的信号还需要经过转换才可以使用，那么本次课题是采用软件来转换采集到的数据的。132对无线模块发送接收数据分析无线数据传输一般是将采集到的数据打包，加上起始位，停止位，还有一些校验信息一起发送给接收端，接收端经过数据信息的起始位，停止位，校验信息加以判断数据是否有效，如果有效返回一个电平信号给发送端，这样确保发送端明确这组数据已经接收成功，可以进入下一组数据的发送，如此循环下去。牡丹江师范学院学士学位论文（设计）32系统方案设计21MCU芯片选择方案一主控芯片采用AVR单片机系列芯片。其以快速，稳定，低功耗，多功能等优点迅速占领市场，应用于越来越多的场合。方案二主控芯片采用MSP430F149系列单片机。功能强大，高性能，低功耗，是一款16位单片机，内置高速12位ADC。但比较昂贵价格束缚了它更快的发展，而且封装不利于焊接，需要PCB制板，成本和开发周期不好控制。方案三主控芯片采用STC12C5A60S2增强型51单片机。内置SPI总线接口和ADC，内部时钟不分频，可达到1MPS。综合各方面因素，选择方案一，即用AVR系列中的ATMEGA16作为本系统的主控芯片。22无线通信模块的方案方案一通信模块采用GSM模块，GSM模块需要依赖移动卫星或者手机卡，传输距离大大提高，但其成本也随之增加、还需要办理SIM卡，通信过程中也会产生相应的收费，后期成本较高。方案二通信模块采用CC2430无线通信模块，它需要ZIGBEE总线模式，传输速率250KBPS，且内部集成性能高级8051内核。但同样昂贵的价格是普通用户很难接受，且ZIGBEE协议本身相对较为复杂。方案三通信模块采用NRF24L01无线射频模块，高速率、低功耗、传输距离远、而且价格较便宜，采用SPI总线通信模式电路简单，操作方便。基于系统的复杂性和程序的复杂度考虑，我们选用方案三。23温度传感方案牡丹江师范学院学士学位论文（设计）4方案一AD590用于测量热力学温度、两点温度差、摄氏温度、多点最低温度、多点平均温度的具体电路，AD590拥有高精度、低价格、不依赖辅助电源、线性好等优点，但其依赖差分放大器放大和A/D转换，依赖硬件多，成本提高。方案二采用DS18B20数字温度传感器芯片，耐磨耐碰，体积小，使用便捷，封装形式多样，各种狭小空间或危险环境是其发挥作用的好场所。经济，方便。使用DS18B20电路简单，编程也较为简单，但是比AD590精度低。考虑到电路的设计，成本，精度要求，我们选择方案二。24显示模块方案方案一显示信息选择LCD12864。一款通用的液晶显示屏，显示常用的汉字及ASCII码是其一大优点。方案二显示信息采用字符液晶LCD1602，一款比较通用的字符液晶模块，能够显示字符数字信息，而且价格低廉，控制容易。方案三显示采用LED7段数码管，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LCD1602显示采集的温度数据。牡丹江师范学院学士学位论文（设计）53系统的硬件设计31硬件的系统组成图31硬件系统组成图FIGURE31HARDWARESYSTEMDIAGRAM本系统的功能是监测温度数据，如图31，首先是由温度传感器检测环境温度，然后由温度传感器将其转化为数字信号，再将该数字信号传给发送端MCU，由其进行数据处理；送到显示模块进行显示，以及将数据传送给无线发送模块，由其将数据发送到接收端；当接收端MCU接收到数据时，进行数据处理，然后通过串口通信传给PC机，从而实现PC机对温度数据实时监测；构成总电路图见附录1。32ATMEGA16主控芯片介绍ATMEGA16以AVRRISC结构为基本结构，属于8位CMOS低功耗微控制器。ATMEGA16的数据吞吐率可高达1MIPS/MHZ，先进的指令集以及单时钟周期指令牡丹江师范学院学士学位论文（设计）6执行时间的应用，从而系统在功耗和处理速度之间的冲突得到缓解。ATMEGA16有一下特征16K字节可编程FLASH（同时可读写，即RWW，1K字节SRAM，512字节EEPROM，32个通用寄存器，32个通用I/O口线，用于边界扫描的JTAG接口，可在片内进行调试与编程，三个定时器/计数器T/C,片内/外部中断，可编程的串行USART，有初始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益TQFP封装的ADC,具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。工作于空闲模式时CPU停止工作，而USART、两线接口、A/D转换器、SRAM、T/C、SPI端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作。33DS18B20温度传感器工作原理DS18B20利用集成技术，将温度检测和数字数据输出集成到一个芯片内部，从而增强抗干扰力。其一个工作周期可分为即温度检测和数据处理两个部分。DS18B20共有三种形态的存储器资源，它们分别是用于存放DS18B20ID编码的ROM只读存储器，由前面8位是单线系列编码（DS18B20的编码是19H），中间48位是芯片唯一的序列号，后面8位是以上56的位的CRC码（冗余校验）组成64位数据。数据不由用户更改，在出厂时已经由厂商设置好了。RAM数据暂存器用于内部计算和数据存取，数据在掉电后丢失，DS18B20共9个字节RAM，每个字节为8位。第1、2个字节是温度转换后的数据值信息，第3、4个字节是用户EEPROM（常用于温度报警值储存）的镜像。在初始化时值将被刷新。用户第3个EEPROM的镜像在第5个字节中。计数寄存器在第6、7、8个字节中，目的是让用户设置温度分辨率的，同时也是内部温度转换、换算的暂时存储单元。第9个字节为前8个字节的CRC码。引脚定义（1）DQ为单数据总线，是数字信号输入/输出端；（2）GND为电源地；（3）VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。牡丹江师范学院学士学位论文（设计）7控制器对DS18B20操作流程（1）复位要使用DS18B20，首先是要复位，由控制器（单片机）给DS18B20单总线发送一个至少480S的低电平信号，当DS18B20接到此复位信号后则会在1560S后回发一个芯片存在的脉冲，并表明初始化成功。（2）控制器发送ROM指令确定DS18B20存在后就可以发送ROM指令了，ROM指令共有5条，ROM指令分别是读ROM数据、指定匹配芯片、跳跃ROM、芯片搜索、报警芯片搜索。ROM指令为8位长度，功能是对片内的64位光刻ROM进行操作。多个器件也可以同时挂载在一条单总线上，此时通过每个器件独有的ID来区分，如果挂载一个的话，就直接可以跳过ROM指令了。（3）控制器对存储器进行操作在DS18B20接收到ROM指令之后，接着就可以对存储器进行操作了。操作指令同样为8位，共6条，分别是写RAM数据、读RAM数据、把RAM数据复制到EEPROM、温度转换（500S）、将EEPROM中的警告值拷贝到RAM、工作方式转换。当主机收到DSL8B20的响应信号后，便可以发出ROM操作命令之一，这些命令如下指令代码代码SKIPROM（跳跃ROM指令）CCH这条指令不读取ROM编码，在单总线挂接一个DS18B20时，选用此指令可节省时间，如果在多芯片挂接时则不能跳过。READSCRATCHPAD（从RAM中读数据）BEH此指令将从RAM中读数据，读取范围地址0到地址9，可利用复位信号终止读取，不读后面不需要的地址区域，可以节省时间。CONVERTT（温度转换）44H接到此指令，芯片将转换一次温度，将结果放入RAM的第1、2地址。一般芯片在转化温度值时用时比较长，在寄生工作方式时，转化温度后，强上拉并至少保持500MS，来确保芯片完成转化。与DS18B20的每次动作都是由单片机的复位脉冲和DS18B20的应答脉冲开牡丹江师范学院学士学位论文（设计）8始的。过程就是，单片机先发一个复位脉冲，保持低电平480S960S；单片机释放总线，等待DS18B20的应答脉冲；单片机从发送完复位脉冲到再次控制总线至少要等待480S。读时隙需1560S，写时隙需要1575S，且在2次独立的写时隙之间至少需要1S的恢复时间。写时隙起始于单片机拉低总线。34NRF24L01无线模块的工作原理341NRF24L01芯片概述NRF24L01是一款新型单片射频收发器件,工作于24GHZ25GHZISM频段。内部集成了频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，也内嵌了增强型SHOCKBURST技术，其中可通过程序进行配置输出功率和通信频道。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LMB/S或2MB/S；SPI速率为0MB/S10MB/S；125个频道；可兼容其它NRF24L01系列器件；QFN20引脚4MM4MM封装；电源电压为19V36V。342引脚功能描述如图32所示，是NRF24L01的封装及引脚排列，以下是引脚功能牡丹江师范学院学士学位论文（设计）9图32NFR24L01封装图FIGURE32NFR24L01PACKAGINGFIGURECE使能端；CSN，SCK，MOSI，MISOSPI引脚端，可配置NRF24L01模式；IRQ中断标志；VDD电源输入端；VSS电源地；XC2，XC1晶振引脚；VDD_PA输出为18V，为功率放大器供电；ANT1，ANT2天线接口；IREF参考电流输入。343工作模式NRF241L01有发射、接收、空闲及掉电四种工作模式，如表1所示。待机模式1用于降低电流损耗，晶体振荡器处于工作状态；待机模式2进入此模式只需FIFO寄存器为空且CE1；待机模式所有配置字保留。在掉电模式下电流消耗最小，同时NRF24L01也不工作，但配置寄存器的值仍然有效。牡丹江师范学院学士学位论文（设计）10表1NRF24L01四种工作模式TABLE1NRF24L01FOURWORKMODES模式PWR_UPPRIM_RXCEFIFO寄存器状态接收模式111发射模式101数据在TXFIFO寄存器中发射模式1010停留在发送模式，直至数据发送完待机模式2101TXFIFO为空待机模式110无数据传输掉电0344工作原理发射数据时，配置NRF24L01为发射模式按照时序由SPI口把接收节点地址TX_ADDR和有效数据TX_PLD写入NRF24L01缓存区，CSN为低时连续写入TX_PLD，TX_ADDR在发射初写入一次即可，然后CE置为高电平并保持至少10S，延迟130S后发射数据。接收数据时,配置NRF24L01为接收模式，延迟130S，等待数据的到来。当地址和CRC有效时，就将数据包写入RX_FIFO中，同时中断标志位RX_DR置高，IRQ变低，产生中断，通知MCU去获取数据。如图33，图34，给出SPI操作及时序图牡丹江师范学院学士学位论文（设计）11图33SPI读操作FIGURE33SPIREADOPERATION图34SPI写操作FIGURE34SPIWRITEOPERATION345配置字SPI口为同步串行通信接口，最大传输速率为10MB/S，传输时低位字节优先，高位字节接在后面。但单个字节先高后低。与SPI有关的指令共有8个，由MOSI输入指令。MCU从MISO获取相应的状态和数据信息。NRF24L0L的配置寄存器可以定义所有的配置字，通过SPI口可以轻松访问配置寄存器。NRF24L01共有25个配置寄存器，如表2所示，是最常用的配置寄存器。表2常用配置寄存器TABLE2COMMONCONFIGURATIONREGISTER地址（H）寄存器名称功能00CONFIG设置24L01工作模式01EN_AA设置接收通道及自动应答牡丹江师范学院学士学位论文（设计）1202EN_RXADDR使能接收通道地址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，用来判定工作状态0A0FRX_ADDR_P0P5设置接收通道地址10TX_ADDR设置接收接点地址1116RX_PW_P0P5设置接收通道的有效数据宽度346NRF24L01模块的原理图如图35所示，NRF24L01单端匹配网络晶振，偏置电阻，去耦电容。图35NRF24L01单端50射频输出电路原理图FIGURE35NRF24L0150SINGLEENDEDRFOUTPUTCIRCUITPRINCIPLEDIAGRAM牡丹江师范学院学士学位论文（设计）1335发送端显示模块设计本设计在发送端采用LCD1602液晶显示模块来显示温度,上拉电阻提高PB驱动能力，PB作为数据输出并作为LCD的驱动，PD口的PD6PD4分别作为液晶显示模块的使能信号EN，RW端则配置成写，数据/命令选择RS。具体电路如图36所示。图36LCD1602液晶显示模块电路图FIGURE36LCD1602LCDDISPLAYMODULECIRCUITDIAGRAM36接收端与PC机通信模块设计本系统采用MAX232来完成转换电平。MAX232内部有电压倍增电路和转换电路，仅需5V电源便可工作，使用十分方便，MAX232的T1IN引脚连接ATMEGA16的串行输入口线TXD，R1OUT引脚连接ATMEGA16的串行输入口线RXD，MAX232的T1OUT、R1IN分别于与RS232的2、3引脚相连。MAX232泵电源引脚必须接01F电容，如图37中的C7、C8、C9、C10。牡丹江师范学院学士学位论文（设计）14图37单片机与PC机串口通信电路FIGURE37MCUANDPCSERIALCOMMUNICATIONCIRCUIT牡丹江师范学院学士学位论文（设计）154系统的软件设计41发送端软件设计本系统发送端采用DS18B20温度传感器采集温度，经ATMEGA16收集处理数据，温度数据由LCD1602显示，再由NRF24L01模块发送到接收端。其中包括DS18B20和NRF24L01模块的初始化配置等。软件流程图如图41。图41发送端软件流程图FIGURE41THESENDERSOFTWAREFLOWCHART42接收端软件设计本系统接收端主要完成接收发送端温度数据，在通过串口通信，将数据发送到PC端。软件过程包括NRF24L01初始化，串口初始化等，过程如图42。牡丹江师范学院学士学位论文（设计）16图42接收端软件流程图FIGURE42THERECEIVERSOFTWAREFLOWCHART牡丹江师范学院学士学位论文（设计）175系统的调试在不通电提前下，用万用表检查线路的连通性，并核对元器件的型号、规格。特别注意电源的短路问题，并重复检查地址总线、数据总线、控制总线是否存在相互间的短路或其他信号线的短路。晶体振荡器和电容应尽可能靠近单片机以减少寄生电容，确保振荡器稳定和可靠地工作。我们仔细检查了本系统的所有元件以及连线，所以此步骤不会发生故障。在通电前提下，检查各器件引脚的电位是否正常。其中遇到的问题很多，如焊接电路线不合格，中间有些许断路或虚焊，造成失败。还有USB电源电压经过供电给负载，电压下降05V，致使单片机不工作的问题。我们进行的是单点通信，传输温度数据。发送端采集温度，在LCD1602上显示，并发送到接收端。其结果如图51。图51发送端温度显示FIGURE51THESENDERTEMPERATUREDISPLAY接收端接收到数据并通过串口通信发送到PC机客户端，PC端显示如图52。图52接收端上传给PC机的温度数据显示牡丹江师范学院学士学位论文（设计）18FIGURE52THERECEIVERTOTHETEMPERATUREOFTHEPCDATASHOW结束语单片机数据采集与处理是非常重要的应用领域，除电信号之外，单片机还可以运用传感器实现对非电信号的采集转化。我们的设计就是一个非常有利的证明。本设计采用一种数字式的温度传感芯片DS18B20实现了单片机温度监测系统。本设计内容重点1NRF24L01无线传输模块的操作。2DS18B20的各种操作命令。3单片机LCD1602显示。4单片机的串口通信。研究展望智能无线温度监测系统正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性和网络温度监测器、研制单片测温测温监测系统等高科技的方向迅速发展。1提高温度监测系统的精度和分辨力在21世纪初期就推出了智能无线温度监测系统，当时采用的是8位A/D转换器，其测温精度较低，分辨力只有2C。目前，世界其他国家已相继推出了多种高精度、高分辨力的智能温度传感器，所用的是912位A/D转换器，分辨力一般都可达0500625C。为了提高多通道智能无线温度监测系统的转换速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D转换器。2增加温度监测系统的测试功能新型智能无线温度监测系统的测试功能也在不断增强。比如，采用DS1629型单总线温度传感器增加了实时日历时钟（RTC），使其功能更加完善。DS1624还增加了存储功能，可将短信息存储于芯片内部256字节的E2PROM存储器。另外，智能无线温度监测系统正从单通道向多通道的方向发展，这就为研制和开发多路无线温度监测系统创造了优良条件。智能无线温度监测系统具有多种工作模式，主要有单次转换、连续转换、待机模式，有的还提供低温极限扩展模式，操作非常简单。对某些智能无线温度监牡丹江师范学院学士学位论文（设计）19测系统而言，主机外部微处理器或单片机还可通过配置相应的寄存器来设置其A/D转换速率，分辨率及最大转换时间。最后敬请各位专家、老师和同学对论文提出宝贵的指导意见和建议。牡丹江师范学院学士学位论文（设计）20参考文献1马潮AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践M北京北京航天航空大学出版社,2011812老杨李鹏举AVR单片机工程师是怎样炼成的基于C语言PROTEUS仿真M北京电子工业出版社,20121113彭伟单片机C语言程序设计实训100例M北京北京航空航天大学出版社,201054何钦铭C语言程序设计（第2版）M北京高等教育出版社,201235吕秀锋C语言程序设计现代方法（第2版）M北京人民邮电出版社，201046徐科军传感器与检测技术（第3版）M北京电子工业出版社,201197樊尚春传感器技术及应用（第2版）M北京北京航天航空大学出版社,2010108赵广林常用电子器件识别/检测/选用一读通（第2版）M北京电子工业出版社,201139李朝青单片机原理及接口技术第3版M北京北京航空航天出版社，200910张毅刚单片机应用设计M哈尔滨哈尔滨工业大学出版社社,200911沈红卫单片机应用系统设计实例与分析M北京航天航空大学出版社，200812康华光数字电子技术基础（第五版）M北京高等教育出版社,201043145613龙一鸣等编著单片机总线扩展技术M北京北京航空航天大学出版社,牡丹江师范学院学士学位论文（设计）21199314康华光模拟电子技术基础（第五版）M北京高等教育出版社，200915傅劲送电子制作实例集锦M福州福州科学技术出版社,2006致谢在此，衷心地感谢我的指导教师徐晓雨老师在我毕业设计阶段，他始终严格要求我们，鼓舞我们，为本论文的顺利完成给予莫大的关注与指导。徐老师思维敏捷、经验丰富，修改论文效率特别高，也真是把学生的事情切切实实的落到实处，这给我留下了深刻的印象。在他的热心指导下使我能满怀信心地进行毕业设计，学会了独立地解决问题，使我的创造性思维得以锻炼，让我能胜利完成了本论文的编撰工作。徐老师的真诚、热心和严肃同样使我印象很深，正是这样，我才学到了很多知识，再次表示对徐老师深深的谢意大学入学以来，各位老师一直以来的辛勤工作和谆谆教导使我能充实地度过这难忘的四年，提高了我的综合素质、专业理论知识学习能力和实践工作能力。此次毕业设计和论文撰写过程中，也得到了许多同学的关心、指导和帮助，在此，我向我的同学和各位老师表示诚挚的感谢牡丹江师范学院学士学位论文（设计）22附录1总原理图图1发送端原理图FIGURE1THEPRINCIPLEDIAGRAMOFTHESENDER牡丹江师范学院学士学位论文（设计）23图2接收端原理图FIGURE2THEPRINCIPLEDIAGRAMOFTHERECEIVER附录2程序清单/发送端程序/INCLUDEINCLUDEINCLUDE“1602H“INCLUDE“DS18B20H“INCLUDE“AVR_NRF24L01H“DEFINEUCHARUNSIGNEDCHARDEFINEUINTUNSIGNEDINTUINTTEMP,MFLAG0/为1时，读到的温度为负数UCHARTEMP_TXUCHARWZ“UCHARFH“/负号UCHARSPACE“UCHARTABLE“TEMPERA“UCHARDW0XDF,0X43/单位VOIDDELAY_MSUINTTIMER牡丹江师范学院学士学位论文（设计）24UINTJ0WHILETIMERFORJ1124J0JVOIDBEEP1DDRD0XFFPORTD0XFFDELAY_MS200PORTD0VOIDBEEP2PORTD0DELAY_MS200PORTD0XFFVOIDMAIN_INITVOIDDDRD0XFFPORTD0XFFDDRB0XFFPORTB0XFFLCD_INITDS18B20_INITNRF24L01_INITVOIDGET_TEMPERATUREVOIDUCHARI,JDS18B20_INITDS18B20_WRITE_BYTE0XCCDS18B20_WRITE_BYTE0X44牡丹江师范学院学士学位论文（设计）25DELAY_MS300/DS18B20_INITDS18B20_WRITE_BYTE0XCCDS18B20_WRITE_BYTE0XBEIDS18B20_READ_BYTEJDS18B20_READ_BYTE/MSBTEMP_TXJ1616I/16IFJTEMPJ256ITEMPTEMP0625ELSEMFLAG1JJII1IFI0JTEMPJ256I/268TEMPTEMP0625/268/VOIDDISPLAY_TEMPERATU