基于nrf24l01电子防丢器的设计与实现

1、本科毕业论文(设计)题目：基于nrf24l01电子防丢的设计与 实现学院： 物理与电子科学学院 班级： 电子四班 姓名： 贾昊丽 指导教师： 刘红梅 职称： 副教授 完成日期：2015年05月20日基于nrf24l01电子防丢器的设计与实现 摘 要：二十一世纪的今天，生活压力的加大，生活节奏的加快，人们丢失东西也就成了不可避免的一种“习惯”。这就让一系列以防丢为目的的电子产品也流行起来。本文设计了电子防丢器，该防丢器的功能主要由报警器的蜂鸣所体现，防丢器分为两个部分，设计时分为从机和主机，即发射模块和接收模块，有各自独立的发射和接收电路，因此其编码不相同不会相互干扰，从机放在怕被丢失的物件上，

2、而主机则携带在主人身上，调整两个模块距离的远近就可以根据警报实现防丢器的保护与寻找两个功能。此次设计的电子防丢器采用的是集成芯片，所以电路比较简单，功耗与成本相对都比较低。关键词：防丢器；报警器；从机；主机目 录1 引言11.1 课题的背景及意义11.2电子防丢器的功能与原理12 系统总体硬件设计22.1 系统硬件概述2 2.3 各组成模块选择32.3.1 主控模块的选择32.2.2 显示器选择方案42.2.3 无线模块的选择方案62.4 功能按键电路设计72.5 系统报警电路72.6 系统电源电路设计83 系统软件总体设计83.1 软件开发环境83.2 编程语言 83.3软件总体设计93.3

3、.1程序结构93.4 流程图104 系统的分析与调试115 结论与展望12参考文献12基于nrf24l01电子防丢器的设计与实现1 引言 1.1 课题的背景及意义 为了减少现代快节奏的生活中因找不到贵重东西带来的些许急躁感，防丢器的设计就好像是最好的减压礼物，它不仅小巧，携带方面，而且环保、省电。要是带着的小孩走丢，更是焦急如焚，因此要避免这类事情的发生，电子防丢报警器更是最好的帮手。现在的市场上有各色各样的防丢器，这些原理同样可运用于警方的跟踪报警器，不仅可以解决生活中一些不可避免的小失误，同样也对一些警方所要侦破的案件有着极其重要的辅助作用，因此，考虑到它极其强大的市场前景，我选择对防丢报

4、警器进行设计与实现。 1.2电子防丢器的功能与原理 这些防丢器都有主机和从机两个部分，由报警器的及时反应来得知贵重物品是否丢失和开启寻找模式轻松在所设定的范围内找到该贵重物品。该电子防丢器的是使用nrf24l01为无线模块，对于这个无线新型单片射频收发器件，因不同的发射和和接收模块使得无线发射频率也各不相同，因此不会相互干扰。子机有编码电路与无线发射电路两部分，母机则由再生式接收电路、译码电路、报警电路和电源电路构成。如果再生式接收电路接收到从机发射的无线信号，则会检波还原出原编码信号，然后发送到译码电路译码，由译码电路翻译出该信号，最后发送到报警电路。要是超过nrf24l01所限定的距离值，

5、或者收到的比较弱的信号，译码电路就会因收不到信号不能进行译码，使得蜂鸣器报警。本文所设计的防丢器采用了单片2.4无线射频收发芯片nrf24l01和52单片机，在电路设计方面就比较简单，即可以在稳定的电路工作状态下来实现保护，寻找，报警功能，形成了一个简单的电子防丢器报警系统。2 系统总体硬件设计 2.1 系统硬件概述 这次的毕业设计所要呈现的电子防丢报警器主要是由发射模块与接收模块两部分构成，发射模块也为主机模块，它是由单片机系统，无线模块，液晶显示模块，声光报警模块以及按键输入模块组成。接收模块即从机模块，从机模块是由单片机最小系统模块和无线模块组成。整个系统包括有两种工作模式，他们分别是保

6、护模式和寻找模式。在保护模式下，当保护对象超出限定的保护距离外后，系统自动发出报警。在寻找模式下，当主机寻找到从机后，系统发出报警。保护距离可以通过设置无线模块的发射功率来设置。由于系统采用的无线模块NRF24L01可以被设置成4个档位的发射功率，所以本系统可以设置4种档位的保护距离设置。其中主控模块和无线模块是该电子防丢器的核心模块。当使用该套设备时，接收器应该设计的尽量体积小，这样才方便与宝贵物品粘放一起。1602液晶显示 无线模块 从机 主机声光报警STC89C52STC89C52 按键模块 图2.1电子防丢器原理方框图 2.3 各组成模块选择 2.3.1 主控模块的选择 控制器模块选择

7、，在价格方面进行对比，而且该设计需要手持设备，因而一款单片机就完全可以达到系统的要求。本设计中拥有一个控制器，它主要控制驱动信号产生，以及信息的显示等功能，控制器拥有很多种，下面介绍一些控制器以及本设计采用的控制器。方案一：选择STC89C52作为控制器。STC89C52是升级版的51内核的单片机芯片，是拥有8位CPU的高性能微控制器，采用“CISC”指令集，其所拥有的111条指令使得操作得心应手。还有，它的供电电压是5V和其他的一些芯片具有相同的供电电压，其抗干扰能力强，端口容易操作，构建其最小控制系统简单。该方案的实用性和可靠性比较高，可以满足绝大多数控制，选择51单片机作为控制器，对于初

8、学者可以很方便的构建一个最小控制系统，并且其的编程很简单，成本低，便于操作者实现控制目标。方案二：选择具有16位CPU的控制器MSP430。MSP430是TI公司生产的一款低功耗控制芯片，其供电电压是3.3V，这种低功耗模式为节省能源消耗又做了贡献，该CPU采用“RISC”，有简简单单的27条指令与大量的模拟指令，大大小小的各种寄存器或者片内寄存器都可以更加灵活的进行运算。方案三：选择STM32F103作为控制器。STM32F103体积小，集成资源十分丰厚，价格低，代码开源度大，易于开发，且有良好的应用背景，可靠性高。联系本设计的任务，对于控制器的要求，所以从设计成本以及可靠性和实施难度等方面

9、考虑，本设计选择控制方案一作为控制方案选择。 图2.3.1STC89C52引脚图 2.3.2 显示器选择方案 方案一：用LED数码管作显示。LED数码管作为显示器有其自身的优缺点，在强光照射下显示亮度比较好，适用于白天，耐用且便宜，但因为该显示器显示比较单一，而且处理其显示电路比较麻烦，占用了大量控制器资源。方案二：用液晶LCD1602作显示。LCD1602显示器显示功能强大，不仅在字母，数字以及中文符号方面独具一格，而且在绘图和文字画面混合显示方面也不逊色。有三种控制接口，包括8位微处理器、4位微处理器及串行接口。其所包含的一切功能例如显示RAM或者是字型产生器仅仅需要一个最小的微处理系统就

10、可以搞定，简单方面的处理模块。在价格和性能方面来说，LCD1602显示器不仅具有白菜的价格而且及其省电，各种功能灵活运用自如，资源占用较少。 从各方面的优缺点考虑，当然首选LCD11602作为该电子防丢器的显示器。 图2.3.2-1 LCD1602实物和管脚图 图液晶1602电路原理图 2.3.3 无线模块的选择 此次防丢器所用的无线模块为nRF24L01，nRF24L01是由NORDIC生产的一款工作频率在2.42.5GHzISM之间的新型单片射频收发器件，几乎可以连接到各种单片机芯片，并完成无线数据传送工作，nRF24L01内部包含的模块分别为频率合成器、功率放大器、晶体振荡器与调制器，并

11、与增强型的ShockBurst技术结合，可以通过SPI接口对其输出功率、频道选择与协议进行设置，因为nRF24L01有极低的工作电流，不仅功耗较低，而且处于其他低功率工作模式时，即掉电模式和待机模式下电流消耗更低，在节能设计方面占有足够大的优势。 图2.3.3 NRF24l01无线模块电路 如图2.3.3所示为nRF24L01无线发送电路图，到天线输出时，是一个电路，其六个控制脚接MCU控制器,并有一个独立的晶振支持工作，当控制器对其完成读写工作后，其开始工作。 不同的发射模块与接收模块都有自己相对应的IP地址，我们通过硬件上的开关来实现。发射器无间断的发射数据包，这些数据包携带着不同的通讯协

12、议，每次发送一个数据包就记录时间T1，接收器在无线所限定的范围内收到数据包后，立刻与自己的ID相匹配，若与自己相前的ID相同，则迅速回复与之相同的数据包，发射器接收到所返回的数据包后就记录时间T2，T2-T1即为时间距离，即为LED灯随之闪烁的原因。在硬件测试中，如果想要通过发射与接收的时间差让LED闪烁是行不通的。 2.4 功能按键电路设计 系统的功能按键共有4个，分别是“保护”按键，“寻找”按键。“档位加”按键，“档位减”按键。“保护”按键和“寻找”按键主要用于系统工作模式的切换，“档位加”按键和“档位减”按键主要用于保护距离的档位切换。电路原理图如图2-4所示。 图2-4功能按键电路图

13、2.5 系统报警电路系统报警模块采用的是蜂鸣器报警，另外还加了报警指示灯。在保护模式下，当保护对象超出限定的保护距离外后，系统自动发出报警。在寻找模式下，当主机寻找到从机后，系统发出报警。蜂鸣器会报警且同时报警指示灯会闪烁。其电路原理图如图所示。由于其原理比较简单。 图2.5系统报警电路 2.6 系统电源电路设计 关于本系统的电源设计，主要是看本系统需要几种电源，由于系统的MCU的IO电压为5v，所以系统需要一个5V，系统中的继电器和蜂鸣器都需要5V供电，而直流电机的供电电压需要12V，所以系统共需要2种电压等级，所以本系统采用12V电压输入，然后利用稳压芯片7805将12V转换成5V。其电路

14、原理图如图2-5所示。 系统电源原理图3 系统软件总体设计 3.1 软件开发环境 本设计中选用德国KEIL公司推出的uVision4集成开发环境作为主机程序设计的编译器。该软件集成了业内最领先的技术。可以方便的对C程序代码进行编译，有汇编源程序、连接与重定位目标文件和库文件的强大功能，并且可以创建HEX文件和对目标程序进行调试。 3.2 编程语言 此次软件设计使用C语言进行编程，C语言是一种语言精炼，层次感强的一种结构化的语言，运用模块化来组织程序的方式对于调试与维护来说更显容易且灵活。不仅如此，它还具有各类运算与全面的数据类型，对于实现各类数学难题也显得颇为能耐。第三，不仅可以对内存地址进行

15、访问，位操作对于其来说也是易如反掌。第四，C语言不管是在高级语言方面还是在低级语言方面都有足够强大的优势。因此对硬件实现编程操作对于C来说也是毫不费力，在应用软件开发方面也丝毫不逊色于系统软件的开发。除此之外，C不仅效率高，而且可移植性也很强。例如，原来使用的汇编语言编写的程序，由于别人编写的程序不易被读懂，在一段时间后再去做升级和维护就会感觉非常的不方便。但对于C语言在使用和调试这两方面却可以应用自如，C语言潜在的优势就立显出来。 3.3软件总体设计 3.3.1程序结构 本设计中软件部分起到了非常重要的作用,设计的是否完美主要取决于软件的设计。本设计的软件需要完成的任务是： 1）基本要求 采

16、用单片机作为主控芯片,主要用于数据识别和控制报警。制作无线电发射、无线电接收装置各一个，其中一个放在贵重物品上（假设为A部分），另一个则带在身上（假设为B部分）。正常情况下蜂鸣器不响。当发射接收模块之间的距离大于某一个限定的范围时，则说明贵重物品已经不在身边或者是被小偷顺走了，此时开启寻找模式此时蜂鸣器停止报警，然后主人移动自己的位置对丢失物品进行寻找，若警报声再次响起，说明该丢失物就在最初的安全范围内，即被找到。 调制方式采用调幅式和调频式任选。 采用超外差方式接收。 作用距离为10m。 发射功率不大于10mW。 2）扩展功能 为了证明不同的发射与接收模块之间不会受到干扰，因此可以多做几组防

17、丢器，证明其是一一对应的，互相之间不会受到影响。 采用3V扣电池。 3.4 流程图 我们所要设计的电子防丢器在软件设计方面需要对整题的运行程序进行流程设计，划分各个模块并实现与之相对应的功能，最后将各个子模块有条不紊的联系起来，形成总的程序。其主流程图如下： （1）主机程序流程图开始定时器初始化液晶初始化 给从机发送指令 保护指令 保护距离修改指令Y 修改无线模块发射功率是否收到从机反馈信号NY 系统发出声光警报 结束 2）从机程序流程图开始 系统初始化N是否收到主机信号Y 给主机发送反馈信号 结束4 系统的分析与调试 本设计是在Keil C环境下开发的，Keil C软件支持C语言的编程及调试

18、，运用方便，是做C语言毕业设计者的首选。设计的首要任务是安装和学习使用这个软件，在简单的学习和了解Keil C后，我们便可在此环境下开始了对电子防丢器的设计工作。在编译完Keil C后，再运用STC_ISP_V480软件烧录到开发板上，实现实物与程序的连接。在烧录前要对STC_ISP_V480进行一些必要的设置。第一步：设置MCU Type为STC89C52RC；第二步：打开编写好并编译的程序文件，它是以.hex为后缀的文件；第三步：选择对应的COM端口，（可在我的电脑的设备管理处查看COM选项）；第四步：点击Download/下载，等提示，给MCU上电时，打开开发板上的开关，它就自行烧录了。 在完成对程序的调试及烧录之后，还需要对其进行演示，把开发板与电脑连上，设置好对应的接口，完成供电及下载。开始供电后、几秒后1602液晶屏能正常显示当前从机与主机的状态。然后调节主机与从机间的距离，根据报警器的蜂鸣就可以测出保护状态的最大距离值，超出保护距离后蜂鸣器若响起，此时开启寻找模式，再次调整主机与从机间的距离，蜂鸣器若停止报警，从机将在一定范围内被找到，达到了设计所需要的结果。5 结论与展望本系统以单片机为核心部件的控制系统，利用软件编程，最终基本上实现了各项要求。经过近两个月的奋斗，从确定题目，到后来查找资料，理论学习，实验编程调试，这一切都使我的理论知识和动手能力有了很大的提高。