基于nRF2401無線模塊的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計

1、畢業(yè)設(shè)計說明書基于nrf2401無線模塊的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計 學(xué)生姓名： 學(xué)號： 學(xué) 院： 專 業(yè)： 指導(dǎo)教師： 2014 年 6 月摘要溫度是一個非常重要的參數(shù)。在工業(yè)、醫(yī)療、軍事和生活等許多地方，都需要用到測溫裝置來檢測溫度。傳統(tǒng)直接布線測量不滿足要求，特別是在某些環(huán)境惡劣的工業(yè)環(huán)境和戶外環(huán)境，通過直接布線測量不現(xiàn)實。因此采用無線傳輸溫度檢測尤為必要。目前有些設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)無線溫度采集，但價格過高是其最大的缺點。在實際溫度控制過程中既要求系統(tǒng)具有穩(wěn)定性、實時性又需要降低功耗。因此設(shè)計一種低功耗的無線溫度檢測系統(tǒng)很有意義。本文提出一種采用單片機stc89c52控制ds18b20實現(xiàn)的無線溫度測量

2、系統(tǒng)。通過簡單的無線通信協(xié)議，實現(xiàn)可靠性與功耗平衡，該系統(tǒng)能實現(xiàn)對溫度的檢測，是可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的無線溫度檢測系統(tǒng)。低功耗、實時性的無線溫度檢測是該設(shè)計的最大特點。無線傳輸采用nrf24l01模塊傳輸。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可靠，功耗較低，成本低，是一種無線傳感器的解決方案。關(guān)鍵字：單片機，stc89c52，無線傳輸，nrf24l01，ds18b20abstracttemperature is a very important parameter. in the industrial, medical, military, life and many other places, all need t

3、o use temperature measuring device to detect the temperature. traditional direct wiring measurement does not meet the requirements, especially in some bad industrial environment and outdoor environment, through direct wiring measurement is not reality. so the wireless transmission temperature detect

4、ion is necessary. some design can realize wireless temperature acquisition at present, but the biggest drawback is the high price.the system requires steadily and real-timing and the needs of reducing consumption.so it is very meaningful to design a low-power wireless temperate detecting system.this

5、 article presents a wireless temperate measurement which is achieved by using a stc89c52 mcu to control a ds18b20.the system can realize the remote control of the wireless temperature detection through a simple wireless communication protocol.it can reach the aim of reliability and power balance and

6、 measuring temperature.low power consumption,real-time wireless temperature detection is the biggest advantage.the wireless transmission use nrf24l01 module.the system is a kind of wireless sensor solutions.it is simple structure,reliable and low cost.key word: mcu stc89c52 wireless transmission nrf

7、24l01 ds18b20 目錄1 緒論1 1.1 無線溫度采集系統(tǒng)設(shè)計意義11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.3 無線溫度采集系統(tǒng)前景21.4 本文主要研究工作及行文結(jié)構(gòu)32 系統(tǒng)方案分析與選擇論證42.1 系統(tǒng)方案設(shè)計42.1.1 主控芯片方案42.1.2 無線通信模塊方案42.1.3 溫度傳感方案42.1.4 顯示模塊方案52.2 系統(tǒng)最終方案53 主要芯片介紹和系統(tǒng)模塊硬件設(shè)計73.1 stc89c5273.1.1 單片機控制模塊103.2 單片2.4ghz nrf24l01無線模塊113.2.1 nrf24l01芯片概述113.2.2 引腳功能及描述123.2.3 工作模式133.2.4

8、工作原理133.2.5 配置字143.2.6 nrf24l01模塊原理圖153.3 溫度傳感器 ds18b20163.3.1 ds18b20管腳配置和內(nèi)部結(jié)構(gòu)163.3.2 ds18b20的工作原理183.3.3 ds18b20的硬件設(shè)計203.4 顯示模塊213.5 系統(tǒng)硬件原理圖214 系統(tǒng)軟件設(shè)計234.1 單片機軟件設(shè)計234.1.1 發(fā)送端軟件設(shè)計234.1.2 接收端軟件設(shè)計244.2調(diào)試結(jié)果245 無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)展望265.1 無線組網(wǎng)的意義及研究價值265.2 通信模型的建立26總結(jié)27附錄29參考文獻(xiàn)42致謝441 緒論1.1 無線溫度采集系統(tǒng)設(shè)計意義隨著社會的進(jìn)步和生產(chǎn)的

9、需要，利用無線通信進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集的方式應(yīng)用已經(jīng)滲透到生活各個方面。 圖1.1短距離無線通信的應(yīng)用在工業(yè)現(xiàn)場，由于生產(chǎn)環(huán)境惡劣，工作人員不能長時間停留在現(xiàn)場觀察設(shè)備是否運行正常，就需要采集數(shù)據(jù)并傳輸數(shù)據(jù)到一個環(huán)境相對好的操控室內(nèi)，這樣就會產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳輸問題。由于廠房大、需要傳輸數(shù)據(jù)多，使用傳統(tǒng)的有線數(shù)據(jù)傳輸方式就需要鋪設(shè)很多很長的通訊線，浪費資源，占用空間，可操作性差，出現(xiàn)錯誤換線困難。而且，當(dāng)數(shù)據(jù)采集點處于運動狀態(tài)、所處的環(huán)境不允許或無法鋪設(shè)電纜時，數(shù)據(jù)甚至無法傳輸，此時便需要利用無線傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，不論是溫室大棚的溫度監(jiān)測，還是糧倉的管理，傳統(tǒng)上都是采取分區(qū)取樣的人工方

10、法，工作量大，可靠性差。而且大棚和糧倉占地面積大，檢測目標(biāo)分散，測點較多，傳統(tǒng)的方法已經(jīng)不能滿足當(dāng)前農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要。當(dāng)前的科技水平下，無線通信技術(shù)的發(fā)展使得溫度采集測量精確，簡便易行。在日常生活中，隨著人們生活水平的提高，居住條件也逐漸變得智能化。如今很多家庭都會安裝室內(nèi)溫度采集控制系統(tǒng)，其原理就是利用無線通信技術(shù)采集室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)，并根據(jù)室內(nèi)溫度情況進(jìn)行遙控通風(fēng)等操作，自動調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度濕度，可以更好地改善人們的居住環(huán)境。以上只是簡單列舉幾個現(xiàn)實的例子，在現(xiàn)實生活中，這種無線溫度采集系統(tǒng)已經(jīng)被成功應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、軍事國防、機器人控制等許多重要領(lǐng)域，而且類似于這種溫度采集系統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡(luò)

11、已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到民用和軍事領(lǐng)域。凡是布線繁雜或不允許布線的場合都希望能通過無線方案來解決。為此，需要設(shè)計相應(yīng)的接口系統(tǒng)，控制這些射頻芯片工作，完成可靠穩(wěn)定的無線數(shù)據(jù)通信，這樣的研究也變得更加有意義了。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前的智能溫度傳感器（亦稱數(shù)字溫度傳感器）是在20世紀(jì)90年代中期問世的，它是微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和自動測試技術(shù)的結(jié)晶，特點是能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關(guān)的溫度控制量，適配各種溫控制器（mcu）。社會的發(fā)展使人們對溫度傳感器的要求也越來越高，現(xiàn)在的溫度傳感器正在基于單片機的基礎(chǔ)上從模擬式向數(shù)字式，從集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向飛速發(fā)展，并朝著高精度、多功能、總線標(biāo)準(zhǔn)化、高可靠性及

12、安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制單片測溫系統(tǒng)等高科技的方向飛速發(fā)展。目前，國內(nèi)外很多溫度采集系統(tǒng)都利用有線通信。因此，在實際應(yīng)用空間上具有局限性。另外，溫度次啊及系統(tǒng)多采用熱電偶，熱明電阻，鉑電阻和集成電路ad590作為溫度傳感器，這些傳感器的輸出信號均為模擬信號，需經(jīng)過放大電路和a/d轉(zhuǎn)換后才能與計算機連接，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。本系統(tǒng)中溫度傳感器采用美國dallas公司生產(chǎn)的單總線式數(shù)字溫度集成芯片ds18b20，該芯片可以直接提供單片機接收的數(shù)字溫度信號。本系統(tǒng)中溫度采集系統(tǒng)采用無線數(shù)據(jù)通信方式，選取nordic公司的nrf24l01無線收發(fā)器完成了對溫度信號的無線傳輸。該系統(tǒng)不僅

13、克服了溫度采集系統(tǒng)在試用空間上的局限性，而且大大簡化了系統(tǒng)硬件電路。1.3 無線溫度采集系統(tǒng)前景盡管有線溫度傳感器在一定程度上達(dá)到了比較理想的結(jié)果，但因其布線的復(fù)雜，而且存在斷線和短路的隱患和易老化的缺點，給系統(tǒng)的調(diào)試和維護增大了暖度，一般不被廣泛使用。隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，無線數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中迅速得到了應(yīng)用。作為無線通訊產(chǎn)業(yè)新領(lǐng)域，短距離無線通信技術(shù)顯示出強勁的發(fā)展勢頭，在安全生產(chǎn)，家用電器，數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域發(fā)揮出越來越重要的作用，甚至在一些特殊情況下，無線數(shù)據(jù)傳輸方式是實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈ㄒ环绞健Ｔ撓到y(tǒng)具有很好的應(yīng)用效果和良好的應(yīng)用前景。1.4 本文主要研究工作及行文結(jié)構(gòu)本文設(shè)

14、計了一個采用了nordic公司新推出的工作于2.4ghz頻段nrf24l01射頻芯片，由stc89c52單片機控制實現(xiàn)短距離無線數(shù)據(jù)通信的系統(tǒng)。該接口設(shè)計具有成本低、傳輸速率高、軟件設(shè)計簡單以及通信穩(wěn)定可靠等特點。整個系統(tǒng)有發(fā)送和接收二部分，通過nrf24l01無線數(shù)據(jù)通信收發(fā)模塊來實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸。發(fā)送部分以單片機stc89c52為核心，使用溫度轉(zhuǎn)換芯片ds18b20實時采集溫度并通過nrf24l01將采集的溫度無線傳送給接收部分，接收部分以stc89c52為核心，通過nrf24l01接收溫度數(shù)據(jù)然后在數(shù)碼管上顯示。第1章 主要介紹無線溫度采集系統(tǒng)研究的背景意義，國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展前景。第2章

15、 介紹系統(tǒng)方案分析與選擇。第3章 介紹主要芯片和硬件系統(tǒng)設(shè)計。第4章 介紹系統(tǒng)軟件設(shè)計及調(diào)試結(jié)果。第5章 介紹無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)展望。2 系統(tǒng)方案分析與選擇論證2.1 系統(tǒng)方案設(shè)計2.1.1 主控芯片方案方案一：采用傳統(tǒng)的stc89c52單片機作為主控芯片。此芯片價格便宜、操作簡便，低功耗，比較經(jīng)濟實惠。方案二：采用ti公司生產(chǎn)的msp430f149系列單片機作為主控芯片。此單片機是一款高性能的低功耗的16位單片機，具有非常強大的功能，且內(nèi)置高速12位adc。但其價格比較昂貴，而且是tpfq貼片封裝，不利于焊接，需要pcb制板，大大增加了成本和開發(fā)周期。方案三：采用宏晶科技有限公司的stc12c

16、5a60s2增強型51單片機作為主控芯片。此芯片內(nèi)置adc和spi總線接口，且內(nèi)部時鐘不分頻，可達(dá)到1mps。而且價格適中?？紤]到此系統(tǒng)需要不用到adc，從性能和價格上綜合考慮本系統(tǒng)選擇方案一，即用stc89c52作為本系統(tǒng)的主控芯片1。2.1.2 無線通信模塊方案方案一：采用gsm模塊進(jìn)行通信，gsm模塊需要借助移動衛(wèi)星或者手機卡，雖說能夠遠(yuǎn)距離傳輸，但是其成本較大、且需要內(nèi)置sim卡，通信過程中需要收費，后期成本較高。方案二：采用ti公司cc2430無線通信模塊，此模塊采用zigbee總線模式，傳輸速率可達(dá)250kbps，且內(nèi)部集成高性能8051內(nèi)核。但是此模塊價格較貴，且zigbee協(xié)議

17、相對較為復(fù)雜。方案三：采用nrf24l01無線射頻模塊進(jìn)行通信，nrf24l01是一款高速低功耗的無線通信模塊。他能傳輸上千米的距離（加pa），而且價格較便宜、，采用spi總線通信模式電路簡單，操作方便2?？紤]到系統(tǒng)的復(fù)雜性和程序的復(fù)雜度，本系統(tǒng)采用方案三作為本系統(tǒng)的通信模塊。2.1.3 溫度傳感方案方案一：采用ad590是美國analog devices公司的單片集成兩端感溫電流源。ad590測量熱力學(xué)溫度、攝氏溫度、兩點溫度差、多點最低溫度、多點平均溫度的具體電路，廣泛應(yīng)用于不同的溫度控制場合由于ad590精度高、價格低、不需輔助電源、線性好，常用于測溫和熱電偶的冷端補償。但其需要用到差分

18、放大器放大和a/d轉(zhuǎn)換，需要原件多。方案二：采用美國dallas公司生產(chǎn)的 ds18b20可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器芯片，具有耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域。經(jīng)濟，方便3,4。使用ds18b20線路簡單，編程容易，但是比ad590精度低。ad590還需要其它輔助電路，線路復(fù)雜，編程難度大，但是溫度精確?？紤]到電路的設(shè)計，成本，還有多點通信，本系統(tǒng)選擇方案二，即用ds18b20作為本系統(tǒng)的溫度傳感器。2.1.4 顯示模塊方案方案一：選擇主控為st7920的帶字庫的lcd12864來顯示信息。12864是一款通用的液晶顯示屏，能夠顯示多數(shù)常用的漢字及a

19、scii碼，而且能夠繪制圖片，描點畫線，設(shè)計成比較理想的結(jié)果5。方案二：采用字符液晶lcd1602顯示信息，1602是一款比較通用的字符液晶模塊，能顯示字符和數(shù)字等信息，且價格便宜，容易控制。方案三：采用led8段數(shù)碼顯示管顯示，其成本低，容易顯示控制。由于條件限制,本系統(tǒng)選擇了8段數(shù)碼管顯示。2.2 系統(tǒng)最終方案 發(fā)送端：發(fā)送端由溫度傳感器ds18b20，stc89c52單片機，nrf24l01無線射頻模塊組成。 stc89c52nrf24l01無線模塊ds18b20溫度傳感器 圖2.1 發(fā)送端系統(tǒng)方框圖 接收端： 接收端由stc89c52單片機，nrf24l01無線射頻模塊,8位數(shù)碼管和串

20、口組成。nrf24l01 無線模塊8位數(shù)碼管 stc89c52 圖2.2 接收端系統(tǒng)方框圖3 主要芯片介紹和系統(tǒng)模塊硬件設(shè)計3.1 stc89c52單片機是一種集成的電路芯塊采用了超大規(guī)模技術(shù)把具有運算能力（如算術(shù)運算、邏輯運算、數(shù)據(jù)傳送、中斷處理）的微處理器（cpu）,隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ram），只讀程序存儲器（rom），輸入輸出電路（i/o口），可能還包括定時計數(shù)器，串行通信口（sci），顯示驅(qū)動電路（lcd或led驅(qū)動電路），脈寬調(diào)制電路(pwm)，模擬多路轉(zhuǎn)換及a/d轉(zhuǎn)換器等電路集成到一塊單片機上，構(gòu)成一個最小然而很完善的計算機系統(tǒng)。這些電路能在軟件的控制下準(zhǔn)確快速的完成程序設(shè)計者事

21、先規(guī)定的任務(wù)?？偟亩詥纹瑱C的特點可以歸納為以下幾個方面：集成度高、存儲容量大、外部擴展能力強、控制功能強、低電壓、低功耗、性能價格比高、可靠性高這幾個方面6。單片機有著微處理器所不具備的功能，它可以獨立地完成現(xiàn)代工業(yè)控制所要求的智能化控制功能這就是單片機的最大特點。然而單片機又不同于單板機，芯片在沒有開發(fā)前，它只是具備功能極強的超大規(guī)模集成電路，如果賦予它特定的程序，它便是一個最小的、完整的微機控制系統(tǒng)。它與單板機或個人電腦有著本質(zhì)的區(qū)別，單片機屬于芯片級應(yīng)用，和系統(tǒng)設(shè)計所需要的理論和技術(shù)，用這樣特定的芯片設(shè)計應(yīng)需要用戶了解單片機芯片的結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)以及其它集成電路應(yīng)用技術(shù)用程序，從而使芯片

22、具備特定的智能。stc89c52是一種低功耗、高性能cmos 8位微控制器，具有8k 在系統(tǒng)可編程flash 存儲器。使用stc公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80c51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位cpu 和在系統(tǒng)可編程flash，使得stc89c52在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。stc89c52具有如下特點：40個引腳，8k bytes flash片內(nèi)程序存儲器，256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ram），32個外部雙向輸入/輸出（i/o）口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16

23、位可編程定時計數(shù)器,2個 全雙工串行通信口，看門狗（wdt）電路，片內(nèi)時鐘振蕩器7。引腳圖如圖3.1。此外，stc89c52設(shè)計和配置了振蕩頻率可為0hz并可通過軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下，cpu暫停工作，而ram定時計數(shù)器，串行口，外中斷 系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存ram的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時該芯片還具有pdip、tqfp和plcc等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。 圖3.1 單片機管腳圖（1）主要功能特性: 兼容mcs-51指令系統(tǒng) 8k可反復(fù)擦寫(1000次）isp flash rom 32個雙向i/o口 4.5-5.5v工作電壓 2個

24、16位可編程定時/計數(shù)器 時鐘頻率0-33mhz 全雙工uart串行中斷口線 256x8bit內(nèi)部ram 2個外部中斷源 低功耗空閑和省電模式 中斷喚醒省電模式 3級加密位 看門狗（wdt）電路 軟件設(shè)置空閑和省電功能 靈活的isp字節(jié)和分頁編程 雙數(shù)據(jù)寄存器指針（2）stc89c52單片機引腳介紹:引腳如圖2.1所示，以下是各引腳的說明。vcc：stc89c52 電源正端輸入，接+5v。vss：電源地端。xtal1：單芯片系統(tǒng)時鐘的反向放大器輸入端。xtal2：系統(tǒng)時鐘的反向放大器輸出端，一般在設(shè)計上只要在xtal1和xtal2上接上一只石英振蕩晶體系統(tǒng)皆可以工作了，此外可以在兩個引腳與地之

25、間加入一20pf的小電容，可以使系統(tǒng)更穩(wěn)定，避免噪聲干擾而死機8。reset：stc89c52的重置引腳，高電平工作，當(dāng)要對晶片重置時，只要對此引腳點評提升至高電平并保持兩個機器周期以上的時間，stc89c52便能完成系統(tǒng)重置的各項動作，使得內(nèi)部特殊功能寄存器內(nèi)容均被設(shè)成已知狀態(tài)，并且至地址0000h處開始讀入程序代碼而執(zhí)行程序。ea/vpp：“ea”為英文“external access”的縮寫，表示存取外部程序代碼之意，低電平動作，也就是說當(dāng)引腳為低電平后，系統(tǒng)會調(diào)用外部的程序代碼（存于外部e2prom中）來執(zhí)行程序。因此在8031及8032中，ea引腳必須接低電平，因為其內(nèi)部無程序存儲器

26、空間。如果使用8751內(nèi)部程序空間時，引腳要接成高電平。此外，在將程序代碼燒錄至8751內(nèi)部e2prom時，可以利用此引腳來輸入21v的燒錄高壓（vpp）。port0（p0.0p0.7）：端口0是一個8位寬的開路電極（open drain）雙向輸出入端口，共有8個位，p0.0表示位0，p0.1表示位1，依此類推。其他三個i/o端口（p1、p2、p3）則不具有此電路組態(tài)，而是內(nèi)部有一提升電路，p0在當(dāng)做i/o用時可以推動8個ls的ttl負(fù)載。如果當(dāng)ea引腳為低電平時（即取用外部程序代碼或數(shù)據(jù)存儲器），p0就以多工方式提供地址總線（a0a7）及數(shù)據(jù)總線（d0d7）。設(shè)計者必須外加一個鎖存器將端口0

27、送出的地址鎖住成為a0a7，再配合端口2所送出的a8a15合成一個完整的16位地址總線，而定位地址到64k的外部存儲器空間。port1(p1.0p1.7)：端口1也是具有內(nèi)部提升電路的雙向i/o端口，其輸出緩沖器可以推動4個ls ttl負(fù)載，若將端口1的輸出設(shè)為高電平，使是由此端口來輸入數(shù)據(jù)。如果是使用8052或是8032的話，p1.0又當(dāng)作定時器2的外部緩沖輸入腳，而p。1可以有t2ex功能，可以做外部中斷輸入的觸發(fā)引腳。port2(p2.0p2.7)：端口2是具有內(nèi)部提升電路的雙向i/o端口，每一個引腳可以推動4個ls的ttl負(fù)載，同樣地，若將端口2的輸出設(shè)為高電平時，此端口便能當(dāng)成輸入端

28、口來使用。p2除了當(dāng)做一般i/o端口使用外，若是在stc89s52擴充外接程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，也提供地址總線的高字節(jié)a8a15，這個時候p2便不能當(dāng)做i/o來使用了。port3（p3.0p3.7）：端口3也具有內(nèi)部提升電路的雙向i/o端口，其輸出緩沖器可以推動4個ttl負(fù)載，同時還多工具有其他的額外特殊功能，包括串行通信、外部中斷控制、計時計數(shù)控制及外部數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)容的讀取或?qū)懭肟刂频裙δ?,10,11。其引腳分配如下：p3.0：rxd,串行通信輸入。p3.1：txd,串行通信輸出。p3.2：int0,外部中斷0輸入。p3.3：int1,外部中斷1輸入。p3.4：t0，計時計數(shù)器0輸入。

29、p3.5：t1，計時計數(shù)器1輸入。p3.6：,外部數(shù)據(jù)存儲器的寫入信號。p3.7：,外部數(shù)據(jù)存儲器的讀取信號。3.1.1 單片機控制模塊單片機控制模塊由stc89c52最小系統(tǒng)組成，其中包括單片機，晶振電路和復(fù)位電路。（1）、晶振電路晶振電路由兩個30pf電容和一個12mhz晶體振蕩器構(gòu)成，接入單片機的x1、x2引腳。（2）、復(fù)位電路單片復(fù)位端低電平有效。單片機最小系統(tǒng)如圖3.2：圖3.2 單片機最小系統(tǒng)3.2 單片2.4ghz nrf24l01無線模塊3.2.1 nrf24l01芯片概述nrf24l01是一款新型單片射頻收發(fā)器件,工作于2.4 ghz2.5 ghz ism頻段。內(nèi)置頻率合成器

30、、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊,并融合了增強型shockburst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。nrf24l01功耗低,在以-6 dbm的功率發(fā)射時，工作電流也只有9 ma;接收時，工作電流只有12.3 ma，多種低功率工作模式(掉電模式和空閑模式)使節(jié)能設(shè)計更方便12。 nrf24l01主要特性如下： gfsk調(diào)制； 硬件集成osi鏈路層； 具有自動應(yīng)答和自動再發(fā)射功能； 片內(nèi)自動生成報頭和crc校驗碼；數(shù)據(jù)傳輸率為l mb/s或2mb/s；spi速率為0 mb/s10 mb/s；125個頻道； 與其他nrf24系列射頻器件相兼容； qfn20引腳4 mm4 m

31、m封裝；供電電壓為1.9 v3.6 v。3.2.2 引腳功能及描述nrf24l01的封裝及引腳排列如圖所示。各引腳功能如下： 圖3.3 nrf24l01封裝圖ce：使能發(fā)射或接收; csn，sck，mosi，miso：spi引腳端，微處理器可通過此引腳配置nrf24l01： irq：中斷標(biāo)志位；vdd：電源輸入端； vss：電源地；xc2，xc1：晶體振蕩器引腳; vdd_pa：為功率放大器供電，輸出為1.8 v； ant1,ant2：天線接口；iref：參考電流輸入。3.2.3 工作模式通過配置寄存器可將nrf24l01配置為發(fā)射、接收、空閑及掉電四種工作模式，如表所示。 待機模式1主要用于

32、降低電流損耗，在該模式下晶體振蕩器仍然是工作的；待機模式2則是在當(dāng)fifo寄存器為空且ce=1時進(jìn)入此模式；待機模式下，所有配置字仍然保留。 在掉電模式下電流損耗最小，同時nrf24l01也不工作，但其所有配置寄存器的值仍然保留13。表3.1：nrf24l01四種工作模式模式pwr_upprim_rxcefifo寄存器狀態(tài)接收模式111-發(fā)射模式101數(shù)據(jù)在tx_fifo寄存器中發(fā)射模式1010停留在發(fā)送模式，直至數(shù)據(jù)發(fā)送完待機模式2101tx_fifo為空待機模式11-0無數(shù)據(jù)傳輸?shù)綦?-3.2.4 工作原理發(fā)射數(shù)據(jù)時，首先將nrf24l01配置為發(fā)射模式：接著把接收節(jié)點地址tx_addr和

33、有效數(shù)據(jù)tx_pld按照時序由spi口寫入nrf24l01緩存區(qū)，tx_pld必須在csn為低時連續(xù)寫入，而tx_addr在發(fā)射時寫入一次即可，然后ce置為高電平并保持至少10s，延遲130s后發(fā)射數(shù)據(jù);若自動應(yīng)答開啟，那么nrf24l01在發(fā)射數(shù)據(jù)后立即進(jìn)入接收模式，接收應(yīng)答信號（自動應(yīng)答接收地址應(yīng)該與接收節(jié)點地址tx_addr一致）14。如果收到應(yīng)答，則認(rèn)為此次通信成功，tx_ds置高，同時tx_pld從tx_fifo中清除;若未收到應(yīng)答，則自動重新發(fā)射該數(shù)據(jù)(自動重發(fā)已開啟)，若重發(fā)次數(shù)(arc)達(dá)到上限，max_rt置高，tx_fifo中數(shù)據(jù)保留以便在次重發(fā);max_rt或tx_ds置

34、高時，使irq變低，產(chǎn)生中斷，通知mcu。最后發(fā)射成功時,若ce為低則nrf24l01進(jìn)入空閑模式1;若發(fā)送堆棧中有數(shù)據(jù)且ce為高，則進(jìn)入下一次發(fā)射;若發(fā)送堆棧中無數(shù)據(jù)且ce為高，則進(jìn)入空閑模式2。接收數(shù)據(jù)時,首先將nrf24l01配置為接收模式，接著延遲130s進(jìn)入接收狀態(tài)等待數(shù)據(jù)的到來。當(dāng)接收方檢測到有效的地址和crc時，就將數(shù)據(jù)包存儲在rx_fifo中，同時中斷標(biāo)志位rx_dr置高，irq變低，產(chǎn)生中斷，通知mcu去取數(shù)據(jù)。若此時自動應(yīng)答開啟，接收方則同時進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)回傳應(yīng)答信號。最后接收成功時，若ce變低，則nrf24l01進(jìn)入空閑模式1。 在寫寄存器之前一定要進(jìn)入待機模式或掉電模式1

35、5。如下圖，給出spi操作及時序圖：圖3.4 spi讀操作圖3.5 spi 寫操作3.2.5 配置字 spi口為同步串行通信接口，最大傳輸速率為10mb/s，傳輸時先傳送低位字節(jié)，再傳送高位字節(jié)。但針對單個字節(jié)而言，要先送高位再送低位。與spi相關(guān)的指令共有8個，使用時這些控制指令由nrf24l01的mosi輸入。相應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)信息是從miso輸出給mcu。 nrf24l0l所有的配置字都由配置寄存器定義，這些配置寄存器可通過spi口訪問。nrf24l01 的配置寄存器共有25個，常用的配置寄存器如表2所示。 表3.2：常用配置寄存器地址（h）寄存器名稱功能00config設(shè)置24l01工作

36、模式01en_aa設(shè)置接收通道及自動應(yīng)答02en_rxaddr使能接收通道地址03setup_aw設(shè)置地址寬度04setup_retr設(shè)置自動重發(fā)數(shù)據(jù)時間和次數(shù)07ststcus狀態(tài)寄存器，用來判定工作狀態(tài)0a0frx_addr_p0p5設(shè)置接收通道地址10tx_addr設(shè)置接收接點地址1116rx_pw_p0p5設(shè)置接收通道的有效數(shù)據(jù)寬度3.2.6 nrf24l01模塊原理圖 nrf24l01單端匹配網(wǎng)絡(luò)：晶振，偏置電阻，去耦電容。圖3.6 nrf24l01單端50射頻輸出電路原理圖3.3 溫度傳感器 ds18b20dallas單線數(shù)字溫度傳感器ds18b20簡介新的一線器件體積更小、適用電

37、壓更寬、更經(jīng)濟dallas半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器ds1820是世界上第一片支持 一線總線接口的溫度傳感器。一線總線獨特而且經(jīng)濟的特點，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。ds18b20、 ds1822 一線總線數(shù)字化溫度傳感器 同ds1820一樣，ds18b20也 支持一線總線接口，測量溫度范圍為 -55c+125c，在-10+85c范圍內(nèi),精度為0.5c。ds1822的精度較差為 2c ?，F(xiàn)場溫度直接以一線總線的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾16。3.3.1 ds18b20管腳配置和內(nèi)部結(jié)構(gòu)ds18b20的管腳和封裝如下圖3.7：圖3.7 ds18b20引

38、腳及封裝引腳定義： (1)dq為單數(shù)據(jù)總線，是數(shù)字信號輸入/輸出端； (2)gnd為電源地； (3)vdd為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）。 內(nèi)部結(jié)構(gòu)：圖3.8 ds18b20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖（1）光刻rom中的64位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該ds18b20的地址序列碼。64位光刻rom的排列是：開始8位（28h）是產(chǎn)品類型標(biāo)號，接著的48位是該ds18b20自身的序列號，最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗碼（crc=x8+x5+x4+1）17。光刻rom的作用是使每一個ds18b20都各不相同，這樣就可以實現(xiàn)一根總線上掛接多個ds18b20的目的。 （2）ds18b2

39、0中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，以12位轉(zhuǎn)化為例：用16位符號擴展的二進(jìn)制補碼讀數(shù)形式提供，以0.0625/lsb形式表達(dá)，其中s為符號位。表3.3 ds18b20溫度值格式表 bit7bit6bit5bit4bit3bit2bit1bit0ls byte232221202-12-22-32-4bit15bit14bit13bit12bit11bit10bit9bit8ms bytesssss262524這是12位轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲在18b20的兩個8比特的ram中，二進(jìn)制中的前面5位是符號位，如果測得的溫度大于0，這5位為0，只要將測到的數(shù)值乘于0.0625即可得到實際溫度；如

40、果溫度小于0，這5位為1，測到的數(shù)值需要取反加1再乘于0.0625即可得到實際溫度。 例如+125的數(shù)字輸出為07d0h，+25.0625的數(shù)字輸出為0191h，-25.0625的數(shù)字輸出為ff6fh，-55的數(shù)字輸出為fc90h。本系統(tǒng)中沒有對溫度精度的具體要求，為了轉(zhuǎn)化簡單。采用了如下方法：將保存溫度數(shù)據(jù)低8位的28h中的低4位移入保存高8位的29h中的高4位,這樣獲得一個新字節(jié),這個字節(jié)就是實際測量獲得的溫度。mov a,29hmov c,40h;將28h中的最低位移入crrc amov c,41hrrc amov c,42hrrc amov c,43hrrc amov 29h,a轉(zhuǎn)化后

41、精度為10c。3.3.2 ds18b20的工作原理ds18b20的溫度檢測與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出全集成于一個芯片之上，從而抗干擾力更強。其一個工作周期可分為兩個部分，即溫度檢測和數(shù)據(jù)處理。在講解其工作流程之前我們有必要了解18b20的內(nèi)部存儲器資源。18b20共有三種形態(tài)的存儲器資源，它們分別是： （1） rom 只讀存儲器，用于存放ds18b20id編碼，其前8位是單線系列編碼（ds18b20的編碼是19h），后面48位是芯片唯一的序列號，最后8位是以上56的位的crc碼（冗余校驗）。數(shù)據(jù)在出產(chǎn)時設(shè)置不由用戶更改。ds18b20共64位rom。 （2） ram 數(shù)據(jù)暫存器，用于內(nèi)部計算和數(shù)據(jù)存取，數(shù)

42、據(jù)在掉電后丟失，ds18b20共9個字節(jié)ram，每個字節(jié)為8位。第1、2個字節(jié)是溫度轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)值信息，第3、4個字節(jié)是用戶e2prom（常用于溫度報警值儲存）的鏡像。在上電復(fù)位時其值將被刷新。第5個字節(jié)則是用戶第3個e2prom的鏡像。第6、7、8個字節(jié)為計數(shù)寄存器，是為了讓用戶得到更高的溫度分辨率而設(shè)計的，同樣也是內(nèi)部溫度轉(zhuǎn)換、計算的暫存單元。第9個字節(jié)為前8個字節(jié)的crc碼。e2prom 非易失性記憶體，用于存放長期需要保存的數(shù)據(jù)，上下限溫度報警值和校驗數(shù)據(jù)，ds18b20共3位e2prom，并在ram都存在鏡像，以方便用戶操作14。控制器對ds18b20操作流程： (1)復(fù)位：首先我們

43、必須對ds18b20芯片進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位就是由控制器（單片機）給ds18b20單總線至少480us的低電平信號。當(dāng)18b20接到此復(fù)位信號后則會在1560us后回發(fā)一個芯片的存在脈沖。 (2)存在脈沖：在復(fù)位電平結(jié)束之后，控制器應(yīng)該將數(shù)據(jù)單總線拉高，以便于在1560us后接收存在脈沖，存在脈沖為一個60240us的低電平信號。至此，通信雙方已經(jīng)達(dá)成了基本的協(xié)議，接下來將會是控制器與18b20間的數(shù)據(jù)通信。如果復(fù)位低電平的時間不足或是單總線的電路斷路都不會接到存在脈沖，在設(shè)計時要注意意外情況的處理。 (3)控制器發(fā)送rom指令：雙方打完了招呼之后最要將進(jìn)行交流了，rom指令共有5條，每一個工作周期

44、只能發(fā)一條，rom指令分別是讀rom數(shù)據(jù)、指定匹配芯片、跳躍rom、芯片搜索、報警芯片搜索。rom指令為8位長度，功能是對片內(nèi)的64位光刻rom進(jìn)行操作。其主要目的是為了分辨一條總線上掛接的多個器件并作處理。誠然，單總線上可以同時掛接多個器件，并通過每個器件上所獨有的id號來區(qū)別，一般只掛接單個18b20芯片時可以跳過rom指令（注意：此處指的跳過rom指令并非不發(fā)送rom指令，而是用特有的一條“跳過指令”）。 (4)控制器發(fā)送存儲器操作指令：在rom指令發(fā)送給18b20之后，緊接著（不間斷）就是發(fā)送存儲器操作指令了。操作指令同樣為8位，共6條，存儲器操作指令分別是寫ram數(shù)據(jù)、讀ram數(shù)據(jù)、

45、將ram數(shù)據(jù)復(fù)制到e2prom、溫度轉(zhuǎn)換、將e2prom中的報警值復(fù)制到ram、工作方式切換。存儲器操作指令的功能是命令18b20作什么樣的工作，是芯片控制的關(guān)鍵。 (5)執(zhí)行或數(shù)據(jù)讀寫：一個存儲器操作指令結(jié)束后則將進(jìn)行指令執(zhí)行或數(shù)據(jù)的讀寫，這個操作要視存儲器操作指令而定。如執(zhí)行溫度轉(zhuǎn)換指令則控制器（單片機）必須等待18b20執(zhí)行其指令，一般轉(zhuǎn)換時間為500us。如執(zhí)行數(shù)據(jù)讀寫指令則需要嚴(yán)格遵循18b20的讀寫時序來操作18,19。數(shù)據(jù)的讀寫方法將有下文有詳細(xì)介紹。 當(dāng)主機收到dsl8b20的響應(yīng)信號后，便可以發(fā)出rom操作命令之一，這些命令如下：指令代碼 代碼skip rom（跳躍rom指令

46、）cch這條指令使芯片不對rom編碼做出反應(yīng)，在單總線的情況之下，為了節(jié)省時間則可以選用此指令。如果在多芯片掛接時使用此指令將會出現(xiàn)數(shù)據(jù)沖突，導(dǎo)致錯誤出現(xiàn)。read scratchpad （從ram中讀數(shù)據(jù)）beh此指令將從ram中讀數(shù)據(jù)，讀地址從地址0開始，一直可以讀到地址9，完成整個ram數(shù)據(jù)的讀出。芯片允許在讀過程中用復(fù)位信號中止讀取，即可以不讀后面不需要的字節(jié)以減少讀取時間。convert t（溫度轉(zhuǎn)換）44h收到此指令后芯片將進(jìn)行一次溫度轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換的溫度值放入ram的第1、2地址。此后由于芯片忙于溫度轉(zhuǎn)換處理，當(dāng)控制器發(fā)一個讀時間隙時，總線上輸出“0”，當(dāng)儲存工作完成時，總線將輸出

47、“1”。在寄生工作方式時必須在發(fā)出此指令后立刻超用強上拉并至少保持500ms，來維持芯片工作。與ds18b20的所有通訊都是由一個單片機的復(fù)位脈沖和一個ds18b20的應(yīng)答脈沖開始的。單片機先發(fā)一個復(fù)位脈沖，保持低電平時間最少480s，最多不能超過960s。然后，單片機釋放總線，等待ds18b20的應(yīng)答脈沖。ds18b20在接受到復(fù)位脈沖后等待1560s才發(fā)出應(yīng)答脈沖。應(yīng)答脈沖能保持60240s。單片機從發(fā)送完復(fù)位脈沖到再次控制總線至少要等待480 s20,21。讀時隙需1560 s，且在2次獨立的讀時隙之間至少需要1 s的恢復(fù)時間。讀時隙起始于單片機拉低總線至少1 s。dsl8b20在讀時隙

48、開始15s后開始采樣總線電平。寫時隙需要1575 s，且在2次獨立的寫時隙之間至少需要1s的恢復(fù)時間。寫時隙起始于單片機拉低總線22。3.3.3 ds18b20的硬件設(shè)計 ds18b20在本系統(tǒng)中與發(fā)送端單片機的p3.3連接。如圖：圖3.9 ds18b20硬件連接圖3.4 顯示模塊本設(shè)計在接收端部分采用8位數(shù)碼管顯示，p1.0p1.2接74hc138實現(xiàn)位選功能，p2控制位選信號。具體電路如圖3.11所示。 圖3.10 發(fā)送端數(shù)碼管顯示連接3.5 系統(tǒng)硬件原理圖(1) 發(fā)送端原理圖電源模塊：由vcc提供+5v高電平，power接口接入，經(jīng)過sm1117降壓為+3.3v電平，為nrf24l01模

49、塊提供高電平。無線模塊控制模塊：無線模塊由p1口控制。溫度采集模塊：溫度采集由ds18b20 i/o端接入單片機p3.3口。單片機最小系統(tǒng)：x1，x2接外部振蕩電路，reset端接復(fù)位電路，ea端接高23。圖3.11 發(fā)送端原理圖(2) 接收端原理圖 接收端采用與發(fā)送端相同的電路。4 系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1 單片機軟件設(shè)計4.1.1 發(fā)送端軟件設(shè)計本系統(tǒng)發(fā)送端采用ds18b20溫度傳感器采集溫度，經(jīng)stc89c52收集處理數(shù)據(jù)，再由nrf24l01模塊發(fā)送到接收端。其中包括ds18b20的初始化配置，溫度轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)存儲及nrf24l01的發(fā)射頻率設(shè)置，發(fā)射地址配置發(fā)射數(shù)據(jù)配置。軟件流程圖如4.1。

50、 開始 復(fù)位ds18b20 跳過rom匹配 讀取溫度數(shù)值y溫度數(shù)據(jù)存在特定ram中配置nrf24l01為發(fā)送模式數(shù)據(jù)經(jīng)nrf24l01通道0發(fā)送n發(fā)送成功？ 圖4.1發(fā)送端程序流程圖 由于條件限制，本系統(tǒng)實物僅模擬一發(fā)一收情況，其中接收機由通道1接收。本系統(tǒng)中發(fā)送機地址設(shè)置為tx_addr=3738393a01h，由于在自動應(yīng)答模式下接收機會在接收完數(shù)據(jù)后會向發(fā)送機地址發(fā)送應(yīng)答信號，而發(fā)送機必須以其通道0接收該信號，所以發(fā)送機的通道0也必須設(shè)置為與本機地址同。本系統(tǒng)中發(fā)送機通道0地址rx_addr_p0=3738393a01h，多發(fā)一收與之相似，只不過需要配置不同的發(fā)射機地址分別與設(shè)計接收機6

51、通道某一通道地址相同。4.1.2 接收端軟件設(shè)計本系統(tǒng)接收端采用nrf24l01無線模塊接收發(fā)送端傳來的溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)單片機stc89c52在8位數(shù)碼管上顯示，流程圖如4.2 。 開始配置nrf24l01為接收模式 某通道接收溫度數(shù)據(jù) 轉(zhuǎn)換溫度數(shù)據(jù) 顯示溫度數(shù)據(jù) 圖4.2 接受端程序流程圖 本系統(tǒng)中接收機由通道1接收數(shù)據(jù)，故而接收機通道1地址設(shè)置為rx_addr_p1=3738393a01，本地地址tx_addr=3738393a02h。為了判斷接收到的是哪個通道發(fā)送的數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)后應(yīng)該讀取狀態(tài)寄存器中rx_p_no的3位數(shù)據(jù)，其中000101分別代表通道0到通道5。4.2調(diào)試結(jié)果我們進(jìn)行的是

52、點對點通信，發(fā)送端傳輸溫度數(shù)據(jù)，發(fā)送到接收端。接收端顯示溫度。測試結(jié)果如下圖：圖4.3 硬件調(diào)試結(jié)果（上為發(fā)射端，下為接收端）5 無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)展望5.1 無線組網(wǎng)的意義及研究價值隨著gsm、wcdma及3g商用，近距無線通信并能上網(wǎng)成了一種迫切需求：實現(xiàn)低功耗、低價位、可替代電纜的無線數(shù)據(jù)鏈路24。人們希望通過一個小型的 短距離的無線網(wǎng)絡(luò)為移動和商業(yè)用戶提供各種服務(wù)。而目前幾乎所有的無線網(wǎng)絡(luò)都在某一點上連接到有線網(wǎng)絡(luò)中，以便訪問文件、數(shù)據(jù)庫和因特網(wǎng)。此時，點對多點無線通信的設(shè)計便顯得尤為重要。5.2 通信模型的建立 常見的點對多點通信系統(tǒng)多采用環(huán)型和星型兩種模式25。它們的系統(tǒng)示意圖分別如

53、圖6.1和圖6.2所示。 圖5.1 環(huán)形系統(tǒng)示意圖 圖5.2 星形系統(tǒng)示意圖其中，環(huán)型系統(tǒng)主要用于傳輸距離較遠(yuǎn)且實時性要求不高的場合；而星型系統(tǒng)則特別適用于近距離條件下，數(shù)據(jù)量較大且實時性要求較高的場合?？偨Y(jié)數(shù)據(jù)采集與處理是51單片機的常用領(lǐng)域，除了電信號以外，單片機還可以利用傳感器實現(xiàn)對非電信號的采集。本設(shè)計介紹的數(shù)字溫度計就是一個典型事例。本設(shè)計采用一種直接數(shù)字輸入式的溫度傳感芯片ds18b20實現(xiàn)了單片機控制的數(shù)字溫度計系統(tǒng)?；赿s18b20數(shù)字溫度傳感器構(gòu)成的實時監(jiān)控系統(tǒng)確實具有精度高、抗干擾能力強、電路簡單等諸多優(yōu)點，溫度傳感器得到電纜長度達(dá)到幾十米都可以正常讀取溫度數(shù)據(jù)。相比之下，傳統(tǒng)的溫度檢測系統(tǒng)采用熱敏電阻等溫度敏感元件，熱敏電阻成本低，但需要后續(xù)信號調(diào)理、ad轉(zhuǎn)換處理電路才能將溫度信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，不但電路復(fù)雜，而且熱敏電阻的可靠性相對較差，測