基于nrf24l01電子防丟器的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

1、本科畢業(yè)論文(設(shè)計)題目：基于nrf24l01電子防丟的設(shè)計與 實(shí)現(xiàn)學(xué)院： 物理與電子科學(xué)學(xué)院 班級： 電子四班 姓名： 賈昊麗 指導(dǎo)教師： 劉紅梅 職稱： 副教授 完成日期：2015年05月20日基于nrf24l01電子防丟器的設(shè)計與實(shí)現(xiàn) 摘 要：二十一世紀(jì)的今天，生活壓力的加大，生活節(jié)奏的加快，人們丟失東西也就成了不可避免的一種“習(xí)慣”。這就讓一系列以防丟為目的的電子產(chǎn)品也流行起來。本文設(shè)計了電子防丟器，該防丟器的功能主要由報警器的蜂鳴所體現(xiàn)，防丟器分為兩個部分，設(shè)計時分為從機(jī)和主機(jī)，即發(fā)射模塊和接收模塊，有各自獨(dú)立的發(fā)射和接收電路，因此其編碼不相同不會相互干擾，從機(jī)放在怕被丟失的物件上，

2、而主機(jī)則攜帶在主人身上，調(diào)整兩個模塊距離的遠(yuǎn)近就可以根據(jù)警報實(shí)現(xiàn)防丟器的保護(hù)與尋找兩個功能。此次設(shè)計的電子防丟器采用的是集成芯片，所以電路比較簡單，功耗與成本相對都比較低。關(guān)鍵詞：防丟器；報警器；從機(jī)；主機(jī)目 錄1 引言11.1 課題的背景及意義11.2電子防丟器的功能與原理12 系統(tǒng)總體硬件設(shè)計22.1 系統(tǒng)硬件概述2 2.3 各組成模塊選擇32.3.1 主控模塊的選擇32.2.2 顯示器選擇方案42.2.3 無線模塊的選擇方案62.4 功能按鍵電路設(shè)計72.5 系統(tǒng)報警電路72.6 系統(tǒng)電源電路設(shè)計83 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計83.1 軟件開發(fā)環(huán)境83.2 編程語言 83.3軟件總體設(shè)計93.3

3、.1程序結(jié)構(gòu)93.4 流程圖104 系統(tǒng)的分析與調(diào)試115 結(jié)論與展望12參考文獻(xiàn)12基于nrf24l01電子防丟器的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)1 引言 1.1 課題的背景及意義 為了減少現(xiàn)代快節(jié)奏的生活中因找不到貴重東西帶來的些許急躁感，防丟器的設(shè)計就好像是最好的減壓禮物，它不僅小巧，攜帶方面，而且環(huán)保、省電。要是帶著的小孩走丟，更是焦急如焚，因此要避免這類事情的發(fā)生，電子防丟報警器更是最好的幫手。現(xiàn)在的市場上有各色各樣的防丟器，這些原理同樣可運(yùn)用于警方的跟蹤報警器，不僅可以解決生活中一些不可避免的小失誤，同樣也對一些警方所要偵破的案件有著極其重要的輔助作用，因此，考慮到它極其強(qiáng)大的市場前景，我選擇對防丟報

4、警器進(jìn)行設(shè)計與實(shí)現(xiàn)。 1.2電子防丟器的功能與原理 這些防丟器都有主機(jī)和從機(jī)兩個部分，由報警器的及時反應(yīng)來得知貴重物品是否丟失和開啟尋找模式輕松在所設(shè)定的范圍內(nèi)找到該貴重物品。該電子防丟器的是使用nrf24l01為無線模塊，對于這個無線新型單片射頻收發(fā)器件，因不同的發(fā)射和和接收模塊使得無線發(fā)射頻率也各不相同，因此不會相互干擾。子機(jī)有編碼電路與無線發(fā)射電路兩部分，母機(jī)則由再生式接收電路、譯碼電路、報警電路和電源電路構(gòu)成。如果再生式接收電路接收到從機(jī)發(fā)射的無線信號，則會檢波還原出原編碼信號，然后發(fā)送到譯碼電路譯碼，由譯碼電路翻譯出該信號，最后發(fā)送到報警電路。要是超過nrf24l01所限定的距離值，

5、或者收到的比較弱的信號，譯碼電路就會因收不到信號不能進(jìn)行譯碼，使得蜂鳴器報警。本文所設(shè)計的防丟器采用了單片2.4無線射頻收發(fā)芯片nrf24l01和52單片機(jī)，在電路設(shè)計方面就比較簡單，即可以在穩(wěn)定的電路工作狀態(tài)下來實(shí)現(xiàn)保護(hù)，尋找，報警功能，形成了一個簡單的電子防丟器報警系統(tǒng)。2 系統(tǒng)總體硬件設(shè)計 2.1 系統(tǒng)硬件概述 這次的畢業(yè)設(shè)計所要呈現(xiàn)的電子防丟報警器主要是由發(fā)射模塊與接收模塊兩部分構(gòu)成，發(fā)射模塊也為主機(jī)模塊，它是由單片機(jī)系統(tǒng)，無線模塊，液晶顯示模塊，聲光報警模塊以及按鍵輸入模塊組成。接收模塊即從機(jī)模塊，從機(jī)模塊是由單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊和無線模塊組成。整個系統(tǒng)包括有兩種工作模式，他們分別是保

6、護(hù)模式和尋找模式。在保護(hù)模式下，當(dāng)保護(hù)對象超出限定的保護(hù)距離外后，系統(tǒng)自動發(fā)出報警。在尋找模式下，當(dāng)主機(jī)尋找到從機(jī)后，系統(tǒng)發(fā)出報警。保護(hù)距離可以通過設(shè)置無線模塊的發(fā)射功率來設(shè)置。由于系統(tǒng)采用的無線模塊NRF24L01可以被設(shè)置成4個檔位的發(fā)射功率，所以本系統(tǒng)可以設(shè)置4種檔位的保護(hù)距離設(shè)置。其中主控模塊和無線模塊是該電子防丟器的核心模塊。當(dāng)使用該套設(shè)備時，接收器應(yīng)該設(shè)計的盡量體積小，這樣才方便與寶貴物品粘放一起。1602液晶顯示 無線模塊 從機(jī) 主機(jī)聲光報警STC89C52STC89C52 按鍵模塊 圖2.1電子防丟器原理方框圖 2.3 各組成模塊選擇 2.3.1 主控模塊的選擇 控制器模塊選擇

7、，在價格方面進(jìn)行對比，而且該設(shè)計需要手持設(shè)備，因而一款單片機(jī)就完全可以達(dá)到系統(tǒng)的要求。本設(shè)計中擁有一個控制器，它主要控制驅(qū)動信號產(chǎn)生，以及信息的顯示等功能，控制器擁有很多種，下面介紹一些控制器以及本設(shè)計采用的控制器。方案一：選擇STC89C52作為控制器。STC89C52是升級版的51內(nèi)核的單片機(jī)芯片，是擁有8位CPU的高性能微控制器，采用“CISC”指令集，其所擁有的111條指令使得操作得心應(yīng)手。還有，它的供電電壓是5V和其他的一些芯片具有相同的供電電壓，其抗干擾能力強(qiáng)，端口容易操作，構(gòu)建其最小控制系統(tǒng)簡單。該方案的實(shí)用性和可靠性比較高，可以滿足絕大多數(shù)控制，選擇51單片機(jī)作為控制器，對于初

8、學(xué)者可以很方便的構(gòu)建一個最小控制系統(tǒng)，并且其的編程很簡單，成本低，便于操作者實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。方案二：選擇具有16位CPU的控制器MSP430。MSP430是TI公司生產(chǎn)的一款低功耗控制芯片，其供電電壓是3.3V，這種低功耗模式為節(jié)省能源消耗又做了貢獻(xiàn)，該CPU采用“RISC”，有簡簡單單的27條指令與大量的模擬指令，大大小小的各種寄存器或者片內(nèi)寄存器都可以更加靈活的進(jìn)行運(yùn)算。方案三：選擇STM32F103作為控制器。STM32F103體積小，集成資源十分豐厚，價格低，代碼開源度大，易于開發(fā)，且有良好的應(yīng)用背景，可靠性高。聯(lián)系本設(shè)計的任務(wù)，對于控制器的要求，所以從設(shè)計成本以及可靠性和實(shí)施難度等方面

9、考慮，本設(shè)計選擇控制方案一作為控制方案選擇。 圖2.3.1STC89C52引腳圖 2.3.2 顯示器選擇方案 方案一：用LED數(shù)碼管作顯示。LED數(shù)碼管作為顯示器有其自身的優(yōu)缺點(diǎn)，在強(qiáng)光照射下顯示亮度比較好，適用于白天，耐用且便宜，但因?yàn)樵擄@示器顯示比較單一，而且處理其顯示電路比較麻煩，占用了大量控制器資源。方案二：用液晶LCD1602作顯示。LCD1602顯示器顯示功能強(qiáng)大，不僅在字母，數(shù)字以及中文符號方面獨(dú)具一格，而且在繪圖和文字畫面混合顯示方面也不遜色。有三種控制接口，包括8位微處理器、4位微處理器及串行接口。其所包含的一切功能例如顯示RAM或者是字型產(chǎn)生器僅僅需要一個最小的微處理系統(tǒng)就

10、可以搞定，簡單方面的處理模塊。在價格和性能方面來說，LCD1602顯示器不僅具有白菜的價格而且及其省電，各種功能靈活運(yùn)用自如，資源占用較少。 從各方面的優(yōu)缺點(diǎn)考慮，當(dāng)然首選LCD11602作為該電子防丟器的顯示器。 圖2.3.2-1 LCD1602實(shí)物和管腳圖 圖液晶1602電路原理圖 2.3.3 無線模塊的選擇 此次防丟器所用的無線模塊為nRF24L01，nRF24L01是由NORDIC生產(chǎn)的一款工作頻率在2.42.5GHzISM之間的新型單片射頻收發(fā)器件，幾乎可以連接到各種單片機(jī)芯片，并完成無線數(shù)據(jù)傳送工作，nRF24L01內(nèi)部包含的模塊分別為頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器與調(diào)制器，并

11、與增強(qiáng)型的ShockBurst技術(shù)結(jié)合，可以通過SPI接口對其輸出功率、頻道選擇與協(xié)議進(jìn)行設(shè)置，因?yàn)閚RF24L01有極低的工作電流，不僅功耗較低，而且處于其他低功率工作模式時，即掉電模式和待機(jī)模式下電流消耗更低，在節(jié)能設(shè)計方面占有足夠大的優(yōu)勢。 圖2.3.3 NRF24l01無線模塊電路 如圖2.3.3所示為nRF24L01無線發(fā)送電路圖，到天線輸出時，是一個電路，其六個控制腳接MCU控制器,并有一個獨(dú)立的晶振支持工作，當(dāng)控制器對其完成讀寫工作后，其開始工作。 不同的發(fā)射模塊與接收模塊都有自己相對應(yīng)的IP地址，我們通過硬件上的開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。發(fā)射器無間斷的發(fā)射數(shù)據(jù)包，這些數(shù)據(jù)包攜帶著不同的通訊協(xié)

12、議，每次發(fā)送一個數(shù)據(jù)包就記錄時間T1，接收器在無線所限定的范圍內(nèi)收到數(shù)據(jù)包后，立刻與自己的ID相匹配，若與自己相前的ID相同，則迅速回復(fù)與之相同的數(shù)據(jù)包，發(fā)射器接收到所返回的數(shù)據(jù)包后就記錄時間T2，T2-T1即為時間距離，即為LED燈隨之閃爍的原因。在硬件測試中，如果想要通過發(fā)射與接收的時間差讓LED閃爍是行不通的。 2.4 功能按鍵電路設(shè)計 系統(tǒng)的功能按鍵共有4個，分別是“保護(hù)”按鍵，“尋找”按鍵?！皺n位加”按鍵，“檔位減”按鍵?！氨Ｗo(hù)”按鍵和“尋找”按鍵主要用于系統(tǒng)工作模式的切換，“檔位加”按鍵和“檔位減”按鍵主要用于保護(hù)距離的檔位切換。電路原理圖如圖2-4所示。 圖2-4功能按鍵電路圖

13、2.5 系統(tǒng)報警電路系統(tǒng)報警模塊采用的是蜂鳴器報警，另外還加了報警指示燈。在保護(hù)模式下，當(dāng)保護(hù)對象超出限定的保護(hù)距離外后，系統(tǒng)自動發(fā)出報警。在尋找模式下，當(dāng)主機(jī)尋找到從機(jī)后，系統(tǒng)發(fā)出報警。蜂鳴器會報警且同時報警指示燈會閃爍。其電路原理圖如圖所示。由于其原理比較簡單。 圖2.5系統(tǒng)報警電路 2.6 系統(tǒng)電源電路設(shè)計 關(guān)于本系統(tǒng)的電源設(shè)計，主要是看本系統(tǒng)需要幾種電源，由于系統(tǒng)的MCU的IO電壓為5v，所以系統(tǒng)需要一個5V，系統(tǒng)中的繼電器和蜂鳴器都需要5V供電，而直流電機(jī)的供電電壓需要12V，所以系統(tǒng)共需要2種電壓等級，所以本系統(tǒng)采用12V電壓輸入，然后利用穩(wěn)壓芯片7805將12V轉(zhuǎn)換成5V。其電路

14、原理圖如圖2-5所示。 系統(tǒng)電源原理圖3 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計 3.1 軟件開發(fā)環(huán)境 本設(shè)計中選用德國KEIL公司推出的uVision4集成開發(fā)環(huán)境作為主機(jī)程序設(shè)計的編譯器。該軟件集成了業(yè)內(nèi)最領(lǐng)先的技術(shù)?？梢苑奖愕膶程序代碼進(jìn)行編譯，有匯編源程序、連接與重定位目標(biāo)文件和庫文件的強(qiáng)大功能，并且可以創(chuàng)建HEX文件和對目標(biāo)程序進(jìn)行調(diào)試。 3.2 編程語言 此次軟件設(shè)計使用C語言進(jìn)行編程，C語言是一種語言精煉，層次感強(qiáng)的一種結(jié)構(gòu)化的語言，運(yùn)用模塊化來組織程序的方式對于調(diào)試與維護(hù)來說更顯容易且靈活。不僅如此，它還具有各類運(yùn)算與全面的數(shù)據(jù)類型，對于實(shí)現(xiàn)各類數(shù)學(xué)難題也顯得頗為能耐。第三，不僅可以對內(nèi)存地址進(jìn)行

15、訪問，位操作對于其來說也是易如反掌。第四，C語言不管是在高級語言方面還是在低級語言方面都有足夠強(qiáng)大的優(yōu)勢。因此對硬件實(shí)現(xiàn)編程操作對于C來說也是毫不費(fèi)力，在應(yīng)用軟件開發(fā)方面也絲毫不遜色于系統(tǒng)軟件的開發(fā)。除此之外，C不僅效率高，而且可移植性也很強(qiáng)。例如，原來使用的匯編語言編寫的程序，由于別人編寫的程序不易被讀懂，在一段時間后再去做升級和維護(hù)就會感覺非常的不方便。但對于C語言在使用和調(diào)試這兩方面卻可以應(yīng)用自如，C語言潛在的優(yōu)勢就立顯出來。 3.3軟件總體設(shè)計 3.3.1程序結(jié)構(gòu) 本設(shè)計中軟件部分起到了非常重要的作用,設(shè)計的是否完美主要取決于軟件的設(shè)計。本設(shè)計的軟件需要完成的任務(wù)是： 1）基本要求 采

16、用單片機(jī)作為主控芯片,主要用于數(shù)據(jù)識別和控制報警。制作無線電發(fā)射、無線電接收裝置各一個，其中一個放在貴重物品上（假設(shè)為A部分），另一個則帶在身上（假設(shè)為B部分）。正常情況下蜂鳴器不響。當(dāng)發(fā)射接收模塊之間的距離大于某一個限定的范圍時，則說明貴重物品已經(jīng)不在身邊或者是被小偷順走了，此時開啟尋找模式此時蜂鳴器停止報警，然后主人移動自己的位置對丟失物品進(jìn)行尋找，若警報聲再次響起，說明該丟失物就在最初的安全范圍內(nèi)，即被找到。 調(diào)制方式采用調(diào)幅式和調(diào)頻式任選。 采用超外差方式接收。 作用距離為10m。 發(fā)射功率不大于10mW。 2）擴(kuò)展功能 為了證明不同的發(fā)射與接收模塊之間不會受到干擾，因此可以多做幾組防

17、丟器，證明其是一一對應(yīng)的，互相之間不會受到影響。 采用3V扣電池。 3.4 流程圖 我們所要設(shè)計的電子防丟器在軟件設(shè)計方面需要對整題的運(yùn)行程序進(jìn)行流程設(shè)計，劃分各個模塊并實(shí)現(xiàn)與之相對應(yīng)的功能，最后將各個子模塊有條不紊的聯(lián)系起來，形成總的程序。其主流程圖如下： （1）主機(jī)程序流程圖開始定時器初始化液晶初始化 給從機(jī)發(fā)送指令 保護(hù)指令 保護(hù)距離修改指令Y 修改無線模塊發(fā)射功率是否收到從機(jī)反饋信號NY 系統(tǒng)發(fā)出聲光警報 結(jié)束 2）從機(jī)程序流程圖開始 系統(tǒng)初始化N是否收到主機(jī)信號Y 給主機(jī)發(fā)送反饋信號 結(jié)束4 系統(tǒng)的分析與調(diào)試 本設(shè)計是在Keil C環(huán)境下開發(fā)的，Keil C軟件支持C語言的編程及調(diào)試

18、，運(yùn)用方便，是做C語言畢業(yè)設(shè)計者的首選。設(shè)計的首要任務(wù)是安裝和學(xué)習(xí)使用這個軟件，在簡單的學(xué)習(xí)和了解Keil C后，我們便可在此環(huán)境下開始了對電子防丟器的設(shè)計工作。在編譯完Keil C后，再運(yùn)用STC_ISP_V480軟件燒錄到開發(fā)板上，實(shí)現(xiàn)實(shí)物與程序的連接。在燒錄前要對STC_ISP_V480進(jìn)行一些必要的設(shè)置。第一步：設(shè)置MCU Type為STC89C52RC；第二步：打開編寫好并編譯的程序文件，它是以.hex為后綴的文件；第三步：選擇對應(yīng)的COM端口，（可在我的電腦的設(shè)備管理處查看COM選項(xiàng)）；第四步：點(diǎn)擊Download/下載，等提示，給MCU上電時，打開開發(fā)板上的開關(guān)，它就自行燒錄了。 在完成對程序的調(diào)試及燒錄之后，還需要對其進(jìn)行演示，把開發(fā)板與電腦連上，設(shè)置好對應(yīng)的接口，完成供電及下載。開始供電后、幾秒后1602液晶屏能正常顯示當(dāng)前從機(jī)與主機(jī)的狀態(tài)。然后調(diào)節(jié)主機(jī)與從機(jī)間的距離，根據(jù)報警器的蜂鳴就可以測出保護(hù)狀態(tài)的最大距離值，超出保護(hù)距離后蜂鳴器若響起，此時開啟尋找模式，再次調(diào)整主機(jī)與從機(jī)間的距離，蜂鳴器若停止報警，從機(jī)將在一定范圍內(nèi)被找到，達(dá)到了設(shè)計所需要的結(jié)果。5 結(jié)論與展望本系統(tǒng)以單片機(jī)為核心部件的控制系統(tǒng)，利用軟件編程，最終基本上實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)要求。經(jīng)過近兩個月的奮斗，從確定題目，到后來查找資料，理論學(xué)習(xí)，實(shí)驗(yàn)編程調(diào)試，這一切都使我的理論知識和動手能力有了很大的提高。