基于51單片機(jī)與nRF24L01無(wú)線測(cè)溫通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

康樂(lè)為　徐丹

摘 要：文章將51單片機(jī)和nRF24L01技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，組成無(wú)線遠(yuǎn)程測(cè)溫通信系統(tǒng)。系統(tǒng)由51單片機(jī)，DS18D20溫度采集模塊，LCD溫度數(shù)據(jù)顯示模塊，nRF24L01無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊組成。具有實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸可靠穩(wěn)定，低功耗，編程簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。實(shí)踐證明該系統(tǒng)能適應(yīng)于多種環(huán)境溫度的檢測(cè)。

關(guān)鍵詞：nRF24L01；溫度檢測(cè)；無(wú)線通信；單片機(jī)

目前，無(wú)線通信領(lǐng)域越來(lái)越廣，如：wifi，藍(lán)牙，安全防火系統(tǒng)，水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)，智能家居系統(tǒng)等等。凡是布線復(fù)雜或者不能布線的場(chǎng)合都希望通過(guò)無(wú)線方案解決。為此需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的接口系統(tǒng)，完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制功能等。本系統(tǒng)采用了DS18D20溫度采集模塊及Nordic公司新推出的工作于2.4GHz頻段的nRF24L01射頻芯片，并由超低功耗單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)短距離無(wú)線數(shù)據(jù)通信，打破了傳統(tǒng)操作中距離受限的問(wèn)題，使測(cè)溫操作更易實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)框圖如圖1：

nRF24L01是一款工作在2.4～2.5GHz世界通用ISM頻段的單片無(wú)線收發(fā)器芯片，其工作速率為0～2Mb/s，最大發(fā)射功率為0dBm，其外圍元件極少，內(nèi)置硬件CRC（循環(huán)冗余校驗(yàn)）和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信地址控制，集成了頻率合成器，晶體振蕩器和調(diào)制解調(diào)器.它的主要特點(diǎn)如下：

1）低工作電壓：1.9～3.6V低電壓工作；

2）高速率：2Mbps，由于空中傳輸時(shí)間很短，極大地降低了無(wú)線傳輸中的碰撞現(xiàn)象；

3）多頻點(diǎn)：125頻點(diǎn)，滿足多點(diǎn)通信和跳頻通信需要；

4）超小型：體積小巧，5mm 5mm；

5）低功耗：當(dāng)工作在發(fā)射模式時(shí)，發(fā)射功率為-6dBm，電流消耗為9mA，接收模式為12.3mA，掉電模式和待機(jī)模式下電流消耗更低。

6）低應(yīng)用成本：nRF24L01的SPI接口可以利用單片機(jī)的硬件SPI口連接或用單片機(jī)I/O口進(jìn)行模擬，內(nèi)部有FIFO可以與各種高低速微處理器接口，便于使用低成本單片機(jī).

nRF24L01芯片最突出的特點(diǎn)是有2種通信模式：DirectMode（直接模式）和ShockBurstMode（突發(fā)模式）.直接模式的使用與其他傳統(tǒng)射頻收發(fā)器的工作一樣，需要通過(guò)軟件在發(fā)送端添加校驗(yàn)碼和地址碼，在接收端判斷是否為本機(jī)地址并檢查數(shù)據(jù)是否傳輸正確.ShockBurstMode使用芯片內(nèi)部的先入先出堆棧區(qū)，數(shù)據(jù)可從低速微控制器送入，高速（2Mb/s）發(fā)射出去，地址和校驗(yàn)碼硬件自動(dòng)添加和去除，這種模式的優(yōu)點(diǎn)是：可使用低速微控制器控制芯片工作；?減小功耗；?射頻信號(hào)高速發(fā)射，抗干擾性強(qiáng)；減小整個(gè)系統(tǒng)的平均電流.因此，使用nRF24L01芯片特有的ShockBurstMode使得系統(tǒng)整體的性能和效率提高。

nRF24L01工作原理圖如圖2所示：

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 DS18D20溫度采集模塊

溫度部分采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20測(cè)量溫度，DS18B20的測(cè)溫范圍-55℃～+125℃，固有測(cè)溫誤差1℃。DS18B20可以程序設(shè)定9～12位的分辨率，精度為±0.5°C。在9位分辨率時(shí)最多在93.75ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12位分辨率時(shí)最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度很快。DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。測(cè)量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)，以"一線總線"串行傳送給CPU，同時(shí)可傳送CRC校驗(yàn)碼，

具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力，并且在出現(xiàn)較大溫度誤差的情況下可以適用DHT11的測(cè)溫部分調(diào)整。本系統(tǒng)中溫度傳感器輸出腳I/O直接與單片機(jī)的P1.1相連，外接4.7KΩ的上拉電阻到電源，采用外部電源供電。

2.2 LCD1602顯示模塊

LCD顯示配置靈活，與單片機(jī)連接方便，通過(guò)讀寫(xiě)操作時(shí)序即可完成。LCD顯示塊具有顯示質(zhì)量高、數(shù)字式接口、功耗少、超薄輕巧等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，本系統(tǒng)的顯示采用的就是LCD1602作為顯示部件。

2.3 主控模塊

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用51單片機(jī)作為主控芯片，這是新一代高速，低功耗，超強(qiáng)干擾的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)，12時(shí)鐘周期，采用11.0592MHz外部晶振起振，DIP40封裝，內(nèi)部集成EEPROM，用戶應(yīng)用程序空間為8K，支持ISP下載程序。串行通信時(shí)可軟件選擇UART/SPI模式，整個(gè)系統(tǒng)采用5V供電。除了上述主控芯片外，還要預(yù)留必要的功能模塊驅(qū)動(dòng)接口，主要包括：nRF24L01無(wú)線射頻芯片接口，步進(jìn)電機(jī)接口，LCD液晶接口，DS18B20，DHT11和其他的外部擴(kuò)展接口.主控制電路主要由AT89S51單片機(jī)芯片復(fù)位電路及外設(shè)晶振電路組成。具體電路圖如圖3所示，該單片機(jī)的P1.4，P1.5，P1.6，P1.7口接無(wú)線收發(fā)模塊的1、2、3、4引腳，通過(guò)SPI方式進(jìn)行通信，P1.5，P1.6引腳分別收發(fā)圖2中的數(shù)據(jù)。圖3中J3作為串口及外部擴(kuò)展使用，J4與無(wú)線收發(fā)模塊連通，J5，J6為外部擴(kuò)展接口，接LCD顯示模塊。

3.1 溫度檢測(cè)模塊軟件設(shè)計(jì)

DS18B20的測(cè)溫原理遵循嚴(yán)格的單總線協(xié)議，以確保通信數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。DS18B20溫度傳感器與單片機(jī)P16口連接，液晶的RS端接P3.4口，RW端接P3.6口，EN使能端接P3.7口。然后開(kāi)始初始化，分別把RW、EN拉低，設(shè)置顯示模式，清除屏幕，將光標(biāo)移到第一行第一個(gè)位置。單片機(jī)通過(guò)時(shí)序來(lái)寫(xiě)入和讀出DS18B20中的數(shù)據(jù)。傳感器復(fù)位后，接收應(yīng)答信號(hào)，啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換，等待溫度轉(zhuǎn)換完畢后，保存數(shù)據(jù)。如此反復(fù)，完成所有操作，其流程圖如圖3所示。

3.2 無(wú)線發(fā)射模塊軟件設(shè)計(jì)

在nRF24L01無(wú)線發(fā)送部分主程序中，首先進(jìn)行初始化操作，通過(guò)配置模式對(duì)nRF24L01進(jìn)行設(shè)置，主要包括發(fā)送的數(shù)據(jù)寬度、地址寬度、發(fā)送數(shù)據(jù)的地址和常用配置等。常用配置包括使能第一頻道設(shè)置、通信方式設(shè)置、發(fā)送數(shù)據(jù)速率設(shè)置、晶頻率設(shè)置、發(fā)送輸出功率設(shè)置、頻道設(shè)置和收發(fā)模式設(shè)置等。待初始化完成后，將nRF24L01設(shè)置為發(fā)送模式，進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)。然后查看狀態(tài)寄存器TX_DS是否為1，如果TX_DS為1則表示nRF24L01發(fā)送成功，并且1602液晶可以顯示發(fā)送的數(shù)據(jù)；如果TX_DS不為1則代表nRF24L01發(fā)送不成功，程序返回重新發(fā)送。

3.3 無(wú)線接收模塊軟件設(shè)計(jì)

接收數(shù)據(jù)時(shí)，首先將nRF24L01配置為接收模式。接著延遲130μS進(jìn)入接收狀態(tài)等待數(shù)據(jù)的到來(lái)。當(dāng)接收方檢測(cè)到有效地址時(shí)，就將數(shù)據(jù)包儲(chǔ)存在接收堆棧中，同時(shí)狀態(tài)寄存器中的中斷標(biāo)志位RX_DR置高，產(chǎn)生中斷使IRQ引腳變?yōu)榈碗娖?，以便通知MCU去取數(shù)據(jù)。若此時(shí)自動(dòng)應(yīng)答開(kāi)啟，接收方則同時(shí)進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)回傳應(yīng)答信號(hào)。最后接收成功時(shí)，若CE變低，則nRF24L01進(jìn)入空閑模式1.

4 結(jié)束語(yǔ)

基于nRF24L01的溫度檢測(cè)系統(tǒng)擁有性能穩(wěn)定、成本低、低功耗等特點(diǎn)，能夠廣泛應(yīng)用于各類(lèi)對(duì)溫度要求較為特殊的環(huán)境下溫度數(shù)據(jù)的檢測(cè)

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