基于nRF24L01的太陽能無線小車設(shè)計

袁銘

摘 ?要：該設(shè)計主要由計算機控制端和太陽能小車組成，計算機控制端利用nRF24L01無線控制小車運動。小車以STC89C52單片機為主控芯片，由太陽能鋰電池充電控制模塊提供電源。同時，小車能夠測量工作電壓和環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)，通過無線傳輸模塊發(fā)送給計算機端并在C#開發(fā)的界面上顯示。

關(guān)鍵詞：STC89C52 ?nRF24L01 ?太陽能 ?C#

中圖分類號：TN99 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1672-3791（2019）06（a）-0004-02

該小車基于人和物交流的物聯(lián)網(wǎng)思想設(shè)計制作，利用太陽能這種清潔能源驅(qū)動小車運行，達到了節(jié)能環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展理念。該文基于nRF24L01和單片機開發(fā)了一款具有無線通信能力的太陽能供電小車，在PC端遠距離控制小車的運行，并且在PC端實時顯示小車采集到的環(huán)境溫濕度信息和其他相關(guān)參數(shù)。

1 ?系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)方案

整個系統(tǒng)由計算機控制端（上位機）和太陽能小車（下位機）兩部分組成。上位機部分由PC機、單片機和無線收發(fā)模塊組成。上位機控制端通過無線收發(fā)模塊向小車發(fā)射控制命令，控制小車運行，同時該無線模塊接收來自小車的各種參數(shù)發(fā)送至PC控制端顯示。下位機小車部分由單片機系統(tǒng)、無線通信模塊、太陽能控制模塊、電機控制模塊、溫濕度模塊等組成。無線通信模塊接收上位機發(fā)出的指令，通過和單片機的通信，由單片機模塊控制電機模塊驅(qū)動控制小車運動。AD轉(zhuǎn)換電路用于采集太陽能充電電流等工作參數(shù)，和溫濕度參數(shù)一起通過無線模塊發(fā)送至計算機控制端。系統(tǒng)框圖見圖1。

2 ?下位機硬件電路設(shè)計

2.1 太陽能充電電路

該設(shè)計的太陽能充電控制模塊采用CN3722，具有恒流恒壓充電模式，適合對單節(jié)或多節(jié)鋰電池或磷酸鐵鋰電池的充電管理。恒壓充電電壓由外部電阻分壓網(wǎng)絡(luò)設(shè)置;在恒流充電模式，充電電流通過一個外部電阻設(shè)置。對于深度放電的電池，當電池電壓低于所設(shè)置的恒壓充電電壓的66.7%時，CN3722用所設(shè)置的恒流充電電流的15%對電池進行涓流充電。在恒壓充電階段，充電電流逐漸減小，充電過程持續(xù)直到充電電流減小到零，這樣即使太陽能電池輸出很小的功率，也能對電池充電;因為此時電池連接端BAT管腳電壓保持不變，所以不會對電池過充電。該小車采用3節(jié)鋰電池串聯(lián)充電，每節(jié)鋰電池最大充電電壓為4.2V，總充電電壓最大為12.6V。

2.2 無線通信模塊電路

無線通信模塊采用nRF24L01，是一款工作在2.4～2.5GHz世界通用ISM頻段的低功耗單片無線收發(fā)器芯片。輸出功率、頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過SPI接口進行設(shè)置。3腳使能端由單片機P2.0口控制，4、5、6、7腳為SPI引腳，分別由單片機P2.3、P2.1、P2.4、P2.2配置，8腳中斷標志位由單片機P3.2控制。

2.3 電量采集電路

電量采集電路采用典型的儀表放大電路，通過AD轉(zhuǎn)換芯片PCF8591采集到單片機端，用于測量太陽能電流。

放大倍數(shù)：U=（R20/R17）×（1+2（R18/R21））×（（in1+）- （in1-））=10（1+2（10/R21））

當R21=2.2222K時，放大倍數(shù)為100倍。

2.4 電機控制電路

電機控制模塊采用L298N，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路。其是一種二相和四相電機的專用驅(qū)動器，即內(nèi)含2個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標準TTL邏輯電平信號，可驅(qū)動46V、2A以下的電機。

2.5 溫濕度測量電路

溫濕度測量模塊采用DHT11，是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，使其成為各類應(yīng)用甚至是最為苛刻的應(yīng)用場合的最佳選擇。

2.6 上位機端電路

上位機和單片機采用RS232總線連接，為了使PC機與MCS-51單片機之間能可靠地進行串行通信，需要用電平轉(zhuǎn)換芯片，該設(shè)計采用MAXIM公司生產(chǎn)的專用芯片MAX232。MAX232是一種把電腦的串行口RS-232信號電平（-10V，+10V）轉(zhuǎn)換為單片機所用到的TTL信號點平（0V，+5V）的芯片。

3 ?軟件設(shè)計

3.1 下位機軟件設(shè)計

下位機編程采用模塊化編程思想，主流程圖如圖2所示，主流程圖在完成一些初始化后進入while（1）循環(huán)中，進行標志位的檢測及電壓等參數(shù)檢測，并控制小車運動，在外部中斷子程序中執(zhí)行NRF24L01的IRQ觸發(fā)中斷，在中斷服務(wù)程序中主要是對一些標志位的設(shè)置。

3.2 上位機程序設(shè)計

3.2.1 串口通信協(xié)議制定

上位機控制臺要對上位接收機端發(fā)來的數(shù)據(jù)進行解析，分離出有效數(shù)據(jù)，設(shè)計的數(shù)據(jù)格式如下：$--溫度--？--濕度--@--電池電壓--<--輸入電流--/--輸出電流--*。

其中：

$為一幀數(shù)據(jù)開始符號;

？為溫度與濕度隔離符號;

@為濕度與電池電壓隔離符號;

<為電池電壓與輸入電流隔離符號;

/為輸入電流與輸出電流隔離符號;

*為結(jié)束標志。

3.2.2 控制臺界面設(shè)計

控制臺程序設(shè)計的目的是接收串口數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)解析，通過串口發(fā)射控制數(shù)據(jù)。

界面主要功能區(qū)有：串口設(shè)置區(qū)、數(shù)據(jù)顯示區(qū)、指令發(fā)射區(qū)。

串口設(shè)置區(qū)功能：端口號、波特率選擇、串口打開與關(guān)閉。數(shù)據(jù)顯示區(qū)：原始數(shù)據(jù)顯示文本、解析后數(shù)碼管顯示。指令發(fā)射：按鍵指令發(fā)射、串口文本框指令發(fā)送。

3.2.3 串口通信

串口數(shù)據(jù)的讀取采用事件觸發(fā)的方式，在SerialPort類中有DataReceived事件，當串口的讀緩存有數(shù)據(jù)到達時則觸發(fā)DataReceived事件，其中SerialPort.ReceivedBytesThreshold屬性決定了當串口讀緩存中數(shù)據(jù)多少個時才觸發(fā)DataReceived事件，默認為1。從SerialPort對象接收數(shù)據(jù)時，將在輔助線程上引發(fā)DataReceived事件。由于此事件在輔助線程而非主線程上引發(fā)，因此嘗試修改主線程中的一些元素（如UI元素）時會引發(fā)線程異常。如果有必要修改主Form或Control中的元素，必須使用Invoke回發(fā)更改請求，這將在正確的線程上執(zhí)行。進而要想將輔助線程中所讀到的數(shù)據(jù)顯示到主線程的Form控件上時，只有通過Invoke方法來實現(xiàn)。

4 ?結(jié)語

該小車采用太陽能供電，主控芯片采用STC89C52單片機控制，利用nRF24L01無線通信模塊實現(xiàn)上位機和下位機之間的數(shù)據(jù)傳輸，在PC計算機上位機端控制界面上操作控制小車的運行，同時可以采集溫濕度、電流電壓等相關(guān)參數(shù)并顯示在PC端界面上，實現(xiàn)了人-車之間的遠程交互控制。該太陽能無線控制小車具有功耗低、電路結(jié)構(gòu)簡單等特點。

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