基于nrf2401模块的无线温度监测系统设计.doc

基于nrf2401模块的无线温度监测系统设计.doc

《基于nrf2401模块的无线温度监测系统设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于nrf2401模块的无线温度监测系统设计.doc（50页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于nRF24L01模块的无线通信系统设计

基于nRF24L01模块的无线通信

系统设计

摘要

随着日新月异科技的进步和现代工农业技术的发展，温度的测量已经对人类日常生活、工业生产、气象预报、物资仓储等都将起着越来越重要的作用。

在传统的温湿度测量中，采用的是温度传感器来采集温度的，并且通过布置大量的电缆或导线进行有线传输。

在多测点的情况下，这种方法无疑大大增加了成本和系统设计的复杂性，同时安装拆卸繁琐，不灵活，信号容易受到干扰。

因此，本次设计一种低功耗的无线温度检测系统，是采用单片机AT89S52控制DS18B20实现的无线温度测量。

通过简单的无线通信协议，实现可靠性与功耗平衡，该系统能实现对温度的检测，能够同时进行温度检测，是可以实现远程控制的无线温度检测系统。

低功耗、实时性的无线温度检测是该设计的最大特点。

无线传输采用nRF24L01模块传输。

该系统结构简单，可靠，功耗较低，成本低，是一种无线传感器的解决方案。

关键字：

单片机AT89S52无线传输nRF24l01DS18B20

Abstract

Alongwiththerapidprogressofscienceandtechnologyandthedevelopmentofmodernindustrialandagriculturaltechnology,temperaturemeasurementistohumandailylife,industrialproduction,weatherforecast,materialstoragewillplayanincreasinglyimportantrole.Intraditionaltemperatureandhumiditymeasurement,USESatemperaturesensortogatherthetemperature,andthroughthearrangementofcablesorwireforcabletransmission.Undertheconditionofthemultipoint,thismethodgreatlyincreasedthecostandcomplexityofsystemdesign,installationandremovetedious,notflexible,vulnerabletointerferencesignal.

Asaresult,thedesignofalow-powerwirelesstemperaturedetectingsystem,iscontrolledbysingle-chipmicrocomputerAT89S52DS18B20torealizewirelesstemperaturemeasurement.Throughasimplewirelesscommunicationprotocol,realizesthereliabilityandpowerconsumptionbalance,thissystemcanrealizethetemperaturedetection,cancarryonthetemperaturedetectionatthesametime,canrealizeremotecontrolwirelesstemperaturedetectingsystem.Lowpowerconsumption,real-timewirelesstemperaturedetectingisthebiggestcharacteristicofthisdesign.TransmissionadoptsnRF24L01wirelesstransmissionmodule.

Thesystemstructureissimple,reliable,lowpowerconsumption,lowcost,isakindofwirelesssensorsolutions.

Keyword:

MCUAT89S52wirelesstransmissionnRF24l01DS18B20

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

前言 1

1系统方案分析与选择论证 3

1.1系统方案设计 3

1.1.1主控芯片方案 3

1.1.2无线通信模块方案 3

1.1.3温度传感方案 4

1.1.4显示模块方案 4

1.1.5单片机与PC机通信模块 5

1.2系统最终方案 5

2主要芯片介绍和系统模块硬件设计 7

2.1AT89S52 7

2.1.1单片机控制模块 11

2.2单片2.4GHznRF24L01无线模块 12

2.2.1nRF24L01芯片概述 12

2.2.2引脚功能及描述 12

2.2.3工作模式 13

2.2.4工作原理 14

2.2.5配置字 15

2.2.6nRF24L01模块原理图 17

2.3温度传感器DS18B20 17

2.3.1DS18B20管脚配置和内部结构 18

2.3.2DS18B20的工作原理 20

2.3.3DS18B20的硬件设计 22

2.4显示模块 23

2.4.1接收端显示模块 23

2.4.2发送端显示模块 24

2.5报警电路 25

2.6接收端与PC机通信 25

2.7电源电路设计 26

2.8其他外围电路 27

3硬件电路板设计 28

3.1系统硬件原理图 28

3.1.1发送端原理图 28

3.1.2接收端原理图 29

3.2系统PCB图 31

3.2.1发送端PCB图 31

3.2.2接收端PCB图 32

3.3硬件制作 32

3.4硬件调试 34

3.5硬件调试结果 34

4系统软件设计 36

4.1单片机软件设计 36

4.1.1发送端软件设计 36

4.1.2接收端软件设计 37

5系统仿真 38

5.1发送端温度采集与显示仿真 38

5.2接收端LCD1602显示温度仿真 38

6nRF24L01应用于无线组网 40

6.1无线组网的意义及研究价值 40

6.2通信模型及协议设计 40

总结 42

致谢 44

参考文献 45

IV

前言

随着通信和信息技术的不断发展，短距离无线通信技术的应用步伐不断加快，正日益走向成熟。

一般意义上，只要通信收发双方通过无线电波传输信息且传输距离限制在较短范围（几十米）以内，就可称为短距离无线通信。

目前我们所看到的短距离无线技术都有其立足的特点，或基于传输速度、距离、耗电量的特殊要求;或着眼于功能的扩充性;或符合某些单一应用的特别要求；或建立竞争技术的差异化等，但是没有一种技术可以完美到足以满足所有的需求，下面就然我们回顾一下目前的短距离无线技术都有哪些：

图短距离无线通信技术

而在21世纪的今天，随着社会进步和生产需要，利用无线通信进行温度数据采集的方式应用已经渗透到生活各个方面。

在工业和农业生产中，温度已成为最常见的参数之一，由于厂房或温棚温度监测环境范围大,测点距离远,布线很不方便，这时就要采用无线方式对温度数据进行采集。

以及在日常生活中，随着人们生活水平的提高，居住条件也逐渐智能化。

如今很多家庭都会安装室内温度采集控制系统，其原理就是利用无线通信技术采集室内温度数据，并根据室内温度情况进行遥控通风等操作，自动调节室内温度湿度，可以更好地改善人们的居住环境。

以上只是简单的几个现实例子，在现实生活中，这种无线温度采集系统已经被成功应用于工农业、环境监测、军事国防、机器人控制等许多重要领域，而且类似于这种温度采集系统的无线通信网络已经被广泛的应用到民用和军事领域。

凡是布线繁杂或不允许布线的场合都希望能通过无线方案来解决。

为此，需要设计相应的接口系统，控制这些射频芯片工作，完成可靠稳定的无线数据通信，这样的研究也变得更加有意义了。

本系统的设计采用了Nordic公司推出的工作于2.4GHz频段NRF24L01射频芯片，由AT89S52单片机控制实现短距离无线数据通信。

该接口设计具有成本低、传输速率高、软件设计简单以及通信稳定可靠等特点。

整个系统有发送和接收二部分，通过NRF24L01无线数据通信收发模块来实现无线数据传输。

发送部分以单片机AT89S52为核心，使用温度转换芯片DS18B20实时采集温度并通过nRF24l01将采集的温度无线传送给接收部分，然后在LCD1602上显示，并通过串口发送到PC机上显示，通过蜂鸣器实现对温度过高或过低进行报警。

1系统方案分析与选择论证

1.1系统方案设计

1.1.1主控芯片方案

方案一：

采用传统的AT89S52单片机作为主控芯片。

此芯片价格便宜、操作简便，低功耗，比较经济实惠。

方案二：

采用TI公司生产的MSP430F149系列单片机作为主控芯片。

此单片机是一款高性能的低功耗的16位单片机，具有非常强大的功能，且内置高速12位ADC。

但其价格比较昂贵，而且是TPFQ贴片封装，不利于焊接，需要PCB制板，大大增加了成本和开发周期。

方案三：

采用宏晶科技有限公司的STC12C5A60S2增强型51单片机作为主控芯片。

此芯片内置ADC和SPI总线接口，且内部时钟不分频，可达到1MPS。

而且价格适中。

考虑到此系统需要不用到ADC，从性能和价格上综合考虑我们选择方案一，即用AT89S52作为本系统的主控芯片。

1.1.2无线通信模块方案

方案一：

采用GSM模块进行通信，GSM模块需要借助移动卫星或者手机卡，虽说能够远距离传输，但是其成本较大、且需要内置SIM卡，通信过程中需要收费，后期成本较高。

方案二：

采用TI公司CC2430无线通信模块，此模块采用Zigbee总线模式，传输速率可达250kbps，且内部集成高性能8051内核。

但是此模块价格较贵，且Zigbee协议相对较为复杂。

方案二：

采用NRF24L01无线射频模块进行通信，NRF24L01是一款高速低功耗的无线通信模块。

他能传输上千米的距离（加PA），而且价格较便宜、，采用SPI总线通信模式电路简单，操作方便。

考虑到系统的复杂性和程序的复杂度，我们采用方案三作为本系统的通信模块。

1.1.3温度传感方案

方案一：

采用AD590是美国ANALOGDEVICES公司的单片集成两端感温电流源。

AD590测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路，广泛应用于不同的温度控制场合由于AD590精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶的冷端补偿。

但其需要用到差分放大器放大和A/D转换，需要原件多。

方案二：

采用美国DALLAS公司生产的DS18B20可组网数字温度传感器芯片，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。

经济，方便。

使用DS18B20线路简单，编程容易，但是比AD590精度低。

AD590还需要其它辅助电路，线路复杂，编程难度大，但是温度精确。

考虑到电路的设计，成本，还有多点通信，我们选择方案二，即用DS18B20作为本系统的温度传感