基于NRF24L01无线温度测量系统的设计与实现

论文写作指导：QQ625880526 论文资源网 www.lwenzy.com 最专业的毕业设计资源分享、下载平台毕 业 设 计（论 文）基于 NRF24L01 无线温度测量系统的设计与实现教 学 系： 信息工程系 指导教师： 专业班级： 学生姓名： 二零一二年六月附件 1毕业设计(论文)任务书学生姓名 xx 专业班级指导教师 xx 工作单位 信息工程系设计(论文) 题目: 基于 NRF24L01 无线温度测量系统的设计与实现 设计（论文）主要内容：在粮库温控系统、冷库温控系统、智能化建筑 监控系统、中央空 调系统等众多应用领域都需要多点温度测量技术。传统的有线多点温度测量系统, 不便于布设、维护和更新，同时安装线缆的真实花费 可以达到几万元人民币。无线通信却能很容易地跨跃这些障碍,并且不需要可见的线就能工作。它可以穿越隔板和墙, 并在建筑物之间建立链接。它还能在很短的时间内安装好。利用单片机、温度传感器和无线模块组成的专用无线测温系统由于具有结构简单、工作可靠、价格低廉的优势, 而得到了广泛的 应用。NRF24L01 是 Nordic 公司提供的一款工作在 2. 4 GH z 的无线通信芯片, 采用 GFSK 调制, 内部集成 Nordic 的 Enhanced Shock Burst 协议, 通信速度达 2 Mbps, 提供标准 SPI, 方便与微控制器接口 , 结合 DS18B20 温度传感器即可方便的构建一个多点分布式智能无线温度测量系统。主要任务：1、完成温度测量系统的硬件设计2、完成温度测量系统的软件编程3、实现多点温度测量时间安排：1-2 周: 进行论文题目的 调研3 周：完成开题报告4-5 周：完成论文的总体方案设计69 周：进行论文软硬件设计1011 周：系统调试12-14 周：撰写论文、修改论文15 周：准备答辩必读参考资料：1、电子技术基础( 模、数电 )2、单片机的应用3、传感器电路4、proteus 仿真指导教师签名： 教研室主任签名： 盖章附件 2毕业设计(论文)开题报告题目 基于 NRF24L01无线温度测量系统的设计与实现学生姓名 xx 专业班级 电信 1081班 学号 102118081061目的及意义（含国内外的研究现状分析）：随着社会的进步和生产的需要，利用无线通信进行温度数据采集的方式已经渗透到生活的各个方面。在工业现场，由于生产环境恶劣，工作人员不能长时间停留在现场观察设备是否运行正常，就需要采集数据并传输数据到一个环境相对好的操控室内，这样就会产生数据传输问题。由于厂房大、需要传输数据多，使用传统的有线数据传输方式就需要铺设很多很长的通讯线，浪费资源，占用空间，可操作性差，出现错误换线困难。而且，当数据采集点处于运动状态、所处的环境不允许或无法铺设电缆时，数据甚至无法传输，此时便需要利用无线传输的方式进行数据采集。在农业生产上，不论是温室大棚的温度监测，还是粮仓的管理，传统上都是采取分区取样的人工方法，工作量大，可靠性差。而且大棚和粮仓占地面积大，检测目标分散，测点较多，传统的方法已经不能满足当前农业发展的需要。当前的科技水平下，无线通信技术的发展使得温度采集测量精确，简便易行。以上只是简单列举几个现实的例子，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。在 2.4GHz非授权频段上,目前已经云集了蓝牙、Wi-Fi、Zigbee 等多个标准无线协议。具有带宽高，双向传输，抗干扰性强，传输距离远，耗电少的优点，用于无线键鼠等室内场合。Nordic 公司等公司已成功推出 NRF24L01芯片，2.4G 全球开发 ISM频段免许可证使用。同时许多公司也相继推出基于 NRF24L01的无线传输模块。NRF24.L01 模块是一款新型单片射频收发器件,工作于 2.4 GHz2.5 GHz ISM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型 ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01 功耗低,在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有 9mA;接收时，工作电流只有 12.3mA，多种低功率工作模式使节能设计更方便。至此这种基于此频段的通信方式已日渐趋向成熟。同样随着传感器及电子电路的发展，集成的温度检测器件的完善性及集成性也得到了大大的提高。类似美国 DALLAS公司推出的数字测温芯片 DS18B20层出不穷，国内外的研究在这方面的研究也趋近完善。2基本内容和技术方案：在粮库温控系统、冷库温控系统、智能化建筑监控系统、中央空调系统等众多应用领域都需要多点温度测量技术。传统的有线多点温度测量系统, 不便于布设、维护和更新，同时安装线缆的真实花费可以达到几万元人民币。无线通信却能很容易地跨跃这些障碍,并且不需要可见的线就能工作。它可以穿越隔板和墙, 并在建筑物之间建立链接。它还能在很短的时间内安装好。利用单片机、温度传感器和无线模块组成的专用无线测温系统由于具有结构简单、工作可靠、价格低廉的优势, 而得到了广泛的应用。NRF24L01是 Nordic公司提供的一款工作在 2. 4 GH z的无线通信芯片, 采用 GFSK 调制, 内部集成 Nordic 的 Enhanced Shock Burst 协议, 通信速度达 2 Mbps, 提供标准 SPI, 方便与微控制器接口, 结合 DS18B20 温度传感器即可方便的构建一个多点分布式智能无线温度测量系统。本设计采用 AT89C51 单 片 机 作为主控 CPU，外加 DS18B20 温度采集模块、NRF24L0l 无线收发模块和数码显示模块组成整个系统，如图 1 所示。MCU温度检测模块无线发射模块无线接收模块温度显示模块MCU图 1 系统总体结构图3进度安排：1-2 周 : 进行论文题目的调研，查找、收集相关资料，进行分析、整理3 周：结合自己对课题的思考，形成个人的观点，完成开题报告4-5 周：完成论文的总体方案设计69 周：进行论文软硬件设计1011 周：系统调试12-14 周：撰写论文、对论文进行反复修改，使毕业论文圆满完成15 周：准备答辩4.指导老师意见：指导教师签名： 年 月 日注：1. 开题报告应根据教师下发的毕业设计（论文）任务书，在教师的指导下由学生独立撰写，在学院规定时间内完成；2设计的目的及意义至少 800字，基本内容和技术方案至少 400字；3指导教师意见应从选题的理论或实际价值出发，阐述学生利用的知识、原理、建立的模型正确与否、学生的论证充分否、学生能否完成课题，达到预期的目标郑 重 声 明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。本人签名： xx 日期： 目 录摘 要1ABSTRAC 21 绪论31.1 研究背景31.2 课题的国内外研究状况31.3 本课题的研究内容42 系统方案分析与选择论证52.1 系统方案设计52.1.1 系统设计要求52.1.2 主控芯片方案52.1.3 无线通信模块方案52.1.4 温度传感方案52.1.5 显示模块方案62.1.6 单片机与 PC机通信模块 62.2 系统方案确定63 无线温度采集系统的硬件电路设计83.1 单片 2.4GHz NRF24L01无线模块83.1.1 NRF24L01芯片概述83.1.2 引脚功能及描述83.1.3 工作模式93.1.4 工作原理93.1.5 配置字103.1.6 NRF24L01模块原理图103.2 温度采集端113.2.1 采集单元113.2.2 控制单元153.2.3 显示单元193.2.4 传输单元193.2.5 报警单元203.3 温度接收端213.4 电源管理213.4.1 稳压电源的组成213.4.2 电源设计223.5 看门狗电路223.6 时钟电路和复位电路234 软件编制与程序实现254.1 系统软件设计254.1.1 上位机程序设计254.1.2 下位机程序设计254.2 程序设计语言的选用254.3 测温程序设计流程264.3.1 主程序264.3.2 读出温度子程序264.3.3 温度转换命令子程序284.3.4 计算温度子程序294.3.5 显示数据刷新子程序294.4 无线通信协议294.4.1 通信信道204.4.2 数据传输协议295 系统仿真315.1 电源电路的仿真315.1.1 +5V电源电路仿真315.2 发送端温度采集与显示仿真315.3 接收端 LCD1602显示温度仿真326 总结与展望336.1 系统调试336.2 温度对比336.3 总结与展望33参 考 文 献 35附 录 36致 谢 391摘要温度是一个非常重要的参数。在工业、医疗、军事和生活等许多地方，都需要用到测温装置来检测温度。传统直接布线测量不满足要求，特别是在某些环境恶劣的工业环境和户外环境，通过直接布线测量不现实。因此采用无线传输温度检测尤为必要。目前有些设计能够实现无线温度采集，但价格过高是其最大的缺点。在实际温度控制过程中既要求系统具有稳定性、实时性又需要降低功耗。因此设计一种低功耗的无线温度检测系统很有意义。本文提出一种采用单片机 AT89C51控制 DS18B20实现的无线温度测量系统。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 无线传输 NRF24l01 DS18B20 2ABSTRACTTemperature is a very important parameters. In the industrial, medical and military and life and many other place, it needs to use the temperature measurement device to detect temperature. The traditional direct measurement wiring does not meet the requirements, especially in some environmental bad industrial environment and outdoor environment, through the direct wiring measurement is not practical. So using wireless transmission temperature testing is necessary. At present some design can realize the wireless temperature gathering, but the price is too high, its biggest weakness. In the actual temperature control process requires both system has stability, real-time and the need to reduce power consumption. So the design of a kind of low power consumption wireless temperature detection system is very meaningful. This paper presents a USES the monolithic integrated circuit AT89C51 control DS18B20 of the realization of the wireless temperature measuring system. Through the simple wireless communication protocol, realize the reliability and power balance, the system can realize to the temperature detection, can simultaneously determine the temperature, can be realized the wireless remote control temperature detection system. Low power consumption, real-time wireless temperature detection is the biggest characteristic of the design. Wireless transmission using NRF24L01 module transmission. The system structure is simple, reliable, low power consumption, low cost, it is a kind of wireless sensor solutions. Key word: MCU AT89C51 wireless transmission NRF24l01 DS18B20 31 绪论本章对基于 NRF24L01无线温度测量系统的研究背景、研究意义进行了综合评述，对基于NRF24L01无线温度测量系统的国内外发展历史做了抛砖引玉式的回顾，通过目前国内外具有代表性的公司生产的波形发生器产品的比较，得出目前本课题在国内外的研究现状，在本章的最后明确了本设计的具体研究内容。1.1 课题的背景与意义随着社会的进步和生产的需要，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。在工业现场，由于生产环境恶劣，工作人员不能长时间停留在现场观察设备是否运行正常，就需要采集数据并传输数据到一个环境相对好的操控室内，这样就会产生数据传输问题。由于厂房大、需要传输数据多，使用传统的有线数据传输方式就需要铺设很多很长的通讯线，浪费资源，占用空间，可操作性差，出现错误换线困难。而且，当数据采集点处于运动状态、所处的环境不允许或无法铺设电缆时，数据甚至无法传输，此时便需要利用无线传输的方式进行数据采集。在农业生产上，不论是温室大棚的温度监测，还是粮仓的管理，传统上都是采取分区取样的人工方法，工作量大，可靠性差。而且大棚和粮仓占地面积大，检测目标分散，测点较多，传统的方法已经不能满足当前农业发展的需要。当前的科技水平下，无线通信技术的发展使得温度采集测量精确，简便易行。在日常生活中，随着人们生活水平的提高，居住条件也逐渐变得智能化。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。以上只是简单列举几个现实的例子，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。1.2 课题的国内外研究状况在 2.4GHz非授权频段上,目前已经云集了蓝牙、Wi-Fi、Zigbee 等多个标准无线协议，具有带宽高（ 2Mbps） ，双向传输，抗干扰性强，传输距离远（短距离无线技术范围） ，耗电少的优点，用于无线键鼠等室内场合。Nordic 公司等公司已成功推出 NRF24L01芯片，2.4G 全球开发 ISM频段免许可证使用。同时许多公司也相继推出基于 NRF24L01的无线传输模块。NRF24.L01 模块是一款新型单片射频收发器件,工作于 2.4 GHz2.5 GHz ISM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型 ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。NRF24L01功耗低,在以-6dBm 的功率发射时，工作电流也只有 9mA;接收时，工作电流只有 12.3mA，多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便。至此这种基于此频段的通信方式已日渐4趋向成熟。同样随着传感器及电子电路的发展，集成的温度检测器件的完善性及集成性也得到了大大的提高。类似美国 DALLAS公司推出的数字测温芯片 DS18B20层出不穷，国内外的研究在这方面的研究也趋近完善。1.3 本课题的研究内容本系统的设计采用了 Nordic公司新推出的工作于 2.4GHz频段 NRF24L01射频芯片，由 AT89C51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 AT89C51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。52 系统方案分析与选择论证2.1 系统方案设计2.1.1 系统设计要求根据本系统的应用环境，总结系统的技术要求如下:1.体积小。本系统主要用于测量粮库、蔬菜大棚等场所的温度，所以与传统的温度计相比，测温系统的体积要尽可能的小，这样才能减少占用的空间，而且更便于安装和更换。2.可靠性高。为了保证系统能够正常工作，并且尽可能减少测温误差，要求接收端与发射端之间的无线通信可靠。而系统环境的影响可能会有不确定的电磁干扰等，因此，系统要有一定的抗干扰性能。3.低成本。无线测温系统应充分考虑其成本，在满足系统要求的前提下，应尽量降低成本，才能比同类产品具有竞争力。2.1.2 主控芯片方案方案一：采用传统的 AT89C51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 1。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 AT89C51作为本系统的主控芯片。2.1.3 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 2。2.1.4 温度传感方案方案一：采用 AD590是美国 ANALO G DEV ICES 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6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 3。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器。2.1.5 显示模块方案方案一：选择主控为 ST7920的带字库的 LCD12864来显示信息。12864 是一款通用的液晶显示屏，能够显示多数常用的汉字及 ASCII码，而且能够绘制图片，描点画线，设计成比较理想的结果。方案二：采用字符液晶 LCD1602显示信息，1602 是一款比较通用的字符液晶模块，能显示字符和数字等信息，且价格便宜，容易控制。方案三：采用 LED7段数码显示管显示，其成本低，容易显示控制，但不能显示字符。综合以上方案，我们选择了经济实惠的字符液晶 LCD1602来作为接收端的显示，发送端用 7段数码管显示。2.1.6 单片机与 PC 机通信模块采用 RS-232串口与 PC机通信。RS-232串口是个人计算机上的通讯接口之一，由电子工业协会(Electronic Industries Association，EIA) 所制定的异步传输标准接口。通常 RS-232 接口以 9个接脚 (DB-9) 或是 25个接脚 (DB-25) 的型态出现，一般个人计算机上会有两组 RS-232 接口，分别称为 COM1 和 COM2。在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线 4。 RS-232-C标准规定的数据传输速率为每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200 波特。 RS-232-C标准规定，驱动器允许有 2500pF的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用150pF/m的通信电缆时，最大通信距离为 15m；若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是 RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20m以内的通信。 串行通信接口标准经过使用和发展，目前已经有几种。但都是在 RS-232标准的基础上经过改进而形成的。所以，以 RS-232C为主来讨论。RS-323C 标准是美国 EIA(电子工业联合会）与 BELL等公司一起开发的 1969年公布的通信协议。它适合于数据传输速率在 020000b/s 范围内的通信。这个标准对串行通信接口的有关问题，如信号线功能、电器特性都作了明确规定。由于通行设备厂商都生产与RS-232C制式兼容的通信设备，因此，它作为一种标准，目前已在微机通信接口中广泛采用。RS232 是单片机间，或单片机与上位机间通讯联络用。MAX232 作为 RS232的电平转换芯片，完成 TTL电平到RS232电平的转换 5。主机单片机接收到 NRF24L01的数据后，经 MAX232电平转换可实现单片机程序下载与升级，同时可实现单片机与 PC机的通信，以便将显示数据信息通过此电路传送到 PC机，并存 PC机上显示，其串行通信电路如图 2.1所示。2.2 系统方案确定7对于本论文的基于 NRF24L01无线温度测量系统来说，整个系统由温度采集端和温度接收端两个部份组成，两者之间通过无线信道通信。数据采集端负责数据的采集和发送;数据接收端负责数据的接收和处理。系统整体结构框图如图 2.2所示。图 2.1 MAX232与 PC的串口通信电路无线 收 发 模 块单片机AT89C51 PC机控制模块显示模块温度传感器单片机AT89C51无线收发模块下 位 机 上 位 机图 2.2系统整体结构框图数据采集端由传感器、微处理器和无线模块构成。传感器将转换后的数字信号送往无线模块打包发出；数据接收端由无线模块、微处理器及计算机组成。数据接收端接收到采集端发送的数据后，将数据按照通信协议拆包，取出里面的有效数据并通过串口发送给计算机，由计算机对采集到的数据进行分析和处理。系统硬件实现简单，数据采集和接收端均采用无线收发一体芯片，微处理器可以单片机、数据接收端与计算机通过串口通信 6。83 无线温度采集系统的硬件电路设计 3.1 单片 2.4GHz NRF24L01 无线模块3.1.1 NRF24L01 芯片概述NRF24L01是一款新型单片射频收发器件,工作于 2.4 GHz2.5 GHz ISM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型 ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。NRF24L01 功耗低,在以-6 dBm的功率发射时，工作电流也只有 9 mA;接收时，工作电流只有 12.3 mA，多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便 7。 NRF24L01主要特性如下： GFSK调制； 硬件集成 OSI链路层； 具有自动应答和自动再发射功能； 片内自动生成报头和 CRC校验码；数据传输率为 l Mb/s或 2Mb/s；SPI速率为 0 Mb/s10 Mb/s；125个频道； 与其他 NRF24系列射频器件相兼容； QFN20引脚 4 mm4 mm封装；供电电压为 1.9 V3.6 V。3.1.2 引脚功能及描述NRF24L01 的 封 装 及 引 脚 排 列 如 图 3.1 所 示 8。 各 引 脚 功 能 如 下 ： 图 3.1 NRF24L01 封 装 图CE： 使 能 发 射 或 接 收 ; CSN， SCK， MOSI， MISO： SPI 引 脚 端 ， 微 处 理 器 可 通 过 此 引 脚 配 置 NRF24L01： IRQ： 中 断 标 志 位 ；VDD： 电 源 输 入 端 ； VSS： 电 源 地 ；9XC2， XC1： 晶 体 振 荡 器 引 脚 ; VDD_PA： 为 功 率 放 大 器 供 电 ， 输 出 为 1.8 V； ANT1,ANT2： 天 线 接 口 ；IREF：参考电流输入。3.1.3 工作模式通 过 配 置 寄 存 器 可 将 NRF241L01 配 置 为 发 射 、 接 收 、 空 闲 及 掉 电 四 种 工 作 模 式 ， 如 表 3-1所 示 。 待 机 模 式 1 主 要 用 于 降 低 电 流 损 耗 ， 在 该 模 式 下 晶 体 振 荡 器 仍 然 是 工 作 的 ；待 机 模 式 2 则 是 在 当 FIFO 寄 存 器 为 空 且 CE=1 时 进 入 此 模 式 ；待 机 模 式 下 ， 所 有 配 置 字 仍 然 保 留 。 在掉电模式下电流损耗最小，同时 NRF24L01也不工作，但其所有配置寄存器的值仍然保留 9。表 3-1： NRF24L01 四 种 工 作 模 式模式 PWR_UP PRIM_RX CE FIFO寄存器状态接收模式 1 1 1 -发射模式 1 0 1 数据在 TX FIFO 寄存器中发射模式 1 0 10 停留在发送模式，直至数据发送完待机模式 2 1 0 1 TX FIFO 为空待机模式 1 1 - 0 无数据传输掉电 0 - - -3.1.4 工作原理发 射 数 据 时 ， 首 先 将 NRF24L01 配 置 为 发 射 模 式 ： 接 着 把 接 收 节 点 地 址 TX_ADDR 和 有 效 数 据TX_PLD 按 照 时 序 由 SPI 口 写 入 NRF24L01 缓 存 区 ， TX_PLD 必 须 在 CSN 为 低 时 连 续 写 入 ， 而TX_ADDR 在 发 射 时 写 入 一 次 即 可 ， 然 后 CE 置 为 高 电 平 并 保 持 至 少 10 s， 延 迟 130 s 后 发 射 数据 ;若 自 动 应 答 开 启 ， 那 么 NRF24L01 在 发 射 数 据 后 立 即 进 入 接 收 模 式 ， 接 收 应 答 信 号 （ 自 动 应 答接 收 地 址 应 该 与 接 收 节 点 地 址 TX_ADDR 一 致 ） 。 如 果 收 到 应 答 ， 则 认 为 此 次 通 信 成 功 ， TX_DS置 高 ， 同 时 TX_PLD 从 TX FIFO 中 清 除 ;若 未 收 到 应 答 ， 则 自 动 重 新 发 射 该 数 据 (自 动 重 发 已 开 启 )，若 重 发 次 数 (ARC)达 到 上 限 ， MAX_RT 置 高 ， TX FIFO 中 数 据 保 留 以 便 在 次 重 发 ;MAX_RT 或 TX_DS置 高 时 ， 使 IRQ 变 低 ， 产 生 中 断 ， 通 知 MCU。 最 后 发 射 成 功 时 ,若 CE 为 低 则 NRF24L01 进 入 空 闲模 式 1;若 发 送 堆 栈 中 有 数 据 且 CE 为 高 ， 则 进 入 下 一 次 发 射 ;若 发 送 堆 栈 中 无 数 据 且 CE 为 高 ，则 进 入 空 闲 模 式 2。接 收 数 据 时 ,首 先 将 NRF24L01 配 置 为 接 收 模 式 ， 接 着 延 迟 130 s 进 入 接 收 状 态 等 待 数 据 的到 来 。 当 接 收 方 检 测 到 有 效 的 地 址 和 CRC 时 ， 就 将 数 据 包 存 储 在 RX FIFO 中 ， 同 时 中 断 标 志 位10RX_DR 置 高 ， IRQ 变 低 ， 产 生 中 断 ， 通 知 MCU 去 取 数 据 。 若 此 时 自 动 应 答 开 启 ， 接 收 方 则 同 时 进入 发 射 状 态 回 传 应 答 信 号 。 最 后 接 收 成 功 时 ， 若 CE 变 低 ， 则 NRF24L01 进 入 空 闲 模 式 110。 在 写 寄 存 器 之 前 一 定 要 进 入 待 机 模 式 或 掉 电 模 式 。 如 下 图 3.2、3.3， 给 出 SPI 操 作 及 时 序图 ：图 3.2 SPI 读 操 作 图 3.3 SPI 写操作3.1.5 配置字SPI 口 为 同 步 串 行 通 信 接 口 ， 最 大 传 输 速 率 为 10 Mb/s， 传 输 时 先 传 送 低 位 字 节 ， 再 传 送 高位 字 节 。 但 针 对 单 个 字 节 而 言 ， 要 先 送 高 位 再 送 低 位 。 与 SPI 相 关 的 指 令 共 有 8 个 ， 使 用 时 这些 控 制 指 令 由 NRF24L01 的 MOSI 输 入 。 相 应 的 状 态 和 数 据 信 息 是 从 MISO 输 出 给 MCU。 NRF24L0l 所 有 的 配 置 字 都 由 配 置 寄 存 器 定 义 ， 这 些 配 置 寄 存 器 可 通 过 SPI 口 访 问 。NRF24L01 的 配 置 寄 存 器 共 有 25 个 ， 常 用 的 配 置 寄 存 器 如 表 3-2 所 示 。 表 3-2： 常 用 配 置 寄 存 器地址（H）寄存器名称 功能00 CONFIG 设置 24L01工作模式01 EN_AA 设置接收通道及自动应答02 EN_RXADDR 使能接收通道地址03 SETUP_AW 设置地址宽度04 SETUP_RETR 设置自动重发数据时间和次数07 STATUS 状态寄存器，用来判定工作状态0A0F RX_ADDR_P0P5 设置接收通道地址10 TX_ADDR 设置接收接点地址1116 RX_PW_P0P5 设置接收通道的有效数据宽度113.1.6 NRF24L01 模块原理图NRF24L01 单 端 匹 配 网 络 ： 晶 振 ， 偏 置 电 阻 ， 去 耦 电 容 。 下 图 3.4 为 NRF24L01单端 50 射频输出电路原理图。C E1C S N2S C K3M O S I4M I S O5IRQ6VDD7VSS8XC29XC110V D D _ P A1 1A N T 11 2A N T 21 3V S S1 4V D D1 5IREF16VSS17VDD18DVDD19VSS20U 1N R F 2 4 L 0 1V D DC 91 0 n FC 81 n FC 12 2 p FR 22 2 KR 1 1 MX 11 6 MC 22 2 p FC 32 . 2 n FC 44 . 7 p FC 73 3 n FC 61 . 0 p FL 33 . 9 n HL 18 . 2 n HL 2 2 . 7 n HC 51 . 5 p F5 0 o m h , R F I / OC EC S NS C KM O S IM I S OI R Q图 3.4 NRF24L01单端 50 射频输出电路原理图3.2 温度采集端无线温度测量仪的温度采集端由 AT89C51单片机、温度测量电路、无线发送模块 NRF24L01、显示电路、时钟电路及其它电路组成。温度采集硬件框图如图 3.5所示AT89C51单片机无线接收电路DS18B20报警电路时钟电路电源模块液晶显示图 3.5 温度采集硬件框图3.2.1 采集单元这里我们用到温度芯片 DS18B20。DS18B20 是 DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有 3引脚 TO-92小体积封装形式。测温分辨率可达 0.0625,被测温度用符号扩展的 16位数字量方式串行输出。其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生。CPU 只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。12DS18B20支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55+125，在-1085范围内,精度为土 0.5。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，如:环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等 11。1. DS18B20的内 部 结 构 ：DS18B20内部结构图如图 3.6所示。64位ROM和单 线接 口电源检测寄存器和控制器高速缓存存储器配置寄存器高温触发器 TH低温触发器 TL温度灵敏元件8 位 CRC 生成器图 3.6 DS18B20内部结构图（ 1） 光 刻 ROM 中 的 64 位 序 列 号 是 出 厂 前 被 光 刻 好 的 ， 它 可 以 看 作 是 该 DS18B20 的 地 址 序列 码 。 64 位 光 刻 ROM 的 排 列 是 ： 开 始 8 位 （ 28H） 是 产 品 类 型 标 号 ， 接 着 的 48 位 是 该DS18B20 自 身 的 序 列 号 ， 最 后 8 位 是 前 面 56 位 的 循 环 冗 余 校 验 码 （ CRC=X8+X5+X4+1） 。 光 刻ROM 的 作 用 是 使 每 一 个 DS18B20 都 各 不 相 同 ， 这 样 就 可 以 实 现 一 根 总 线 上 挂 接 多 个 DS18B20的 目 的 。 （2） DS18B20 中的温度传感器可完成对温度的测量，如表 3-3所示，以 12位转化为例：用 16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以 0.0625/LSB 形式表达，其中 S为符号位。表 3-3 DS18B20温度值格式表bit7 bit6 bit5 bit4 bit3 bit2 bit1 bit0LS Byte 23 22 21 20 2-1 2-2 2-3 2-4bit15 bit14 bit13 bit12 bit11 bit10 bit9 bit8MS Byte S S S S S 26 25 24这 是 12 位 转 化 后 得 到 的 12 位 数 据 ， 存 储 在 18B20 的 两 个 8 比 特 的 RAM 中 ， 二 进 制 中 的 前面 5 位 是 符 号 位 ， 如 果 测 得 的 温 度 大 于 0， 这 5 位 为 0， 只 要 将 测 到 的 数 值 乘 于 0.0625 即 可得 到 实 际 温 度 ； 如 果 温 度 小 于 0， 这 5 位 为 1， 测 到 的 数 值 需 要 取 反 加 1 再 乘 于 0.0625 即 可得 到 实 际 温 度 12。 例如+125的数字输出为 07D0H，+25.0625的数字输出为 0191H，-25.0625的数字输出为FF6FH，-55的数字输出为 FC90H。132. DS18B20的工作原理DS18B20的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上，从而抗干扰力更强。其一个工作周期可分为两个部分，即温度检测和数据处理。在讲解其工作流程之前我们有必要了解 DS18B20的内部存储器资源。DS18B20 共有三种形态的存储器资源，它们分别是： （ 1） ROM 只 读 存 储 器 ， 用 于 存 放 DS18B20ID 编 码 ， 其 前 8 位 是 单 线 系 列 编 码（ DS18B20 的 编 码 是 19H） ， 后 面 48 位 是 芯 片 唯 一 的 序 列 号 ， 最 后 8 位 是 以 上 56 的 位 的 CRC码 （ 冗 余 校 验 ） 。 数 据 在 出 产 时 设 置 不 由 用 户 更 改 。 DS18B20 共 64 位 ROM。 （ 2） RAM 数 据 暂 存 器 ， 用 于 内 部 计 算 和 数 据 存 取 ， 数 据 在 掉 电 后 丢 失 ， DS18B20 共 9个 字 节 RAM， 每 个 字 节 为 8 位 。 第 1、 2 个 字 节 是 温 度 转 换 后 的 数 据 值 信 息 ， 第 3、 4 个 字 节 是用 户 EEPROM（ 常 用 于 温 度 报 警 值 储 存 ） 的 镜 像 。 在 上 电 复 位 时 其 值 将 被 刷 新 。 第 5 个 字 节 则是 用 户 第 3 个 EEPROM 的 镜 像 。 第 6、 7、 8 个 字 节 为 计 数 寄 存 器 ， 是 为 了 让 用 户 得 到 更 高 的 温 度分 辨 率 而 设 计 的 ， 同 样 也 是 内 部 温 度 转 换 、 计 算 的 暂 存 单 元 。 第 9 个 字 节 为 前 8 个 字 节 的CRC 码 。 EEPROM 非 易 失 性 记 忆 体 ， 用 于 存 放 长 期 需 要 保 存 的 数 据 ， 上 下 限 温 度 报 警 值 和 校 验 数据 ， DS18B20 共 3 位 EEPROM， 并 在 RAM 都 存 在 镜 像 ， 以 方 便 用 户 操 作 。控 制 器 对 DS18B20操 作 流 程 ： （ 1） 复 位 ： 首 先 我 们 必 须 对 DS18B20 芯 片 进 行 复 位 ， 复 位 就 是 由 控 制 器 （ 单 片 机 ） 给DS18B20 单 总 线 至 少 480 s 的 低 电 平 信 号 。 当 DS18B20 接 到 此 复 位 信 号 后 则 会 在 15 60 s后 回 发 一 个 芯 片 的 存 在 脉 冲 。 （ 2） 存 在 脉 冲 ： 在 复 位 电 平 结 束 之 后 ， 控 制 器 应 该 将 数 据 单 总 线 拉 高 ， 以 便 于 在15 60uS 后 接 收 存 在 脉 冲 ， 存 在 脉 冲 为 一 个 60 240 s 的 低 电 平 信 号 。 至 此 ， 通 信 双 方 已 经达 成 了 基 本 的 协 议 ， 接 下 来 将 会 是 控 制 器 与 18B20 间 的 数 据 通 信 。 如 果 复 位 低 电 平 的 时 间 不 足或 是 单 总 线 的 电 路 断 路 都 不 会 接 到 存 在 脉 冲 ， 在 设 计 时 要 注 意 意 外 情 况 的 处 理 。 （ 3） 控 制 器 发 送 ROM 指 令 ： 双 方 打 完 了 招 呼 之 后 最 要 将 进 行 交 流 了 ， ROM 指 令 共 有 5条 ， 每 一 个 工 作 周 期 只 能 发 一 条 ， ROM 指 令 分 别 是 读 ROM 数 据 、 指 定 匹 配 芯 片 、 跳 跃 ROM、 芯片 搜 索 、 报 警 芯 片 搜 索 。 ROM 指 令 为 8 位 长 度 ， 功 能 是 对 片 内 的 64 位 光 刻 ROM 进 行 操 作 。 其主 要 目 的 是 为 了 分 辨 一 条 总 线 上 挂 接 的 多 个 器 件 并 作 处 理 。 诚 然 ， 单 总 线 上 可 以 同 时 挂 接 多 个 器件 ， 并 通 过 每 个 器 件 上 所 独 有 的 ID 号 来 区 别 ， 一 般 只 挂 接 单 个 DS18B20 芯 片 时 可 以 跳 过 ROM指 令 （ 注 意 ： 此 处 指 的 跳 过 ROM 指 令 并 非 不 发 送 ROM 指 令 ， 而 是 用 特 有 的 一 条 “跳 过 指 令 ”） 。（4） 控 制 器 发 送 存 储 器 操 作 指 令 ： 在 ROM 指 令 发 送 给 DS18B20 之 后 ， 紧 接 着 （ 不 间 断 ）就 是 发 送 存 储 器 操 作 指 令 了 。 操 作 指 令 同 样 为 8 位 ， 共 6 条 ， 存 储 器 操 作 指 令 分 别 是 写 RAM数 据 、 读 RAM 数 据 、 将 RAM 数 据 复 制 到 EEPROM、 温 度 转 换 、 将 EEPROM 中 的 报 警 值 复 制 到RAM、 工 作 方 式 切 换 。 存 储 器 操 作 指 令 的 功 能 是 命 令 18B20 作 什 么 样 的 工 作 ， 是 芯 片 控 制 的 关键 。 （ 5） 执 行 或 数 据 读 写 ： 一 个 存 储 器 操 作 指 令 结 束 后 则