【正文】 5 μs ，且在 2 次獨立的寫時隙之間至少需要 1μs 的恢復時間。 基于 nRF24L01 模塊的無線通信系統(tǒng)設(shè)計 27 圖 +5V 電源電路 B、 本系統(tǒng)無線模塊需要一＋ 電源，采用電源電路如圖。當前 DS18B20顯示 ， LCD1602顯示 。 串口通信模塊由 DB9 和 RS232 的外圍電路組成。 基于 nRF24L01 模塊的無線通信系統(tǒng)設(shè)計 34 圖 發(fā)送端原理圖 接收端原理圖 接收端由單片機主控電路、 USB 電源 +5V 接入、串口通信電路、無線模塊供電電路、 LCD1602 液晶顯示接口和報警電路組成。 配 置 n R F 2 4 L 0 1 模 塊 為接 受 模 式初 始 化 L C D 1 6 0 2 顯 示屏接 受 溫 度 數(shù) 據(jù)顯 示 溫 度 數(shù) 據(jù)把 數(shù) 據(jù) 傳 給 P C 機開 始報 警 電 路 工作溫 度 過高圖 接受端程序流程圖 基于 nRF24L01 模塊的無線通信系統(tǒng)設(shè)計 30 4 系統(tǒng)仿真 電源電路的仿真 +5V 電源電路仿真 使用 multisim 仿真，由家電 220V 經(jīng)過變壓器轉(zhuǎn)換成 交流電壓，再經(jīng)過橋式整流，后經(jīng) 7805 穩(wěn)壓芯片得到直流 5V 電壓。 MAX232 內(nèi)部有電壓倍增電路和轉(zhuǎn)換電路，僅需 +5 V 電源便可工作，使用十分方便，其與 AT89S52 連接時可以采用最簡單的方式連接（見圖 ）， MAX232 的 T1 IN 引腳與 89S52 的串行輸入口線 P3． 1TXD相連， R1 OUT 引腳與 89S52 的串行輸入口線 P3． 0RXD 相連， MAX232 的T1 OUT、 R1 IN 分別于與 RS232 的 3引腳相連。單片機從發(fā)送完復位脈沖到再次控制總線至少要等待 480 μs 。 （ 5） 執(zhí)行或數(shù)據(jù)讀寫：一個存儲器操作指令結(jié)束后則將進行指令執(zhí) 行或數(shù)據(jù)的讀寫，這個操作要視存儲器操作指令而定。第 5 個字節(jié)則是用戶第 3 個 EEPROM 的鏡像。 DS18B20 管腳配置和內(nèi)部結(jié)構(gòu) DS18B20 的管腳和封裝如下圖 ： 圖 DS18B20引腳及封裝 引腳定義： (1)DQ 為 單數(shù)據(jù)總線，是 數(shù)字信號輸入 /輸出端； (2)GND 為電源地； 基于 nRF24L01 模塊的無線通信系統(tǒng)設(shè)計 19 (3)VDD 為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）。相應的狀態(tài)和數(shù)據(jù)信息是從 MISO 輸出給 MCU。 表 1： nRF24L01 四種工作模式 模式 PWR_UP PRIM_RX CE FIFO 寄存器狀態(tài) 接收模式 1 1 1 發(fā)射模式 1 0 1 數(shù)據(jù)在 TX FIFO 寄存器中 發(fā)射模式 1 0 1→0 停留在發(fā)送模式，直至數(shù)據(jù)發(fā)送完 待機模式 2 1 0 1 TX FIFO 為空 待機模式 1 1 0 無數(shù)據(jù)傳輸 掉電 0 工作原理 發(fā)射數(shù)據(jù)時，首先將 nRF24L01 配置為發(fā)射模式：接著把接收節(jié)點地址 TX_ADDR 和有效數(shù)據(jù) TX_PLD 按照時序由 SPI 口寫入 nRF24L01 緩存區(qū)， TX_PLD 必須在 CSN 為低時連續(xù)寫入，而 TX_ADDR 在發(fā)射時寫入一次即可，然后 CE 置為高電平并保持至少 10μs ，延遲 130μs 后發(fā) 射數(shù)據(jù) 。 基于 nRF24L01 模塊的無線通信系統(tǒng)設(shè)計 11 單片機控制模塊 單片機控制模塊由 AT89S52 最小系統(tǒng)組成，其中包括單片機，晶振電路和復位電路。如果當 EA 引腳為低電平時（即取用外部程序代碼或數(shù)據(jù)存儲器）， P0就以多工方式提供地址總線（ A0― A7）及數(shù)據(jù)總線（ D0― D7）。 3級加密位 178。 AT89S51 具有如下特點： 40 個引腳， 8k Bytes Flash 片內(nèi)程序存儲器， 256 bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM）， 32 個外部雙向輸入 /基于 nRF24L01 模塊的無線通信系統(tǒng)設(shè)計 8 輸出（ I/O）口， 5個中斷優(yōu)先級 2層中斷嵌套中斷， 2個 16 位可編程定時計數(shù)器 ,2 個 全雙工串行通信口，看門狗（ WDT）電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。 方案二：采用字符液晶 LCD1602 顯示信息， 1602 是一款比較通用的字符液晶模塊，能顯示字符和數(shù)字等信息，且價格便宜，容易控制。 無線通信模塊方案 方案一：采用 GSM 模塊進行通信， GSM 模塊需要借助移動衛(wèi)星或者手機卡，雖說能夠遠距離傳輸，但是其成本較大、且需要內(nèi)置 SIM 卡，通信過程中需要收費，后期成本較高。 以上只是簡單列舉幾個現(xiàn)實的例子，在現(xiàn)實生活中，這種無線溫度采集系統(tǒng)已經(jīng)被成功應用于工農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、軍事國防、機器人控制等許多重要領(lǐng)域，而且類似于這種溫度采集系統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡已經(jīng)被廣泛的應用到民用和軍事領(lǐng)域。在實際溫度控制過程中既要求系統(tǒng)具有穩(wěn)定性、實時性又需要 降低功耗 。 無線傳輸采用nRF24L01 模塊傳輸。 整 個系統(tǒng)有發(fā)送和接收二部分，通 過NRF24L01 無 線數(shù)據(jù)通 信收發(fā)模塊來實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸 。 考慮到系統(tǒng)的復雜性和程序的復雜度，我們采用方案三作為本系統(tǒng)的通信模塊。 系統(tǒng)最終方案 發(fā)送端： 發(fā)送端由溫度傳感器 DS18B20， AT89S52單片機， nRF24L01 無線射頻模塊，數(shù)碼管顯示模塊和外設(shè)繼電器組成。 兼容 MCS51 指令系統(tǒng) 178。 VCC： AT89S52 電源正端輸入，接 +5V。 PORT2(― )：端口 2 是具有內(nèi)部提升電路的雙向 I/O 端口，每一個引腳可以推動 4 個 LS 的 TTL 負載，同樣地，若將端口 2 的輸出設(shè)為高電平時，此端口便能當成輸入端口來使用。 nRF24L01 功耗低 ,在以 6 dBm 的功率發(fā)射時，工作電流也只有 9 mA。最后發(fā)射成功時 ,若 CE 為低則 nRF24L01 進入空閑模式 1。一線總線獨特而且經(jīng)濟的特點，使用戶可輕松地組建傳感 器網(wǎng)絡，為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。 bit7 bit6 bit5 bit4 bit3 bit2 bit1 bit0 LS Byte 23 22 21 20 21 22 23 24 bit15 bit14 bit13 bit12 bit11 bit10 bit9 bit8 MS Byte S S S S S 26 25 24 圖 DS18B20溫度值格式表 這是 12 位轉(zhuǎn)化后得到的 12 位數(shù)據(jù)，存儲在 18B20 的兩個 8比特的 RAM 中，二進制中的前面 5 位是符號位，如果測得的溫度基于 nRF24L01 模塊的無線通信系統(tǒng)設(shè)計 20 大于 0，這 5 位為 0，只要將測到的數(shù)值乘于 即可得到實際溫度；如果溫度小于 0，這 5 位為 1，測到的數(shù)值需要取反加 1再乘于 即可得到實際溫度。當 18B20 接到此復位信號后則會在 15~60uS 后回發(fā)一個芯基于 nRF24L01 模塊的無線通信系統(tǒng)設(shè)計 21 片的存在脈沖。如果在多芯片掛接時使用此 指令將會出現(xiàn)數(shù)據(jù)沖突，導致錯誤出現(xiàn)。寫時隙起始于單片機拉低總線。該電路把先前轉(zhuǎn)換得到的＋ 5V電源經(jīng)過 低壓差電壓調(diào)節(jié)器 lm1117 轉(zhuǎn)換為＋ 電源。顯示仿真成功。串口通信一邊接單片機的 RXD 和 TXD，一邊連接 PC 機。 單片機最小系統(tǒng)： X1， X2 接外部振蕩電路， RESET 端接復位電路，EA 端接高。流程圖如 。 Q18 5 5 0U 1 3B E L LBR1 0 0V C CP 3 7 圖 接收端報警電路 接收端與 PC 機通信 本系統(tǒng) 采用 MAX232 來完成 TTL EIA（美國電子工業(yè)聯(lián)合會）雙向電平轉(zhuǎn)換。應答脈沖能保持 60～ 240μs 。存儲器操作指令的功能是命令 18B20作什么樣的工作，是芯片控制的關(guān)鍵。在上電復位時其值將被刷新。現(xiàn)場溫度直接以 一線總線 的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。與 SPI 相關(guān)的指令共有 8個，使用時這些控制指令由 nRF24L01 的 MOSI 輸入。 基于 nRF24L01 模塊的無線通信系統(tǒng)設(shè)計 14 在掉電模式下電流損耗最小，同時 nRF24L01 也不工作，但其所有配置寄存器的值仍然保留。 ： RD,外部數(shù)據(jù)存儲器的讀取信號。其他三個 I/O 端口（ P P P3）則不具有此電路組態(tài)，而是內(nèi)部有一提升電路， P0 在當做 I/O 用時可以推動 8 個 LS的 TTL 負載。 中斷喚醒省電模式 178。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 AT89S52 在眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)中得到廣泛應用。12864是一款通用的液晶顯示屏，能夠顯示多數(shù)常用的漢字及 ASCII碼，而且能夠繪制圖片，描點畫線，設(shè)計成比較理想的結(jié)果。 考慮到此系統(tǒng)需要不用到 ADC，從性能和價格上綜合考慮我們選擇方案一，即用 AT89S52 作為本系統(tǒng)的主控芯片。如今很多家庭都會安裝室內(nèi)溫度采集控制系統(tǒng)，其原理就是利用無線通信技術(shù)采集室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)，并根據(jù)室內(nèi)溫度情況進行遙控通風等操作，自動調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度 濕度，可以更好地改善人們的居住環(huán)境。 目前有些設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)無線溫度采集，但 價格 過高是其最大的缺點。 該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可靠，功耗較低，成本低，是一種無線傳感器的解決方案。發(fā)送部分以單片機 AT89S52 為核心，使用溫度轉(zhuǎn)換芯片 DS18B20 實時采集溫度并通過 nRF24l01 將采集的溫度無線傳送給接收部分，然后在LCD1602 上顯示，并通過串口發(fā)送到 PC 機上顯示，通過蜂鳴器實現(xiàn)對溫度過高或過低進行報警。 溫度傳感方案 方案一：采用 AD590 是 美國 ANALO G DEV ICES 公司的單片集成兩端感溫電流源。 D S 1 8 B 2 0 溫 度 傳 感器A T 8 9 S 5 2繼 電 器4 位 L E D 數(shù) 碼 顯示 管n R F 2 4 L 0 1 無 線 模 塊 圖 發(fā)送端系統(tǒng)方框圖 接收端： 接收端由 AT89S52 單片機， nRF24L01 無線射頻模塊， LCD1602顯示模塊，報警電路和串口組成。 8k可反復擦寫 (1000 次） ISP Flash ROM 178。 VSS：電源地端。 P2 除了當做一般 I/O端口使用外，若是在 AT89S51 擴充外接程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，也提供地址總線的高字節(jié) A8― A15，這個時候 P2便不能當做 I/O來使用了。接收時，工作電流只有 mA，多種低功率工作模式 (掉電模式和空閑模式 )使節(jié)能設(shè)計更方便。若發(fā)送堆棧 中有數(shù)據(jù)且 CE 為高，則進入下一次發(fā)射 。 DS18B DS1822 一線總線 數(shù)字化溫度傳感器 同 DS1820 一樣， DS18B20 也 支持一線總線 接口，測量溫度范圍為 55176。 例如 +125℃ 的數(shù)字輸出為 07D0H， +℃ 的數(shù)字輸出為0191H， ℃ 的數(shù)字輸出為 FF6FH， 55℃ 的數(shù)字輸出為FC90H。 （ 2） 存在脈沖：在復位電平結(jié)束之后，控制器應該將數(shù)據(jù)單總線拉高，以便于在 15~60uS 后接收存在脈沖，存在脈沖為一個 60~240uS 的低電平信號。 Read Scratchpad （從 RAM 中讀數(shù)據(jù)） [BEH] 此指令將從 RAM 中讀數(shù)據(jù)，讀地址從地址 0 開始，一直可以讀到地址 9，完成整個 RAM 數(shù)據(jù)的讀出。 DS18B20 的硬件設(shè)計 DS18B20 在本系統(tǒng)中與發(fā)送端單片機的 。 V in1V o u t2GND3U5L M 1 1 1 7C 2 0104C 2 3104+ C 2 110u+ C 2 2100uV C C1J 8 0+ 3 . 3 V 圖 無線模塊 + 電源供電電路 其他外圍電路 本系統(tǒng)需要在溫度過高的情況下驅(qū)動繼電器，打開通風系統(tǒng)。 圖 溫度采集及顯示仿真 接收端 LCD1602 顯示溫度仿真 接收端 接收到溫度數(shù)據(jù)后由單片機處理數(shù)據(jù)。 LCD1602 顯示模塊數(shù)據(jù)端接單片機 P0 口， RS， RW， E 分別接單片機的 。 溫度采集模塊：溫度采集由 DS18B20 I/O 端接入單片機 口。其中包括 nRF24L01模塊和 LCD1602 液晶顯示器的初始化。該電路由蜂鳴器和 NPN 三極管組成，具體電路如圖 所示。 DS18B20 在接受到復位脈沖后等待15～ 60μs 才發(fā)出應答脈沖。操作指令同樣為 8 位，共 6條，存儲器操作指令分別是寫 RAM 數(shù)據(jù)、讀 RAM數(shù)據(jù)、將 RAM 數(shù)據(jù)復制到 EEPROM、溫度轉(zhuǎn)換、將 EEPROM 中的報警值復制到 RAM、工作方式切換。第 2個字節(jié)是溫度轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)值信息，第 4 個字節(jié)是用戶 EEPROM（常用于溫度報警值儲存）的鏡像。