【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 5 nRF24L01 無(wú)線模塊 nRF24L01模塊電路圖 nRF24L01(張玉建， 2021；劉靖等， 2021)芯片是由 NORDIC 公司生產(chǎn)一款無(wú)線通信芯片，采用 FSK 調(diào)制方式，內(nèi)部集成有 NORDIC 自己的 Enhanced Short Burst 協(xié)議?？梢詫?shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或是 1 對(duì) 6 的無(wú)線通信。通信速度可以達(dá)到 2Mb/s。 nRF24L01 無(wú)線射頻模塊的電路圖如圖 3 所示。 P7++CE1CSN2SCK3MOSI4MISO5IRQ6VDD7VSS8XC29XC110VDD_PA11ANT112ANT213VSS14VDD15IREF16VSS17VDD18DVDD19VSS20NRF24L011 216MY11MR122pFC122pFC2C3C415pFC515pFC612nHL1L2L310nFC91nFC833nFC722KR2E1CECSNSCKMOSIMISOIRO 圖 3 nRF24L01 模塊電路圖 nRF24L01模塊接口電路 10uFC10LM111710uFC91 23 45 67 8NRF24L01CESCKMISO1KR3GND+5VD2LED2CESCKMISOCSNMOSIIRQ 圖 4 單片機(jī)與無(wú)線模塊通信及其 電源轉(zhuǎn)換電路圖 6 nRF24L01 是一款新型單片射頻收發(fā)器件，工作于 GHz～ GHz ISM(Industrial Scientific Medical)頻段。內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，并融合了增強(qiáng)型 ShockBurst 技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。nRF24L01 功耗低，在以 6 dBm 的功率發(fā)射時(shí)，工作電流也只有 9 mA；接收時(shí)，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(jì)更方便。 表 1 nRF24L01 模塊引腳功能 管腳 功能 CE 工作模式， TX 或者 RX 模式選擇 CSN SPI 片選使能，低電平有效 SCK SPI 時(shí)鐘 MOSI SPI 數(shù)據(jù)輸入 MISO SPI 數(shù)據(jù)輸出 IRQ 中斷輸出 VDD 電源 輸入 GND 地 nRF24L01 無(wú)線射頻模塊的各引腳功能如表 1 所示。圖 4 所示為單片機(jī)與無(wú)線模塊通信及其電源轉(zhuǎn)換電路圖，圖中 CE(Control Enable)使能控制線 ， CSN(Channel Sequence Number) 頻道序號(hào)， MOSI (Master Out Slave In)主機(jī)輸出從機(jī)輸入 ， MISO(Master In Slave Out)主機(jī)輸入從機(jī)輸出 ， SCK(Serial Clock)串行時(shí)鐘線 ， IRQ(Interrupt Request)中斷請(qǐng)求位， 分別跟 ATmega16L 的 PB3～ PB7 以及 PD2 端口連接。 nRF24L01模塊供電電源 此無(wú)線射頻模塊需要的電源為 V～ V，故不能直接用 5V電源供電，本系統(tǒng)中采用 直流電源對(duì)無(wú)線射頻模塊供電， 5V電源經(jīng) LM1117 芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換后即得到穩(wěn)定的直流電源供給 nRF24L01 無(wú)線射頻模塊。 nRF24L01模塊工作模式 通過配置寄存器可將 nRF241L01 配置為發(fā)射、接收、空閑及掉電四種 工作模式，如表 2 所示。 在掉電模式下電流損耗最小，同時(shí) nRF24L01 也不工作，但其所有配置寄存器的值仍然保留。 7 nRF24L01模塊工作原理 發(fā)射數(shù)據(jù)：先將 nRF24L01 配置為發(fā)射模式，再把接收節(jié)點(diǎn)地址 TX_ADDR 和有效數(shù)據(jù) TX_PLD 按照時(shí)序由 SPI 口寫入 nRF24L01 緩存區(qū)。 TX_PLD 必須在 CSN 為低時(shí)連續(xù)寫入，而 TX_ADDR 在發(fā)射時(shí)寫入一次即可，然后置為高電平并保持至少 10μs，延遲 130μs 后發(fā)射數(shù)據(jù)。若自動(dòng)應(yīng)答開啟，那么 nRF24L01 在發(fā)射數(shù)據(jù)后立即進(jìn)入接收模式，接 收應(yīng)答信號(hào)（自動(dòng)應(yīng)答接收地址應(yīng)該與接收節(jié)點(diǎn)地址 TX_ADDR 一致）。如果收到應(yīng)答，則認(rèn)為此次通信成功， TX_DS 置高，同時(shí) TX_PLD 從 TX FIFO 中清除 ；若未收到應(yīng)答，則自動(dòng)重新發(fā)射該數(shù)據(jù) (自動(dòng)重發(fā)已開啟 )。若重發(fā)次數(shù)達(dá)到上限，MAX_RT 置高， TX FIFO 中數(shù)據(jù)保留以便再次重發(fā)。 MAX_RT 或 TX_DS 置高時(shí)，使IRQ 變低，產(chǎn)生中斷，通知 ATmega16L。最后發(fā)射成功時(shí)。若 CE 為低，則 nRF24L01進(jìn)入空閑模式 1；若發(fā)送堆棧中有數(shù)據(jù)且 CE 為高，則進(jìn)入下一次發(fā)射；若發(fā)送堆棧中無(wú)數(shù)據(jù)且 CE 為高，則進(jìn) 入空閑模式 2。 表 2 nRF24L01 工作模式及配置 工作模式 PWR_UP PRIM_RX CE FIFO 寄存器狀態(tài) 接收模式 1 1 1 數(shù)據(jù)在 RX FIFO 寄存器中 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 下降沿 停留在發(fā)送模式，直至數(shù)據(jù)發(fā)送完 待機(jī)模式 1 1 0 0 無(wú)數(shù)據(jù)傳輸 待機(jī)模式 2 1 0 1 TX FIFO 為空 掉電 0 0 0 無(wú)數(shù)據(jù)傳輸 接收數(shù)據(jù)：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)接收方監(jiān)測(cè)到有效的地址和 CRC 時(shí)，就將數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)在 RX FIFO 數(shù)據(jù)寄存器 中，同時(shí)中斷標(biāo)志位 RX_DR 置高， IRQ 變低，產(chǎn)生中斷， 進(jìn)入中斷服務(wù)子程序，通知單片機(jī) ATmega16L 去取數(shù)據(jù)。若此時(shí)自動(dòng)應(yīng)答開啟，接收方則同時(shí)進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)回傳應(yīng)答信號(hào)。若自動(dòng)應(yīng)答 未 開啟 ，則不進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)。 最后接收成功時(shí)，若 CE 變低，則 nRF24L01 進(jìn)入空閑模式 1。 8 nRF24L01配置字 SPI 口為同步串行通信接口，最大傳輸速率為 10 Mb/s，傳輸時(shí)先傳送低位字節(jié)，再傳送高位字節(jié)。但針對(duì)單個(gè)字節(jié)而言，要先 送高位再送低位。與 SPI 相關(guān)的指令共有8 個(gè)，使用時(shí)這些控制指令由 nRF24L01 的 MOSI 輸入。相應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)信息是從MISO 輸出給單片機(jī) ATmega16L。 nRF24L0l 所有的配置字都由配置寄存器定義，這些配置寄存器可通過 SPI 口訪問。nRF24L01 的配置寄存器共有 25 個(gè)，常用的配置寄存器如表 3 所示。 表 3 nRF24L01 常用配置寄存器 地址（ H） 寄存器名稱 功能 00 CONFIG 設(shè)置 nRF24L01 工作模式 01 EN_AA 設(shè)置接收通道及自動(dòng)應(yīng)答 02 EN_RXADDR 使能接收通道地址 03 SETUP_AW 設(shè)置地址寬度 04 SETUP_RETR 設(shè)置自動(dòng)重發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)間和次數(shù) 07 STATUS 狀態(tài)寄存器，用來(lái)判定工作狀態(tài) 0A0F RX_ADDR_P0~P5 設(shè)置接收通道地址 10 TX_ADDR 設(shè)置接收節(jié)點(diǎn)地址 1116 RX_PW_P0~P5 設(shè)置接收通道的有效數(shù)據(jù)寬度 數(shù)字溫濕度傳感器 AM2301 AM2301概述 AM2301 數(shù)字溫濕度傳感器， 別 稱 為 DHT21 溫濕度傳感器，是電阻式感濕元件DHT11 濕度傳感器 的升級(jí)版， 具有高精度，快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。其中采集溫度的精度為 ? C? ，采集相對(duì)濕度的精度為 ? 3%。 AM2301 它是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，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)。傳感器包括一個(gè)電容式感濕元件和一個(gè) NTC(Negative Temperature Coefficient)測(cè)溫元件。每個(gè) AM2301 傳感 器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在 OTP(One Time Programable)內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過程中要調(diào) 9 用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號(hào)傳輸距離 理論上 可達(dá) 20 米以上，使其成為各類應(yīng)用場(chǎng)合的最佳選擇。 (王志宏等， 2021)。 AM2301接口及溫濕采集電路 表 4 所示為 AM2301 各管腳功能，圖 5 所示為 AM2301 溫濕度采集電路圖。其中Data 數(shù)據(jù)口連接線長(zhǎng)度短于 20 米時(shí)用 5K 上拉電阻 ， 大于 20 米時(shí)根據(jù)實(shí)際情況使用合適的上拉電阻 。 AM2301工作原理 AM2301 的供電電壓為 5V。傳感器上電后，要等待 1s 以越過不穩(wěn)定狀態(tài)在此期間無(wú)需發(fā)送任何指令。電源引腳（ VDD， GND）之間可增加一個(gè) 100nF 的電容，用以去耦濾波。 AM2301 采用單總線接口，其中 DATA 數(shù)據(jù)口用于微處理器與 AM2301 之間的通訊和同步，采用單總線數(shù)據(jù)格式，一次通訊時(shí)間 5ms 左右，具體格式如下，當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸為 40bit，高位先出。 數(shù)據(jù)格式： 40bit 數(shù)據(jù) =16bit 濕度數(shù)據(jù) +16bit 溫度數(shù)據(jù) +8bit 校驗(yàn)和。 當(dāng)接收 40bit 數(shù)據(jù)如 ： 0000 0010 1000 1100 0000 0001 0101 1111 1110 1110。其中前 16 位是 濕度數(shù)據(jù) ，接下來(lái) 16 位是 溫度數(shù)據(jù) ，最后 8 位數(shù)據(jù)是溫濕度 校驗(yàn)和 ，即 濕度高 8 位 +濕度低 8 位 +溫度高 8 位 +溫度低 8 位 =數(shù)據(jù)的末 8 位 =校驗(yàn)和 。 如： 0000 0010+1000 1100+0000 0001+0101 1111=1110 1110。其中 濕度 =％ ， 溫度 =℃ （當(dāng)溫度低 于 0℃ 時(shí)溫度數(shù)據(jù)的最高位置 1） 。 VDD1Data2NC3GND4AM2301+5V5KR2PC5PC5NC 管腳 名稱 功能 1 VDD 供電 3－ 2 Data 串行數(shù)據(jù)，單總線 3 NC 空腳，請(qǐng)懸空 4 GND 地，電源負(fù)極 表 4 AM2301 各管腳 功能 圖 5 AM2301 接口電路 10 用戶主機(jī)（ MCU）發(fā)送一次開始信號(hào)后， AM2301 從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，等待主機(jī)開始信號(hào)結(jié)束后， AM2301 發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，送出 40bit 的數(shù)據(jù)，并觸發(fā)一次信號(hào)采集（注：主機(jī)從 AM2301 讀取的溫濕度數(shù)據(jù)總是前一次的測(cè)量值，如兩次測(cè)量間隔時(shí)間很長(zhǎng)，需連續(xù)讀取兩次數(shù)據(jù)以獲得實(shí)時(shí)的溫濕度值）。 總線空閑狀態(tài)為高電平， MCU 把總線拉低等待 AM2301 響應(yīng)， MCU 把總線拉低必須大于 18 毫秒，保證 AM2301 能檢測(cè)到起始信號(hào)。 AM2301 接收到 MCU 的起始信號(hào)后，等待 MCU 開始信 號(hào)結(jié)束，然后發(fā)送 80μs 低電平響應(yīng)信號(hào)。 MCU 發(fā)送開始信號(hào)結(jié)束后，延時(shí)等待 20～ 40μs 后，讀取 AM2301 的響應(yīng)信號(hào)， MCU 發(fā)送開始信號(hào)后，可以切換到輸入模式，或者輸出高電平均可，總線由上拉電阻拉高。 總線為低電平，說(shuō)明 AM2301 發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，發(fā)送響應(yīng)信號(hào) 之 后，再把總線拉高80μs，準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)，每 1bit 數(shù)據(jù)都以 50μs 低電平時(shí)隙開始，高電平時(shí)間為 26～ 28μs時(shí)數(shù)據(jù)位為 0；高電平時(shí)間為 70μs 時(shí)數(shù)據(jù)位為 1。如果讀取響應(yīng)信號(hào)為高電平，則AM2301 沒有響應(yīng)。當(dāng)最后 1bit 數(shù)據(jù)傳送完畢后， AM2301 拉 低總線 50μs，隨后總線由上拉電阻拉高進(jìn)入空閑狀態(tài)。 顯示模塊 TFTLCD RSRWRDDB10DB11DB12DB13DB14DB15DB16DB17CSRSTLEDK1 23 45 67 89 1011 1213 1415 1617 1819 2021 2223 2425 2627 2829 3031 3233 3435 3637 3839 40TFTLCDVCCRSRWRDDB10DB11RSTDB12DB13DB14DB15DB16DB17CSVCCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCPD1TP_DOUTTP_BUSYTP_DINTP_CSTP_DCLK 圖 6 彩屏 TFT 電路圖 顯示模塊 采用 TFTLCD（ Thin Film TransistorLiquid Crystal Display） 即薄膜晶體管液晶顯示器。 TFTLCD 與無(wú)源 TNLCD、 STNLCD 的簡(jiǎn)單矩陣不同