【文章內(nèi)容簡介】 片封裝，不利于焊接，需要 PCB制板，大大增加了成本和開發(fā)周期。 方案三 ：采用宏晶科技有限公司的 STC12C5A60S2增強(qiáng)型 51單片機(jī)作為主控芯片。此芯片內(nèi)置 ADC和 SPI總線接口，且內(nèi)部時(shí)鐘不分頻，可達(dá)到 1MPS。而且價(jià)格適中。 考慮到此系統(tǒng)需要不用到 ADC，從性能和價(jià)格上綜合考慮我們選擇方案一，即用 AT89C51作為本系統(tǒng)的主控芯片。 無線通信模塊方案 方案一：采用 GSM模塊進(jìn)行通信， GSM模塊需要借助移動衛(wèi)星或者手機(jī)卡，雖說能夠遠(yuǎn)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(fèi)，后期成本較高。 方案二：采用 TI公司 CC2430無線通信模塊，此 模塊采用 Zigbee總線模式，傳輸速率可達(dá) 250kbps，且內(nèi)部集成高性能 8051內(nèi)核。但是此模塊價(jià)格較貴，且 Zigbee協(xié)議相對較為復(fù)雜。 方案二：采用 NRF24L01無線射頻模塊進(jìn)行通信， NRF24L01是一款高速低功耗的無線通信模塊。他能傳輸上千米的距離（加 PA），而且價(jià)格較便宜 ，采用 SPI總線通信模式電路簡單，操作方便。 考慮到系統(tǒng)的復(fù)雜性和程序的復(fù)雜度，我們采用方案三作為本系統(tǒng)的通信模 塊 [2]。 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。 AD590 測量熱力學(xué)溫度、攝氏溫度、兩點(diǎn)溫度差、多點(diǎn)最低溫度、多點(diǎn)平均溫度的具體電路，廣泛應(yīng)用于不同的溫度控制場合由于 AD590精度高、價(jià)格低、不需輔助電源、線性好，常用于測溫和熱電偶的冷端補(bǔ)償。 但其需要用到差分放大器放大和 A/D轉(zhuǎn)換，需要原件多。 方案二： 采用美國 DALLAS公司生產(chǎn)的 DS18B20可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器芯片，具有耐磨耐碰，體積小，使 用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域 ； 經(jīng)濟(jì)，方便 [3]。 6 使用 DS18B20線路簡單，編程容易，但是比 AD590精度 低。 AD590還需要其它輔助電路，線路復(fù)雜，編程難度大，但是溫度精確 ?？紤]到電路的設(shè)計(jì)，成本，還有多點(diǎn)通信，我們選擇方案二，即用 DS18B20作為本系統(tǒng)的溫度傳感器。 顯示模塊方案 方案一：選擇主控為 ST7920的帶字庫的 LCD12864來顯示信息。 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(diǎn)畫線，設(shè)計(jì)成比較理想的結(jié)果。 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(jià)格便宜，容易控制 。 方案三：采用 LED7段數(shù)碼顯示管顯示，其成本低，容易顯示控制，但不能顯示字符。 綜合以上方案，我們選擇了經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的字符液晶 LCD1602來作為接收端的顯示 ， 發(fā)送端用 7段數(shù)碼管顯示。 單片機(jī)與 PC 機(jī)通信模塊 采用 RS232串口與 PC機(jī)通信。 RS232 串口 是個(gè)人計(jì)算機(jī)上的通訊接口之一，由電子工業(yè)協(xié)會 (Electronic Industries Association， EIA) 所制定的異步傳輸標(biāo)準(zhǔn)接口。通常 RS232 接口以 9 個(gè)接腳 (DB9) 或是 25 個(gè)接腳 (DB25) 的型態(tài) 出現(xiàn)，一般個(gè)人計(jì)算機(jī)上會有兩組 RS232 接口，分別稱為 COM1 和 COM2。在多數(shù)情況下主要使用主通道，對于一般雙工通信，僅需幾條信號線就可實(shí)現(xiàn)，如一條發(fā)送線、一條接收線及一條地 線 [4]。 RS232C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸速率為每秒 50、 7 100、 150、 300、 600、 1200、 2400、 4800、 9600、19200波特。 RS232C 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，驅(qū)動器允許有 2500pF 的電容負(fù)載，通信距離將受此電容限制，例如，采用150pF/m 的通信電纜時(shí)，最大通信距離為 15m；若每米電纜的電容 量減小，通信距離可以增加。傳輸距離短的另一原因是 RS232屬單端信號傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題，因此一般用于20m以內(nèi)的通信。 串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過使用和發(fā)展，目前已經(jīng)有幾種。但都是在 RS232標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上經(jīng)過改進(jìn)而形成的。所以，以 RS232C 為主來討論。 RS323C標(biāo)準(zhǔn)是美國 EIA(電子工業(yè)聯(lián)合會）與 BELL 等公司一起開發(fā)的 1969 年公布的通信協(xié)議。它適合于數(shù)據(jù)傳輸速率在 0～ 20200b/s 范圍內(nèi)的通信。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對串行通信接口的有關(guān)問題，如信號線功能、電器特性都作了明確規(guī)定。由于 通行設(shè)備廠商都生產(chǎn)與RS232C 制式兼容的通信設(shè)備，因此，它作為一種標(biāo)準(zhǔn)，目前已在微機(jī)通信接口中廣泛采用。 RS232是單片機(jī)間，或單片機(jī)與上位機(jī)間通訊聯(lián)絡(luò)用。 MAX232作為 RS232的電平轉(zhuǎn)換芯片，完成 TTL電平到 RS232電平的轉(zhuǎn) 換 [5]。 主機(jī)單片機(jī)接收到 NRF24L01的數(shù)據(jù)后，經(jīng) MAX232電平轉(zhuǎn)換可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)程序下載與升級，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與 PC 機(jī)的通信，以便將顯示數(shù)據(jù)信息通過此電路傳送到 PC 機(jī)，并存 PC 機(jī)上顯示，其串行通信電路如圖 。 系統(tǒng)方案確定 對于本論文的 基于 NRF24L01 無線溫度測量系統(tǒng) 來說，整個(gè)系統(tǒng)由溫度采集端和溫度接收端兩個(gè)部 7 份組成，兩者之間通過無線信道通信。數(shù)據(jù)采集端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送 。數(shù)據(jù)接收端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收和處理。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖 。 圖 MAX232與 PC的串口通信電路 下位機(jī) 上位機(jī) 圖 數(shù)據(jù)采集端由傳感器、微處理器和無線模塊構(gòu)成。傳感器將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字 信號送往無線模塊打包發(fā)出 ； 數(shù)據(jù)接收端由無線模塊、微處理器及計(jì)算機(jī)組成。數(shù)據(jù)接收端接收到采集端發(fā)送的數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)按照通信協(xié)議拆包，取出里面的有效數(shù)據(jù)并通過串口發(fā)送給計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)簡單，數(shù)據(jù)采集和接收端均采用無線收發(fā)一體芯片，微處理器可以單片機(jī)、數(shù)據(jù)接收端與計(jì)算機(jī)通過串口通信 [6]。 無 線 收 發(fā) 模 塊 單片機(jī) AT89C51 PC機(jī) 控制模塊 顯示模塊 溫度傳感器 單片機(jī) AT89C51 無線收發(fā)模塊 8 3 無線溫度采集系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) 單片 NRF24L01 無線模塊 NRF24L01 芯片概述 NRF24L01 是一款新型單片射頻收發(fā)器件 ,工作于 GHz～ GHz ISM 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 [7]。 NRF24L01主要特性如下： GFSK調(diào)制 ； 硬件集成 OSI鏈路層 ； 具有自動應(yīng)答和自動再發(fā)射功能 ； 片內(nèi)自動生成報(bào)頭和 CRC校驗(yàn)碼 ； 數(shù)據(jù)傳輸率為 l Mb/s或 2Mb/s； SPI速率為 0 Mb/s～ 10 Mb/s； 125個(gè)頻道 ； 與其他 NRF24系列射頻器件相兼容 ； QFN20引腳 4 mm4 mm 封裝 ； 供電電壓為 V～ V。 引腳功能及描述 NRF24L01 的封裝及引腳排列如圖 所示 [8]。各引腳功能如下： 圖 NRF24L01 封裝圖 CE：使能發(fā)射或接收 。 CSN， SCK， MOSI， MISO： SPI 引腳端 ， 微處理器可通過此引腳配置 NRF24L01： IRQ：中斷標(biāo)志位 ； VDD：電 源輸入端 ； VSS：電源地 ； XC2， XC1：晶體振蕩器引腳 。 VDD_PA：為功率放大器供電，輸出為 V； 9 ANT1,ANT2：天線接口 ； IREF：參考電流輸入。 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 31所示。 待機(jī)模式 1 主要用于降低電流損耗，在該模式下晶體振蕩器仍然是工作的 ； 待機(jī)模式 2 則是在當(dāng) FIFO 寄存器為空且 CE=1 時(shí)進(jìn)入此 模式； 待機(jī)模式下，所有配置字仍然保留。 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 [9]。 表 31： 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(jī)模式 2 1 0 1 TX FIFO 為空 待機(jī)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(shí)，首先將 NRF24L01 配置為發(fā)射模式：接著把接收節(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 CE 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（自動應(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，則自動重新發(fā)射該數(shù)據(jù) (自動重發(fā)已開啟 )，若重發(fā)次數(shù) (ARC)達(dá) 到上限， MAX_RT 置高， TX FIFO 中數(shù)據(jù)保留以便在次重發(fā) 。MAX_RT 或 TX_DS 置高時(shí)，使 IRQ 變低，產(chǎn)生中斷，通知 MCU。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)送堆棧中無數(shù)據(jù)且 CE 為高，則進(jìn)入空閑模式 2。 接收數(shù)據(jù)時(shí) ,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。當(dāng)接收方檢測到有效的地址和 CRC 時(shí)，就將數(shù)據(jù)包存儲在 RX FIFO 中，同時(shí)中斷標(biāo)志位RX_DR 置高， IRQ 變低，產(chǎn)生中斷，通知 MCU 去取數(shù)據(jù)。若此時(shí)自動應(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。最后接收成功時(shí)，若 CE 變低，則 NRF24L01 進(jìn)入空閑模式 1[10]。 10 在寫寄存器之前一定要進(jìn)入待機(jī)模式或掉電模式。如下圖 、 ，給出 SPI 操作及時(shí)序圖： 圖 SPI 讀操作 圖 SPI 寫操作 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 MCU。 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 32 所示。 表 32：常用配置寄存器 地址（ H） 寄存器名稱 功能 00 CONFIG 設(shè)置 24L01工作模式 01 EN_AA 設(shè)置接收通道及自動應(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)置自動重發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)間和次數(shù) 07 STATUS 狀態(tài)寄存器，用來判定工作狀態(tài) 0A～ 0F RX_ADDR_P0～ P5 設(shè)置接收通道地址 10 TX_ADDR 設(shè)置接收接點(diǎn)地址 11～ 16 RX_PW_P0～ P5 設(shè)置接收通道的有效數(shù)據(jù)寬度 NRF24L01 模塊原理圖 NRF24L01 單端匹配網(wǎng)絡(luò)：晶振，偏置電阻，去耦電容。 下圖 為 NRF24L01單端 50Ω射頻輸出電路原理圖 。 11 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