毕业论文——基于NRF24L01无线温度测量系统的设计与实现

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

附件2

毕业设计(论文)开题报告

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

目录

摘要 (1)

ABSTRAC (2)

1 绪论 (3)

1.1 研究背景 (3)

1.2 课题的国内外研究状况 (3)

1.3 本课题的研究内容 (4)

2系统方案分析与选择论证 (5)

2.1 系统方案设计 (5)

2.1.1 系统设计要求 (5)

2.1.2 主控芯片方案 (5)

2.1.3 无线通信模块方案 (5)

2.1.4 温度传感方案 (5)

2.1.5 显示模块方案 (6)

2.1.6 单片机与PC机通信模块 (6)

2.2 系统方案确定 (6)

3 无线温度采集系统的硬件电路设计 (8)

3.1 单片2.4GHz NRF24L01无线模块 (8)

3.1.1 NRF24L01芯片概述 (8)

3.1.2 引脚功能及描述 (8)

3.1.3 工作模式 (9)

3.1.4 工作原理 (9)

3.1.5 配置字 (10)

3.1.6 NRF24L01模块原理图 (10)

3.2 温度采集端 (11)

3.2.1 采集单元 (11)

3.2.2 控制单元 (15)

3.2.3 显示单元 (19)

3.2.4 传输单元 (19)

3.3 温度接收端 (21)

3.4 电源管理 (21)

3.4.1 稳压电源的组成 (21)

3.4.2 电源设计 (22)

3.5 看门狗电路 (22)

3.6 时钟电路和复位电路 (23)

4 软件编制与程序实现 (25)

4.1 系统软件设计 (25)

4.1.1 上位机程序设计 (25)

4.1.2 下位机程序设计 (25)

4.2 程序设计语言的选用 (25)

4.3 测温程序设计流程 (26)

4.3.1 主程序 (26)

4.3.2 读出温度子程序 (26)

4.3.3 温度转换命令子程序 (28)

4.3.4 计算温度子程序 (29)

4.3.5 显示数据刷新子程序 (29)

4.4 无线通信协议 (29)

4.4.1 通信信道 (20)

4.4.2 数据传输协议 (29)

5 系统仿真 (31)

5.1 电源电路的仿真 (31)

5.1.1 +5V电源电路仿真 (31)

5.2 发送端温度采集与显示仿真 (31)

5.3 接收端LCD1602显示温度仿真 (32)

6总结与展望 (33)

6.1 系统调试 (33)

6.2 温度对比 (33)

6.3 总结与展望 (33)

附录 (36)

致谢 (39)

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

ABSTRACT

Temperature 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

1 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 GHz～2.5 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。

2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0～20000b/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

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

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]。

3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 GHz～2.5 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/s～10 Mb/s；

125个频道；

与其他NRF24系列射频器件相兼容；

QFN20引脚4 mm×4 mm封装；

供电电压为1.9 V～3.6 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；

XC2，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

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10μs，延迟130μs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130μs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RX_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1[10]。

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

3.1.6 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50Ω射频输出电路原理图。

图3.4 NRF24L01单端50Ω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

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。

DS18B20支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55℃～+125℃，在-10℃～85℃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。

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

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。

2. 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：