完整版基于nRF2401模块的无线温度监测系统设计毕业论文设计.docx

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完整版基于nRF2401模块的无线温度监测系统设计毕业论文设计

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基于nRF24L01模块的无线通信系统设计

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AT89S52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AT89S52无线传输nRF24l01DS18B20

Abstract

Temperatureisaveryimportantparameters.Intheindustrial,medicalandmilitaryandlifeandmanyotherplace,itneedstousethetemperaturemeasurementdevicetodetecttemperature.Thetraditionaldirectmeasurementwiringdoesnotmeettherequirements,especiallyinsomeenvironmentalbadindustrialenvironmentandoutdoorenvironment,throughthedirectwiringmeasurementisnotpractical.Sousingwirelesstransmissiontemperaturetestingisnecessary.

Atpresentsomedesigncanrealizethewirelesstemperaturegathering,butthepriceistootheactualtemperaturecontrolprocessrequiresbothsystem.Sothedesignofakindoflowpowerconsumptionwirelesstemperaturedetectionsystemisverymeaningful.ThispaperpresentsaUSESthemonolithicintegratedcircuitAT89S52controlDS18B20oftherealizationofthewirelesstemperaturemeasuringsystem.Throughthesimplewirelesscommunicationprotocol,realizethereliabilityandpowerbalance,thesystemcanrealizetothetemperaturedetection,cansimultaneouslydeterminethetemperature,canberealizedthewirelessremotecontroltemperaturedetectionsystem.Lowpowerconsumption,real-timewirelesstemperaturedetectionisthebiggestcharacteristicofthedesign.WirelesstransmissionusingnRF24L01moduletransmission.

Thesystemstructureissimple,reliable,lowpowerconsumption,lowcost,itisakindofwirelesssensorsolutions.

Keyword:

MCUAT89S52wirelesstransmissionnRF24l01DS18B20

摘要I

AbstractII

目录III

前言1

1系统方案分析与选择论证3

1.1系统方案设计3

1.1.1主控芯片方案3

1.1.2无线通信模块方案3

1.1.3温度传感方案4

1.1.4显示模块方案4

1.1.5单片机与PC机通信模块5

1.2系统最终方案5

2主要芯片介绍和系统模块硬件设计7

2.1AT89S527

2.1.1单片机控制模块11

2.2单片2.4GHznRF24L01无线模块12

2.2.1nRF24L01芯片概述12

2.2.2引脚功能及描述12

2.2.3工作模式13

2.2.4工作原理14

2.2.5配置字15

2.2.6nRF24L01模块原理图17

2.3温度传感器DS18B2017

2.3.1DS18B20管脚配置和内部结构18

2.3.2DS18B20的工作原理20

2.3.3DS18B20的硬件设计22

2.4显示模块23

2.4.1接收端显示模块23

2.4.2发送端显示模块24

2.5报警电路25

2.6接收端与PC机通信25

2.7电源电路设计26

2.8其他外围电路27

3系统软件设计28

3.1单片机软件设计28

3.1.1发送端软件设计28

3.1.2接收端软件设计29

4系统仿真30

4.1电源电路的仿真30

4.1.1+5V电源电路仿真30

4.2发送端温度采集与显示仿真30

4.3接收端LCD1602显示温度仿真31

5硬件电路板设计33

5.1系统硬件原理图33

5.1.1发送端原理图33

5.1.2接收端原理图34

5.2系统PCB图36

5.2.1发送端PCB图36

5.2.2接收端PCB图37

5.3硬件制作37

5.4硬件调试39

5.5硬件调试结果39

6nRF24L01应用于无线组网41

6.1无线组网的意义及研究价值41

6.2通信模型及协议设计41

总结43

致谢45

参考文献46

前言

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。

图1.1短距离无线通信的应用

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。

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AT89S52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AT89S52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。

1系统方案分析与选择论证

1.1系统方案设计

1.1.1主控芯片方案

方案一：

采用传统的AT89S52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。

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AT89S52作为本系统的主控芯片。

1.1.2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。

1.1.3温度传感方案

方案一：

采用AD590是美国ANALOGDEVICES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AD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。

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