基于nRF无线传感模块的环境监测系统设计说明.docx

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基于nRF无线传感模块的环境监测系统设计说明

毕业设计（论文）中文摘要

环境监测在日常生活、工作和工程实践中具有重要的应用。

随着生活水平的提高和科学技术的进步，无论是工业还是农业或者是日常生活中对环境监测，特别是恶劣工业环境的监测要求越来越高。

不仅要做到低耗，还要求进行一定距离的传输。

基于这点我们运用两片主控芯片，传感器，解决了这个日常生活工作中的问题。

出于成本考虑我们采用了C8051F单片机和NRF24L01无线收发模块为核心器件，同时附加多种传感器采集数据，系统实现了对环境中温度、氧气、有毒气体浓度等参数的实时监测，从而打破传统温度操作受到距离限制的缺陷。

在经过软硬件测试后，我们基本实现了用温度传感器采集温度，用NRF24L01进行一定距离传输后在接受端的电脑上显示出来。

因此，该系统是一种低成本、体积小、可移动、方便操作的新型环境监测仪。

关键词：

C8051FNRF24L01温度无线传输

毕业设计（论文）英文摘要

Title：

NRFwirelessmodulebasedonenvironmentalmonitoringsystem

Abstract：

Environmentalmonitoringindailylife,workandengineeringpracticehasimportantapplications.Withtheimprovementoflivingstandardsandscientificandtechnologicalprogress,whetherindustrialoragriculturalorenvironmentalmonitoringindailylife,especiallyinharshindustrialenvironmentsmonitoringincreasinglydemanding.Notonlytobelow,butalsorequiresacertaindistancetransmission.Forthisweusetwomainchips,sensors,solvesthisproblemindailylifeandwork.ForcostreasonswehaveadoptedaC8051F340MmicrocontrollerandNRF24L01wirelesstransceivermoduleasthecoredevice,andavarietyofsensorscollectadditionaldata,thesystemimplementedintheenvironmenttemperature,oxygen,toxicgasconcentrationandotherparametersofthereal-timemonitoring,thusbreakingthetraditionaltemperatureoperationsubjecttodistancelimitationsdefects.Afterthehardwareandsoftwaretesting,webasicallyachievedusingtemperaturesensorscollecttemperature,acertaindistancewiththeNRF24L01aftertransmissiononthereceivingendofthecomputerdisplay.Therefore,thesystemisalowcost,smallsize,portable,easytooperateanewtypeofenvironmentalmonitoringinstruments.

Keywords:

C8051F340MNRF24L01TemperatureWirelesstransmission

1引言1

1.1选题背景1

1.2国外研究状况及相关领域中已有的研究成果1

1.3对设计任务的分析2

1.4预期结果3

1.5论文的结构安排3

2主控单片机及编程环境的介绍4

2.1C8051F4

2.2开发环境与工具语言6

2.3本章小结12

3硬件系统的设计与实现13

3.1硬件基本功能13

3.2硬件框架设计14

3.3软件工作流程14

3.42.4GNRF无线单元18

3.5FLASH存储单元19

4软件系统的设计与实现20

4.1系统设计需求分析20

4.2主界面设计21

4.3代码编写23

4.4程序运行27

5系统的调试及实验结果29

5.1实验步骤29

5.2实验结果29

结论32

致34

参考文献35

1引言

1.1选题背景

随着社会的进步和生产的需要，利用无线通信进行环境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，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，不论是温室大棚的环境监测，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温度采集控制系统，其原理就是利用无线通信技术采集室温度数据并根据室温度情况进行遥控通风等操作，自动调节室温度湿度，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，这种无线环境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国外研究状况及相关领域中已有的研究成果

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（短距离无线技术围），耗电少的优点，用于无线键鼠等室场合。

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。

NRF24L01模块是一款新型单片射频收发器件,工作于2.4GHz～2.5GHzISM频段。

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，国外的研究在这方面的研究也趋近完善。

1.3对设计任务的分析

本系统的设计采用了工作于2.4GHz频段NRF24L01射频芯片，并有单片机C8051F340M控制实现短距离无线数据通信。

该接口设计具有成本低、功耗低、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CD4主板为核心，使用温度转换芯片DS18B20实时采集温度并通过LCD屏显示。

将采集的数据传送给接收部分，然后再在LCD屏上显示。

本系统的核心控制芯片选用的是MSP430F149。

单片机在各个技术领域中的迅猛发展，与单片机所构成的计算机应用系统的特点有关：

（1）单片机构成的应用系统有较大的可靠性；

（2）系统构建简洁、易行，能方便的实现系统功能；

（3）由于构成的系统是一个计算机系统，相当多的功能由软件实现，故具有柔性特点和优异的性能价格比；

对于CD4多功能能检测模块，硬件部分较简单，由于是单脚传输导致软件时序的时间精确度控制上要求比较高，要做到精确。

OLED显示部分虽然较简单但是在调试过程有重要作用，是显示软硬件好使的必要条件，不可忽视。

另外为了降低430的输出功率，采用锁存器对数码管进行驱动。

无线收发模块采用挪威（Nordic）公司生产的NRF24L01及其外围电路组成，软件部分要熟悉部的标志及控制寄存器以及数据通道，发射频率功率及收发模式等以利于编程。

1.4预期结果

采用C8051F340M单片机作为主控CPU，CD4多功能能检测模块，NRF24L01作为无线收发模块，加上LCD显示模块构成系统。

要求完成硬件模块的设计和电路板的制作。

软件模块包括温度检测模块、无线发射模块、无线接收模块和显示模块。

温度测量围：

0°C至125°C，传输距离>30m。

1.5论文的结构安排

本文基于本次毕业设计的过程与要求，将论文分为五章。

具体容如下：

第1章绪论本章简单介绍了课题的研究背景、目的和意义，无线温度检测的国外发展现状和相关领域中已有的研究结果，该设计的预期结果和意义。

第2章主控芯片及编程环境的介绍本章介绍了本次毕业设计的主控芯片及相应的编程环境，让我们熟悉了整个系统的调试方法。

第3章硬件系统的设计与实现本章介绍本课题硬件系统各部分电路的设计、实现，讲述了各模块的功能。

第4章软件系统的设计与实现本章根据系统的总方案，设计出程序的总流程图，并利用C#语言编写相应的程序。

第5章系统的调试及实验结果本章根据已有的软硬件，进行调试，得到的相应成果。

最后总结本论文，得出相关结论。

2主控单片机及编程环境的介绍

2.1C8051F

SiliconLaboratories公司出品的C8051F系列单片机是完全集成的混合信号系统级芯片（SOC），具有与MCS-51完全兼容的指令集。

该系列单片机采用流水线处理技术，机器周期由标准8051的12个系统时钟周期降为1个系统时钟周期，能在执行指令期间预处理下一条指令，大大提高了处理能力。

大部分C8051F单片机能达到25MIPS，᳔高的可达100MIPS。

C8051F单片机能提供多达22个中断源，并且部集成了大量的模拟、数字外设，包括看门狗、ADC、DAC、电压比较器、电压基准、定时器、PWM、部时钟振荡器、温度传感器等，同时拥有UART、SPI、SMBUS（I2C）、CAN、LIN、USB等众多总线。

C8051F单片机采用Flash技术，集成JTAG，支持ISP和IAP。

通过外部总线挂接以太网控制器芯片CP2201，可以提供完整的以太网接口方案，包括免费的TCP/IP协议栈。

C8051F单片机的特点：

（1）模拟资源丰富：

集成了丰富的模拟资源，绝大部分的C8051F系列单片机都集成了单个或两个ADC，在片模拟开关的作用下可实现对多路模拟信号的采集转换；片ADC的采样精度最高可达24bit，采样速率最高可达500ksps，部分型号还集成了单个或两个独立的高分辨率DAC，可满足绝大多数混合信号系统的应用并实现与模拟电子系统的无缝接口；片温度传感器则可以迅速而精确的监测环境温度并通过程序作出相应处理，提高了系统运行的可靠性。

（2）运算速度快：

基于增强的CIP-51核，其指令集与MCS-51完全兼容，具有标准8051的组织架构，可以使用标准的803x/805x汇编器和编译器进行软件开发。

CIP-51采用流水线结构，70%的的指令执行时间为1或2个系统时钟周期，是标准8051指令执行速度的12倍；其峰值执行速度可达100MIPS（C8051F120等），是目前世界上速度最快的8位单片机。

（3）丰富的外部设备接口：

集成了丰富的外部设备接口。

具有两路UART和最多可达5个定时器及6个PCA模块，此外还根据不同的需要集成了SMBus、SPI、USB、CAN、LIN等接口，以及RTC部件。

外设接口在不使用时可以分别禁止以降低系统功耗。

与其他类型的单片机实现相同的功能需要多个芯片的组合才能完成相比，C8051单片机不仅减少了系统成本，更大大降低了功耗。

（4）增加了中断源。

标准的8051只有7个中断源Silicon  Labs公司C8051F系列单片机扩展了中断处理这对于时实多任务系统的处理是很重要的扩展的中断系统向CIP-51提供22个中断源允许大量的模拟和数字外设中断一个中断处理需要较少的CPU干预却有更高的执行效率。

（5）增强了在信号处理方面的性能，部分型号具有16x16MAC以及DMA功能，可对所采集信号进行实时有效的算法处理并提高了数据传送能力。

（6）具有独立的片时钟源（精度最高可达0.5%），设计人员既可选择外接时钟，也可直接应用片时钟，同时可以在外时钟源之间自如切换。

片时钟源降低了系统设计的复杂度，提高了系统可靠性，而时钟切换功能则有利于系统整体功耗的降低。

提供空闲模式及停机模式等多种电源管理方式来降低系统功耗。

（7）实现了I/O从固定方式到交叉开关配置。

固定方式的I/O端口，既占用引脚多，配置又不够灵活。

在C8051F中，则采用开关网络以硬件方式实现I/O端口的灵活配置，外设电路单元通过相应的配置寄存器控制的交叉开关配置到所选择的端口上。

（8）复位方式多样化，C8051F把80C51单一的外部复位发展成多源复位，提供了上电复位、掉电复位、外部引脚复位、软件复位、时钟检测复位、比较器0复位、WDT复位和引脚配置复位。

众多的复位源为保障系统的安全、操作的灵活性以及零功耗系统设计带来极大的好处。

（9）从传统的仿真调试到基于JTAG接口的在系统调试。

C8051F在8位单片机中率先配置了标准的JTAG接口（IEEE1149.1）。

C8051F的JTAG接口不仅支持FlashROM的读/写操作及非侵入式在系统调试，它的JTAG逻辑还为在系统测试提供边界扫描功能。

通过边界寄存器的编程控制，可对所有器件引脚、SFR总线和I/O口弱上拉功能实现观察和控制。

（10）C8051F系列单片机型号齐全，可根据设计需求选择不同规模和带有特定外设接口的型号，提供从多达100个引脚的高性能单片机到最小3mmX3mm的封装，满足不同设计的需要。

2.2开发环境与工具语言

2.2.1硬件开发

KeilC51开发环境：

KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。

用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。

KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。

另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。

在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。

C51工具包的整体结构，Vision与Ishell分别是C51forWindows和forDos的集成开发环境（IDE），可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。

开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。

然后分别由C51及C51编译器编译生成目标文件（OBJ）。

目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件（.ABS）。

ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。

KeilC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。

在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。

与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。

用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。

C语言：

C语言是一种计算机程序设计语言，它既具有高级语言的特点，又具有汇编语言的特点。

它由美国贝尔研究所的D.M.Ritchie于1972年推出，1978年后，C语言已先后被移植到大、中、小及微型机上，它可以作为工作系统设计语言，编写系统应用程序，也可以作为应用程序设计语言，编写不依赖计算机硬件的应用程序。

它的应用围广泛，具备很强的数据处理能力，不仅仅是在软件开发上，而且各类科研都需要用到C语言，适于编写系统软件，三维，二维图形和动画，具体应用比如单片机以及嵌入式系统开发。

C语言相对于其它语言有以下优点：

1、简洁紧凑、灵活方便

C语言一共只有32个关键字，9种控制语句，程序书写形式自由，区分大小写。

把高级语言的基本结构和语句与低级语言的实用性结合起来。

C语言可以像汇编语言一样对位、字节和地址进行操作，而这三者是计算机最基本的工作单元。

2、运算符丰富

C语言的运算符包含的围很广泛，共有34种运算符。

C语言把括号、赋值、强制类型转换等都作为运算符处理。

从而使C语言的运算类型极其丰富，表达式类型多样化。

灵活使用各种运算符可以实现在其它高级语言中难以实现的运算。

3．数据类型丰富

C语言的数据类型有：

整型、实型、字符型、数组类型、指针类型、结构体类型、共用体类型等。

能用来实现各种复杂的数据结构的运算。

并引入了指针概念，使程序效率更高。

4、表达方式灵活实用

C语言提供多种运算符和表达式值的方法，对问题的表达可通过多种途径获得，其程序设计更主动、灵活。

它语法限制不太严格，程序设计自由度大，如对整型量与字符型数据及逻辑型数据可以通用等。

5、允许直接访问物理地址，对硬件进行操作

由于C语言允许直接访问物理地址，可以直接对硬件进行操作，因此它既具有高级语言的功能，又具有低级语言的许多功能，能够像汇编语言一样对位（bit）、字节和地址进行操作，而这三者是计算机最基本的工作单元，可用来写系统软件。

6、生成目标代码质量高，程序执行效率高

C语言描述问题比汇编语言迅速，工作量小、可读性好，易于调试、修改和移植，而代码质量与汇编语言相当。

C语言一般只比汇编程序生成的目标代码效率低10%～20%。

7、可移植性好

C语言在不同机器上的C编译程序，86%的代码是公共的，所以C语言的编译程序便于移植。

在一个环境上用C语言编写的程序，不改动或稍加改动，就可移植到另一个完全不同的环境中运行。

[17]

8、表达力强

C语言有丰富的数据结构和运算符。

包含了各种数据结构，如整型、数组类型、指针类型和联合类型等，用来实现各种数据结构的运算。

C语言的运算符有34种，围很宽，灵活使用各种运算符可以实现难度极大的运算。

C语言能直接访问硬件的物理地址，能进行位（bit）操作。

兼有高级语言和低级语言的许多优点。

它既可用来编写系统软件，又可用来开发应用软件，已成为一种通用程序设计语言。

另外C语言具有强大的图形功能，支持多种显示器和驱动器。

且计算功能、逻辑判断功能强大

2.2.2软件开发

MicrosoftVisualStudio开发环境：

VisualStudio是目前最流行的Windows平台应用程序开发环境。

最新版本为VisualStudio2012版本，基于.NETFramework4.5。

发展历程

1997年，微软发布了VisualStudio97。

包含有面Windows开发使用的VisualBasic5.0、VisualC++5.0，面向Java开发的VisualJ++和面向数据库开发的VisualFoxPro，还包含有创建DHTML（DynamicHTML）所需要的VisualInterDev。

其中，VisualBasic和VisualFoxPro使用单独的开发环境，其他的开发语言使用统一的开发环境。

1998年，微软发布了VisualStudio6.0。

所有开发语言的开发环境版本均升至6.0。

这也是VisualBasic最后一次发布，从下一个版本（7.0）开始，MicrosoftBasic进化成了一种新的面向对象的语言：

MicrosoftBasicNET。

由于微软公司对于Sun公司Java语言扩充导致与Java虚拟机不兼容被Sun告上法庭，微软在后续的VisualStudio中不再包括面向Java虚拟机的开发环境。

2002年，随着.NET口号的提出与WindowsXP/OfficeXP的发布，微软发布了VisualStudio.NET（部版本号为7.0）。

在这个版本的VisualStudio中，微软剥离了VisualFoxPro作为一个单独的开发环境以VisualFoxPro7.0单独销售，同时取消了VisualInterDev。

与此同时，微软引入了建立在.NET框架上（版本1.0）的托管代码机制以及一门新的语言C#（读作CSharp，意为C#）。

C#是一门建立在C++和Java基础上的现代语言，是编写.NET框架的语言。

.NET的通用语言框架机制（CommonLanguageRuntime,CLR），其目的是在同一个项目中支持不同的语言所开发的组件。

所有CLR支持的代码都会被解释成为CLR可执行的机器代码然后运行。

VisualBasic、VisualC++都被扩展为支持托管代码机制的开发环境，且VisualBasic.NET更是从VisualBasic脱胎换骨，彻底支持面向对象的编程机制。

而VisualJ++也变为VisualJ#。

后者仅语法同Java相同，但是面向的不是Java虚拟机，而是.NETFramework。

2003年，微软对VisualStudio2002进行了部分修订，以VisualStudio2003的名义发布（部版本号为7.1）。

Visio作为使用统模语言（UML）架构应用程序框架的程序被引入，同时被引入的还包括移动设备支持和企业模版。

.NET框架也升级到了1.1。

2005年，微软发布了VisualStudio2005。

.NET字眼从各种语言的名字中被抹去，但是这个版本的VisualStudio仍然还是面向.NET框架的（版本2.0）。

这个版本的VisualStudio包含有众多版本，分别面向不同的开发角色。

同时还永久提供免费的VisualStudioExpress版本。

2007年11月，微软发布了VisualStudio2008。

2010年4月12，微软发布了VisualStudio2010以及.NETFramew