基于51單片機與nRF24L01無線測溫通信系統設計

康樂為　徐丹

摘 要：文章將51單片機和nRF24L01技術有機結合起來，組成無線遠程測溫通信系統。系統由51單片機，DS18D20溫度采集模塊，LCD溫度數據顯示模塊，nRF24L01無線數據收發模塊組成。具有實現無線數據傳輸可靠穩定，低功耗，編程簡單等特點。實踐證明該系統能適應于多種環境溫度的檢測。

關鍵詞：nRF24L01；溫度檢測；無線通信；單片機

目前，無線通信領域越來越廣，如：wifi，藍牙，安全防火系統，水產養殖系統，智能家居系統等等。凡是布線復雜或者不能布線的場合都希望通過無線方案解決。為此需要設計相應的接口系統，完成系統數據交互，實現系統控制功能等。本系統采用了DS18D20溫度采集模塊及Nordic公司新推出的工作于2.4GHz頻段的nRF24L01射頻芯片，并由超低功耗單片機控制實現短距離無線數據通信，打破了傳統操作中距離受限的問題，使測溫操作更易實現。系統框圖如圖1：

nRF24L01是一款工作在2.4～2.5GHz世界通用ISM頻段的單片無線收發器芯片，其工作速率為0～2Mb/s，最大發射功率為0dBm，其外圍元件極少，內置硬件CRC（循環冗余校驗）和點對多點通信地址控制，集成了頻率合成器，晶體振蕩器和調制解調器.它的主要特點如下：

1）低工作電壓：1.9～3.6V低電壓工作；

2）高速率：2Mbps，由于空中傳輸時間很短，極大地降低了無線傳輸中的碰撞現象；

3）多頻點：125頻點，滿足多點通信和跳頻通信需要；

4）超小型：體積小巧，5mm 5mm；

5）低功耗：當工作在發射模式時，發射功率為-6dBm，電流消耗為9mA，接收模式為12.3mA，掉電模式和待機模式下電流消耗更低。

6）低應用成本：nRF24L01的SPI接口可以利用單片機的硬件SPI口連接或用單片機I/O口進行模擬，內部有FIFO可以與各種高低速微處理器接口，便于使用低成本單片機.

nRF24L01芯片最突出的特點是有2種通信模式：DirectMode（直接模式）和ShockBurstMode（突發模式）.直接模式的使用與其他傳統射頻收發器的工作一樣，需要通過軟件在發送端添加校驗碼和地址碼，在接收端判斷是否為本機地址并檢查數據是否傳輸正確.ShockBurstMode使用芯片內部的先入先出堆棧區，數據可從低速微控制器送入，高速（2Mb/s）發射出去，地址和校驗碼硬件自動添加和去除，這種模式的優點是：可使用低速微控制器控制芯片工作；?減小功耗；?射頻信號高速發射，抗干擾性強；減小整個系統的平均電流.因此，使用nRF24L01芯片特有的ShockBurstMode使得系統整體的性能和效率提高。

nRF24L01工作原理圖如圖2所示：

2 硬件電路設計

2.1 DS18D20溫度采集模塊

溫度部分采用數字溫度傳感器DS18B20測量溫度，DS18B20的測溫范圍-55℃～+125℃，固有測溫誤差1℃。DS18B20可以程序設定9～12位的分辨率，精度為±0.5°C。在9位分辨率時最多在93.75ms內把溫度轉換為數字，12位分辨率時最多在750ms內把溫度值轉換為數字，速度很快。DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉換電路集成在形如一只三極管的集成電路內。測量結果直接輸出數字溫度信號，以"一線總線"串行傳送給CPU，同時可傳送CRC校驗碼，

具有極強的抗干擾糾錯能力，并且在出現較大溫度誤差的情況下可以適用DHT11的測溫部分調整。本系統中溫度傳感器輸出腳I/O直接與單片機的P1.1相連，外接4.7KΩ的上拉電阻到電源，采用外部電源供電。

2.2 LCD1602顯示模塊

LCD顯示配置靈活，與單片機連接方便，通過讀寫操作時序即可完成。LCD顯示塊具有顯示質量高、數字式接口、功耗少、超薄輕巧等諸多優點，因此在單片機應用系統中應用廣泛，本系統的顯示采用的就是LCD1602作為顯示部件。

2.3 主控模塊

本系統設計采用51單片機作為主控芯片，這是新一代高速，低功耗，超強干擾的單片機，指令代碼完全兼容傳統8051單片機，12時鐘周期，采用11.0592MHz外部晶振起振，DIP40封裝，內部集成EEPROM，用戶應用程序空間為8K，支持ISP下載程序。串行通信時可軟件選擇UART/SPI模式，整個系統采用5V供電。除了上述主控芯片外，還要預留必要的功能模塊驅動接口，主要包括：nRF24L01無線射頻芯片接口，步進電機接口，LCD液晶接口，DS18B20，DHT11和其他的外部擴展接口.主控制電路主要由AT89S51單片機芯片復位電路及外設晶振電路組成。具體電路圖如圖3所示，該單片機的P1.4，P1.5，P1.6，P1.7口接無線收發模塊的1、2、3、4引腳，通過SPI方式進行通信，P1.5，P1.6引腳分別收發圖2中的數據。圖3中J3作為串口及外部擴展使用，J4與無線收發模塊連通，J5，J6為外部擴展接口，接LCD顯示模塊。

3.1 溫度檢測模塊軟件設計

DS18B20的測溫原理遵循嚴格的單總線協議，以確保通信數據的準確性。DS18B20溫度傳感器與單片機P16口連接，液晶的RS端接P3.4口，RW端接P3.6口，EN使能端接P3.7口。然后開始初始化，分別把RW、EN拉低，設置顯示模式，清除屏幕，將光標移到第一行第一個位置。單片機通過時序來寫入和讀出DS18B20中的數據。傳感器復位后，接收應答信號，啟動溫度轉換，等待溫度轉換完畢后，保存數據。如此反復，完成所有操作，其流程圖如圖3所示。

3.2 無線發射模塊軟件設計

在nRF24L01無線發送部分主程序中，首先進行初始化操作，通過配置模式對nRF24L01進行設置，主要包括發送的數據寬度、地址寬度、發送數據的地址和常用配置等。常用配置包括使能第一頻道設置、通信方式設置、發送數據速率設置、晶頻率設置、發送輸出功率設置、頻道設置和收發模式設置等。待初始化完成后，將nRF24L01設置為發送模式，進行發送數據。然后查看狀態寄存器TX_DS是否為1，如果TX_DS為1則表示nRF24L01發送成功，并且1602液晶可以顯示發送的數據；如果TX_DS不為1則代表nRF24L01發送不成功，程序返回重新發送。

3.3 無線接收模塊軟件設計

接收數據時，首先將nRF24L01配置為接收模式。接著延遲130μS進入接收狀態等待數據的到來。當接收方檢測到有效地址時，就將數據包儲存在接收堆棧中，同時狀態寄存器中的中斷標志位RX_DR置高，產生中斷使IRQ引腳變為低電平，以便通知MCU去取數據。若此時自動應答開啟，接收方則同時進入發射狀態回傳應答信號。最后接收成功時，若CE變低，則nRF24L01進入空閑模式1.

4 結束語

基于nRF24L01的溫度檢測系統擁有性能穩定、成本低、低功耗等特點，能夠廣泛應用于各類對溫度要求較為特殊的環境下溫度數據的檢測

參考文獻

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