基于單片機的2.4G近距離無線通信系統設計

廣西民族師范學院 王 靖 張賢國 黃燦勝

1 系統設計方案

系統的設計方案如圖1所示，系統有2個監測點，分別為從機1和從機2，工作時，從機放置于被測環境中（如蔬菜大棚），單片機將傳感器采集到的數據通過無線模塊發送出去；主機安裝在工作人員處，通過無線模塊接收從機1和從機2發來的數據，經過單片機處理后在液晶屏12864上顯示。

圖1 系統設計方案

2 核心元器件簡介

2.1 單片機STC89C52RC

單片機又稱微控制器， 在一塊芯片中集成了CPU、數據存儲器、 程序存儲器、定時器/ 計數器和多種功能的I/O（輸入/ 輸出）接口等基本功能部件，從而可以完成復雜的運算、邏輯控制、通信等功能。51單片機是對所有兼容Intel 8031指令系統的單片機的統稱，被廣泛應用于工業測控系統之中。STC89C52RC是我國宏晶公司生產的一種低功耗、低成本、高性能的8位微控制器，完全滿足本項目的需要。

2.2 nRF24L01+模塊

nRF24L01+是由NORDIC生產的工作在2.4GHz至2.5GHz的ISM頻段的無線收發芯片，共有126 個1MHz 帶寬的選頻，采用SPI協議與單片機通信，工作電壓范圍1.9-3.6V，并具有數據自動重發，自動應答等功能，可通過軟件設置2Mbps,1Mbps,250Kbps 三種數據波特率，是目前近距離無線通信的理想選擇。該芯片有20個引腳，體積小，不容易焊接，芯片成本和模塊差不多，所以本系統直接使用NRF24L01模塊，如下圖所示：

圖2 nRF24L01+模塊示意圖

圖3 SHT20傳感器示意圖

2.3 SHT20數字溫濕度傳感器

該傳感器基于數字傳感技術，體積小、響應迅速、低能耗、抗干擾能力強，性價比高，使該產品能夠適于多種場合的應用。通過I2C總線協議與單片機通信，工作電壓2.1-3.6V。

濕度測量范圍：0～100%RH；濕度測量精度：±3%RH；

溫度測量范圍：-40～125℃；溫度測量精度：±0.3℃。

2.4 液晶顯示屏12864

LCD12864是一種內部含有簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊，內置8192個漢字和128個ASCII字符集.利用該模塊靈活的接口方式和簡單的操作指令，可構成全中文人機交互圖形界面，在單片機應用中得到了廣泛使用。

3 系統硬件設計原理圖

主機以單片機作為控制核心，AMS1117將5V轉化為3.3V，給nRF24L01+模塊和SHT20模塊供電，可調電阻R2用來調節液晶12864的對比度。主機和從機的硬件原理圖幾乎一致，僅是主機不需要連接SHT20傳感器。系統工作時，不同的從機通過地址進行區分。下圖是用Altium Designer 09畫的原理圖：

圖4 系統硬件原理圖

4 系統軟件設計思路

主機首先把nRF24L01+模塊配置為接收模式，參照nRF24L01+數據手冊可知，最多可以同時接收6路不同的通道，每一個通道使用不同的地址，共用相同的頻率（使用跳頻可以更好的避開干擾，但本文限于篇幅不討論跳頻）。

地址可以通過寄存器進行設置，通道0的40位地址自由配置，通道0-5的配置格式為：32位公共地址+8位各自的地址。例如從機1接收地址設為： { 0x34,0x43,0x10,0x10,0x01},主機設置寄存器EN_RXADDR為0X03，即打開通道0和1，分別用來接收從機1和從機2的數據；設置寄存器EN_AA使能自動應答，即發送應答信號確認數據收到。設置寄存器RF_SETUP可以配置傳輸速率和發射功率。 nRF24L01+收到數據后存儲在寄存器中，可以通過判斷寄存器的RX_P_NO位是哪一個通道接收到數據，并將數據分別存入數組data1[]，data2[]中，主機的程序流程圖如圖5所示。

圖5 主機的程序流程圖

圖6 從機的程序流程圖

從機1和從機2的程序除了發送地址不一樣，其他都一樣。首先參考數據手冊的讀寫時序寫出SHT20溫濕度采集程序，然后把nRF24L01+設置為發射模式，在發射模式下，從機還需要接收主機發出的應答信號，所以接收地址要和發射地址一樣以便收到正確的應答信號，從機的程序流程圖如圖6所示。

5 結論

根據原理圖，用AD軟件進行PCB布線，然后用熱轉印法制作3塊電路板，在板上焊接好元器件，搭建硬件平臺。把編好的程序（Keil 4+ C語言）燒錄進單片機，調試無誤后系統可正常工作。

通訊距離是無線模塊的一個綜合指標，受到很多條件和參數的影響，一般來說地點是否空曠，天線（PCB天線或者外置天線），輸出功率大小，數據傳輸速率這四者的影響較大。通過本系統，在近距離內可以很好的實現數據傳輸，經實測，在空曠條件、功率為0dBm的前提下，設為2Mbps傳輸速率時，傳輸距離可達15米左右，1Mbps速率下30米左右，250Kbps速率下60米左右。在本文的基礎上，如果想加大通訊距離，可選擇加了外置天線和功率芯片的無線傳輸芯片，距離最遠可達1100米。

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