基于MSP430F1611和nRF24L01的無線通信數(shù)據(jù)傳輸

1、 編編 號(hào)號(hào)本本科科生生畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)（ 論論文文 ）題目：題目：基于基于 MSP430F1611 無線數(shù)據(jù)通信模塊的設(shè)計(jì)無線數(shù)據(jù)通信模塊的設(shè)計(jì) 物聯(lián)網(wǎng)工程 學(xué)院 電子信息工程專業(yè)學(xué) 號(hào) 0703090317 學(xué)生姓名 姜鵬 指導(dǎo)教師 茅正沖 教授 黃芳 講師 二一三年六月摘要I摘 要隨著網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，無線通信在日常生活中重要性越來越顯著，通信協(xié)議也迅速發(fā)展，無線通信由此進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段，成為IT產(chǎn)業(yè)最活躍、最富有生機(jī)的領(lǐng)域。本設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，選擇MSP430F1611單片機(jī)為中心控制單元，并且配有nRF24L01無線收發(fā)模塊、液晶顯示模塊及鍵盤輸入模塊、光照及溫

2、度傳感模塊。軟件設(shè)計(jì)采用流程圖設(shè)計(jì)的方法，實(shí)現(xiàn)了MSP430單片機(jī)基本配置和中心控制功能，及nRF24L01芯片的接收和發(fā)送功能。本設(shè)計(jì)采取一個(gè)模塊作為監(jiān)測終端，另一模塊作為探測節(jié)點(diǎn)，對(duì)周邊溫度和光照信息進(jìn)行探測，并將測量信息無線傳輸至監(jiān)測終端進(jìn)行顯示。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)顯著特點(diǎn)是超低功耗，低成本，數(shù)據(jù)傳輸速度快，傳輸距離遠(yuǎn)，可靠性高，體積小，功能易擴(kuò)展等。本設(shè)計(jì)完成了對(duì)探測節(jié)點(diǎn)周邊溫度和光照信息的采集，以及對(duì)數(shù)據(jù)的編碼、傳輸、接收和顯示。該方案在實(shí)際應(yīng)用中有效可靠，對(duì)MSP430單片機(jī)系統(tǒng)的無線通信應(yīng)用具有參考價(jià)值。關(guān)鍵詞：MSP430F1611；nRF24L01；無線傳輸；溫度傳感Abstract

3、IIKeywords: Thesis; template; criterion; figure; table目錄i i目 錄摘 要.I第 1 章 緒論.11.1 無線通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展背景 .11.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)背景 .11.3 無線通信技術(shù)簡介 .21.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用背景 .2第 2 章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案論述.32.1 概述.32.2 無線數(shù)據(jù)通信模塊基本工作原理.32.2.1 無線傳輸模塊的選擇 .42.2.2 單片機(jī)的選擇 .52.2.3 3.3V 電源電路的選擇 .5第 3 章 理論分析和計(jì)算.83.1 SPI 通信 .83.1.1 nRF24L01 無線模塊分析 .83.1.2 通信

4、協(xié)議分析.83.1.3 串口通信方式設(shè)置.83.1.4 信息幀格式.93.1.5 命令字.93.2 溫度、光照理論分析 .9第 4 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì).104.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案.104.2 3.3V 電源電路的設(shè)計(jì) .104.2.1 LM1117 概述 .114.2.2 LM1117 特性 .114.2.3 LM1117 應(yīng)用 .114.2.4 LM1117 引腳功能 .114.2.5 電源電路的連接.12目錄ii4.3 無線收發(fā)模塊接口電路的設(shè)計(jì).124.3.1 nRF240L1 功能分析 .124.3.2 工作方式的設(shè)定.134.3.3 無線收發(fā)模塊接口電路的設(shè)計(jì) .154.4 時(shí)鐘電路

5、的設(shè)計(jì).154.5 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì).164.5.1 MSP430F1611 單片機(jī)概述 .164.5.2：MSP430 單片機(jī)的主要性能特點(diǎn) .164.5.3 單片機(jī)的引腳及功能 .174.5.4 最小系統(tǒng)電路圖的連接.18第 5 章 軟件流程設(shè)計(jì).205.1 整體系統(tǒng)工作流程圖 .205.2 NRF24L01 無線收發(fā)模塊的軟件流程設(shè)計(jì).20第 6 章 結(jié)論與展望.236.1 結(jié)論 .236.2 不足之處及未來展望 .23參考文獻(xiàn).24致 謝.25附錄 A： 作者在校期間發(fā)表的論文.26附錄 B： XX.27基于 MSP430F1611 無線數(shù)據(jù)通信模塊的設(shè)計(jì)1 1第第1 1章章 緒論緒

6、論1.1無線通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展背景無線通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展背景目前無線通信在世界各地都得到了快速的發(fā)展，已經(jīng)成為電信行業(yè)中發(fā)展最快、最活躍的領(lǐng)域之一。無線通信涉及的技術(shù)內(nèi)容廣泛，不僅各種不同類型的無線通信系統(tǒng)不斷出現(xiàn)，無線通信的基礎(chǔ)技術(shù)也在不斷的發(fā)展變化。無線通信包括很多系統(tǒng)，例如：移動(dòng)通信系統(tǒng)、無線遙控、無線檢測、射頻識(shí)別、移動(dòng)計(jì)算、無線定位等系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)無線通信的基礎(chǔ)是電磁波傳播理論。市場應(yīng)用需求的迅速發(fā)展是推動(dòng)無線通信快速發(fā)展的重要原因。隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的快速發(fā)展，無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)已成為當(dāng)今通信業(yè)、信息業(yè)的熱點(diǎn)，其不僅在數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)方面不斷發(fā)展，而且還廣泛應(yīng)用于無線遙控、報(bào)警、無線局域網(wǎng)、軍事通信等

7、范圍，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值日益顯著。單片機(jī)體積小，重量輕，抗干擾能力強(qiáng)，功耗較低，價(jià)格低廉，可靠性高，控制功能強(qiáng)，運(yùn)行速度快，易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和智能化。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的演進(jìn)，單片機(jī)的性能仍在快速提高。單片機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)滲透到國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，極大地推動(dòng)了計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及，而且可以預(yù)期，隨著單片機(jī)性能的進(jìn)一步提高，其應(yīng)用將更趨于廣泛1。 當(dāng)今世界計(jì)算機(jī)、通信和無線技術(shù)快速發(fā)展，逐步融合，在傳統(tǒng)有線通信技術(shù)基礎(chǔ)上，無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)靡钥焖俚陌l(fā)展，其方便、快捷、可移動(dòng)和安全方面的性能，廣泛被應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、電氣自動(dòng)化、汽車電子和遙控玩具等領(lǐng)域2。 由于無線通信的快捷智能以及單片機(jī)性能功效，在很多特殊的應(yīng)用

8、方向，單片機(jī)之間的通信越來越趨近無線傳輸，無線收發(fā)模塊與單片機(jī)相結(jié)合能夠設(shè)計(jì)出許多實(shí)用的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。目前，無線數(shù)據(jù)通信的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣：遙控遙測、無線抄表、門禁系統(tǒng)、身份識(shí)別、非接觸 RF 智能卡、無線標(biāo)簽、安全防火系統(tǒng)、生物信號(hào)采集、機(jī)器人控制等。凡是布線繁雜或不允許布線的場合都希望能通過無線方案來解決。為此,需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的接口系統(tǒng)，控制這些射了一款基于無線傳輸模塊的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是指從傳感器和其它待測設(shè)備等模擬和數(shù)字被測單元中自動(dòng)采集信息的系統(tǒng)。一般由傳感器單元和中心控制器組成，由傳感器單元組成的數(shù)據(jù)采集終端完成對(duì)所需數(shù)據(jù)的采集，中心控制器處理所采集的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集終

9、端和中心控制器之間可采用傳統(tǒng)的有線數(shù)據(jù)傳輸，如RS232 和 RS485，也可采用較為流行的無線傳輸。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于日常生活、物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)控制領(lǐng)域，可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)數(shù)據(jù)的采集、處理和控制，因此對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究有重要的意義。常見的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有電壓數(shù)據(jù)采集、電流數(shù)據(jù)采集、溫度數(shù)據(jù)采集、濕度數(shù)據(jù)采集、壓力數(shù)據(jù)采集等。系統(tǒng)以溫度數(shù)據(jù)采集為例，設(shè)計(jì)完成遠(yuǎn)程溫度數(shù)據(jù)的采集，中心控制器采用MSP430F1161，并介紹了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步 頻芯片工作,完成可靠穩(wěn)定的無線數(shù)據(jù)通信?；谶_(dá)成以上要求本人設(shè)計(jì)了一款基于無線傳輸模塊的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是指從傳感器和其它待測設(shè)備等模擬和數(shù)字被測單

10、元中自動(dòng)采集信息的系統(tǒng)。一般由傳感器單元和中心控制器組成，由傳感器單元組成的數(shù)據(jù)采集終端完江南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文2成對(duì)所需數(shù)據(jù)的采集，中心控制器處理所 采集的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集終端和中心控制器之間可采用傳統(tǒng)的有線數(shù)據(jù)傳輸，如RS232 和 RS485，也可采用較為流行的無線傳輸。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于日常生活、 物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)控制領(lǐng)域，可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)數(shù)據(jù)的采集、處理和控制，因此對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究有重要的意義。常見的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有電壓數(shù)據(jù)采集、電流數(shù)據(jù)采集、溫度數(shù)據(jù)采集、濕度數(shù)據(jù)采集、壓力數(shù)據(jù)采集等。系統(tǒng)以溫度數(shù)據(jù)采集為例，設(shè)計(jì)完成遠(yuǎn)程溫度數(shù)據(jù)的采集，中心控制器采用MSP430F1161，并介紹了數(shù)據(jù)采集

11、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟和設(shè)計(jì)方法。1.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)背景系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)背景單片機(jī)體積小，重量輕，抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)環(huán)境要求不高，價(jià)格低廉，可靠性好，開發(fā)較為容易，廣大工程技術(shù)人員通過學(xué)習(xí)有關(guān)單片機(jī)的知識(shí)后，也能依靠自己的力量開發(fā)所需要的單片機(jī)系統(tǒng)。因此，單片機(jī)廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制、自動(dòng)檢測、智能儀器儀表、家用電器等各個(gè)方面1。 隨著計(jì)算機(jī)、通信和無線技術(shù)的逐步融合，在傳統(tǒng)有線通信的基礎(chǔ)上，無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)靡钥焖侔l(fā)展，它具有方便、快捷、可移動(dòng)性和安全性，因此廣泛應(yīng)用于汽車電子、遙控玩具、環(huán)境監(jiān)測和電氣自動(dòng)化等領(lǐng)域2。正是基于無線通信的方便快捷和單片機(jī)的極高的性價(jià)比，在一些特殊的應(yīng)用場合，單片機(jī)之間的通

12、信不再采用有線的數(shù)據(jù)通信，而是采用無線傳輸，應(yīng)用無線收發(fā)模塊與單片機(jī)結(jié)合可以設(shè)計(jì)出許多實(shí)用的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。1.3無線通信技術(shù)簡介無線通信技術(shù)簡介無線通信是利用電磁波 信號(hào)可以在自由空間中傳播的特性進(jìn)行信息交換的一種通信方式。在通信信息領(lǐng)域中 ，發(fā)展速度最快、應(yīng)用范圍最廣的就是無線通信技術(shù) 。由于ISM 頻段使用范圍不受嚴(yán)格的限制，使得這些頻段在此范圍內(nèi)得到較大發(fā)展，各種實(shí)用的無線收發(fā)模塊應(yīng)運(yùn)而生。 在小型無線數(shù)據(jù)終端、無線遙控系統(tǒng)、非接觸 RF 智能卡、數(shù)字圖像傳輸、車輛監(jiān)控、無線 485/422 數(shù)據(jù)通信、無線 232 數(shù)據(jù)通信、遙控、遙測、小型無線網(wǎng)絡(luò)、無線抄表、生物信號(hào)采集、門禁系統(tǒng)

13、、小區(qū)傳呼、無線標(biāo)簽、身份識(shí)別、安全防火系統(tǒng)數(shù)字音頻、水文氣象監(jiān)控、機(jī)器人控制、工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等領(lǐng)域中無線通信得到廣泛應(yīng)用 。1.4系統(tǒng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用背景系統(tǒng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用背景溫度數(shù)據(jù)采集廣泛應(yīng)用于人們的生產(chǎn)和生活中，通常情況下使用溫度計(jì)來采集溫度，通過人工操作加熱、通風(fēng)和降溫設(shè)備來控制溫度，這樣不但控制精度低、實(shí)時(shí)性差，而且操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度大，在某些行業(yè)中對(duì)溫度的要求較高，由于工作環(huán)境溫度不合理而引發(fā)的事故時(shí)有發(fā)生，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的可靠進(jìn)行造成影響，甚至有可能影響操作人員的安全。為了避免這些問題，需要在某些特定的環(huán)境里安裝數(shù)字溫度測量及控制設(shè)備對(duì)系統(tǒng)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和控制。系統(tǒng)采用 MSP430 單

14、片機(jī)和數(shù)字溫度傳感器 TMP121 實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)傳輸采用無線通信方式，測量精度高，低功耗，操作簡單，方便快捷，可運(yùn)行性強(qiáng)，價(jià)格低廉，特別適用于生活、醫(yī)療和工業(yè)生產(chǎn)等方面的溫度測量及控制?；?MSP430F1611 無線數(shù)據(jù)通信模塊的設(shè)計(jì)3 3第第2 2章章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案論述系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案論述2.12.1 概述概述 對(duì)于系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，無論是硬件電路，還是控制程序，都是采用模塊化的設(shè)計(jì)方法。所謂的模塊化設(shè)計(jì)，簡單地說就是將產(chǎn)品的某些要素組合在一起，構(gòu)成一個(gè)具有特定功能的子系統(tǒng)，將這個(gè)子系統(tǒng)作為通用性的模塊與其他產(chǎn)品要素進(jìn)行多種組合，構(gòu)成新的系統(tǒng)。 系統(tǒng)硬件電路包括主站和從站兩個(gè)單元，主

15、站和從站又由各個(gè)相互獨(dú)立的模塊組成。主站包括主控制器、顯示模塊、輸入模塊和無線收發(fā)模塊。從站包括主控制器、溫度采集模塊、顯示模塊、報(bào)警電路、輸入模塊和無線收發(fā)模塊。 系統(tǒng)控制程序包括主站和從站兩部分。主站主程序包括發(fā)送、接收數(shù)據(jù)處理以及中斷接收三個(gè)函數(shù)。從站主程序包括溫度轉(zhuǎn)換，按鍵設(shè)定，顯示，發(fā)送和中斷接收等函數(shù)。 采用模塊化的設(shè)計(jì)方法對(duì)系統(tǒng)先分析后綜合，先設(shè)計(jì)小模塊，后綜合為系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所要求的功能。按照這一設(shè)計(jì)方法，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路清晰，由易到難，由簡單到復(fù)雜，大大提高整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率。2.2 無線數(shù)據(jù)通信模塊基本工作原理無線數(shù)據(jù)通信模塊基本工作原理此次方案設(shè)計(jì)使用的元器件主要有兩種分

16、別是單片機(jī)和無線傳輸模塊，使用單片機(jī)控制無線傳輸模塊進(jìn)行發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，單片機(jī)準(zhǔn)備采用低功耗的 MSP430 系列的單片機(jī)，無線傳輸模塊準(zhǔn)備用性價(jià)比比較高的 nRF24L01。本系統(tǒng)通過利用無線傳輸模塊進(jìn)行的無線通信傳輸，圖1.2通過用單片機(jī)控制無線傳輸模塊1進(jìn)行發(fā)送無線信號(hào)，然后用單片機(jī)控制無線傳輸模塊 2 接收無線傳輸模塊1所發(fā)出的無線信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)1對(duì)1的無線信號(hào)傳輸。圖1.3所示的是通過單片機(jī)控制3個(gè)無線傳輸模塊進(jìn)行相互的無線傳輸。單片機(jī) 無線 傳輸 模塊 1 無線 傳輸 模塊 2 單片機(jī) 圖 1.2 1 對(duì) 1 無線傳輸原理框圖江南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文4圖 1.3 1 對(duì) 1 無線傳輸原

17、理框圖單片機(jī) 無線 傳輸 模塊 3 圖 1.4 3 模塊間相互無線傳輸原理框圖2.2.1 無線傳輸模塊的選擇無線傳輸模塊的選擇方案一：采用 nRF24L01本系統(tǒng)采用 nRF24L01 芯片作為無線傳輸模塊的核心器件，其工作電壓范圍在1.93.6 V 之間，有多達(dá) 125 個(gè)頻道可供選擇。nRF24L01 是一款工作在 2.42.5GHz 的世界通用 ISM 頻段的單片無線收發(fā)器芯片?？赏ㄟ^ SPI 寫入數(shù)據(jù)，最高可達(dá) 10 Mb/s，數(shù)據(jù)傳輸率最快可達(dá) 1 Mb/s，并且有自動(dòng)應(yīng)答和自動(dòng)再發(fā)射功能。無線收發(fā)器由調(diào)制器、解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器、增強(qiáng)型SchockBurstTM 模式控制

18、器、頻率發(fā)生器等工作器組成。其輸出功率、頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過SPI 接口進(jìn)行設(shè)置其中輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。nRF24L0具有極低的電流消耗，當(dāng)工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為-6dBm 時(shí)電流消耗為9.0mA 接收模式時(shí)為12.3mA掉電模式和待機(jī)模式下電流消耗更低。方案二：采用 nRF905nRF9051是單片射頻收發(fā)芯片，工作于 433MHz 的 ISM 頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。芯片能耗非常低，以 10dBm 的功率發(fā)射時(shí)，工作電流僅有 30mA，接收時(shí)工作電流只有 12.5mA，多種低功率

19、工作模式，待機(jī)模式下電流為 12.5A，節(jié)能設(shè)計(jì)更方便。其 ShockBurst 技術(shù)可在通訊時(shí)自動(dòng)生成前導(dǎo)碼和CRC 校驗(yàn)位。nRF905 適用于多種無線通信的場合，如無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、報(bào)警及安全系統(tǒng)、家庭自動(dòng)化、遙感監(jiān)測、無線門禁系統(tǒng)等。綜上所述，方案 1 選擇的無線傳輸模塊 nRF24L01 它的工作速率可以達(dá)到 1Mbps，而nRF905 的工作速率只有 100kbps， nRF24L01 的功耗可以達(dá)到6dBm 比 nRF9E5 的功耗低，并且 nRF24L01 具有 CRC 糾檢錯(cuò)硬件電路和協(xié)議，使得模塊運(yùn)行穩(wěn)定可靠，而 nRF24L01的價(jià)格卻只有 nRF905 價(jià)格的一半。單片

20、機(jī) 無線 傳輸 模塊 1 無線 傳輸 模塊 2 單片機(jī) 基于 MSP430F1611 無線數(shù)據(jù)通信模塊的設(shè)計(jì)5 52.2.2 單片機(jī)的選擇單片機(jī)的選擇隨著電子技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，單片機(jī)也已有許多型號(hào)，常見的有 Intel 公司的 MCS-51、151、251 系列；ZILOG 的 Z8 系列；Philips 公司的 80C51 和 51XA 系列；Motorola的 68HC05/08 系列；Microchip 公司的 PIC18CXX 系列單片機(jī)；Atmel 公司的 89 系列；Sunplus 公司的 SPCE061A 系列單片機(jī)；Winbond 公司的 78E51 系列；美國德州儀器 TI

21、的MSP430 系列等。 方案一: 采用ATMEL公司的89C51 本方案采用 89C51 單片機(jī)作為設(shè)計(jì)的核心芯片，該芯片是由 ATMEL 公司生產(chǎn)的一款工作效率高、性能較為完善的微控制器。89C51 單片機(jī)內(nèi)置4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器本方案采用的是采用 89C51 單片機(jī)，89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能 CMOS8位微處理器。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除 100 次。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)

22、制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS-51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL 的 89C51 是一種高效微控制器，89C2051 是它的一種精簡版本。89C51 單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。運(yùn)算速度快，完全能夠滿足我們的系統(tǒng)要求。但由于本設(shè)計(jì)對(duì)單片機(jī)穩(wěn)定性，工作環(huán)境，超低功耗等方向考慮，放棄此方案。方案二：采用 TI 的 MSP430F1611MSP430 系列單片機(jī)是一種超低功耗的微控制器系列，可使用電池長時(shí)間工作。MSP430 系列是由各種不同的應(yīng)用模塊組合而成的。由于具有 16 位的體系結(jié)構(gòu)以及 16 位的

23、 CPU 集成寄存器和常數(shù)發(fā)生器，可使 MSP430 實(shí)現(xiàn)代碼效率最大化。數(shù)字控制振蕩器使所有超低功耗模塊從喚醒到運(yùn)行模式的喚醒時(shí)間小于 6s。具有運(yùn)算能力快、處理能力強(qiáng)，超低功耗，而且與其他單片機(jī)相比具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性。綜上所述，根據(jù)本設(shè)計(jì)超低功耗的要求，選用 MSP430F1611 單片機(jī)。2.2.3 3.3V 電源電路的選擇電源電路的選擇單片機(jī) AT89S51 與無線收發(fā)模塊 nRF24L01 連接時(shí)，由于 AT89S51 工作電壓為 5V，而nRF24L01 工作電壓為 3V 左右，因而要在兩個(gè)芯片之間加上電壓轉(zhuǎn)換電路。方案論證如下：方案一：采用電位計(jì)進(jìn)行分壓電位計(jì)分壓電路圖如圖 1.4

24、 所示江南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文6 圖 1.5 電位計(jì)分壓電路圖根據(jù)電阻串聯(lián)分壓原理 （12）iURRRU2110在公式 1.2 中，Ui為單片機(jī)輸出電壓，Uo為分得電壓，即 nRF24L01 的輸入電壓。通過調(diào)節(jié)電位計(jì)，使 Uo=3.3V，以此達(dá)到電平轉(zhuǎn)換的作用。采用電位計(jì)通過分壓來進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，雖說在理論上能夠進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，但是在實(shí)踐操作中，卻存在著很大問題，主要體現(xiàn)在：人為影響太大。每次實(shí)驗(yàn)前都需檢測與調(diào)節(jié) Uo是否在 nRF24L01 的工作范圍內(nèi)，以防止 nRF24L01 被過高的電壓燒壞，整個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路不夠穩(wěn)定。 方案二：采用穩(wěn)壓模塊 LM1117LM1117 它只有三個(gè)引腳，外接電路

25、簡單，只需要兩個(gè)電容，就能夠輸出穩(wěn)定的 3.3V電壓，為 nRF24L01 提供 3.3V 工作電源。在圖 1.4 中，引腳 1 接 5V 電壓。引腳 3 接地。引腳 2 便輸出 3.3V 電壓，來作為 nRF24L01 的工作電壓。 3 1 2圖 1.4 LM1117 引腳分配圖表 1.1 LM1117 引腳功能引腳名稱功能描述1VCC輸入端2Vout輸出端3GND地線GND VCC Vout基于 MSP430F1611 無線數(shù)據(jù)通信模塊的設(shè)計(jì)7 7綜上所述，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求并比較以上兩種方案，采用穩(wěn)壓模塊 LM1117 電路簡單易行，穩(wěn)定性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換。因而選用第二種方案。江南大學(xué)學(xué)士學(xué)

26、位論文8第第3 3章章 理論分析和計(jì)算理論分析和計(jì)算3.1 SPI通信通信 MSP430F1611 單片機(jī)與 nRF24L01 無線模塊之間通過 SPI 進(jìn)行通信。SPI 總線系統(tǒng)是一種同步串行外設(shè)接口，它可以使MCU 與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信以交換信息。SPI 的通信原理很簡單，它以主從方式工作，這種模式通常有一個(gè)主設(shè)備和一個(gè)或多個(gè)從設(shè)備，需要至少 4 根線，事實(shí)上 3 根也可以（單向傳輸時(shí)）。也是所有基于 SPI 的設(shè)備共有的，它們是 SDI（數(shù)據(jù)輸入）， SDO（數(shù)據(jù)輸出），SCK（時(shí)鐘），CS（片選）。（1）SDO 主設(shè)備數(shù)據(jù)輸出，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸入（2）SDI 主設(shè)備數(shù)據(jù)輸入，從

27、設(shè)備數(shù)據(jù)輸出（3）SCLK 時(shí)鐘信號(hào)，由主設(shè)備產(chǎn)生（4）CS 從設(shè)備使能信號(hào)，由主設(shè)備控制3.1.13.1.1 通信協(xié)議分析通信協(xié)議分析所謂通信協(xié)議是指通信雙方的一種約定。約定包括對(duì)數(shù)據(jù)格式、同步方式、傳送速度、傳送步驟、檢糾錯(cuò)方式以及控制字符定義等問題做出統(tǒng)一規(guī)定，通信雙方必須共同遵守。目前，常用的通信協(xié)議有兩類：異步協(xié)議和同步協(xié)議。3.1.23.1.2 串口通信方式設(shè)置串口通信方式設(shè)置AT89S51 內(nèi)部有一個(gè)功能很強(qiáng)的全雙工異步串行口，該串行口有四種工作方式，波特率可用軟件設(shè)置，由片內(nèi)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器產(chǎn)生。串行口接收、發(fā)送數(shù)據(jù)均可觸發(fā)中斷，使用十分方便。系統(tǒng)采用異步通信方式，用單片機(jī)自身

28、串口傳輸數(shù)據(jù)。系統(tǒng)串口工作在模式 1 下，允許接收數(shù)據(jù)，定時(shí)器 1 工作于模式 2 ，允許自動(dòng)重裝初值，波特率設(shè)置為 9600bps。3.1.33.1.3 信息幀格式信息幀格式信息幀又叫幀，在數(shù)據(jù)和數(shù)字通信中，按某一標(biāo)準(zhǔn)預(yù)先確定的若干比特或字段組成的特定的信息結(jié)構(gòu)，用于傳送有效信息和數(shù)據(jù)，是通信協(xié)議的基礎(chǔ)，系統(tǒng)的信息幀包括如下四個(gè)字節(jié)。 區(qū)別碼 （1 字節(jié)），命令字 （1 字節(jié)），數(shù)據(jù)（4 字節(jié)），校驗(yàn)（1 字節(jié)）系統(tǒng)的信息幀的格式如表 8 所示:表 8 信息幀的格式區(qū)別碼命令字?jǐn)?shù)據(jù) 1數(shù)據(jù) 2數(shù)據(jù) 3數(shù)據(jù) 4校驗(yàn) 區(qū)別碼：區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸方向，0 xff 表示主站發(fā)送數(shù)據(jù)，從站接收數(shù)據(jù)，0 xf

29、e 表示從站發(fā)送數(shù)據(jù)，主站接收數(shù)據(jù)。命令字：區(qū)分主站或從站所發(fā)送的命令。數(shù)據(jù) 1-4：發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)。本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目9 9校驗(yàn)：校驗(yàn)發(fā)送或接收的信息幀是否正確。采用異或校驗(yàn)，即將信息幀的前六字節(jié)異或值，存到第七字節(jié)，用于校驗(yàn)。 3.1.53.1.5 命令字命令字當(dāng)主從站之間通信時(shí)，需要區(qū)分不同的命令，信息幀中的命令字不一樣，所要求發(fā)送或接收數(shù)據(jù)也不一樣，命令字是區(qū)分各個(gè)命令的標(biāo)志，是信息幀中極為重要的一部分。系統(tǒng)的命令字用 command 表示，共有四個(gè)命令字，如下所示：3.23.2 溫度、光照理論分析溫度、光照理論分析 溫度測量，根據(jù) TEP121 時(shí)序波形，分別控制 CS、C

30、LK 以及數(shù)據(jù)傳輸。在 CS 置 0后傳輸數(shù)據(jù)，每逢時(shí)鐘下降沿讀取端口信息。由 TMP121 提供的溫度數(shù)據(jù)表格見圖8，TEMP實(shí)際 = TEMP測量 / 128TEMPERATURE()DIGITAL OUTPUT(BINARY)HEX150 010 01011 0000 00004B00125 0011 1110 1000 00003E8025 0000 1100 1000 00000C800.06250000 0000 0000 1000000800000 0000 0000 000000000.06251111 1111 1111 1000FFF8251111 0011 1000 00

31、00F380551110 0100 1000 0000E480 圖圖 8 8 Temperature data 得出寄存器中讀取的數(shù)據(jù)T T測與實(shí)際溫度 T T實(shí) 關(guān)系為： T T實(shí) = T T測 / 128光照測量，簡單光敏電阻電路，光亮?xí)r引腳數(shù)據(jù)為 0，暗為 1。江南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文10第第4 4章章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案本著低功耗、節(jié)能、環(huán)保的原則，我們采用了 TI 公司生產(chǎn)的 MSP430F1611 單片機(jī)作為控制核心。在監(jiān)測終端中，它發(fā)送編碼信息，控制探測節(jié)點(diǎn)的選擇。若探測節(jié)點(diǎn)接收信息并判斷被選擇，則向終端發(fā)送由溫度傳感器 TM121 測得

32、的溫度信息及光敏電阻感測的光照有無信號(hào)。設(shè)計(jì) 圖圖 1 無線收發(fā)模塊框圖 圖圖2 整體設(shè)計(jì)框圖4.2 3.3V電源電路的設(shè)計(jì)電源電路的設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括 3.3V 電源電路的設(shè)計(jì)、無線收發(fā)模塊的電路設(shè)計(jì)、顯示電路的設(shè)計(jì)。nRF24L01 的工作電壓在 1.9V-3.6V 之間，一般用 3.3V 電壓作為芯片工作電源電壓。在這部分的電路設(shè)計(jì)中，由于穩(wěn)壓電源提供 5V 電壓，只需要將 5V 電壓轉(zhuǎn)化為 3.3V 電壓，采用穩(wěn)壓模塊 LM1117。它只有三個(gè)引腳，外接電路簡單，只需要兩個(gè)電容，就能夠輸出穩(wěn)定的 3.3V 電壓，為 nRF24L01 提供 3.3V 工作電源。4.2.1 LM1117

33、 概述概述LM1117 是一個(gè)低壓差電壓調(diào)節(jié)器系列。其壓差在 1.2V 輸出，負(fù)載電流為 800mA 時(shí)為1.2V。它與國家半導(dǎo)體的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)器件 LM317 有相同的管腳排列。LM1117 有可調(diào)電壓的本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目1111版本，通過 2 個(gè)外部電阻可實(shí)現(xiàn) 1.2513.8V 輸出電壓范圍。另外還有 5 個(gè)固定電壓輸出（1.8V、2.5V、2.85V、3.3V 和 5V）的型號(hào)。LM1117 提供電流限制和熱保護(hù)。電路包含 1 個(gè)齊納調(diào)節(jié)的帶隙參考電壓以確保輸出電壓的精度在1%以內(nèi)。LM1117 系列具有LLP、TO-263、SOT-223、TO-220 和 TO-252 D-PA

34、K 封裝。輸出端需要一個(gè)至少 10uF 的鉭電容來改善瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。4.2.2 LM1117 特性特性 提供 1.8V、2.5V、2.85V、3.3V、5V 和可調(diào)電壓的型號(hào) 節(jié)省空間的 SOT-223 和 LLP 封裝 電流限制和熱保護(hù)功能 輸出電流可達(dá) 800mA 線性調(diào)整率：0.2% (Max) 負(fù)載調(diào)整率：0.4% (Max) 溫度范圍：LM1117：0125；LM1117I：40125。4.2.3 LM1117 應(yīng)用應(yīng)用 開關(guān) DC/DC 轉(zhuǎn)換器的主調(diào)壓器 高效線性調(diào)整器 電池充電器 電池供電裝置4.2.4 LM1117 引腳功能引腳功能穩(wěn)壓模塊 LM1117 只有 3 個(gè)引腳，

35、如圖 2.4。引腳 1 是輸入端；引腳 2 是輸出端；引腳 3是地線。當(dāng)輸入端的電壓是 5V 時(shí)，輸出端的電壓可以達(dá)到 3.3V。 3 1 圖 2.4 LM1117 引腳圖4.2.5 電源電路的連接電源電路的連接其外接電路如圖 3.1 所示。在圖 3.1 中，引腳 1 接 5V 電壓。引腳 2 接地。引腳 1GND VIN VOUT江南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文12和引腳 3 接 20F 的電解電容，然后接地。引腳 3 便輸出 3.3V 電壓，來作為 nRF24L01 的工作電壓4.3 無線收發(fā)模塊接口電路的設(shè)計(jì)無線收發(fā)模塊接口電路的設(shè)計(jì)由于無線數(shù)據(jù)通信不用布線，快速布局，因此具有有線數(shù)據(jù)通信無法比擬的

36、便捷性，在特殊場合具有不可替代性。然而，傳統(tǒng)的由基本射頻集成電路搭建的無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)存在電路復(fù)雜，成本高，傳輸速率低，可靠性差等缺點(diǎn)。因此，我們選擇了一款工業(yè)級(jí)內(nèi)置硬件鏈路層協(xié)議的低成本單芯片 nRF24L01 型無線收發(fā)器件。該器件采用 GFSK 調(diào)制，128 個(gè)頻點(diǎn)自動(dòng)跳頻，片內(nèi)自動(dòng)生成報(bào)頭和 CRC 校驗(yàn)碼，具有出錯(cuò)自動(dòng)重發(fā)功能，這些特性使得由 nRF24L0l 構(gòu)建的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)具有成本低，速率高，傳輸可靠等優(yōu)點(diǎn)。此電路模塊由 nRF24L01 芯片、收發(fā)天線、檢波電路組成和其他外圍模塊組成，nRF24L01 通過 Enhanced Shock Burst TM 收發(fā)模式進(jìn)行無線

37、數(shù)據(jù)發(fā)送。4.3.1 nRF240L1 功能分析功能分析nRF24L01 是單片射頻收發(fā)芯片，工作于 2.42.5GHz 頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過軟件進(jìn)行設(shè)置。芯片能耗非常低，以-5dBm 的功率發(fā)射時(shí)，工作電流只有 10.5mA，接收時(shí)工作電流只有 18mA，多種低功率工作模式，節(jié)能設(shè)計(jì)更方便。125 個(gè)頻道，滿足多頻及跳頻需要，高速率 1Mbps，高于藍(lán)牙，具有高數(shù)據(jù)吞吐量。發(fā)射功率、工作頻率等所有工作參數(shù)全部通過軟件設(shè)置完成。nRF24L01 內(nèi)置了 CRC 校驗(yàn)碼，軟件開發(fā)相對(duì)簡單。nRF24L01 適用于多種無線通信

38、的場合，如無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、無線鼠標(biāo)、遙控玩具、警報(bào)和安全系統(tǒng)、家用自動(dòng)化、監(jiān)視系統(tǒng)等。nRF24L01 芯片框圖和芯片的引腳功能如圖所示。本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目1313 圖 1.4 無線傳輸模塊 nRF24L01表 2.1 nRF24L01 引腳功能引腳引腳名稱名稱引腳功能引腳功能描述描述1CE數(shù)字輸入RX 或 TX 模式選擇2CSN數(shù)字輸入SPI 片選信號(hào)3SCK數(shù)字輸入SPI 時(shí)鐘4MOSI數(shù)字輸入從 SPI 數(shù)據(jù)輸入腳5MISO數(shù)字輸出從 SPI 數(shù)據(jù)輸出腳6IRQ數(shù)字輸出可屏蔽中斷腳7VDD電源電源+3V8VSS電源接地 0V9XC2模擬輸出晶體震蕩器 2 腳10XC1模擬輸入晶

39、體震蕩器 1 腳/外部時(shí)鐘輸入腳11VDD_PA電源輸出給 RF 的功率放大器提供的+1.8V電源12ANT1天線天線接口 113ANT2天線天線接口 214VSS電源接地 0V15VDD電源電源+3V16IREF模擬輸入?yún)⒖茧娏?7VSS電源接地 0V18VDD電源電源+3V19DVDD電源輸出去耦電路電源正極端20VSS電源接地 0V4.3.2 工作方式的設(shè)定工作方式的設(shè)定nRF24L01 有四種工作模式：發(fā)送模式、接收模式、待機(jī)模式和掉電模式。nRF24L01的工作模式由 PWR_UP 、PRIM_RX 和 CE 三個(gè)引腳決定，詳見表 2.2。表 2.2 nRF24L01 工作模式江南大

40、學(xué)學(xué)士學(xué)位論文14模式PWR_UPPRIM_RXPRIM_RXCECEFIFOFIFO 寄存器狀態(tài)接收模式111 發(fā)送模式101 數(shù)據(jù)在 TX FIFO 寄存器中發(fā)送模式1010停留在發(fā)送模式直至數(shù)據(jù)發(fā)送完待機(jī)模式 II101TX FIFO 為空待機(jī)模式 I10無數(shù)據(jù)傳輸?shù)綦娔Ｊ? 各種工作模式詳述如下：一收發(fā)模式收發(fā)模式有 Enhanced Shock Burst TM 收發(fā)模式、 Shock Burst TM 收發(fā)模式和直接收發(fā)模式三種，收發(fā)模式由器件配置字決定 1、Enhanced Shock Burst TM 收發(fā)模式Enhanced Shock Burst TM 收發(fā)模式下，使用片內(nèi)

41、的先入先出堆棧區(qū)，數(shù)據(jù)低速從微控制器送入，但高速(1Mbps)發(fā)射，這樣可以盡量節(jié)能，因此，使用低速的微控制器也能得到很高的射頻數(shù)據(jù)發(fā)射速率。與射頻協(xié)議相關(guān)的所有高速信號(hào)處理都在片內(nèi)進(jìn)行，這種做法有三大好處：盡量節(jié)能；低的系統(tǒng)費(fèi)用(低速微處理器也能進(jìn)行高速射頻發(fā)射)；數(shù)據(jù)在空中停留時(shí)間短，抗干擾性高。Enhanced Shock Burst TM 技術(shù)同時(shí)也減小了整個(gè)系統(tǒng)的平均工作電流。在 Enhanced Shock Burst TM 收發(fā)模式下，nRF24L01 自動(dòng)處理字頭和 CRC 校驗(yàn)碼。在接收數(shù)據(jù)時(shí)，自動(dòng)把字頭和 CRC 校驗(yàn)碼移去。在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，自動(dòng)加上字頭和 CRC 校驗(yàn)碼，在

42、發(fā)送模式下，置 CE 為高，至少 10us，將時(shí)發(fā)送過程完成后。(1) Enhanced Shock Burst TM 發(fā)射流程A、把接收機(jī)的地址和要發(fā)送的數(shù)據(jù)按時(shí)序送入 nRF24L01；B、配置 CONFIG 寄存器，使之進(jìn)入發(fā)送模式。C、微控制器把 CE 置高（至少 10us） ，激發(fā) nRF24L01 進(jìn)行 Enhanced Shock Burst TM 發(fā)射；D、nRF24L01 的 Enhanced Shock Burst TM 發(fā)射 給射頻前端供電； 射頻數(shù)據(jù)打包(加字頭、CRC 校驗(yàn)碼)； 高速發(fā)射數(shù)據(jù)包； 發(fā)射完成，nRF24L01 進(jìn)入空閑狀態(tài)。(2) Enhanced S

43、hock Burst TM 接收流程A、配置本機(jī)地址和要接收的數(shù)據(jù)包大?。籅、配置 CONFIG 寄存器，使之進(jìn)入接收模式，把 CE 置高。C、130us 后，nRF24L01 進(jìn)入監(jiān)視狀態(tài)，等待數(shù)據(jù)包的到來；D、當(dāng)接收到正確的數(shù)據(jù)包(正確的地址和 CRC 校驗(yàn)碼)，nRF2401 自動(dòng)把字頭、地址本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目1515和 CRC 校驗(yàn)位移去；E、nRF24L01 通過把 STATUS 寄存器的 RX_DR 置位(STATUS 一般引起微控制器中斷)通知微控制器；F、微控制器把數(shù)據(jù)從 nRF2401 讀出；G、所有數(shù)據(jù)讀取完畢后，可以清除 STATUS 寄存器。nRF2401 可以

44、進(jìn)入四種主要的模式之一二空閑模式nRF24L01 的空閑模式是為了減小平均工作電流而設(shè)計(jì)的，其最大的優(yōu)點(diǎn)是，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的同時(shí)，縮短芯片的起動(dòng)時(shí)間。在空閑模式下，部分片內(nèi)晶振仍在工作，此時(shí)的工作電流跟外部晶振的頻率有關(guān)，如外部晶振為 4MHz 時(shí)工作電流為 12A，外部晶振為 16MHz時(shí)工作電流為 32A。在空閑模式下，配置字的內(nèi)容保持在 nRF24L01 片內(nèi)。三關(guān)機(jī)模式在關(guān)機(jī)模式下，為了得到最小的工作電流，一般此時(shí)的工作電流小于 1A。關(guān)機(jī)模式下，配置字的內(nèi)容也會(huì)被保持在 nRF24L01 片內(nèi)，這是該模式與斷電狀態(tài)最大的區(qū)別。4.3.3 無線收發(fā)模塊接口電路的設(shè)計(jì)無線收發(fā)模塊接口電路的設(shè)計(jì)

45、CE 引腳和 MSP430 單片機(jī)的 P1_2 引腳連接，CSN 引腳和 SET1 連接，SCK 引腳和 UCLK連接，MOSI 引腳和 MSP430 的 MISO 引腳連接，收發(fā)電路、檢波電路和外圍模塊如圖所示。 4.4 時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生 MSP430F1611 單片機(jī)工作時(shí)所必需的時(shí)鐘信號(hào)。本電路選用PCF8563 芯片，時(shí)鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時(shí)鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。時(shí)鐘頻率越快，單片機(jī)的程序執(zhí)行速度越快，抗干擾性能越差；時(shí)鐘頻率越小，單片機(jī)的工作速度慢，抗干擾性能越好。要恰到好處的選擇時(shí)鐘頻率對(duì)單片機(jī)工作效率尤為重要。江南大學(xué)學(xué)士學(xué)

46、位論文16單片機(jī)各功能的運(yùn)行都是以時(shí)鐘頻率為基準(zhǔn)一拍一拍的工作。常用的時(shí)鐘電路有兩種工作方式，一種是內(nèi)部時(shí)鐘方式，另一種為外部時(shí)鐘方式。為了方便單片機(jī)與無線傳輸模塊 nRF24L01 之間的數(shù)據(jù)通信，選用外部時(shí)鐘，選取外接 12MHz 晶振。由于當(dāng)晶體振蕩器振蕩頻率在 1M 到 12M 之間取值時(shí)，兩個(gè)微調(diào)電容的典型取值通常選擇在 30pF 左右，所以在此選 33pF 時(shí)鐘電路如圖所示。 4.5 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)此系統(tǒng)由 MSP430F1611 單片機(jī)、YM12864 液晶顯示屏、44 鍵盤組成。采用 4X4 鍵盤，鍵盤驅(qū)動(dòng)芯片選擇 SN54LALS138 和 SN54HC

47、148J 與 MSP430F1611 連接。4.5.1 MSP430F1611 單片機(jī)概述單片機(jī)概述 MSP430 系列單片機(jī)是美國德州儀器推向市場的一種 16 位超低功耗的混合信號(hào)處理器。MSP430 系列單片機(jī)的各系列都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。它們分別是看門狗（WDT） 、模擬比較器 A、定時(shí)器 A0（Timer_A0） 、定時(shí)器 A1（Timer_A1） 、定時(shí)器B0（Timer_B0） 、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驅(qū)動(dòng)器、10 位/12 位 ADC、16位 - ADC、DMA、I/O 端口、基本定時(shí)器（Basic Timer） 、實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）和 USB 控制器等若

48、干外圍模塊的不同組合。通常一般實(shí)際應(yīng)用單芯片便可以完全滿足要求，這樣可以降低外圍控制電路的復(fù)雜性，節(jié)約 PCB 空間，同時(shí)也降低了設(shè)計(jì)成本，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目1717圖 2.2 MSP430 單片機(jī)內(nèi)部功能模塊MSP430F15x 和MSP430F16x 系列單片機(jī)特性和結(jié)構(gòu)極為相似，都是在MSP430F14x基礎(chǔ)上增加了DMA控制器、12C 模塊、DAC 轉(zhuǎn)換模塊。MSP430F15x 和MSP430F16x 的結(jié)構(gòu)差別在于：MSP430F15x 片內(nèi)只有一個(gè)USART 模塊，沒有硬件乘法器；而MSP430F16x 片內(nèi)具有硬件乘法器和兩個(gè)USART模塊。內(nèi)部功能

49、模塊如圖2.2所示。4.4.5.25.2：MSP430 單片機(jī)的主要性能特點(diǎn)單片機(jī)的主要性能特點(diǎn)工作電壓范圍：1.83.6V超低功耗：活動(dòng)模式：330uA，1MHz，2.2V待機(jī)模式：1.1uA關(guān)閉模式(RAM保持)：0.2uA5種省電模式從等待方式喚醒時(shí)間：6us16位RISC 結(jié)構(gòu)，125ns指令周期內(nèi)置三通道DMA。12位AD 帶采樣保持內(nèi)部參考源。雙 12位DA同步轉(zhuǎn)換。16位定時(shí)器Timer_A。16位定時(shí)器Timer B。片內(nèi)比較器A串行通信USART0(UART、SPI、I2C)接口串行通信USARTI(UART、SPl)接口具有可編程電平檢測的供電電壓管理器，監(jiān)視器。江南大學(xué)學(xué)

50、士學(xué)位論文18欠電壓檢測器Bootstrap Loader串行在線編程，無需外部編程電壓，可編程的保密熔絲代碼保護(hù)4.5.3單片機(jī)的引腳及功能單片機(jī)的引腳及功能 4.5.4 最小系統(tǒng)電路圖的連接最小系統(tǒng)電路圖的連接SN54LALS138 中的 A、B、C 分別和單片機(jī)的 P6_3、P6_4、P6_5 連接，輸出端四個(gè)引腳和鍵盤引腳相連。SN54HC148J 的 IN1、IN2、IN3、IN4 分別和鍵盤的 W8、W7、W6、W5 相連，輸出端 A0、A1、A2 分別和單片機(jī)的 P5_4、P5_5、P5_6 三引腳相連。顯示模塊選用液晶顯示器 YM12864，驅(qū)動(dòng)芯片選用 SN74LVC4245

51、DW，引腳連線如圖所示，顯示模塊用來顯示接收的數(shù)據(jù)。本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目19194.64.6 溫度傳感器模塊溫度傳感器模塊該模塊主要用于測量芯片所處環(huán)境的溫度，在本設(shè)計(jì)中采用數(shù)字式溫度傳感器，由于測量環(huán)境要求，該模塊必須具有工作性能穩(wěn)定、測量范圍廣、測量數(shù)據(jù)精確等特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)選擇TMP121芯片作為溫度傳感器。4.6.14.6.1 TMP121TMP121芯片簡介芯片簡介該TMP121是用于熱管理和熱保護(hù)應(yīng)用的12位加符號(hào)位只讀數(shù)字溫度傳感器。該TMP121通過串行通信的SPI兼容接口進(jìn)行通信。溫度轉(zhuǎn)換的分辨率為0.0625C的 12位加符號(hào)位數(shù)據(jù)字。溫度規(guī)定范圍為-40C至+125C，

52、操作延伸-55C至+150C。該TMP121最適用于低功耗應(yīng)用程序，一個(gè)0.5秒的轉(zhuǎn)換期減少功率消耗，其是指定的電源電壓范圍為2.7V至5.5V。而且還配備了硬件關(guān)斷，以提供額外節(jié)省了功耗。芯片接口如圖所示。 江南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文204.6.24.6.2 電路連接圖電路連接圖溫度傳感器的電路連接圖如下所示本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目2121第第5 5章章 軟件流程設(shè)計(jì)軟件流程設(shè)計(jì)5.15.1 整體系統(tǒng)工作流程圖整體系統(tǒng)工作流程圖本設(shè)計(jì)以MSP430F1611單片機(jī)為中心控制系統(tǒng)，并配有nRF24L01無線收發(fā)模塊、液晶顯示及鍵盤模塊、光照及溫度傳感模塊。設(shè)計(jì)一個(gè)模塊作為監(jiān)測終端，另一個(gè)模塊作為探

53、測節(jié)點(diǎn)，對(duì)周邊溫度和光照信息進(jìn)行探測，并將測量信息無線傳輸至監(jiān)測終端進(jìn)行顯示。 圖圖 6 監(jiān)測終端流程圖 圖圖 7 探測節(jié)點(diǎn)流程圖5.25.2 nRF24L01nRF24L01無線收發(fā)模塊的軟件流程設(shè)計(jì)無線收發(fā)模塊的軟件流程設(shè)計(jì)我們對(duì) nRF24L01 的數(shù)據(jù)手冊(cè)進(jìn)行了仔細(xì)的研究，寫了無線模塊的接受和發(fā)送程序，Enhanced ShockBurstTM通信方式，1Mbps 的傳輸速率，2 字節(jié) CRC 校驗(yàn)，自動(dòng)應(yīng)答機(jī)制，RF 頻道 2，管道0，5 字節(jié)地址。nRF24L01 無線接收部分主程序流程圖實(shí)現(xiàn)過程：在 nRF24L01 無線接收部分主程序中，首先進(jìn)行初始化操作，將 nRF24L01 設(shè)置為接收模式，并通過配置模式對(duì)nRF24L01 進(jìn)行設(shè)置，主要包括：接收的數(shù)據(jù)寬度、地址寬度、接收數(shù)據(jù)的地址以及 CRC技術(shù)和常用配置等。常用配置包括：使能第一頻道設(shè)置，通信方式設(shè)置，接收數(shù)據(jù)速率設(shè)置，晶振頻率設(shè)置，輸出功率設(shè)置，頻道設(shè)置，收發(fā)操作設(shè)置等。待初始化完成后，延時(shí)等待數(shù)據(jù)包的到來。查看狀態(tài)寄存器 RX_DR 是否為 1，如果 RX_DR 為 1 則代表接收到數(shù)據(jù)，然后查看接收到的第一個(gè)數(shù)據(jù)是否正確，如果正確則讓數(shù)碼管顯示接收的數(shù)據(jù)；如果 RX_DR 不為 1 則代表沒有受到數(shù)據(jù)，然后返回繼續(xù)等待接收數(shù)據(jù)。無線發(fā)送過程見圖 9，無線接收的過程