基于nRF24L01的無線溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(1)

1、1引言溫度采集系統(tǒng)所采集的溫度通常通過RS485、CAN 總線通信方式傳輸至上位機(jī),但這種方式維護(hù)較困難,不利于工業(yè)現(xiàn)場生產(chǎn);而無線通信GPRS 技術(shù)傳輸距離長,通信可靠穩(wěn)定,但設(shè)計復(fù)雜、成本昂貴。這里采用工業(yè)級內(nèi)置硬件鏈路層協(xié)議的低成本單芯片nRF24L01型無線收發(fā)器件實現(xiàn)系統(tǒng)間的無線通信,完成無線信號的接收、顯示及報警功能。2nRF24L01簡介nRF24L01是一款工業(yè)級內(nèi)置硬件鏈路層協(xié)議的低成本無線收發(fā)器。該器件工作于2.4GHz 全球開放ISM 頻段,內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊,并融合增強(qiáng)型ShockBurst 技術(shù),其輸出功率和通信頻道可通過程序配置

2、。擁有ShockBurst 和Enhanced ShockBurst 兩種數(shù)據(jù)傳輸模式?？芍苯优c單片機(jī)I/O 連接,外接元件數(shù)目少。nRF24L01功耗低,以-6dBm 的功率發(fā)射時,工作電流僅9mA ;接收時,工作電流僅12.3mA ,多種低功率工作模式1(掉電和空閑模式更利于節(jié)能設(shè)計。3系統(tǒng)硬件設(shè)計系統(tǒng)硬件設(shè)計主要由采集發(fā)送和接收顯示兩部分組成2。圖1為采集發(fā)送電路原理圖,該電路主要由溫度傳感器DS18B20、單片機(jī)STC12LE5408和nRF24L01組成3。STC12LE5408是增強(qiáng)型8051單片機(jī),速度快,集成度高,電壓范圍寬(2.23.8V ,和MCS -51系列單片機(jī)指令系統(tǒng)

3、完全兼容。其內(nèi)部還有8KB Flash 程序存儲器,512字節(jié)RAM 、2KB EEPROM 、4路PWM 以及硬件看門狗(WDT 等資源,性價比高4。DS18B20是DALLAS 公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字1-Wire溫度傳感器5,可把溫度信號直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號供單片機(jī)處理,采用1-Wire 接口,DS18B20的數(shù)據(jù)端DQ 可通過4.7k 的上拉電阻接STC12LE5408。nRF24L01的CE ,CSN ,SCK ,MOSI ,MISO ,IRQ 引腳則可接STC12LE5408的任意端口,但需在編程時注意,這里接至P1端口。由于nRF24L01具有接收數(shù)據(jù)功能,所以接收顯示電路由單片機(jī)

4、STC12LE5408、nRF24L01和顯示電路組成。所采集的數(shù)據(jù)也通過串口發(fā)送至PC 機(jī)進(jìn)行處理。4系統(tǒng)軟件設(shè)計由于STC12LE5408無標(biāo)準(zhǔn)的SPI 總線接口,需采用軟件模擬實現(xiàn)SPI 總線。因此應(yīng)嚴(yán)格按照SPI 的時序要求編寫,否則導(dǎo)致對nRF24L01的操作失敗。nRF24L01的各種命令字都只有一個字節(jié),分為讀寄存器、寫寄存器、讀數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)、寫發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)等。在輸入任意命令字的同時,MISO 輸出STATUS 寄存器的內(nèi)容。對nRF24L01的讀寫程序代碼基于nRF24L01的無線溫度采集系統(tǒng)設(shè)計王振1,胡清1,黃杰2(1.廣東工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院,廣東廣州510006;2

5、.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系,湖南株洲412001摘要:介紹一種由nRF24L01型無線數(shù)據(jù)傳輸器和高精度的單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20組成的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng);詳細(xì)闡述該系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計要點;給出基于STC12LE5408設(shè)計的nRF24L01硬件接口電路和程序代碼;并討論該系統(tǒng)在無線溫度采集系統(tǒng)中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞:nRF24L01;無線數(shù)據(jù)傳輸;STC12LE5408;DS18B20中圖分類號:TP274文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1674-6236(200912-0024-03Design of wireless temperature collection system base

6、d on nRF24L01WANG Zhen 1,HU Qing 1,HUANG Jie 2(1.School of Information Engineering ,Guangdong University of Technology ,Guangzhou 510006,China ;2.Department ofInformation Engineering ,Hu nan Railway Professional Technology College ,Zhuzhou 412001,China Abstract:The wireless data transmission system

7、which is composed of wireless data transmission device nRF24L01and high -precision 1-Wire bus digital temperature sensor DS18B20,is introduced in this paper.The hardware and software of the system design are explained in detail.The interface circuit and program code of nRF24L01based on STC12LE5408ar

8、e introduced concretely.Finally ,the application of this system in wireless temperature collection system is discussed .Key words:nRF24L01;wireless data transmission ;STC12LE5408;DS18B20收稿日期:2009-07-14稿件編號:200907046作者簡介:王振(1984-,男,河南新鄉(xiāng)人,碩士研究生。研究方向:智能傳感與控制。第17卷第12期電子設(shè)計工程Electronic Design Engineering-

9、24-王振,等基于nRF24L01的無線溫度采集系統(tǒng)設(shè)計圖1采集發(fā)送電路如下:uint SPI_RW(uint ucharuint bit_ctr;for(bit_ctr=0;bit_ctr8;bit_ctr+MOSI=(uchar&0x80;uchar=(uchar1;SCK=1;uchar|=MISO;SCK=0;return(uchar;nRF24L01的ShockBurst和Enhanced ShockBurst兩種數(shù)據(jù)模式的區(qū)別是:后者比前者多一個確認(rèn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男盘?保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。按Enhanced ShockBurst模式初始化,重新發(fā)送等待時間為250s,重新發(fā)送次數(shù)為l

10、0次,地址是RX_ADR_WIDTH,輸出功率為0dBm,速度為1Mb/s。nRF24L01處于P0WER_UP狀態(tài)。函數(shù)中WRITE_REG為寫命令基地址0x20。其相關(guān)程序如下:void init_NRF24L01_send(voidinerDelay_us(100;CE=0;CSN=1;SCK=0;SPI_Write_Buf(WRITE_REG+TX_ADDR,TX_ADDRES-S,TX_ADR_WIDTH;SPI_Write_Buf(WRITE_REG+RX_ADDR_P0,RX_ADDR-ESS,RX_ADR_WIDTH;SPI_RW_Reg(WRITE_REG+EN_AA,0x0

11、1;SPI_RW_Reg(WRITE_REG+EN_RXADDR,0x01;SPI_RW_Reg(WRITE_REG+RF_CH,0;SPI_RW_Reg(WRITE_REG+RX_PW_P0,RX_PLOAD_ WIDTH;SPI_RW_Reg(WRITE_REG+RF_SETUP,0x07;在接收端將nRF24L01配置為接收模式,地址是RX_AW,負(fù)載數(shù)據(jù)寬度是TX_PL_W,使能接收完數(shù)據(jù)中斷, CRC校驗位為2字節(jié),nRF24L01處于POWER_UP狀態(tài),其相關(guān)程序代碼如下:void init_NRF24L01_receive(voidinerDelay_us(100;CE=0;C

12、SN=1;SCK=0;SPI_Write_Buf(WRITE_REG+TX_ADDR,TX_ADDRE SS,TX_ADR_WIDTH;SPI_Write_Buf(WRITE_REG+RX_ADDR_P0,RX_AD DRESS,RX_ADR_WIDTH;SPI_RW_Reg(WRITE_REG+EN_AA,0x01;SPI_RW _Reg(WRITE_REG+EN_RXADDR,0x01SPI_RW_Reg(WRITE_REG+RF_CH,0SPI_RW_Reg(WRITE_REG+RX_PW_P0,RX_PLOAD_ WIDTH;SPI_RW_Reg(WRITE_REG+RF_SETUP,

13、0x07;數(shù)據(jù)采集發(fā)送部分上電后首先配置nRF24L01的相關(guān)寄存器,使其工作在發(fā)射狀態(tài),然后復(fù)位DS18B20,向DS18B20發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令,讀取已轉(zhuǎn)換的溫度值,然后由nRF24L01發(fā)送,其流程如圖2所示。-25-電子設(shè)計工程(月刊全年12期,讀者可到當(dāng)?shù)剜]局訂閱,本刊亦可破訂、零購。國內(nèi)刊號:CN61-1477/TN國際刊號:ISSN 1674-6236在線投稿系統(tǒng): ad(廣告地址:西安市勞動南路210號5-1-3信箱郵政編碼:710082歡迎投稿!歡迎訂閱!歡迎刊登廣告!這里需注意DS18B20是單總線器件,其硬件接口比較簡單,這是以相對復(fù)雜的軟件編程為代價的。DS18B20與單

14、片機(jī)的接口協(xié)議也是通過嚴(yán)格的時序來實現(xiàn)的。雖然增加軟件開銷,但由于STC12LE5408運行速度快,可以滿足系統(tǒng)要求。另外,對DS18B20操作的程序必須按照初始化,ROM 操作命令,存儲器操作命令,執(zhí)行/數(shù)據(jù)的先后順序進(jìn)行。如果總線上只掛1個DS18B20,初始化后可執(zhí)行跳過ROM 命令,再發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令。溫度轉(zhuǎn)換完成后,將溫度值暫存在發(fā)送緩沖區(qū)tx_buf 中,然后通過nRF24L01發(fā)送,其相關(guān)程序代碼如下:void nRF24L01_TxPacket (unsigned char *tx_buf CE=0;SPI_Write_Buf (WRITE_REG +RX_ADDR_P0,TX

15、_ADDR -ESS ,TX_ADR_WIDTH ;SPI_Write_Buf (WR_TX_PLOAD ,tx_buf ,TX_PLOAD_WI -DTH ;SPI_RW_Reg (WRITE_REG +CONFIG ,0x0e ;CE=1;數(shù)據(jù)接收顯示子程序nRF24L01在數(shù)據(jù)接收顯示中為接收狀態(tài)。當(dāng)nRF24L01模塊配置為接收模式后,當(dāng)接收到數(shù)據(jù)中斷時,從接收FIFO讀取數(shù)據(jù)。然后將其存儲到接收緩沖區(qū)rx_buf 中。其相關(guān)程序代碼如下:unsigned char nRF24L01_RxPacket (unsigned char *rx_buf unsigned char reval

16、e=0;sta=SPI_Read (STATUS ;if (RX_DR CE=0;SPI_Read_Buf (RD_RX_PLOAD ,rx_buf ,TX_PLOAD_WIDTH ;revale=1;SPI_RW_Reg (WRITE_REG+STATUS ,sta ;return revale ;5結(jié)束語本文介紹了nRF24L01和STC12LE5408組成的無線溫度采集系統(tǒng)。采用高度集成的nRF24L01器件,大大簡化了系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計,減小了體積,提高了系統(tǒng)工作的可靠性6。采用新一代增強(qiáng)型8051單片機(jī)STC12LE5408降低了系統(tǒng)成本,縮短了開發(fā)時間。實踐證明該系統(tǒng)設(shè)計簡單,成本低廉,通信可靠,運行穩(wěn)定,性能可靠,具有較高的實用價值。參考文獻(xiàn):1Nordic 半導(dǎo)體公司.nRF24L01用戶手冊DB/OL.http:/www.nord =product&act =display&