畢業(yè)基于NRF24L01無線溫度測量系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

本文格式為Word版，下載可任意編輯——畢業(yè)基于NRF24L01無線溫度測量系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)3無線溫度采集系統(tǒng)的硬件電路設計

3.1單片2.4GHzNRF24L01無線模塊

3.1.1NRF24L01芯片概述

NRF24L01是一款新型單片射頻收發(fā)器件,工作于2.4GHz～2.5GHzISM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,并融合了加強型ShockBurst技術，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。NRF24L01功耗低,在以-6dBm的功率發(fā)射時，工作電流也只有9mA;接收時，工作電流只有12.3mA，多種低功率工作模式(掉電模式和空閑模式)使節(jié)能設計更便利。

NRF24L01主要特性如下：GFSK調(diào)制；

硬件集成OSI鏈路層；

具有自動應答和自動再發(fā)射功能；片內(nèi)自動生成報頭和CRC校驗碼；數(shù)據(jù)傳輸率為lMb/s或2Mb/s；SPI速率為0Mb/s～10Mb/s；125個頻道；

與其他NRF24系列射頻器件相兼容；QFN20引腳4mm×4mm封裝；供電電壓為1.9V～3.6V。

[7]

3.1.2引腳功能及描述

NRF24L01的封裝及引腳排列如圖3.1所示。各引腳功能如下：

[8]

圖3.1NRF24L01封裝圖

CE：使能發(fā)射或接收;

CSN，SCK，MOSI，MISO：SPI引腳端，微處理器可通過此引腳配置NRF24L01：IRQ：中斷標志位；VDD：電源輸入端；VSS：電源地；

XC2，XC1：晶體振蕩器引腳;

VDD_PA：為功率放大器供電，輸出為1.8V；

8

ANT1,ANT2：天線接口；IREF：參考電流輸入。

3.1.3工作模式

通過配置寄放器可將NRF241L01配置為發(fā)射、接收、空閑及掉電四種工作模式，如表3-1所示。

待機模式1主要用于降低電流損耗，在該模式下晶體振蕩器依舊是工作的；待機模式2則是在當FIFO寄放器為空且CE=1時進入此模式；待機模式下，所有配置字依舊保存。

在掉電模式下電流損耗最小，同時NRF24L01也不工作，但其所有配置寄放器的值依舊保存。

表3-1：NRF24L01四種工作模式

模式接收模式發(fā)射模式發(fā)射模式待機模式2待機模式1掉電PWR_UP111110PRIM_RX1000--CE111→010-FIFO寄放器狀態(tài)-數(shù)據(jù)在TXFIFO寄放器中停留在發(fā)送模式，直至數(shù)據(jù)發(fā)送完TXFIFO為空無數(shù)據(jù)傳輸-[9]

3.1.4工作原理

發(fā)射數(shù)據(jù)時，首先將NRF24L01配置為發(fā)射模式：接著把接收節(jié)點地址TX_ADDR和有效數(shù)據(jù)TX_PLD依照時序由SPI口寫入NRF24L01緩存區(qū)，TX_PLD必需在CSN為低時連續(xù)寫入，而TX_ADDR在發(fā)射時寫入一次即可，然后CE置為高電平并保持至少10μs，延遲130μs后發(fā)射數(shù)據(jù);若自動應答開啟，那么NRF24L01在發(fā)射數(shù)據(jù)后馬上進入接收模式，接收應答信號（自動應答接收地址應當與接收節(jié)點地址TX_ADDR一致）。假使收到應答，則認為此次通信成功，TX_DS置高，同時TX_PLD從TXFIFO中清除;若未收到應答，則自動重新發(fā)射該數(shù)據(jù)(自動重發(fā)已開啟)，若重發(fā)次數(shù)(ARC)達到上限，MAX_RT置高，TXFIFO中數(shù)據(jù)保存以便在次重發(fā);MAX_RT或TX_DS置高時，使IRQ變低，產(chǎn)生中斷，通知MCU。最終發(fā)射成功時,若CE為低則NRF24L01進入空閑模式1;若發(fā)送堆棧中有數(shù)據(jù)且CE為高，則進入下一次發(fā)射;若發(fā)送堆棧中無數(shù)據(jù)且CE為高，則進入空閑模式2。

接收數(shù)據(jù)時,首先將NRF24L01配置為接收模式，接著延遲130μs進入接收狀態(tài)等待數(shù)據(jù)的到來。當接收方檢測到有效的地址和CRC時，就將數(shù)據(jù)包存儲在RXFIFO中，同時中斷標志位RX_DR置高，IRQ變低，產(chǎn)生中斷，通知MCU去取數(shù)據(jù)。若此時自動應答開啟，接收方則同時進入發(fā)射狀態(tài)回傳應答信號。最終接收成功時，若CE變低，則NRF24L01進入空閑模式1

[10]

。

9

在寫寄放器之前一定要進入待機模式或掉電模式。如下圖3.2、3.3，給出SPI操作及時序圖：

圖3.2SPI讀操作圖3.3SPI寫操作

3.1.5配置字

SPI口為同步串行通信接口，最大傳輸速率為10Mb/s，傳輸時先傳送低位字節(jié)，再傳送高位字節(jié)。但針對單個字節(jié)而言，要先送高位再送低位。與SPI相關的指令共有8個，使用時這些控制指令由NRF24L01的MOSI輸入。相應的狀態(tài)和數(shù)據(jù)信息是從MISO輸出給MCU。

NRF24L0l所有的配置字都由配置寄放器定義，這些配置寄放器可通過SPI口訪問。NRF24L01的配置寄放器共有25個，常用的配置寄放器如表3-2所示。

表3-2：常用配置寄放器

地址（H）0001020304070A～0F1011～16寄放器名稱CONFIGEN_AAEN_RXADDRSETUP_AWSETUP_RETRSTATUSRX_ADDR_P0～P5TX_ADDRRX_PW_P0～P5功能設置24L01工作模式設置接收通道及自動應答使能接收通道地址設置地址寬度設置自動重發(fā)數(shù)據(jù)時間和次數(shù)狀態(tài)寄放器，用來判定工作狀態(tài)設置接收通道地址設置接收接點地址設置接收通道的有效數(shù)據(jù)寬度3.1.6NRF24L01模塊原理圖

NRF24L01單端匹配網(wǎng)絡：晶振，偏置電阻，去耦電容。下圖3.4為NRF24L01單端50Ω射頻輸出電路原理圖。

10

VDDC7C810nF1nFCECSNSCKMOSIMISOIRQC933nFR222KVSS20DVDD19VDD18VSS17IREF16U1C550omh,RFI/O3.9nH1.5pFC6L11.0pF8.2nHL22.7nHC3C42.2nF4.7pFL36IRQ7VDD8VSS9XC210XC1C122pF1CE2CSN3SCK4MOSI5MISO15VSS1413ANT212ANT1VDD_PA11VDDNRF24L01X116MR11MC222pF

圖3.4NRF24L01單端50Ω射頻輸出電路原理圖

3.2溫度采集端

無線溫度測量儀的溫度采集端由AT89C51單片機、溫度測量電路、無線發(fā)送模塊NRF24L01、顯示電路、時鐘電路及其它電路組成。溫度采集硬件框圖如圖3.5所示

電源模塊無線接收電路AT89C51單片機報警電路時鐘電路DS18B20液晶顯示

圖3.5溫度采集硬件框圖

3.2.1采集單元

這里我們用到溫度芯片DS18B20。DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，具有3引腳TO-92小體積封裝形式。測溫分辯率可達0.0625℃,被測溫度用符號擴展的16位數(shù)字量方式串行輸出。其工作電源既可在遠端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生。CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和規(guī)律電路。

DS18B20支持“一線總線〞接口，測量溫度范圍為-55℃～+125℃，在-10℃～85℃范圍內(nèi),精度為土0.5℃?，F(xiàn)場溫度直接以“一線總線〞的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，如:環(huán)境控制、設備或過程控制、測溫類消費電子產(chǎn)品等

[11]

。

11

1.DS18B20的內(nèi)部結構：

DS18B20內(nèi)部結構圖如圖3.6所示。

寄放器和控制器溫度靈敏元件高速緩存存儲器電源檢測64位ROM和單線接口低溫觸發(fā)器TL高溫觸發(fā)器TH配置寄放器8位CRC生成器圖3.6DS18B20內(nèi)部結構圖

（1）光刻ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼。64位光刻ROM的排列是：開始8位（28H）是產(chǎn)品類型標號，接著的48位是該DS18B20自身的序列號，最終8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗碼（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一個DS18B20都各不一致，這樣就可以實現(xiàn)一根總線上掛接多個DS18B20的目的。

（2）DS18B20中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，如表3-3所示，以12位轉(zhuǎn)化為例：用16位符號擴展的二進制補碼讀數(shù)形式提供，以0.0625℃/LSB形式表達，其中S為符號位。

表3-3DS18B20溫度值格式表

LSByteMSBytebit723

bit622bit521bit420bit32-1bit22-2bit12-3bit02-4bit15Sbit14Sbit13Sbit12Sbit11Sbit1026bit925bit824這是12位轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲在18B20的兩個8比特的RAM中，二進制中的前面5位是符號位，假使測得的溫度大于0，這5位為0，只要將測到的數(shù)值乘于0.0625即可得到實際溫度；假使溫度小于0，這5位為1，測到的數(shù)值需要取反加1再乘于0.0625即可得到實際溫度

[12]

。

例如+125℃的數(shù)字輸出為07D0H，+25.0625℃的數(shù)字輸出為