基于PIC16F684无线调光(24L01+)

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第二章 系统总体方案设计

2.1设计的内容及原理

该设计主要牵涉到无线电的发射和接收、数字信号和调制传输以及单片机软件的选择及系统内部程序设计等几大方面。该系统主要由无线发射和无线接收模块以及各通信模块组成。包含发射和接收模块的电路设计，单片机的选择和使用，极其内部通信模块的选择与制作，和转换程序的编写。家用电器单个或多个有线连接控制，使得其使用很不方便。因此越来越多的家用电器开始采用无线控制技术来方便控制使用，通过采用无线传输技术使得家电可以非触式控制。控制距离和高度都大大的满足了人们生活工作的正常需要。因此该无线控制技术具有很高的实用价值。家用电器电源无线控制系统的设计包括无线电的发射和接收，数字信号的调制与解调（来传达控制信息），单片机的选择及系统内部程序设计等几大方面。该系统由无线发射和无线接收模块以及各通信模块组成。设计过程包含发射和接收模块的电路设计，单片机的选择使用，及其内部通信模块的选择与制作。通过该系统来达到人们对家用电器的控制需求。 2.2设计的初步思路

<1>发射电路思路

电源电路

独立按键电路 模拟调光电路

<2>接收电路思路

状态指示电路 PIC16F684 无线发射模无线接收模块 PIC16F684 1 状态指示电路 安徽建筑大学

变压模块 LED照明电路 降压稳压电路 主要元器件有PIC16F684单片机、发光二极管、在HEADER 4*2模块上插接

无线发射和无线接收模块、键盘为一个独立键盘，以及其他系统硬件。本设计采用PIC16单片机作为控制核心，配以独立键盘电路作为控制用电器的数字开关以及AD模拟信号采样作为控制的模拟开关。当有按键按下或调解模拟开关时，由单片机扫描确定控制信号，调出相应的程序去控制发射模块发射信号，同时由单片机的一个管脚去控制LED照明电路，送出调制过的高频控制信号给发射电路，经过高频发射后由天线输出。在按键或模拟调光时由单片机通过LED发光二极管显示发射电路和接受电路的工作状态，以便让用户知道操作的是让电器做出的是哪种动作。接收模块接收到高频信号后，经过高频放大，检波，译码解码。将数字信号直接赋给单片机，由单片机检测相应端口的高低电平，根据设定好的编码调用相应的管脚控制相应的控制端，从而控制用电器的关断、功率等动作。本次选择电器为LED灯一盏，通过设计无线控制系统来控制它的开关、亮度强弱等。

第三章 硬件系统设计

3.1 单片机的选择

3.1.1单片机引脚图、单片机实际图和原理图

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3.1.2 单片机的主要性能特点 PIC16F684的基本功能模块 1、程序存储区

PIC16F684单片机带有Flash程序储存结构，主要存放由用户预编好的程序和一些固定不变的数据。程序存储器共有2K×16位程序单元空间

2、数据存储区

PIC16F684单片机数据存储区主要包括特殊功能寄存器和通用寄存器两部分，用于存放CPU在执行过程中产生的的中间数据或预置参数，共有128字节单元空间。

3、I/O口模块

PIC单片机的I/O口驱动负载能力较强，每个输出引脚可以驱动20-25mA

的负载，能够高电平直接驱动发光二极管LED、光电耦合器、小型继电器等，也可低电平直接驱动，这样可大大化简控制电路。

4、多功能定时器模块

PIC16F684单片机配置有3个功能较强的多功能定时器模块：TMR0（8位）、TMR1（16位）、TMR2（8）。除TMR2以外都可以作为计数器使用。每个定时器 /计数器都配有不同比例的预分频器。 5、WDT（“看门狗”）

PIC16F684单片机嵌入了一个具有较强功能的看门狗定时器WDT，能够有效防止因环境干扰而引起系统程序“飞益”。WDT的定时/计数脉冲是由芯片内专用

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的的RC振荡器产生的。它的工作环境不需要任何外部器件，也与单片机的时钟电路无关。这样即使单片机的时钟停止，WDT仍能继续工作。

PIC16F877A单片机的专用模块 1、捕捉/比较/脉宽调制模块

PIC16F684单片机配置有两个功能较强、颇具特色的的功能模块CCP1和CCP2，分别能与TMR1和TMR2配合实现对信号的输入捕捉、输出比较和脉宽调制PWM输出功能。

输入捕捉功能：主要通过TMR1定时器，及时捕捉外加信号的边沿触发，用来间接测量信号周期、频率等

2、A/D转换模块

PIC16F684单片机嵌入了一个8路10位AD，用来将外部模拟信号转换成单片机可以接受的和处理的数字信号。A/D转换采用主次比较法，参考电压既可以使用标准的VDD和VSS信号，也可以使用外加参考电压的方式。

3.2 独立键盘与模拟调解器设计

3.2.1 独立键盘

本设计由于涉及键盘只有三个，分别是：开关键、上键、下键。一共使用了三个I/O口，它们分别是C口的RC3、RC4、RC5。按键较少时采用该设计可以提高按键效率。下图为涉及的设计原理图：

由于PIC16F684的C口没有内部上拉功能，因此才采用外部上拉的功能，如图中的R3、R4、R5。同时为了防止I/O口电流过大，采用R6、R7、R8来限制I/O口的电流，其中R6、R7、R8分别接在C口的RC3、RC4、RC5引脚上。

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按键功能表 按键名 按键功能 UP 上键，增加光亮度 DOWN 下键，减小光亮度 OFF/ON 开关键，关闭或开启光源

3.2.2 模拟调解器设计

本设计的模拟调节器采用的是PIC16f684内部的AD采样器，原理图如下图所示（a）,外部的电路原理图如下图(b):

图（a） 图（b）

通过设置PIC16F684内部AD模块的相关寄存器，使PIC16F684单片机的AD模块运行在工作状态,配置相关的I/O引脚的方向寄存器，使其工作在输入状态。由外部的AD输入引脚传入AD采样数据，通过AD处理之后使其变成单片机能处理的数字信号。在由相关的处理程序对这些数据加以处理，并完成相关的功能作用。

3.3 状态指示电路设计

由于PIC单片机IO引脚的驱动能很强，最高可带20~25ma的负载，可直接驱动LED发光二极管，因此本设计采用PIC单片机直接驱动LED发光二激管作为PIC单片机工作状态的指示，图（c）表示发射电路，图（d）表示接收电路。设计原理图如下：

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图（c） 图（d）

图（c）的功能是：指示当前是否有数据传送出去，当有数据传送出去时，每传输出去一次数据D1便会闪烁一次；当没有数据传送出去时LED保持常灭，已达到节约电能的目的。

图（d）的功能是：

D1: 当有数据被接收到时，LED就会闪烁一次；没有数据时LED保持长 灭，已达到降低功耗的目的。

D2: 指示当前照明电路的状态，当LED保持常亮时，表示照明电路处于 可遥控状态；当LED保持长灭时，表示此时照明电路被关闭。

3.4 无线模块电路设计

3.4.1 NRF24L01概述

nRF24L01是NORDIC生产的一款工作在2.4~2.5GHz 的世界通用ISM 频段的单片无 收发芯片。无线收发器包括：频率发生器、增强型SchockBurst TM 模式控制 器、功率放大器、晶体振荡器、调制器、解调器、输出功率、频道选择和协 议的设置可以通过SPI接口进行设置。 极低的电流消耗：当工作在发射模式下发射功率为0dBm 时电流消耗为11.3mA ，接收模式时为12.3mA，掉电模式和待机模式下电流消耗更低。 原理图如下：

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实物图与连线图：

NRF24L01实物图 NRF24l01连线图

3.4.2 应用领域

● 无线鼠标 键盘 游戏机操纵杆 ● 无线门禁 ● 无线数据通讯 ● 安防系统 ● 遥控装置 ● 遥感勘测 ● 智能运动设备 ● 工业传感器 ● 玩具

3.4.3 特点

◆ 小体积，QFN20 4x4mm封装

◆ 宽电压工作范围，1.9V~3.6V，输入引脚可承受5V电压输入 ◆ 工作温度范围，-40℃～+80℃

◆ 工作频率范围，2.400GHz～2.525GHz

◆ 发射功率可选择为0dBm、-6dBm、-12dBm和-18dBm ◆ 数据传输速率支持1Mbps、2Mbps[1]

◆ 低功耗设计，接收时工作电流12.3mA，0dBm功率发射时11.3mA， 掉电模式时仅为900nA

◆ 126个通讯通道，6个数据通道，满足多点通讯和调频需要

◆ 增强型ShockBurstTM工作模式，硬件的CRC校验和点对多点的地 址控制

◆数据包每次可传输1～32Byte的数据

◆ 4线SPI通讯端口，通讯速率最高可达8Mbps，适合与各种MCU连 接，编程简单

◆ 可通过软件设置工作频率、通讯地址、传输速率和数据包长度 ◆ MCU可通过IRQ引脚快判断是否完成数据接收和数据发送

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3.4.4工作模式

NRF24L01有工作模式四种：收发模式、配置模式、空闲模式、关机模式。 工作模式由CE和寄存器内部PWR_UP、PRIM_RX共同控制，如下表： 模式 接受模式 发射模式 发射模式 PWR_UP 1 1 1 PRIM_RX 1 0 0 CE 1 1 1 FIFO寄存器状态 — 数据在TX_FIFO寄存器中 停留在发射模式，直到数据发送完毕 1->0 TX_FIFO为空 0 无正在传输的数据 - — 空闲模式II 1 0 空闲模式I 1 - 掉电模式 0 - 3.4.5工作原理

发射数据时，首先将nRF24L01配置为发射模式：接着把地址TX_ADDR和数据TX_PLD按照时序由SPI口写入nRF24L01缓存区，TX_PLD必须在CSN为低时连续写入，而TX_ADDR在发射时写入一次即可，然后CE置为高电平并保持至少10μs，延迟130μs后发射数据；若自动应答开启，那么nRF24L01在发射数据后立即进入接收模式，接收应答信号。如果收到应答，则认为此次通信成功，TX_DS置高，同时TX_PLD从发送堆栈中清除；若未收到应答，则自动重新发射该数据(自动重发已开启)，若重发次数(ARC_CNT)达到上限，MAX_RT置高，TX_PLD不会被清除；MAX_RT或TX_DS置高时，使IRQ变低，以便通知MCU。最后发射成功时,若CE为低则nRF24L01进入空闲模式1；若发送堆栈中有数据且CE为高，则进入下一次发射；若发送堆栈中无数据且CE为高，则进入空闲模式2。

接收数据时,首先将nRF24L01配置为接收模式，接着延迟130μs进入接收状态等待数据的到来。当接收方检测到有效的地址和CRC时，就将数据包存储在接收堆栈中，同时中断标志位RX_DR置高，IRQ变低，以便通知MCU去取数据。若此时自动应答开启，接收方则同时进入发射状态回传应答信号。最后接收成功时，若CE变低，则nRF24L01进入空闲模式1。

3.4.5器件配置

NRF24L01的所有配置都通过SPI接口进行。SPI接口由5个寄存器组成，一条SPI指令用来决定进行什么操作。SPI接口只有在掉电模式和Standby模式是激活的。 1）、状态寄存器（Status-Register）

寄存器包含数据就绪DR和地址匹配AM状态。 2）、RF配置寄存器（RF-Configuration Register） 寄存器包含收发器的频率、输出功率等配置信息。 3）、发送地址（TX-Address）

寄存器包含目标器件地址，字节长度由配置寄存器设置。 4）、发送有效数据（TX-Payload）

寄存器包含发送的有效ShockBurst数据包数据，字节长度由配置寄存器设置。

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5）、接收有效数据（TX-Payload）

寄存器包含接收到的有效ShockBurst数据包数据，字节长度由配置寄存器设置。在寄存器中的有效数据由数据准备就绪DR指示。

3.5 稳压电路设计

本设计的发射模块采用干电池供电，电压波动较小，因此采用直接加电容或电感的方式来达到稳压的目的。对于接受模块PIC单片机采用5V 供电的模式，然而无线模块的工作电压在1.6~3.6V间，因此采用3.3V供电。稳压模块分别选用7805和AMS1117-3.3来达到降压稳压的目的。设计原理图如下：

7805系列为3端正稳压电路,TO-220封装，能提供多种固定的输出电压，应用范围

广。含过流、过热和过载保护电路。带散热时，输出电流最大可达1A。虽然是固定的稳压模块电路，但是使用外接原件可获得不同的电压和电流。

AMS1117-3.3是一个正向低压降压稳压器。具有较高的降压精度，内部集成过热保护和限流电路，工作温度范围广，是电池电路和便携式计算机的最佳选择。

3.6 电源电路的设计

电源电路的功能和组成

每个电子设备都有一个供给能量的电源电路。电源电路有整流电源、逆变电源和变频器三种。常见的家用电器中多数要用到直流电源。直流电源的最简单的供电方法是 用电池。但电池有成本高、体积大、需要不时更换（蓄电池则要经常充电）的缺点，因此最经济可靠而 又方便的是使用整流电源。

电子电路中的电源一般是低压直流电，所以要想从 220 伏市电变换成直流电，应该先把 220 伏交流变成低压交流电，再用整流电路变成脉动的直流电，最后用滤波电路滤除脉动直流电中的交流成分后才能得到直流电。有的电子设备对电源的质量要求很高， 所以有时还需要再增加一个稳压电路。本设计采用从220V市电降压稳压至12V,降压模块实物如下：

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3.7 LED照明电路的设计

3.7.1 LED驱动芯片选择

3.7.2 LED驱动电路

LED（Lighting Emitting Diode）照明即是发光二极管照明，是一种半导体固体发光器件。它是利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出红、黄、蓝、绿色的光，在此基础上，利用三基色原理，添加荧光粉，可以发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色等任意颜色的光。LED照明产品就是利用LED作为光源制造出来的照明器具。

LED照明具有以下优点：

高节能：节能能源无污染即为环保。直流驱动，超低功耗（单管0.03-0.06瓦）电光功率转换较高，相同照明效果比传统光源节能。

寿命长：LED光源有人称它为长寿灯，意为永不熄灭的灯。固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，使用寿命可达6万到10万小时，比传统光源寿命长10倍以上。

多变幻：LED光源可利用红、绿、蓝三基色原理，在计算机技术控制下使三种颜色具有256级灰度并任意混合，即可产生256×256×256=16777216种颜色，形成不同光色的组合变化多端，实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像。

利环保：环保效益更佳，光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，而且废弃物可回收，没有污染不含汞元素，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。

高新尖：与传统光源单调的发光效果相比，LED光源是低压微电子产品，成功融合了计算机技术、网络通信技术、图像处理技术、嵌入式控制技术等，所以亦是数字信息化产品，是半导体光电器件“高新尖”技术，具有在线编程，无限升级，灵活多变的特点。

本设计采用照明LED专用芯片PT4115作为驱动元器件。原理图如下：

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第四章 系统软件的设计

4.1软件设计思路

进行应用软件设计时可采用模块化结构设计，其优点是： ①每个模块的程序结构简单，任务明确，易于编写、调试和修改； ②程序可读性好，对程序的修改可局部进行，其他部分可以保持不变，便于功能扩充和版本升级；

③对于使用频繁的子程序可以建立子程序库，便于多个模块调用； ④便于分工合作，多个程序员同时进行程序的编写和调试工作， 加快软件研制进度。

整个软件系统采用模化块的程序设计方法，共分为：

1.键盘扫描子程序 2.LED显示子程序 3.无线模块子程序 软件系统的主要特点:

1.整个过程完全在键盘的控制之下，实现了完全的、友好的人机交互功能。 2.主程序通过判断键盘的输入情况调用不同的子程序。 3.子程序的功能实现也是在键盘的配合下完成的。

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第四章 系统软件的设计

4.1软件设计思路

进行应用软件设计时可采用模块化结构设计，其优点是： ①每个模块的程序结构简单，任务明确，易于编写、调试和修改； ②程序可读性好，对程序的修改可局部进行，其他部分可以保持不变，便于功能扩充和版本升级；

③对于使用频繁的子程序可以建立子程序库，便于多个模块调用； ④便于分工合作，多个程序员同时进行程序的编写和调试工作， 加快软件研制进度。

整个软件系统采用模化块的程序设计方法，共分为：

1.键盘扫描子程序 2.LED显示子程序 3.无线模块子程序 软件系统的主要特点:

1.整个过程完全在键盘的控制之下，实现了完全的、友好的人机交互功能。 2.主程序通过判断键盘的输入情况调用不同的子程序。 3.子程序的功能实现也是在键盘的配合下完成的。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/0j17.html