基于NRF24L01模块的多点温度监测系统设计

基于NRF24L01模块的多点温度监测系统设

计

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摘要

温度在人们的日常生活中起着非常重要的作用,人们不但关注日常环境温度的变化，在许多领域的产业化，如工业、医疗、军事和生活等许多地方，都需要用到测设备来检测温度。传统直接布线测量电路很复杂，容易受干扰，准确性也不高，不满足某些环境非常恶劣的工业环境和某些户外环境。因此，选择一个性能不错的数字温度传感器和无线传输模块，简单的使用显得尤为重要。在现代的工业控制，考虑到功耗问题也是一个重要的参数，该系统采用低耗高性微型控制器STC89C52RC和DS18B20温度传感，采用nRF24L01无线模块对温度进行短距离监控。

本次设计采用的STC89C52RC简单实用，与MCS-51操作相同。无线数据通信收发芯片NRF24L01是一款工作在2.4?2.5GHz功率消耗非常低的低成本无线收发器。另外温度传感器DS18B20具有体积小，成本低，精度高等优点。

该系统功耗低，成本低，硬件电路简单，是一种可行的无线测温的设计方案。 关键词：NRF24L01；温度传感器DS18B20；STC89C52RC

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Abstract

Temperature plays a very important role in people's daily life, people pay much attention to the daily change of environmental temperature. In many areas of industry, such as some local factories, hospitals, military and daily life, need to use test equipment to detect temperature. The traditional way of the measurement circuit is very complex, vulnerable to be distracted, and

accuracy is not high, does not meet certain harsh industrial environment and some outdoor environment. Therefore, choosing a good digital temperature ,a wireless transmission module and simple to use is particularly important. In the modern industrial control, considering the power consumption is also an important parameter, the system adopts low energy consumption and high performance micro controller STC89C52RC and DS18B20 temperature sensor, and uses nRF24L01 wireless module to transmit the temperature. It is convenient to realize the remote transmission.

We have adopted STC89C52RC to design this system. It’s pins and kernel are same to the MCS - 51 series. NRF24L01 wireless data communication transceiver chip is a very low power consumption and low-cost wireless transceiver, which works in 2.4 ~ 2.5 GHz. Additional temperature sensor DS18B20 is very small ,and has a low cost, high accuracy. Unique line interface effectively improves the anti-interference of the system. The system is simple, reliable and has low power consumption, low cost. It is an effective and trustworthy solution to a wireless temperature measurement .

Keywords: NRF24L01; temperature sensor DS18B20; STC89C52RC

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目录

第一章 前言......................................................... 1

1.1 课题的背景与意义 ............................................ 1 1.2国内外研究状况及相关领域中已有的研究成果..................... 1 1.3对设计任务的分析............................................. 1 1.4 预 期 结 果 ................................................. 2 第二章 总体方案设计的论证........................................... 2

2.1 系统方案设计 ................................................ 2 2.2 模块方案设计 ................................................ 3

2.2.1 主控芯片方案........................................... 3 2.2.2 无线通信模块方案....................................... 4 2.2.3 温度传感方案........................................... 4 2.2.4 显示模块方案........................................... 5

第三章 系统模块设计................................................. 5

3.1 STC89C52RC主控模块设计...................................... 5 3.2 nRF24L01无线模块设计....................................... 7

3.2.1 nRF24L01概述 ......................................... 7 3.2.2 引脚功能及描述........................................ 8 3.2.3 工作模式............................................... 9 3.2.4 配置字................................................ 10 3.2.5 模块电路图与应用原理框图.............................. 10 3.3显示电路模块设计............................................ 12

3.3.1液晶1602显示屏的基本结构 ............................. 12 3.3.2液晶1602显示屏的工作原理 ............................. 12 3.4 温度传感器模块设计 ......................................... 13

3.4.1 DS18B20的管脚配置和内部结构 .......................... 13 3.4.2 DS18B20的工作原理 .................................... 14 3.4.3 DS18B20的硬件设计 .................................... 15

第四章 软件系统的设计.............................................. 15

4.1 各模块软件设计 ............................................ 15

4.1.1 显示模块软件设计...................................... 15 4.1.2 温度检测.............................................. 16 4.1.3无线发射模块软件设计 .................................. 17 4.1.4无线接收模块软件设计 .................................. 18 4.2总体的软件设计.............................................. 19

4.2.1 发送部分.............................................. 19 4.2.2接收部分 .............................................. 20 4.3 本章小结 ................................................... 20 第五章 系统的调试及实验结果........................................ 20

5.1 调试步骤 ................................................... 20 5.2实验结果.................................................... 21 5.3本章小结.................................................... 23 结论 ....................................................................... 23

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致 谢.............................................................. 24 参 考 文 献........................................................ 25

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第一章 前言

1.1 课题的背景与意义

在当今现代的生活中，通过无线通信来采集温度已经越来越普遍了。并且随着工农业的生产对温湿度的要求越来越高，精准的测量温度变得十分重要。温度它不能像质量和长度那样简单地获取量值，只有通过其他相关性质间接地测量。现在温度测量是可以通过温度传感器来测量的，温度测量的过程简单来说就是通过传感器把温度值转换为电信号或者其他信号，经过相关处理，从而转换成温度显示出来。温度测量设备一般有温度传感器和信号处理电路组成。某些情况下，需要监测的范围很大，布线不方便且不利于后期维护，这时我们就采用无线模块对温度进行采集。

多路无线温度测量系统被大量的应用于温度测量各个领域的工程中，例如：城市医院的温度检测系统、居民小区供热系统的检测、蔬菜大棚的温度控制、工业生产的温度保护等。考虑到许多工农业环境中有对多点温度进行监控的需求，一般需要测量可能有几十个点以上。所以本文设计多路无线温度监控的系统。

1.2国内外研究状况及相关领域中已有的研究成果

在2.4GHz的频段上已经有多种标准的无线协议，它们传输距离远，抗干扰性强。因此我们要确保在2.4GH频段上有足够的抗干扰性和保持数据的连续性。

nRF24L01 由于ANT协议的缘故可以方便搭建无线网络。ANT的无线个人局域网通讯技术使数据保持了完整性，并具有低耗低成本的优点。 nRF24L01是一款采用FSK调制的无线通信芯片，它可以点对点以及1对n的高速通信。MCU只需要给nRF24L01无线模块提供5个普通引脚和一个中断引脚就可以实现通信功能。所以MCU系统搭建无线通信功能利用nRF24L01就显得十分简单。

随着电子技术的发展，温度传感器的精度越来越高，抗干扰性越来越好，体积越来越小。

1.3对设计任务的分析

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图3-2 单片机最小系统

3.2 nRF24L01无线模块设计

3.2.1 nRF24L01概述

NRF24L01是一种新型单片射频收发机设备,在2.4 GHz~2.5 GHz频率ISM波段操作。内部集成了频率发生器、增强型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和解调器，输出功率可以被软件简单配置。NRF24L01具有多种低功耗模式(断电模式和空闲模式),以便节能设计更方便。以下是nRF24L01的主要特点:

1.片内自动生成报头和CRC校验码； 2.GFSK调制，硬件集成OSI链路层； 3.SPI速率为0 Mb/s～10 Mb/s；

4.125个频道与其他nRF24系列射频器件相兼容； 5.具有自动应答和自动再发射功能； 6.数据传输率为l Mb/s或2Mb/s； 7.供电电压为1.9 V～3.6 V；

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3.2.2 引脚功能及描述

nRF24L01的电路图引脚如图3-3所示。

图3-3

由于高频电路的设计在元件的摆放位置，电路的走线方法都有很高的要求，因此我们直接使用现在的成品模块，这样我们就不用去考虑高频电路的设计问题，图3-4是nRF24L01的pcb图和实物图

图3-4

下面图3-5是模块各个引脚的功能：

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图3-5

3.2.3 工作模式

通过配置寄存器可将nRF24L01配置为发射、接收、空闲及掉电四种工作模式，如图3-6所示。

图3-6 nRF24L01工作模式

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3.2.4 配置字

SPI端口同步串行通信接口,传输时先传递为字节，再穿高位字节，并拥有很高的传输速率。

nRF24L01 的配置寄存器共有25个，常用的配置寄存器如图3-7所示。

图3-7 常用配置寄存器

3.2.5 模块电路图与应用原理框图 nRF24L01无线模块电路图如图3-8所示：

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图3-8 模块电路图

图3-9是nRF24L01无线模块需要与MCU连接的部分：

图3-9

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3.3显示电路模块设计

3.3.1液晶1602显示屏的基本结构

1602采用标准的16脚接口，如下图3-10所示，其中： 第1脚：GND为电源地 第2脚：VCC接5V电源正极

第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，并且对比度与电压成反比。 第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电时选择指令寄存器。

第5脚：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。

第6脚：EN端为使能端,高电平时读取信息，负跳变时执行指令。 第7～14脚：与单片机双向通信的8位数据端。

第15～16脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。

图3-10

3.3.2液晶1602显示屏的工作原理

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LCD1602的内存已经存储了160个不同的字符点阵图形,每个字符对应一个固定代码,比如字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。

在单片机编程中也可以使用字符常量或变量赋值,如'A’。因为CGROM存储代与我们电脑字符的代码基本上是相同的,所以我们在C51字符代码写入DDRAM甚至可以直接与P1 = ' A '。

3.4 温度传感器模块设计

DS18B20芯片具有体积小，成本低，抗干扰性强，精度高，独特的单线接口等优点。独特的单线接口，并且每一个DS18B20包含一个独特的序号，使得一条总线上可以存在多个DS18B20.外围硬件简单，采用数据总线供电，电压范围为3.0 V至5.5 V ，测量温度范围为-55 ° C至+125 ℃ 。DS18B20芯片封装如图3-11所示。

图3-11

3.4.1 DS18B20的管脚配置和内部结构 引脚定义：

(1)DQ为单数据总线，是数字信号输入/输出端； (2)GND为电源地；

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(3)VDD为外接供电电源输入端。 内部结构如下图所示：

图3-12 DS18B20内部结构图

3.4.2 DS18B20的工作原理

DS18B20的温度检测与数字数据输出全部集成在一个芯片上，使用单总线通信方式，抗干扰能力很强。

使用DS18B20 进行温度测量的步骤为：初始化DS18B20→跳过ROM 操作命令→启动温度转换命令→等待转换完成→初始化→跳过ROM 操作命令→读取温度寄存器命令，这样就可以读出被测温度的数据了[4]。流程图3-13所示。

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图3-13

3.4.3 DS18B20的硬件设计

图3-14 DS18B20硬件连接图

第四章 软件系统的设计

4.1 各模块软件设计

4.1.1 显示模块软件设计

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流程图如图4-1所示

4-1 显示部分软件流程图

4.1.2 温度检测

温度检测软件设计遵循单总线协议，MCU通过时序来写入和读出DS18B20中的数据。DS18B20通过如下步骤完成操作：复位，接收应答，读取ROM序列号，启动温度转换，等待转换完成，保持数据[7]。流程图如4-2所示。

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图4-2 温度检测软件流程图

4.1.3无线发射模块软件设计

首先进行初始化,然后通过SPI总线配置使nRF24L01进入发射模式。然后把发射端准备发射的数据的目标地址和数据写入无线通信模块的缓冲区，进行一定延时后发射数据[7]。其流程图如图4-3所示。

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图4-3无线发射软件流程图

4.1.4无线接收模块软件设计

接收数据时，首先将无线通信模块配置为接收模式。然后等待数据，当接收方检测到有效地址和CRC时，就将数据包储存在接收堆栈中，同时状态寄存器中的中断标志位RX—DR置高，产生中断使IRQ引脚变为低电平，以便通知单片机去取数据[7] 。其流程图如图4-4所示。

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图4-4 无线接收软件流程图

4.2总体的软件设计

4.2.1 发送部分

发送部分的总体思路：初始化温度传感器，DS18B20测得温度，接着把温度值写入待发射数据，然后初始化nRF24L01无线模块，将温度发送给主机，其流程图如图4-5所示。

图4-5 发射部分总体流程图

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4.2.2接收部分

接收部分首先是初始化nRF24L01无线模块，接着判断是否出现接收中断。如果有读入数据并经过处理在LCD1602上显示，其流程图如图4-6所示。

图4-6 接收部分总体流程图

4.3 本章小结

本章主要是对系统程序和程序的设计思想作了说明,并介绍了每个模块的程序流程和最终流程,系统软件采用模块化编程思想,因此,在软件调试时,总是可以调用子模块程序,有利于子模块调试。

第五章 系统的调试及实验结果

5.1 调试步骤

步骤一 完成硬件电路的焊接。

步骤二 首先烧写入简单测试程序，检验LCD1602显示没有问题。 步骤三 将接受部分的单片机连接上一块数码管上，写入测量温度的程序。测试DS18B20相关硬件及软件。

步骤四 搭建简单的无线通信硬件，写入简单的测试测序，检测收发硬件模块。

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步骤五 将所用测序写在一起，搭建完成一个主机2个从机的完整硬件，检测系统是否能把2个从机测得的温度值通过无线模块通信从而在LCD1602上显示出来。

5.2实验结果

经过简单的实验得到一些实验数据，具体结果如表5-1所示：

表5-1 数据测试表 测试数据 发送端电流 接收端电流 收发端电压 发送端功率 接收端功率 收发距离 值 2.7mA 10mA 3.0V 8.10mW 30.0mW >5m

从表中可以看出整个系统得到功耗都很低，并且收发距离也达到了设计的原始要求。

如图5-1就是无线测温系统的主机，接通电源立即对LCD1602初始化，并等待发射端传来数据进行接收并在LCD1602上实时显示出来。

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图5-1发射部分成品

如图5-2就是无线测温系统的从机。在接通电源的时会立即完成初始化，把从DS18B20中测得的温度通过无线模块地发送给主机。

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图5-2 接收部分成品

5.3本章小结

本章主要介绍了系统硬件搭建和软件调试以及实验结果。

软件和硬件调试使用子模块测试的方法,确保每个模块都能正常工作了才进行整合，减少了调试的工作量。

最后我们对测温系统进行了简单的实验，基本满足本次设计的要求 。

结论

本次设计采用了STC89C52RC来采集和处理数据，通过传感器收集非电信号。系统中采用直接数字输入型温度传感器DS18B20实现了数字温度计无线监测系统。本系统设计采用DS18B20具有精度高，抗干扰能力，电路简单，可在单总线上挂载多个传感器的优点。相反,传统的温检测系统采用热门电路来测量环境温度，虽然成本很低，但精度差，可靠性不好，且不是全数字输出，需要AD转换电路，增加了电路的复杂性。。

本设计采用NRF24L01无线通信模块来实现温度的监控，省去传统的布线麻烦，保持了电路的简洁，方便整个系统的安装和维护。但在此次设

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计中同样遇到一些技术难题，例如，对无线模块NRF24L01的程序的编写和调试。

不过，通过这次设计增加了我的学习能力和理解能力，对无线传输也有了一定的了解。

不断地在网上和图上馆翻阅相关资料，经过2个月的努力，本次设计已经达到了预期的目的。相关工作总结如下： 一． 本设计内容重点：

（1） NRF24L01无线传输模块的调试。 （2） DS18B20的各种操作命令。 （3） 单片机液晶显示。 二． 研究展望

随着科技的发展，温度监控系统正朝着高精度，体积小，多点式，可靠性高，易于安装和维护的方向迅速发展。

1．

提高温度控制器测温精度和分辨力

传统的测温系统采用的热敏电阻精度低，采用8为A/D转换器，电路复杂，可靠性不高，分辨率不高。目前，国内外都采用精度和分辨率很高的智能温度传感器，他们可靠性和安全性也很好，其分辨力一般可达0.5~0.0625°C。

2．功能的多元化发展

新型的智能温度检测系统的测试功能得到了不断增强，同时也可以加入湿度的监控形成完善的监控系统，另外内部能够集成E2PROM芯片，可以存储用户的命令。

致 谢

大学四年马上就要过去了，美好的明天等着我们上路。

在这里首先要感谢我的指导老师@#$老师。老师平时本来由于上课和开会就十分繁忙，但在我们做毕业设计的2个月中，从图书馆和网上搜集资料到初步方案的确定，中期的修改，后期的完善等整个过程中都十分耐心地帮助我们。老师细心地纠正我学习中的错误。其次要感谢和我一起做毕业设计得到同学们，他们陪伴和建议同样给了我很大的帮助，同时他们

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也帮我解决了一些技术上的难题。同样我要感谢大学里的所有老师们，他们不仅交给我们专业知识，同时也教育我们做人的道理。

最后我向我的同学和各位老师表示诚挚的感谢，谢谢你们！

参 考 文 献

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[5] 英庆，王代华，张志杰.基于nRF24L01的无线数据传输系统[J].现代电子技术，2008，31（7）：68-82.

[6] 丁永红，孙运强.基于nRF2401的无线数传系统设计[J].国外电子测量技术，2008，27（4）：45-47

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/6rl3.html