智能无线防丢器设计毕业论文 - 图文

郑州工业应用技术学院本科生毕业论文 智能无线防丢器设计

本科生毕业设计

题 目： 智能无线防丢器设计

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郑州工业应用技术学院本科生毕业论文 智能无线防丢器设计

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期：

使用授权说明

本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名： 日 期：

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学位论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名： 日期： 年 月 日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名： 日期： 年 月 日

导师签名： 日期： 年 月 日

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注 意 事 项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作） 2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词 4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论 7）参考文献 8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。 4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画 3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印 4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档 5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

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摘 要

本课题设计的防丢器与现代人们生活密切相关，是时代进步，科技发展的成果。本设计主要分为母机和子机两个部分，母机主要包括TC89C51单片机控制模块、NRF24L01无线发送和接收模块、声光报警和震动报警模块，复位电路模块以及晶振电路模块。子机主要包括STC89C51单片机控制模块、NRF24L01无线发送和接收模块、声光报警模块、灯光提示电路、晶振电路模块以及复位电路模块。因为母机和子机都载有采用2.4G技术进行通信的NRF24L01无线模块，所以母机和子机都能够进行信号的发送和接收。当两者距离没有超过规定的范围时，NRF24L01发射端配置为发射模式，对数据进行发送，相应的NRF24L01接收端配置为接收模式对数据进行接收，当接收端接收到发送端的数据时，然后对发送端传输应答信号，这样母机和子机就完成了一次通信。然而当母机和子机的距离超过规定范围内时，那么母机发送的数据就不能被子机所接收，这时子机也不会对母机传递应答信号，在超过规定的时间内发送端不能接收到接收端发出的应答信号，而此时母机和子机就不能进行正常的通信，数据传输失败，母机进行声光报警和震动报警，子机出现声光报警。本设计在原有防丢器的基础上加以震动报警模块，这也是本设计的创新所在，防丢器的震动报警功能在现代生活中发挥着越来越重要的作用，尤其是在噪杂的人群中，效果尤为突出。

关键词：NRF24L01；防丢器；STC89C51

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Abstract

Abstract:The issue of anti-lost design is closely related to modern people's lives, is the era of progress, the results of scientific and technological development. The design is divided into two parts of the base unit and the handset, the base unit includes TC89C51 MCU control module, NRF24L01 wireless transmission and reception module, sound and light alarm and vibration alarm module, reset circuit module and oscillator circuit module. Including major STC89C51 slave MCU control module, NRF24L01 wireless transmission and reception module, sound and light alarm module, lighting tips circuit, crystal oscillator circuit module and reset circuit module. Because the base unit and handset are contained using 2.4G technology NRF24L01 wireless communication module, so the base unit and the handset can send and receive signals. When the distance between the two does not exceed the specified range, NRF24L01 the transmitter configured to transmit mode, the data is sent, the corresponding NRF24L01 receiving end configured to receive data reception mode, when receiving the sender receives the data, and then the sender response signal transmission, machine tools and so on to complete a sub-machine communication. However, when the distance of the base unit and the handset exceeds a predetermined range, then the data can not be transmitted by the base unit received quilt machine, then the handset will not have the base unit transfer acknowledge signal within a predetermined period of time than the sender to the receiver can not receive response signal sent from the console, but this time the base unit and the handset can not be normal communication, data transmission failure, machine tools sound and light alarm and vibration alarm, the handset appears sound and light alarms. The design to be in the original anti-lost, based on the vibration alarm module, which is the innovation of this design lies, anti lost the vibration alarm is playing an increasingly important role in modern life, especially in a noisy crowd the effect is particularly prominent.

Keywords: NRF24L01; Anti lost alarm; STC89C51

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目 录

1 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设计任务的分析 .................................................................................................................... 1 1.4预期结果 ................................................................................................................................. 2

2 总体方案设计的论证 ........................................................................................................... 3

2.1系统方案设计 ........................................................................................................................ 3 2.2模块方案设计................. ......................................................................................................... 4

2.2.1主控芯片方案 ............................................................................................................ 4 2.2.2无线通信模块方案................................................................................................... 4

3 硬件电路设计 ........................................................................................................................... 6

3.1 STC89C51单片机主控模块设计 ...................................................................................... 6 3.2单片机最小系统 .................................................................................................................... 8

3.2.1时钟电路 ..................................................................................................................... 8 3.2.2复位电路 ..................................................................................................................... 9 3.2.3 STC89C51中断技术概述 ....................................................................................... 9 3.3 nRF24L01无线模块设计 .................................................................................................. 10

3.3.1 nRF24L01概述 ....................................................................................................... 10 3.3.2引脚功能及描述 ..................................................................................................... 11 3.3.3 nRF24L01射频芯片特性 ..................................................................................... 12 3.3.4 nRF24L01发送程序设计 ..................................................................................... 16 3.4声光报警模块设计 ............................................................................................................ 17

3.4.1灯光提示电路 .......................................................................................................... 17 3.4.2声音报警电路 .......................................................................................................... 18 3.5震动报警模块设计 ............................................................................................................. 18 3.6按键模块设计 ...................................................................................................................... 19

4 软件系统的设计 .................................................................................................................... 20

4.1软件介绍 ............................................................................................................................... 20 4.2 nRF24L01发送流程图设计 ............................................................................................. 21 4.3nRF24L01接收流程图设计 ............................................................................................... 22 4.4母机流程图设计 .................................................................................................................. 23 4.5子机流程图设计 .................................................................................................................. 24

5 系统的调试及实验结果 .................................................................................................... 25

5.1调试流程 ............................................................................................................................... 25

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5.2实验结果 ............................................................................................................................... 25

6 结论 ............................................................................................................................................... 27 7 致谢 ............................................................................................................................................... 28 8 参考文献 .................................................................................................................................... 29 附录一：主机原理图 ................................................................................................................. 30 附录二：从机原理图 ................................................................................................................. 30 附录三：元件清单 ....................................................................................................................... 30 附录四：NRF24L01发送模块程序 ..................................................................................... 30 附录五：NRF24L01接收模块程序 ..................................................................................... 30

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1 前言

1.1课题的背景与意义

随着科学技术的进步、社会状况的良好发展，现代人们的生活节奏不断加快，而由于个人发展、家庭琐事、社会竞争等诸多因素，人们常常使自己的大脑处于忙碌和紧张的状态、长此以往容易导致自己记忆力下降，出现忘东忘西的状况，常常不记得自己的手机、钱包、钥匙放在何处。另外，随着生活水平的不断提高，逛街、购物、出外旅行越来越受到人们的青睐，这些都是比较繁华热闹的地方，自己的钱包、手机不知什么时候就被小偷偷走了，更要命的是那些带着自己孩子外出的人们，稍微不注意自己的孩子就跑丢了。为了预防以上这些不好事情的发生，智能电子防丢器就出现在我们的生活中并且很方便，很实用。

智能电子防丢器有体积小，携带方便，环保，性能好等特点，对防止钱包、手机、钥匙、小孩等贵重物品的丢失有很好的用途，是现代生活所必不可少的物品[1]。本课题设计的防丢器通过单片机系统分别控制发送模块和接收模块，在保留声音报警功能的同时添加振动报警功能，这样在噪杂的人群中能更好的发挥防丢器的优势，更有效地解决物品丢失的问题。

1.2 国内外研究状况及相关领域中已有的研究成果

随着社会的发展，时代的进步，防丢器将在人们日常生活中发挥着越来越大的作用。因此，好多专家与学者对防丢器进行了研究、分析及其设计。在2000年，张朝辉设计了一款以UM3758—108A编解码芯片为核心的防丢器[2]，当母机和子机超过规定范围内时就会出现声光报警。2010年刘密歌、王路设计了一款防丢器，它以 PT2262/PT2272 编解码集成芯片为核心[3]。该防丢器不仅有防丢功能，而且还具有查找功能。2014年郭明明、韩阳等人研究并设计了基于蓝牙技术的双向防丢器，该防丢器克服了原有防丢器单项声光报警的问题，开发了一种新型的防丢器[4]。

而本设计则是采用2.4GHz无线技术的NRF24L01无线通信模块进行短距离传输，2.4GHz技术属于国际性的频段，抗干扰性强[5]。同时本设计在原有防丢器基础上加以震动报警功能，克服了原有防丢器的缺陷和不足，具有结构简单，功耗低，实用性强、方便使用等优点。这种震动报警功能在噪杂的人群中效果显得尤为突出，更好的解决了物品丢失以及儿童丢失的问题。

1.3设计任务的分析

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本设计分为硬件电路部分和软件编程部分。硬件电路的主要部分是STC89C51单片机和采用2.4G技术进行短距离通信的NRF24L01无线发送和接收模块[6]。该防丢器运用NRF24L01无线发送和接收模块在规定距离内母机和子机进行正常信号传输，超出距离母机和子机不能进行正常信号传输的思想，通过STC89C51单片机对母机或者子机接收的信息进行处理，并随时更新母机、子机的信息，进而对声光报警器和震动报警器进行控制[7]，以完成信号不能正常传输就报警的任务。另外，本设计拥有结构简单，价格低廉，安全性高，传输速率快等特点。

本设计的软件编程部分是以KeilC51软件为开发平台，使用C语言进行程序编写的。

本此设计选用的是STC89C51单片机。单片机具有以下特性： ·结构不复杂，安全性能高。 ·处理功能强，速度快。 ·低电压低耗，体积小。 ·价格低廉，使用方便。 ·程序的循环利用率较高。

1.4预期结果

母机和子机通过无线模块在10m的范围内上能相互通信，当信号不能正常传输时，进行声光报警和震动报警。本设计的模块主要包括STC89C51单片机控制模块、NRF24L01无线发送和接收模块、声光报警和震动报警模块、灯光提示电路模块以及按键查找模块[8]。

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2 总体方案设计的论证 2.1系统方案设计

子机：子机主要包括STC89C51单片机控制模块、NRF24L01无线发送和接收模块、声光报警模块、灯光提示电路、晶振电路模块以及复位电路模块。如下图2-1所示：

复位电路 灯光提示电路 晶振电路 单 片 机 声光报警模块 NRF24L01无线模块

图2-1 子机模块

母机：母机主要包括STC89C51单片机控制模块、NRF24L01无线发送和接收模块、声光报警和震动报警模块，复位电路模块以及晶振电路模块。如下图2-2所示：

按键查找模块 复位电路 晶振电路 单 片 机 图2-2 母机模块

声光报警模块 震动报警模块 NRF24L01无线模块 3

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图2-2 母机模块

2.2 模块方案设计

2.2.1主控芯片方案

方案一：采用STC89C51单片机实现。STC89C51单片机具有安全性能高、运行速度快、处理功能强、结构简单、功耗低、体积小、价格低廉、易于调试和维护等优点[9，10]。同时，STC89C51单片机易于开发，应用领域广，技术掌握较全面，技术运用能力较娴熟。

方案二：采用MSP430F149单片机。MSP430F149单片机具有集成度高、功能强大、可靠性高、运行速度快、功耗低等优点[11，12]，但是考虑到本设计结构简单，不需要强大的功能做支撑，另外，MSP430F149单片机也有很多缺点，比如成本较高，开发周期较长等等。

综合考虑我们选择STC89C51单片机作为本系统的微控制单元（英文缩写为―MCU‖）。 2.2.2无线通信模块方案

方案一：采用集成芯片M7216。集成芯片M7216属于遥控编码的一种，具有内码数量大，编码重复率低，工作电压低等优点，但是集成芯片M7216系统结构复杂，功能难以实现。

方案二：运用编解码芯片PT2262/2272。编解码芯片PT2262/2272具有功耗低、价格低廉、应用领域广、地址码较多等优点[13，14]，传输方式及结构如下图2-3所示：

高频发射 高频接收 编码 载波 检波 放大整形 报警

解码

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图2-3 PT2262/2272芯片传输结构图

据调查及其上图表明，编解码芯片PT2262/2272的缺点主要包括稳定性差、发射频率较低、系统较复杂、实现功能较少（只能完成单向报警功能）等方面。

方案三：采用2.4G技术进行短距离传输的NRF24L01无线发送和接收模块。NRF24L01无线发送和接收模块具有价格低廉、体积小、功耗低、稳定性好、运行速度快、抗干扰性强等优点[15，16]。同时该模块结构简单，功能强大，能够实现双向报警。

综上所述，我们采用NRF24L01无线发送和接收模块作为本设计的通信模块。

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3 硬件电路设计

3.1 STC89C51单片机主控模块设计

STC89C51单片机是一个低压高性能8位单片机，片内含8k Flash闪存，512 bytes的RAM，2K字节EEPROM存储空间并且具有处理能力强，性能稳定，功耗低，价格低廉的优点[17]。它完全兼容普通51单片机的指令和功能，并且可以独自完成ISP在线编程功能。

主要功能特性：

1)8k可反复擦写Flash ROM； 2)32个双向I/O口； 3)512x8bit内部RAM； 4)可直接使用串口下载；

5) 内带2K字节EEPROM存储空间； 6）三级加密程序存储器； 7)低功耗空闲和掉电模式； 8）掉电后中断可唤醒； 9）8个中断向量源；

10）时钟频率介于0Mhz和24Mhz之间； 11）通用异步串行口（UART）； 12）具有两个16位的定时／计时器。 引脚图见图3-1:

1234567891011121314151617181920U1P10P11P12P13P14P15P16P17RESETP30/RXDP31/TXDP32/INT0P33/INT1P34/T0P35/T1P36WRP37/RDX2X1GNDSTC89C52VCCP00P01P02P03P04P05P06P07EA/VPALE/PPSENP27P26P25P24P23P22P21P204039383736353433323130292827262524232221 6

图3-1 单片机管脚图

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STC89C51单片机引脚介绍如下： ① 主电源引脚（2根）

VCC(Pin40)：电源输入，接＋5V电源 GND(Pin20)：接地线 ②外接晶振引脚（2根）

XTAL1(Pin19)：单片机中振荡电路外部信号的引入接口。 XTAL2(Pin18)：单片机中振荡电路的输出接口。 ③控制引脚（4根）

RST/VPP(Pin9)：具有复位功能的引脚。若该引脚在规定周期内出现两个连续的高电平脉冲时，则对单片机进行初始化操作，恢复单片机原有的状态。

ALE/PROG(Pin30)：地址锁存允许信号。一般情况下，STC89C51单片机对外部信息访问时，ALE能够锁存低8位字节的地址，另外，ALE端的脉冲输出频率是振荡器输出频率的六分之一，具有定时、降低成本的作用。

PSEN(Pin29)：外部存储器信息读取信号。当单片机读取内部存储器信息时，PESN保持原有的状态，当单片机读取外部储存器信息时，PESN在每个周期内变化两次。

EA/VPP(Pin31)：对访问内部、外部信号进行控制。当这个引脚接低电平时，单片机将读取外部信息指令，当这个引脚接高点平时，单片机首先读取内部储存信息指令，一旦访问的地址范围大于内部储存器的范围时，单片机将自动读取外部储存信息指令。另外，当外部编译器对内部程序进行编译时，可输入编程电压VPP。

④双向I/O端口（4组）

STC89C51单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，对于每一组I/O端口而言都包含8个引脚，4组I/O端口一共有32个引脚[18]。

P0口（Pin39～Pin32）：P0端口是一个没有内部上拉电阻的8位双向输入、输出端口。此时该端口输出低电平为0，输出高电平则为高阻态，因此在众多情况下加上内拉电阻是非常有必要的。比如该端口作为普通的输入、输出端口或者该端口对NPN型管进行驱动时。另外，该端口还可以用作复用总线，提供8位数据和低8位地址。该端口的引脚依次命名为P0.0、P0.1,、P0.2、P0.3、P0.4、P0.5、P0.6、P0.7。

P1口（Pin1～Pin8）：P1端口是一个内部含有上拉电阻的8位双向输入、输出端口。该端口可同时对四个负载进行驱动，当输入1时为高点平，当该端口作为输入口时，被拉低的引脚可输出一个电流。该端口的引脚依次命名为P1.0、P1.1,、P1.2、P1.3、P1.4、P1.5、P1.6、P1.7。

P2口（Pin21～Pin28）：P2端口也是一个内部含有上拉电阻的8位双向输入、输出端口。该端口也可同时对四个负载进行驱动，当输入1时为高点平，可作为输入口。

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该端口的引脚依次命名为P2.0、P2.1,、P2.2、P2.3、P2.4、P2.5、P2.6、P2.7。

P3口（Pin10～Pin17）：P3端口同样也是一个内部含有上拉电阻的8位双向输入、输出端口。该端口同样可对四个负载进行驱动，当输入1时为高点平，当该端口作为输入口时，被拉低的引脚可输出一个电流。该端口的引脚依次命名为P3.0、P3.1,、P3.2、P3.3、P3.4、P3.5、P3.6、P3.7。

3.2单片机最小系统

单片机最小系统指的就是运用较少的元器件，组成一个能够正常运行的系统，一般情况下，我们把最小系统看作是应用系统的核心[19]。该系统包括STC89C51单片机，时钟电路，复位电路。该系统原理框图如下图3-2所示：

复位电路 时钟电路 I/O Stc89c51单片

图3-2 单片机最小系统原理框图

3.2.1时钟电路

晶振是STC89C51单片机系统中不可或缺的元件，就晶振供给的时钟频率角度而言，时钟频率越低，单片机系统的运行速度就越慢，时钟频率越高，单片机系统的运行速度就越快。晶振的存在主要是为单片机系统提供时钟信号的[20]。而对于STC89C51单片机的时钟信号而言，它包括内部时钟和外部时钟两种模式，如下图3-3所示是STC89C51单片机内部时钟结构框图。在单片机系统本身存在的振荡电路基础上，用晶振与单片机的18、19引脚相连接，然后再并联接入两个电容就构成了自激振荡器，此时便可产生单片机所需的时钟信号。两个电容的主要功能是稳频和加快振荡速度。电容数值的大小介于5pF和30pF之间，最常用的电容值是30pF，振荡频率的数值介于1.2Mhz和12Mhz之间，最常用的是6Mhz和12Mhz。

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18 30pF Y 1 19 30pF 图3-3 STC89C52内部时钟电路

3.2.2复位电路

在电路电源接通的前提下，如果STC89C51单片机的RESET引脚能够满足以下两个条件：1、从电源正极植入高电平；

2、高电平脉冲持续两个周期的时间。

那么单片机就会执行复位操作。另外，如果该引脚一直处于高电平植入状态，那么单片机内部将不断执行复位操作。对于复位电路而言，它分为自动复位电路和手动复位电路两种模式，而本设计采用的是自动复位电路，自动复位操作主要是通过电容的充放电功能来完成的，当电压的上升时间小于1ms时，单片机就可以完成自动复位[21]。本设计的自动复位框图如下3-4所示：

GND +5 R4 10K C3 10uf + 9

图3-4 STC89C51复位电路

RESET 3.2.3 STC89C51中断技术概述

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中断技术是由单片机内部的中断系统来实现的，它的主要作用是对主程序进行管理和监控，并且当中断系统发出中断指令时，单片机应及时作出响应并执行中断操作

[22，23]

。中断技术的具体操作步骤如下：首先由中断系统发出中断指令，然后对这一

指令进行判断，若中断指令被允许，那么单片机就停止执行现有的程序，接着执行并处理中断系统发出的中断指令，待到中断指令执行完成后，单片机再转到程序中断的地方，继续执行主程序。如下图3-5所示是程序中断的处理过程。

图3-5 中断过程

对于单片机系统而言，中断技术在其运行过程中发挥着重要的作用。假如单片机内部无中断系统，那么单片机在运行过程中就要对单片机系统中的服务请求进行查询，这样不仅浪费大量的时间，而且单片机的工作效率也大大降低了。故在单片机中采用中断技术是非常必要的。

3.3 nRF24L01无线模块设计

3.3.1 nRF24L01概述

本设计采用NRF24L01无线通信模块实现母机、子机之间的通信，它是由 nRF24L01芯片制作而成的，nRF24L01无线收发器芯片的工作频率在ISM频段规定的范围内，一般介于2.4GHz和2.5GHz之间，可对近距离无线信号进行单向发送和单向接收。同时，该芯片具有体积小，功率损耗低，实用性强，性能稳定，电路结构简单等优点，另外，该芯片还采用了高斯频移键控GFSK的调制方式，并在芯片内部创建了链路层，为此该芯片能够实现很多功能，比如自动应答、自动重发、地址码检测、循环冗余校验码检测等[24]。该芯片的数据传输速率为1Mbit/s或者2Mbit/s，一般采用串行外围接口SPI与微控制单元相连接的方式设置芯片参数，以便更好进行数据传输，对于串行外围接口而言，

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它的传输速率一般介于0Mbit/s到8Mbit/s之间，工作电压介于1.9V到3.6V之间，并且它还拥有125个射频传输信道供我们选择[25]。另外，针对无线通信模块而言，它主要是由频率发生器增强型SchockBurstTM模式控制器功率放大器、时钟处理器、晶体振荡器调制器、频率合成器、解调器输出功率信道的选取以及协议的配置组成。此模块进行信号收发时，消耗的电流较低，调查数据如下：当无线收发模块进行信号发送时，消耗的电流量是9.0mA，在对信号进行接收时消耗的电流量是12.3mA，特别是在空闲模式或者关机模式下该模块消耗的电流量更少。

随着时代的进步，科学技术的发展，nRF24L01芯片在无线通信领域发挥的作用越来越大，应用领域也越来越广泛。nRF24L01芯片不仅被运用到键盘、鼠标等小型设备中，而且还用到日常生活中的防盗系统、遥控系统、勘测系统等大型设备中。另外，由于人们对无线传输的要求愈来愈高，nRF24L01芯片技术也不断得到更新和完善，当前国内外无线研究技术组织对nRF24L01芯片技术进行创新，并在某些领域取得了较好的成果。故本设计采用具有2.4G技术的nRF24L01无线发送和接收模块进行短距离通信，这样更能保证传输的安全性和可靠性。 3.3.2引脚功能及描述

nRF24L01的电路图引脚如图3-6所示。

图3-6 NRF24L01引脚图

各引脚功能如下：

CE：传送数据RX或接收数据TX模式选择；

CSN，SCK，MOSI，MISO：串行外围接口，用于与nRF24L01芯片相连接；

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IRQ：中断引脚； VDD：电源输入端； VSS：电源接地端；

XC2，XC1：晶体振荡器模拟输出、输入引脚； VDD_PA：为射频的功率放大器提供+1.8 V电源； ANT1,ANT2：天线接口； IREF：参考电流输入引脚。

通过以上对nRF24L01引脚功能的研究与分析，再加以对设计模型的考虑，制作出了本设计的pcb图及其实物图，如下图3-7所示：

图3-7 NRF24L01模型图和实物图

3.3.3 nRF24L01射频芯片特性

一、射频通道

nRF24L01的工作频率可选择的范围是2.400GHz到2.483GHz，每个频道的带宽是1MHz（1Mbps速率）或2MHz（2Mbps速率），nRF24L01无线射频通道的工作频率是由六位寄存器RF_CH确定的，并且射频通道的工作频率将对射频通道运用的中心频率起到决定性作用。我们可由下列公式计算出射频通道工作频率即：F0=（2400+RF_CH）MHz。

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对于射频通道而言，如果发送端和接收端的射频通道设定不相同即它们不在一个信道内传输，那么两者就不能实现通信。为此我们在收发信号时，应当把两者的射频通道设定为同一条，才能实现通信。但是对于具体的情况还需具体分析，比如当射频通道的带宽是2MHz时，我们必须设定RF_CH寄存器的内容不大于2，否则将影响发送端和接收端之间的通信。

二、工作模式

通过对寄存器PWR_UP,PRIM_RX和使能端CE引脚的设定，我们可以把nRF24L01设定为四种模式，包括发送模式，接收模式，空闲模式和关机模式，如下表3-1所示：

表3-1 nRF24L01工作模式表

模式 接收模式 发送模式 发送模式 PWR_UP PRIM_RX 1 1 CE 1 FIFO寄存器状态 — 数据在TXFIFO寄存器中 停留在发送模式直到数据发送完 1 0 0 0 — — 1 1→1 1 1 0 0 1 0 — 空闲模式Ⅱ 空闲模式Ⅰ 关机模式

TXFIFO为空 无数据传输 — 三、数据包处理方式

对nRF24L01无线发送和接收模块而言，它采用两种方式对数据包进行处理，一种是ShockBurstTM模式，另一种是增强型ShockBurstTM模式，这两种数据包的处理方式都是将微控制单元MCU与nRF24L01无线发送和接收模块通过串行外围接口SPI相互连接起来[26]。

（1）ShockBurstTM模式

当运用ShockBurstTM模式对信号进行接收时，如果接收端收到准确的地址和数据，那么这时接收端通过中断请求IRQ告知微控制单元MCU信息已准确收到，接着微控制单元通过RXFIFO寄存器读取接收到的地址和数据。运用这一模式进行数据和地址发送时，可以自动生成循环冗余校验码，当数据完全

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发送完毕后，接收端的中断请求IRQ告知微控制单元MCU信息已发出，这样就能大大减少了微控制单元MCU对信息确定性的查询时间，从而提高了工作效率。另外，在nRF24L01无线通信模块的内部含有两类寄存器，一类是RXFIFO寄存器，另一类是TXFIFO寄存器，无论是在收发模式，关机模式还是在空闲模式下，微控制单元MCU都可以对FIFO寄存器进行访问。

（2）增强型ShockBurstTM模式

对于增强型ShockBurstTM模式而言，它在保持微控制单元MCU工作量的基础上，又同时拥有自动应答功能和自动重发功能。它的主要流程为：首先由发送端发出信号，当接收端接收所发出的地址和数据，则通过自动应答功能对发送端进行回复，然后发送端对反馈信息进行检测。若信息检测无误，那么发送端继续发送下一条信息，如果信息检测有误，那么就执行自动重发功能，直到信息传输无误为止。另外对于增强型ShockBurstTM模式下的应答和重发功能都是自动运行的，无需人工操作。由此可以看出采用增强型ShockBurstTM模式对数据包进行处理具有功率损耗低、成本低、抗干扰性强等优点。

经过综合考虑，因此本设计我们采用增强型ShockBurstTM模式对数据包进行处理。

四、自动应答功能

自动应答功能主要是为信息接收端服务的。自动应答功能指的是当接收端接收到信号时，那么接收端便自动对发送端进行信息反馈，以便很好的对信息的准确性进行检测。当信息确认无误后，系统便进入正常工作状态。这个功能在很大程度上降低了微控制单元MCU的工作量，减少了电流损耗，大大提高了工作效率[27]。

五、自动重发功能

自动重发功能主要是为信息发送端服务的。当发送端检测到接收端反馈信息无误时，那么随后系统将进入正常工作模式，若发送端没有要发送的数据时，这时发送端则进入空闲模式下。一旦检测到反馈信息出现错误时，这时系统自动返回到发送模式对错误数据进行重新发送，直到数据准确无误为止

[28]

。

六、数据包格式，数据包识别PID及其循环冗余CRC校验 增强型ShockBrustTM模式下的数据包格式如下表3-2所示： 前地址（3~5字节） 9位（标志位） 数据（1~32字节） CRC（0/1/2） 校验导码

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ShockBurstTM模式下的数据包格式如表3-3： 前导码 地址（3~5字节） 数据（1~32字节） CRC（0/1/2） 校验前导码的作用主要是对脉冲编码0或1进行检测，在进行数据传输时加上前导码，而在数据接收端则把前导码除去。

地址主要是指的接收地址，地址宽度介于3个字节到5个字节之间，当数据进行传输时，数据包在信道中可自行配置地址，而在接收端再把配置地址自动去除。

标志位一共有9位，其中两位代表数据包识别位，其他7位保留以满足将来产品所需。数据包识别PID的主要作用就是为了对新数据包和旧数据包进行区分，当接收到新数据包时，PID值加1；反之，PID值保持不变。

数据位介于1字节到32字节之间，在通信过程中，必须保证发送端和接收端数据位数相同，否则接收端接收错误。对于接收到的数据宽度一般通过RX_PW_Px寄存器进行设定，x的取值介于0到5之间。

循环冗余校验码CRC的作用主要是对信息的准确性进行检测，，以便保证信息的完整性和可靠性。检测的部分主要包括地址、PID和有效数据等，如果循环冗余码出现错误时，那么接收端则不对数据包进行接收。

下图3-8是数据包识别PID的生成和检测框图：

图3-8 数据包识别PID的生成和检测框图

由上图可得出以下结论：

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（1）发送端：每当发送一个新的数据包，PID值就会加1。

（2）接收端：对于接收端而言，让新接收的数据包PID值与上次接收数据包的PID值进行比较，假如两次PID值不相同，则认为此数据包为新数据包，系统对其进行接收。假如两次PID值不同，然后再对两次循环冗余码CRC进行比较，如果两者相同，则认为是旧数据包直接丢弃。若循环冗余码CRC不同，则认为是新数据包，系统对其进行接收。

七、载波检测

在采用增强型ShockBurstTM模式进行数据包处理时，载波检测将发挥很重要的作用。在数据包传送过程中，如果数据包丢失率增加，那么这时我们就在接收端对传输通道CD值进行检测，当CD值为高电平时，表明此通道传输数据过多，出现拥塞现象，这时我们采取的方式就是改变传输通道。当CD值为低电平时，表明此通道可进行正常的数据传输。

八、数据通道

当nRF24L01无线通信模块设置为接收模式时，接收端可同时对六路通道不同，地址不同，速率相同的数据进行接收。对于数据通道而言，它是由寄存器EN_RXADDR来设定的，一般情况下，只有通道0和通道1处于开启状态。另外，这些数据通道都通过寄存器RX_ADDR_Px赋予各自不同的地址（x的取值为0到5，其中RX_ADDR_P0和RX_ADDR_P1的地址是40位，RX_ADDR_P2到RX_ADDR_P5的地址为32位共用地址再加上各自调节的低8位地址）[29]。

3.3.4 nRF24L01发送程序设计

当nRF24L01无线通信模块发送数据时，起初应该把nRF24L01设定为发射模式，然后通过串行外围接口SPI将nRF24L01无线通信模块与STC89C51单片机相连接，紧接着将接收节点地址TX_ADDR以及有效数据TX_PLD按照先后顺序输入到nRF24L01无线通信模块的储存器中，在这一过程中，对于接收节点地址TX_ADDR只需输入一次就行了，而对于有效数据TX_PLD则必须在满足CSN为高电平的条件时连续输入。接下来设定CE引脚为高电平并且维持10μs以上，最后经过130μs后再对数据进行发送。如果nRF24L01无线通信模块的接收端打开了自动应答模式，那么数据发送后就等待接收端信号的回应，通过接收端的反馈数据对信息的准确度进行判断，如果反馈的地址与发送的地址相一致，那么数据传输成功，这时设定TX_DS为高电平并把TX_FIFO寄存器中的数据删除：但是假如接收端反馈的地址与发送的地址不相符合，此

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时保留TX_FIFO寄存器中的数据，发送端通过自动重发功能对数据进行发送，直到数据传输成功或者重发次数ARC大于设定的值；如果发送次数大于设定的值，那么这时就把MAX_RT或者TX_DS设定为高电平，把中断请求IRQ设定为低电平，通过数据接口告知微控制单元MCU，然后微控制单元进行处理，直到数据传输成功[30]。那么发送端和接收端通信成功后，如果还有数据需要发送，那么系统就进入正常收发模式，如果没有数据需要发送，那么系统就进入空闲模式。如下图3-9所示是nRF24L01发送数据的时序图：

图3-9 nRF24L01发送数据时序图

3.4 声光报警模块设计

3.4.1灯光提示电路

+5D2LEDYR12.2KP37

图3-10 灯光提示电路

发光二极管英文缩写为LED，它能够将电能转化为可见光，具有转化率高、热量低、体积小、功耗低、寿命长、环保、应用领域广泛等优点。本设计采用发光二极管与电阻串联的形式作为灯光提示电路，当物品丢失的时候，给予人们灯光警示。在此串联电路中，由于电源供电电压为+5V，而发光二极管的供电电压为+3V，因此串

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联一个电阻起到分压的作用。 3.4.2声音报警电路

+5F12ABBUZZERFR12.2KQ19012GND 图3-11 声音报警电路

蜂鸣器指的就是一种能够发出声音的电子器件，它是采用直流电压供电的方式对蜂鸣器进行供电的。按照结构原理可以分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种，根据驱动方式的不同可以 分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器，有源蜂鸣器是由直流电压驱动的，而无源蜂鸣器是由方波驱动的。它的应用领域广泛，主要运用到电话，汽车内部设备，报警器等电子产品中[31]。结合上图可知本设计的声音报警电路是由一个PNP型三极管，一个有源蜂鸣器和一个限流电阻组成。此电路采用PNP型三极管，Q1只起到开关的作用，当基极输入低电平时，三极管被导通，蜂鸣器发出报警声，而当基极输入高电平时，三极管停止工作，蜂鸣器不发出报警声。当物品丢失时，该电路给予人们声音报警警示。

3.5震动报警模块设计

R2GND68M13v-+5Q19012R1

2.2K图3-12 震动报警电路

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由上图可知震动报警电路主要由两个电阻，一个电机，一个PNP型三极管和一组偏心块组成。可调偏心块安装在电机转子轴的两侧，当电机旋转时，偏心块就会产生激振力，当转子的平衡量超出设定的范围时，电机就会震动。而且转子超出平衡量越大，电机震动就会越剧烈。本设计选用3v震动电机来提醒主人防丢，更加增加了设计的可靠性。

3.6按键模块设计

对于按键来说，它可以分为独立按键和矩阵式按键两种模式，独立按键具有结构简单，系统稳定性强的优点，而矩阵式按键结构较复杂，不适合用在简单的电路中。通过考虑本设计的实际状况，最终决定使用独立式按键。

本设计按键模块的主要作用是母机对子机的查找。当按下母机上的按键时，子机就会出现灯光报警和声音报警。它的工作原理主要是当按下按键时，就会在单片机的输入、输出接口输入低电平，那么此时单片机出现短路状态，母机和子机之间不能进行正常通信。而当按键维持现状的情况下，单片机的输入、输出接口输入的是高电平，此时能够保持母机和子机进行通信。

另外，在按键的过程中会出现抖动现象。解决这种现象的方式一般分为硬件去抖动和软件去抖动。硬件抖动就是我们平常所说的电平不稳定，这种抖动持续的时间范围是10?200ms。硬件去抖动就是及时对硬件电路进行处理，而软件去抖动则是跳过抖动的时间，等到按键保持稳定的时候，再对其进行处理[32]。本设计采用的是软件去抖动的方式。软件去抖动是这样实现的，当有低电平出现时对其进行延迟，延迟时间保持10?200ms，之后，再对输入、输出接口进行检测，如果此时值为1，则把它当做干扰信号，如果值为0，则执行相应的程序。如下图3-13所示是按脚模块的电路部分。

S1P17SW-PBGND

图3-13 按键电路

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4 软件系统的设计 4.1软件介绍

Keil C51是进行C语言编写，调试、运行的有效平台，是由美国公司Keil Software开发研制的，另外，C语言具有结构规范，可读性强，容易维护与调试，使用简洁方便等优点[33]。我们采用这两种语言进行一个模块的编程就能够深刻体会到两种语言的差别。Keil C51这个软件包括大量的库函数，标准的编程界面以及完整的开发工具、调试工具。这个软件使用简单方便，运行速度较高，尤其在大型软件的开发、研制中更能体现出Keil C51软件的强大功能[34]。下文将详细介绍Keil C51软件。KeilC51软件界面如图4-1所示：

图4.1 KeilC51软件界面

Protel99SE是PORTEL公司在80年代末推出的EDA软件。Protel99SE软件能够用于电路原理图、印刷电路板的设计，具有功能强大，简单易掌握的优点，是当今网络最受欢迎的设计软件。同时它完成32个信号层，16个电源地层及其16个加工层的设计。

Protel99SE软件的特点：

（1）提供不同格式的电气网络表高达30种； （2）强大的全局编辑功能； （3）可以器件的同步管理与使用；

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（4）可同时运行原理图及其PCB并且对器件，网络等进行搜索与查找； （5）不仅可以对元器件进行正向标注，而且还能够反向标注，这样使得原理图与PCB保持整体上的一致性；

（6）符合国际设计标准，简单容易掌握；

（7）它可以同时完成32个信号层，16个电源地层及其16个加工层的设计，最终生成ＪＥＤ格式的文件；

（8）具有严格的设计规则和环境；

（9）智能覆铜功能，覆铀可以自动重铺；

（10）供给丰富的设计原理图及其电路板的标准模板。

4.2 nRF24L01发送流程图设计

如下图4-2所示是nRF24L01发送端的流程框图。

图4-2发送模式软件流程图

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4.3nRF24L01接收流程图设计

如下图4-3所示是nRF24L01接收端的流程框图。

图4-3接收模式软件流程图

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4.4母机流程图设计

母机流程图如图4-4所示

4-4母机流程图

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4.5子机流程图设计

子机流程图如图4-5所示

4-5 子机流程图

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5 系统的调试及实验结果 5.1调试流程

硬件调试：检测硬件电路的焊接是否牢固，若出现漏焊或者焊接中出现粒尖、桥接的现象，对其进行重新焊接。要求焊点即牢固又美观，以保证硬件电路的完整性以及可靠性。

软件调试：首先将编写好的程序在keil软件中重新编译，确定程序编写无误，接着把程序生成.HEX的格式，然后将调试好的程序烧录到NRF24L01无线通信模块中。

最终我们将硬件电路和软件编程结合起来，在防丢器的使用环境中进行测试。

5.2实验结果

通过实验我们实现了防丢器的目标。在母机和子机的距离在10m之内时，NRF25L01无线通信发送端和接收端可以进行正常通信；当母机和子机的距离超过10m时，母机出现声音报警和震动报警，子机出现声音报警。为此我们还做出了数据测试表和实物模型图，如下表5-1和下图5-1所示：

表5-1 数据测试表

测试数据 主机端电流 从机端电流 供电电压 主机端功率 从机端功率 收发距离 数值 44mA 38mA 4.2~5.8V 0.22W 0.19W >10m

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图5-2实物模型图

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6 结论

本设计以stc89c51单片机为控制核心，以采用2.4G技术进行短距离通信的NRF24L01无线发送和接收模块为主要传输模块，在完成对实物模型焊接的基础上，对各个模块进行编程并进行多次调试，最后通过焊接好的硬件电路与调试好的程序相结合实现了在规定距离内，母机、子机进行正常传输，另外，当子机和母机没有超出规定的距离时，我们还可以通过按键查找子机。一旦母机、子机超出规定的距离，母机就会出现声音报警和震动报警，子机出现声音报警。虽然在本次设计中我们取得了一定的成绩，但是我们也在设计的过程中遇到了很多难题。比如NRF24L01无线发送和接收模块程序的编写、调试，硬件电路的设计及其原理图的设计。然而这次设计却让我们对无线传输有了更加深刻的理解，对软件编程有了更深一步的掌握。同时通过这次设计也增强了我们独立学习的能力、动手能力，、思考问题的能力，也开拓了我们的创新能力。

通过对相关资料的调查和分析，我完成了本课题的设计并实现了防丢器的预期功能，现将工作总结如下：

一、本设计内容重点

（1） NRF24L01无线传输模块的调试。 （2） NRF24L01的各种操作命令。 （3） 单片机C语言的熟练。

二、研究展望

本课题研究的防丢器具有价格低廉、结构简单、方便使用、实用性强等优点，该产品在当代生活中发挥的作用越来越大，使用的领域也越来越广泛，尤其是在噪杂的人群中，防丢器的震动报警功能效果更加凸显，很好的保护了人民的珍贵物品，减少了儿童丢失事件的发生。

随着时代的进步，科学技术的迅速发展，防丢器正朝着功耗更低、价格更低、可靠性更好、体积更小、实用性更强、造型更加美观方向发展。因为受自己所学知识的限制，致使该防丢器存在着很多缺陷和不足，本设计只能对短距离丢失的物品起到警示作用，而不能真正起到防丢作用，比如一个物品丢失了，而我们只知道物品已丢失，但是我们却不能确定物品丢失的位置，如果在现有防丢器的基础上安装GPS定位系统，那么该防丢器的设计就更加完美了。另外，我们所设计的防丢器是用电池进行供电的，一般情况下，电池的寿命较短，因此，设计一个能够长时间供电的物品是防丢器未来发展的必要趋势。

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7 致谢

这次毕业论文能够成功撰写，我要感谢我的导师汪教授，因为从始至终他一直对我照顾有加，很有耐心的指导我。在论文初步撰写的时候，他帮助我选择题目，并给分析本篇的重点、难点，另外他还帮助我查阅资料。同时他还抽出空闲的时间反复查看我的论文进展状况并给我进行细致的修改，这些为我顺利完成毕业论文打下了坚实的基础。

汪教授性情温和，和蔼可亲，有高超的思维能力，敏锐的洞察力，勤勤恳恳的工作态度，积极乐观的生活态度，严谨的科学态度，知识丰富，学问深广，耐心教导他人堪称师者模范，他深深打动着我，激励着我，让我一路前行，他是我一生学习的榜样。

最后，我要感谢我们学院的领导和老师，是你们给我提供那么好的学习环境，在我学习困难时给予我无私的帮助，谢谢你们对我的鼓励和支持，同时我还要感谢那些与我一起学习，一起奋斗的同学们，谢谢你们在我紧要关头给我信心，给我力量。再次感谢你们！

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