基于NRF24L01的无线控制系统

基于NRF24L01的单片机无线控制系统的设计XXX，物理与电子信息学院摘要:随着智能化技术的发展，无线控制系统因功能实用，使用方便，减轻人工操作负担而得到了广泛的应用。因此设计一款可靠，操作简便的无线控制系统，对于提高工作效率，提升生活质量，降低人力成本有积极的意义。本系统以89C52单片机和NRF24L01无线通信模块为核心,旨在设计一个简单实用，低成本的无线控制系统，使其能够实现基本的无线控制功能。最后，通过实物制作和测试，验证其可行性。该系统具备成本低廉，工作稳定，适用范围广，操作简单等特点，实际应用前景十分广阔。关键词：NRF24L01；无线通信；单片机WirelesscontrolsystembasedonMCUandNRF24L01DingYueHu,CollegeofPhysicsandElectronicInformationAbstract:Withtherapiddevelopmentofintelligenttechnology,thewirelesscontrolsystemhasbeenwidelyadoptedandit’ssensefultodesignalowcost,reliableandeasy-usingsystem.ThissystemmainlybasedonNRF24L01wirelesscommunicationmoduleand89C52MCUcontrolmodule,thehostsendingdatathroughthewirelessmoduleandtheslavereceivingandtranslatingdatathentomakethecorrespondingdrivingmoduleaction,soitcanfinishsomebasiccontrolfunctions.Finally,weverifyitsfeasibilitythroughtheactualmakingandtesting.Thesystemhastheadvantagesoflowcost,stable,wideapplicationandsimpleoperation,withabroadprospectofapplication.Keywords:Wirelesscontrol；MCU；NRF24L01目录1引言……………………………………………………………………………12系统制作方案……………………………………………………………………12.1主机模块制作………………………………………………………………12.1.2单片机最小系统………………………………………………………22.1.3显示模块…………………………………………………………………42.1.4键盘模块…………………………………………………………………52.1.5无线收发模块……………………………………………………………52.2从机模块制作………………………………………………………………62.2.1设备驱动模块……………………………………………………………63系统软件调试……………………………………………………………………83.1程序工作原理………………………………………………………………93.1.1系统通信原理……………………………………………………………93.1.2程序工作流程……………………………………………………………93.2开发环境与调试工具………………………………………………………93.3程序编译与调试……………………………………………………………104系统测试与性能分析……………………………………………………………124.1系统通信测试……………………………………………………………124.2系统性能分析………………………………………………………………135.结论……………………………………………………………………………13参考文献…………………………………………………………………………13附录…………………………………………………………………………………141引言近些年随着信息化、智能化技术的发展，无线控制系统得到了广泛的应用，尤其是在逐渐兴起的智能硬件领域及物联网技术领域之中[1]。目前国家正在大力推广物联网产业，物联网是战略性新兴产业的重要组成部分，对加快转变经济发展方式具有重要推动作用，工业和信息化部还制定了《物联网“十二五”发展规划》，给智能家居系统领域的发展带来极大契机。作为物联网技术的重要组成部分，无线控制技术必然会得到极大的发展，具有无限的应用前景和市场。无线控制技术的广泛应用，不仅解决了需要人员亲临现场操作的问题，节省了人力成本，同时也克服了一些例如工作环境恶劣及场地限制因素的影响，给人们带来了极大的便利。从最常见的无线键盘鼠标、遥控灯光、无线抄表等，到无线智能家居和楼宇自动化，以及工业领域的无线控制设备等，可以说是渗透到了当今人们社会生产生活的方方面面[2]。尽管如此，由于无线控制类产品种类繁多，成本及功能可靠性，使用简便性差距悬殊，整体质量参差不齐。真正功能强大，操作简便，成本低廉的产品并不多见。正是基于此情况，设计一款性能和品质兼备，易用与实用并行的无线控制系统显得十分有市场价值，本论文就以该系统具体实物的制作和测试来证明其可行性。2系统制作方案本系统旨在设计一个基于nRF24L01无线模块和89C52单片机的，低成本，高稳定性，操作简单的无线控制系统[3]。无线模块在单片机的控制之下能够实现指令和数据的无线传输，使从机产生相应动作，从而达到远程控制的目的。综合考虑以上要求，整个系统的制作分别从主机和从机两个部分进行。下面来具体介绍：2.1主机主机主要功能是向从机发射控制命令以及显示从机当前的工作状态，具备相应的人机交互界面和接口。下面是主机结构图（图1.0）以及各模块介绍：图1.0主机结构图单片机最小系统nRF24L01无线收发模块键盘模块Nokia5110显示模块电源模块2.1.1电源模块电源模块功能是将交流220V市电转换为单片机需要的5V工作电压和无线模块工作需要的3.3V电压。为了缩短开发周期和使用方便，设计中由交流220V转直流5V的部分由市场上的电源模块来代替。考虑到单片机系统工作的稳定性，需要在5V电源输出端添加相应电容滤波电路，以滤除市电干扰。同时由于nRF24L01无线模块工作电压在1.9V-3.6V之间，超出这个电压就有被烧坏的可能，因此在还要用集成三端稳压芯片AMS1117-3.3进行降压，该芯片是一个正向低压降稳压器，在1A电流下压降为1.2V，同时内部集成过流保护和限流电路，能将5V的直流电压稳定在3.3V，这样能保证无线模块正常稳定工作。下面是该芯片引脚图与实物图（图1.1）：图1.1AMS1117-3.3引脚图及实物图2.1.2单片机最小系统单片机最小系统主要由电源、复位、晶振电路等部分组成，其原理图和制作的实物图分别如图1.2和图1.3所示。对于一个完整的电子设计来讲，首要问题就是为整个系统提供电源，电源模块的稳定可靠是系统平稳运行的前提和基础，51单片机虽然使用时间最早、应用范围最广，但是在实际使用过程中，一个和典型的问题就是相比其他系列的单片机，51单片机更容易受到干扰而出现程序跑飞的现象，克服这种现象出现的一个重要手段就是为单片机系统配置一个稳定可靠的电源供电模块。此最小系统中的电源可以通过上述电源模块中稳定的5V电源提供，也可使用计算机的USB口供给。图1.2单片机最小系统原理图图1.3单片机最小系统实物图单片机复位电路作用是把一个例如状态机初始化到空状态，原理是在单片机的复位引脚RST上外接电阻和电容，实现上电自动复位。当复位电平持续两个机器周期以上时复位有效。复位电平的持续时间必须大于单片机的两个机器周期。具体数值可以由RC电路计算出时间常数。复位电路由按键复位和上电复位两部分组成[4]，见图1.4所示。(1)上电复位：STC89系列单片及为高电平复位，通常在复位引脚RST上连接一个电容到VCC，再连接一个电阻到GND，由此形成一个RC充放电回路保证单片机在上电时RST脚上有足够时间的高电平进行复位，随后回归到低电平进入正常工作状态，这个电阻和电容的典型值为10K和10uF。(2)按键复位：按键复位就是在复位电容上并联一个开关，当开关按下时电容被放电、RST也被拉到高电平，而且由于电容的充电，会保持一段时间的高电平来使单片机复位。图1.4复位模块单片机系统里都有晶振电路，目的是产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，本系统为提高通信速率，使用11.0592MHz的晶体振荡器作为振荡源，由于单片机内部带有振荡电路，所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可，电容容量一般在15pF至50pF之间，电路见图1.5所示。图1.5晶振模块2.1.3显示模块显示模块我们采用了NOKIA5110液晶模块，相比于传统的显示模块LCD1602，它的优点有分辨率为84x48，可显示4行汉字；采用串行接口与主处理器进行通信，包括电源和地在内的信号线只有8条，大大减少了单片机I/O口的占用；同时支持SPI等多种串行通信协议，传输速率可达4Mbps，可全速写入显示数据。模块实物图和电路原理图如图1.5所示，该模块总有8个脚，其中：第1脚：RST——复位引脚第2脚：CE——片选信号第3脚：DC——数据/指令选择第4脚：DIN——串行数据输入线第5脚：CLK——串行时钟线第6脚：VCC——电源输入（3.3V和5V均可）第7脚：BL——背光控制端第8脚：GND——地线图1.5NOKIA5110模块实物及原理图NOKIA5110显示模块的工作原理如下，在单片机程序中事先定义好各字符的编码数组，如字符’A’的编码数组为{0x00,0x7C,0x12,0x11,0x12,0x7C},//A。通过SPI串行通信协议向DIN引脚写入该数组内数据，即可显示字符字符’A’，显示汉字和图形也是同样的道理。2.1.4按键模块按键模块是用户的输入设备，即通过按键使单片机发送不同控制指令。一般在单片机系统中按键模块有两种形式，一种是独立按键的形式，即每个按键占用一个I/O口，检测采用逐个扫描形式，常用在按键较少的情况。另一种是矩阵键盘的形式，目的是为了减少I/O口的占用，常用在按键数量较多的情况。检测方法有主要有两种，一种是“行扫描法”，另一种是“高低电平翻转法”。考虑到本系统需要的按键数目较少，故采用独立按键的形式。原理图及实物图如图1.6所示：图1.6按键模块2.1.5无线发射模块nRF24L01（或nRF24L01P）是一款工作在2.4~2.5GHz世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片。无线收发器包括：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、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13.5mA，掉电模式和待机模式下电流消耗更低[5]。因为在无线通讯应用中经常会遇到远距离通讯的要求，目前有一些nRF24L01无线模块在原设计上增加了PA（功率放大器）和LNA（低噪声放大器）的型号，如“nRF24L01+PA”等。在发射部分通过PA电路将nRF24L01最大0dBm的输出功率放大到+22dBm左右，同时在接收部分通过LNA电路增加接收信号的强度。通过这种方式可以有效的增加nRF24L01无线模块的通讯距离，在空旷环境下最高可增加到2km[6]。主机的无线模块功能主要是发送由单片机相应控制命令给从机，同时接收从机发来的状态数据交由单片机处理。其电路原理图和实物图如图1.7和1.8所示：图1.7nRF24L01原理图图1.8nRF24L01模块实物图这样主机部分就介绍完毕，制作完成后的主机模块如图1.9所示：图1.9完成后的主机模块2.2从机模块制作从机与主机是两个相对独立的模块，从机主