基于51单片机与nRF24L01无线测温通信系统设计

康乐为　徐丹

摘 要：文章将51单片机和nRF24L01技术有机结合起来，组成无线远程测温通信系统。系统由51单片机，DS18D20温度采集模块，LCD温度数据显示模块，nRF24L01无线数据收发模块组成。具有实现无线数据传输可靠稳定，低功耗，编程简单等特点。实践证明该系统能适应于多种环境温度的检测。

关键词：nRF24L01；温度检测；无线通信；单片机

目前，无线通信领域越来越广，如：wifi，蓝牙，安全防火系统，水产养殖系统，智能家居系统等等。凡是布线复杂或者不能布线的场合都希望通过无线方案解决。为此需要设计相应的接口系统，完成系统数据交互，实现系统控制功能等。本系统采用了DS18D20温度采集模块及Nordic公司新推出的工作于2.4GHz频段的nRF24L01射频芯片，并由超低功耗单片机控制实现短距离无线数据通信，打破了传统操作中距离受限的问题，使测温操作更易实现。系统框图如图1：

nRF24L01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，其工作速率为0～2Mb/s，最大发射功率为0dBm，其外围元件极少，内置硬件CRC（循环冗余校验）和点对多点通信地址控制，集成了频率合成器，晶体振荡器和调制解调器.它的主要特点如下：

1）低工作电压：1.9～3.6V低电压工作；

2）高速率：2Mbps，由于空中传输时间很短，极大地降低了无线传输中的碰撞现象；

3）多频点：125频点，满足多点通信和跳频通信需要；

4）超小型：体积小巧，5mm 5mm；

5）低功耗：当工作在发射模式时，发射功率为-6dBm，电流消耗为9mA，接收模式为12.3mA，掉电模式和待机模式下电流消耗更低。

6）低应用成本：nRF24L01的SPI接口可以利用单片机的硬件SPI口连接或用单片机I/O口进行模拟，内部有FIFO可以与各种高低速微处理器接口，便于使用低成本单片机.

nRF24L01芯片最突出的特点是有2种通信模式：DirectMode（直接模式）和ShockBurstMode（突发模式）.直接模式的使用与其他传统射频收发器的工作一样，需要通过软件在发送端添加校验码和地址码，在接收端判断是否为本机地址并检查数据是否传输正确.ShockBurstMode使用芯片内部的先入先出堆栈区，数据可从低速微控制器送入，高速（2Mb/s）发射出去，地址和校验码硬件自动添加和去除，这种模式的优点是：可使用低速微控制器控制芯片工作；?减小功耗；?射频信号高速发射，抗干扰性强；减小整个系统的平均电流.因此，使用nRF24L01芯片特有的ShockBurstMode使得系统整体的性能和效率提高。

nRF24L01工作原理图如图2所示：

2 硬件电路设计

2.1 DS18D20温度采集模块

温度部分采用数字温度传感器DS18B20测量温度，DS18B20的测温范围-55℃～+125℃，固有测温误差1℃。DS18B20可以程序设定9～12位的分辨率，精度为±0.5°C。在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度很快。DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。测量结果直接输出数字温度信号，以"一线总线"串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，

具有极强的抗干扰纠错能力，并且在出现较大温度误差的情况下可以适用DHT11的测温部分调整。本系统中温度传感器输出脚I/O直接与单片机的P1.1相连，外接4.7KΩ的上拉电阻到电源，采用外部电源供电。

2.2 LCD1602显示模块

LCD显示配置灵活，与单片机连接方便，通过读写操作时序即可完成。LCD显示块具有显示质量高、数字式接口、功耗少、超薄轻巧等诸多优点，因此在单片机应用系统中应用广泛，本系统的显示采用的就是LCD1602作为显示部件。

2.3 主控模块

本系统设计采用51单片机作为主控芯片，这是新一代高速，低功耗，超强干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟周期，采用11.0592MHz外部晶振起振，DIP40封装，内部集成EEPROM，用户应用程序空间为8K，支持ISP下载程序。串行通信时可软件选择UART/SPI模式，整个系统采用5V供电。除了上述主控芯片外，还要预留必要的功能模块驱动接口，主要包括：nRF24L01无线射频芯片接口，步进电机接口，LCD液晶接口，DS18B20，DHT11和其他的外部扩展接口.主控制电路主要由AT89S51单片机芯片复位电路及外设晶振电路组成。具体电路图如图3所示，该单片机的P1.4，P1.5，P1.6，P1.7口接无线收发模块的1、2、3、4引脚，通过SPI方式进行通信，P1.5，P1.6引脚分别收发图2中的数据。图3中J3作为串口及外部扩展使用，J4与无线收发模块连通，J5，J6为外部扩展接口，接LCD显示模块。

3.1 温度检测模块软件设计

DS18B20的测温原理遵循严格的单总线协议，以确保通信数据的准确性。DS18B20温度传感器与单片机P16口连接，液晶的RS端接P3.4口，RW端接P3.6口，EN使能端接P3.7口。然后开始初始化，分别把RW、EN拉低，设置显示模式，清除屏幕，将光标移到第一行第一个位置。单片机通过时序来写入和读出DS18B20中的数据。传感器复位后，接收应答信号，启动温度转换，等待温度转换完毕后，保存数据。如此反复，完成所有操作，其流程图如图3所示。

3.2 无线发射模块软件设计

在nRF24L01无线发送部分主程序中，首先进行初始化操作，通过配置模式对nRF24L01进行设置，主要包括发送的数据宽度、地址宽度、发送数据的地址和常用配置等。常用配置包括使能第一频道设置、通信方式设置、发送数据速率设置、晶频率设置、发送输出功率设置、频道设置和收发模式设置等。待初始化完成后，将nRF24L01设置为发送模式，进行发送数据。然后查看状态寄存器TX_DS是否为1，如果TX_DS为1则表示nRF24L01发送成功，并且1602液晶可以显示发送的数据；如果TX_DS不为1则代表nRF24L01发送不成功，程序返回重新发送。

3.3 无线接收模块软件设计

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地址时，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.

4 结束语

基于nRF24L01的温度检测系统拥有性能稳定、成本低、低功耗等特点，能够广泛应用于各类对温度要求较为特殊的环境下温度数据的检测

参考文献

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