基于单片机的2.4G近距离无线通信系统设计

广西民族师范学院 王 靖 张贤国 黄灿胜

1 系统设计方案

系统的设计方案如图1所示，系统有2个监测点，分别为从机1和从机2，工作时，从机放置于被测环境中（如蔬菜大棚），单片机将传感器采集到的数据通过无线模块发送出去；主机安装在工作人员处，通过无线模块接收从机1和从机2发来的数据，经过单片机处理后在液晶屏12864上显示。

图1 系统设计方案

2 核心元器件简介

2.1 单片机STC89C52RC

单片机又称微控制器， 在一块芯片中集成了CPU、数据存储器、 程序存储器、定时器/ 计数器和多种功能的I/O（输入/ 输出）接口等基本功能部件，从而可以完成复杂的运算、逻辑控制、通信等功能。51单片机是对所有兼容Intel 8031指令系统的单片机的统称，被广泛应用于工业测控系统之中。STC89C52RC是我国宏晶公司生产的一种低功耗、低成本、高性能的8位微控制器，完全满足本项目的需要。

2.2 nRF24L01+模块

nRF24L01+是由NORDIC生产的工作在2.4GHz至2.5GHz的ISM频段的无线收发芯片，共有126 个1MHz 带宽的选频，采用SPI协议与单片机通信，工作电压范围1.9-3.6V，并具有数据自动重发，自动应答等功能，可通过软件设置2Mbps,1Mbps,250Kbps 三种数据波特率，是目前近距离无线通信的理想选择。该芯片有20个引脚，体积小，不容易焊接，芯片成本和模块差不多，所以本系统直接使用NRF24L01模块，如下图所示：

图2 nRF24L01+模块示意图

图3 SHT20传感器示意图

2.3 SHT20数字温湿度传感器

该传感器基于数字传感技术，体积小、响应迅速、低能耗、抗干扰能力强，性价比高，使该产品能够适于多种场合的应用。通过I2C总线协议与单片机通信，工作电压2.1-3.6V。

湿度测量范围：0～100%RH；湿度测量精度：±3%RH；

温度测量范围：-40～125℃；温度测量精度：±0.3℃。

2.4 液晶显示屏12864

LCD12864是一种内部含有简体中文字库的点阵图形液晶显示模块，内置8192个汉字和128个ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面，在单片机应用中得到了广泛使用。

3 系统硬件设计原理图

主机以单片机作为控制核心，AMS1117将5V转化为3.3V，给nRF24L01+模块和SHT20模块供电，可调电阻R2用来调节液晶12864的对比度。主机和从机的硬件原理图几乎一致，仅是主机不需要连接SHT20传感器。系统工作时，不同的从机通过地址进行区分。下图是用Altium Designer 09画的原理图：

图4 系统硬件原理图

4 系统软件设计思路

主机首先把nRF24L01+模块配置为接收模式，参照nRF24L01+数据手册可知，最多可以同时接收6路不同的通道，每一个通道使用不同的地址，共用相同的频率（使用跳频可以更好的避开干扰，但本文限于篇幅不讨论跳频）。

地址可以通过寄存器进行设置，通道0的40位地址自由配置，通道0-5的配置格式为：32位公共地址+8位各自的地址。例如从机1接收地址设为： { 0x34,0x43,0x10,0x10,0x01},主机设置寄存器EN_RXADDR为0X03，即打开通道0和1，分别用来接收从机1和从机2的数据；设置寄存器EN_AA使能自动应答，即发送应答信号确认数据收到。设置寄存器RF_SETUP可以配置传输速率和发射功率。 nRF24L01+收到数据后存储在寄存器中，可以通过判断寄存器的RX_P_NO位是哪一个通道接收到数据，并将数据分别存入数组data1[]，data2[]中，主机的程序流程图如图5所示。

图5 主机的程序流程图

图6 从机的程序流程图

从机1和从机2的程序除了发送地址不一样，其他都一样。首先参考数据手册的读写时序写出SHT20温湿度采集程序，然后把nRF24L01+设置为发射模式，在发射模式下，从机还需要接收主机发出的应答信号，所以接收地址要和发射地址一样以便收到正确的应答信号，从机的程序流程图如图6所示。

5 结论

根据原理图，用AD软件进行PCB布线，然后用热转印法制作3块电路板，在板上焊接好元器件，搭建硬件平台。把编好的程序（Keil 4+ C语言）烧录进单片机，调试无误后系统可正常工作。

通讯距离是无线模块的一个综合指标，受到很多条件和参数的影响，一般来说地点是否空旷，天线（PCB天线或者外置天线），输出功率大小，数据传输速率这四者的影响较大。通过本系统，在近距离内可以很好的实现数据传输，经实测，在空旷条件、功率为0dBm的前提下，设为2Mbps传输速率时，传输距离可达15米左右，1Mbps速率下30米左右，250Kbps速率下60米左右。在本文的基础上，如果想加大通讯距离，可选择加了外置天线和功率芯片的无线传输芯片，距离最远可达1100米。

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