基于nRF24L01温度检测系统的设计

技术报告

无线温度检测系统的设计

电子通信工程学院电子系

2016年 12 月 9

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设

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指导教师

摘要

温度是一个非常重要的参数。在工业和生活等许多地方，都需要用到测温装置来检测温度。传统直接布线测量不满足要求，特别是在某些环境恶劣的工业环境和户外环境，通过直接布线测量不现实。因此采用无线传输温度检测极为必要。

目前有些设计能够实现无线温度采集，但价格过高是其最大的缺点。在实际温度控制过程中既要求系统具有稳定性、实时性又需要降低功耗。因此设计一种低功耗的无线温度检测系统很有意义。本文提出一种采用单片机STC89C52控制DS18B20并通过简单的无线通信协议来实现温度的检测。低功耗、实时性的无线温度检测是该设计的最大特点。无线传输采用nRF24L01模块进行传输。

该系统结构简单，可靠，功耗较低，成本低，是一种无线传感器的解决方案。

关键字：单片机STC89C52 无线传输nRF24L01 DS18B20

目录

摘要 ...................................................................... I 前言 . (1)

1 总体设计 (2)

1.1方案论证 (2)

1.1.1主控模块的选择 (2)

1.1.2.温度传感器的选择 (2)

1.1.3.无线发射模块的选择 (2)

1.1.4.显示模块的选择 (3)

2 系统硬件设计 (5)

2.1 单片机控制模块 (5)

2.2 无线射频模块nRF24L01 (5)

2.2.1 nRF24L01引脚功能 (5)

2.2.2 工作模式 (6)

2.2.3 工作原理 (7)

2.2.4 nRF24L01模块与单片机的连接原理图 (8)

2.3 温度传感器 DS18B20 (8)

2.3.1 DS18B20管脚配置和内部结构 (9)

2.3.2 DS18B20的硬件设计 (9)

2.4 接收端显示模块 (10)

2.5 报警电路 (10)

2.6 电源模块 (11)

3 系统软件设计 (12)

3.1 单片机软件设计 (12)

3.1.1发送端软件设计 (12)

3.1.2 接收端软件设计 (13)

4 硬件电路板设计 (14)

4.1 系统硬件原理图 (14)

4.1.1 发送端原理图 (14)

4.1.2 接收端原理图 (14)

5 总结 (16)

附录： (17)

参考文献： (18)

前言

随着社会的进步和生产的需要，利用无线通信进行温度数据采集的方式应用已经渗透到生活各个方面。

在工业现场，由于生产环境恶劣，工作人员不能长时间停留在现场观察设备是否运行正常，就需要采集数据并传输数据到一个环境相对好的操控室内，这样就会产生数据传输问题。由于厂房大、需要传输数据多，使用传统的有线数据传输方式就需要铺设很多很长的通讯线，浪费资源，占用空间，可操作性差，出现错误换线困难。而且，当数据采集点处于运动状态、所处的环境不允许或无法铺设电缆时，数据甚至无法传输，此时便需要利用无线传输的方式进行数据采集。

在农业生产上，不论是温室大棚的温度监测，还是粮仓的管理，传统上都是采取分区取样的人工方法，工作量大，可靠性差。而且大棚和粮仓占地面积大，检测目标分散，测点较多，传统的方法已经不能满足当前农业发展的需要。当前的科技水平下，无线通信技术的发展使得温度采集测量精确，简便易行。

在日常生活中，随着人们生活水平的提高，居住条件也逐渐变得智能化。如今很多家庭都会安装室内温度采集控制系统，其原理就是利用无线通信技术采集室内温度数据，并根据室内温度情况进行遥控通风等操作，自动调节室内温度湿度，可以更好地改善人们的居住环境。

以上只是简单列举几个现实的例子，在现实生活中，这种无线温度采集系统已经被成功应用于工农业、环境监测、军事国防、机器人控制等众多重要领域，而且类似于这种温度采集系统的无线通信网络已经被广泛的应用到民用和军事领域。凡是布线繁杂或不允许布线的场合都希望能通过无线方案来解决。为此，需要设计相应的接口系统，控制这些射频芯片工作，完成可靠稳定的无线数据通信，这样的研究也变得更加有意义了。

本系统的设计采用了挪威Nordic公司新推出的工作于2.4GHz频段nRF24L01射频芯片，由STC89C52单片机控制实现短距离无线数据通信。该接口设计具有成本低、传输速率高、软件设计简单以及通信稳定可靠等特点。整个系统有发送和接收二部分，通过nRF24L01无线数据通信收发模块来实现无线数据传输。发送部分以单片机STC89C52为核心，使用温度转换芯片DS18B20实时采集温度并通过nRF24l01将采集的温度无线传送给接收部分，然后在LCD1602上显示，并通过蜂鸣器实现对温度过高或过低进行报警。

1总体设计

1.1方案论证

1.1.1主控模块的选择

主控模块作为整个系统的控制核心，其性能的好坏对系统工作的影响是非常重要的，经过翻阅资料，初步定为以下方案，即选用STC89C52单片机作为本系统的主控器件：

STC89C51的主CPU电路选用STC89C52RC系列单片机，STC89C52RC是采用8051核的ISP （In System Programming）在系统可编程芯片，最高工作时钟频率为80MHz，片内含8K Bytes 的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，具有在系统可编程（ISP）特性，配合PC端的控制程序即可将用户的程序代码下载进单片机内部，省去了购买通用编程器，而且速度更快。STC89C52RC系列单片机是单时钟/ 机器周期(1T)的兼容8051 内核单片机，是高速/ 低功耗的新一代8051 单片机，全新的流水线/ 精简指令集结构,内部集成MAX810 专用复位电路。

1.1.

2.温度传感器的选择

考虑到电路的设计成本，还有多点通信，我们选择以下方案，即用DS18B20作为本系统的温度传感器：

采用美国DALLAS公司生产的 DS18B20可组网数字温度传感器芯片，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。经济，方便。使用DS18B20线路简单，编程容易。

1.1.3.无线发射模块的选择

本次设计是基于无线设备的温度监测系统，所以，无线设备的稳定性和准确性非常的重要。经过总结，我们选用nRF24L01模块进行数据的无线传输。

nRF24L01是一款工业级内置链路层逻辑的2.4GHZ超低成本的无线收发芯片,nRF24L01支持多点间通信,最高传输速率达2Mbps,比蓝牙具有更高的传输速度。它采用SOC方法设计

只需少量外围元件便可组成射频收发电路。与蓝牙不同的是,nRF24L01没有复杂的通信协议,它完全对用户透明通过一个标准的SPI接口与外围控制器连接,同种产品之间可以自由通信,并且比蓝牙产品更便宜。所以nRF24L01是业界体积最小、功耗最少、外围元件最少的低成本射频系统级芯片。基于以上特点，该无线传输模块满足本次设计的需要。

1.1.4.显示模块的选择

至于显示模块，我们选择了经济实惠的字符液晶LCD1602来作为接收端的显示。

LCD1602是一款比较通用的字符液晶模块，显示字符和数字等信息，且价格便宜，容易控制。

本次设计的无线温度监控系统有上位机子系统（发送端）和下位机子系统（接收端）两个部分组成。

上位机子系统：

图1-1 发送端系统原理图

下位机子系统：

该系统主要由STC89C52单片机，nRF24L01无线射频模块，LCD1602液晶显示，DS18B20传感器，报警电路模块组成如图1-2所示。

图1-2 接收端系统原理图

2 系统硬件设计

2.1 单片机控制模块

单片机控制模块由STC89C52最小系统组成，其中包括单片机，晶振电路和复位电路。

（1）晶振电路：由两个30pF电容和一个12MHz晶体振荡器构成，接入单片机的X1、X2引脚。

（2）复位电路：单片复位端低电平有效

单片机最小系统如图2.1所示：

图2-1 单片机最小系统

2.2 无线射频模块nRF24L01

nRF24L01是一款新型单片射频收发器件,工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型Shock Burst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01功耗低,在以-6 dBm的功率发射时，工作电流也只有9 mA;接收时，工作电流只有12.3 mA，多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便。

2.2.1 nRF24L01引脚功能

nRF24L01的封装及引脚排列如图2-2 所示。各引脚功能如下：

图2-2 nRF24L01封装图

CE：使能发射或接收;

CSN，SCK，MOSI，MISO：SPI引脚端，微处理器可通过此引脚配置nRF24L01：IRQ：中断标志位；

VDD：电源输入端；

VSS：电源地；

XC2，XC1：晶体振荡器引脚;

VDD_PA：为功率放大器供电，输出为1.8 V；

ANT1,ANT2：天线接口；

IREF：参考电流输入。

2.2.2 工作模式

通过配置寄存器可将nRF241L01配置为发射、接收、空闲及掉电四种工作模式，如表1所示。

待机模式1主要用于降低电流损耗，在该模式下晶体振荡器仍然是工作的；

待机模式2则是在当FIFO寄存器为空且CE=1时进入此模式；

待机模式下，所有配置字仍然保留。

在掉电模式下电流损耗最小，同时nRF24L01也不工作，但其所有配置寄存器的值仍然保留。

表1：nRF24L01四种工作模式

2.2.3 工作原理

发射数据时，首先将nRF24L01配置为发射模式：接着把接收节点地址TX_ADDR和有效数据TX_PLD按照时序由SPI口写入nRF24L01缓存区，TX_PLD必须在CSN为低时连续写入，而TX_ADDR在发射时写入一次即可，然后CE置为高电平并保持至少10μs，延迟130μs 后发射数据;若自动应答开启，那么nRF24L01在发射数据后立即进入接收模式，接收应答信号（自动应答接收地址应该与接收节点地址TX_ADDR一致）。如果收到应答，则认为此次通信成功，TX_DS置高，同时TX_PLD从TX FIFO中清除;若未收到应答，则自动重新发射该数据(自动重发已开启)，若重发次数(ARC)达到上限，MAX_RT置高，TX FIFO中数据保留以便在次重发;MAX_RT或TX_DS置高时，使IRQ变低，产生中断，通知MCU。最后发射成功时,若CE为低则nRF24L01进入空闲模式1;若发送堆栈中有数据且CE为高，则进入下一次发射;若发送堆栈中无数据且CE为高，则进入空闲模式2。

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的地址和CRC时，就将数据包存储在RX FIFO中，同时中断标志位RX_DR置高，IRQ变低，产生中断，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。

在写寄存器之前一定要进入待机模式或掉电模式。如下图，给出SPI操作及时序图：

图2-3 SPI读写时序

2.2.4 nRF24L01模块与单片机的连接原理图

nRF24L01单端匹配网络：晶振，偏置电阻，去耦电容。

图2-4 nRF24L01单端50Ω射频输出电路原理图

2.3 温度传感器DS18B20

DALLAS最新单线数字温度传感器DS18B20简介新的"一线器件"体积更小、适用电压更宽、更经济Dallas 半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持"一线总线"

接口的温度传感器。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。DS18B20、DS1822"一线总线"数字化温度传感器同DS1820一样，DS18B20也支持"一线总线"接口，测量温度范围为-55°C~+125°C，在-10~+85°C范围内,精度为±0.5°C。DS1822的精度较差为±2°C 。现场温度直接以"一线总线"的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。

2.3.1 DS18B20管脚配置和内部结构

DS18B20的管脚和封装如下图2-4所示：

图2-4 DS18B20引脚及封装

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；

（3）VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。

2.3.2 DS18B20的硬件设计

DS18B20在本系统中与发送端单片机的P3.6连接。如图2-5所示：

图2-5 DS18B20硬件连接图

2.4 接收端显示模块

本设计在接收端部分采用LCD1602液晶显示模块来显示温度，P0由上拉电阻提高驱动能力，P1口的P1.1-P1.0作为液晶显示模块的使能信号EN，数据/命令选择RS。

图2-6 LCD1602液晶显示电路原理图

2.5 报警电路

当外界温度超过预设温度上下限时，为更加有效的引起用户的注意，及时关注温度的变化，本系统设计了声报警电路。该电路由蜂鸣器、LED灯和PNP三极管组成，具体电路如图2-7所示：

图2-7 报警电路

2.6 电源模块

本系统无线模块需要一个＋3.3V电源，因此我们采用AMS1117稳压片构成3.3V电源电路供给无线模块使用。相关电路如图2-8所示：

图2-8无线模块+3.3V电源供电电路

3 系统软件设计

3.1 单片机软件设计

3.1.1发送端软件设计

本系统发送端采用DS18B20温度传感器采集温度，经STC89C52收集处理数据，其中包括DS18B20和nRF24L01模块的初始化配置。软件流程图如3-1所示：

图3-1 发送端程序流程图

3.1.2 接收端软件设计

本系统接收端采用nRF24L01无线模块接收发送端传来的温度数据，经单片机STC89C52在LCD1602液晶显示器上显示。温度过高则报警电路工作。其中包括nRF24L01模块和LCD1602液晶显示器的初始化。流程图如图3-2所示：

图3-2 接收端程序流程图

4 硬件电路板设计

4.1 系统硬件原理图

4.1.1 发送端原理图

电源模块：由VCC提供+5V高电平，Power接口接入，经过AMS1117稳压片降压为+3.3V 电平，为nRF24L01模块提供高电平。

无线模块：无线模块由P2口控制。

温度采集模块：温度采集由DS18B20 I/O端接入单片机P3.6口。

单片机最小系统：X1，X2接外部振荡电路，RESET端接复位电路。EA端接高电平。

图4-1 发送端原理图

4.1.2 接收端原理图

接收端由单片机主控电路、USB电源+5V接入、无线模块供电电路、LCD1602液晶显示模块和报警电路组成。

单片机主控电路由STC89C52最小系统组成。

+5V电源由USB接口提供给单片机和其他模块。

LCD1602显示模块数据端接单片机P0口，RS，EN分别接单片机P1.0-P1.1。报警电路接单片机的P2.7脚。由一个NPN型三极管、LED灯和蜂鸣器组成。

图4-2 接收端原理图

5 总结

数据采集与处理是51单片机的常用领域，除了电信号以外，单片机还可以利用传感器实现对非电信号的采集。本设计介绍的数字温度计就是一个典型事例。本设计采用一种直接数字输入式的温度传感器DS18B20实现了单片机控制的数字温度计系统。基于DS18B20数字温度传感器构成的实时监控系统确实具有精度高、抗干扰能力强、电路简单等诸多优点，相比之下，传统的温度检测系统采用热敏电阻等温度敏感元件，热敏电阻成本低，但需要后续信号处理、经AD转换处理电路才能将温度信号转换成数字信号，这不但电路复杂，而且热敏电阻的可靠性也相对较差，测量温度的精度差，很难保证热敏电阻的一致性和线性，在应用中需要很好的解决引线误差补偿问题、共模干扰问题和放大电路零点漂移误差等技术问题。

本设计内容重点：NRF24L01无线传输模块的操作；DS18B20的各种操作命令；单片机和LCD1602显示。

研究展望：进入21世纪后，智能温度控制器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟温度控制器和网络温度控制器、研制单片测温控温系统等高科技的方向迅速发展。

1．提高温度控制器测温精度和分辨力在20世纪90年代中期最早推出的智能温度控制器，采用的是8位A/D转换器，其测温精度较低，分辨力只能达到2°C。目前，国外已相继推出多种高精度、高分辨力的智能温度传感器，所用的是9~12位A/D转换器，分辨力一般可达0.5~0.0625°C。为了提高多通道智能温控器的转换速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D转换器。

2．增加温度控制器测试功能新型智能温度控制器的测试功能也在不断增强。例如，采用DS1629型单线智能温度传感器增加了实时日历时钟（RTC），使其功能更加完善。DS1624还增加了存储功能，利用芯片内部256字节的E2PROM存储器，可存储用户的短信息。另外，智能温度控制器正从单通道向多通道的方向发展，这就为研制和开发多路温度测控系统创造了良好条件。

智能温度控制器都具有多种工作模式可供选择，主要包括单次转换模式、连续转换模式、待机模式，有的还增加了低温极限扩展模式，操作非常简便。对某些智能温度控制器而言，主机(外部微处理器或单片机)还可通过相应的寄存器来设定其A/D转换速率，分辨力及最大转换时间。

附录：

以下为焊接实物图