基于NRF24L01无线温度测量系统的设计与实现毕业论文—(终稿)（可编辑）1.docx
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基于NRF24L01无线温度测量系统的设计与实现毕业论
文一（终稿）
学号
毕业设计（论文）
基于NRF24L01无线温度测量系统的设计与实现 教学系:
信息工程系
指导教师：
••平
专业班级：
电信1081
学生姓名：
••枫二零一二年六月
附件1
毕业设计论文任务书
学生姓名••枫专业班级
指导教师袁丽平工作单位信息工程系
设计论文题目：
基于NRF24L01无线温度测量系统的设计与实现设计（论文）主要内容：
在粮库温控系统、冷库温控系统、智能化建筑监控系统、中央空调系统等众多应用领域都需要多点温度测量技术。
传统的有线多点温度测量系统，不便于布设、维护和更新，同时安装线缆的真实花费可以达到几万元人民币。
无线通信却能很容易地跨跃这些障碍,并且不需要可见的线就能工作。
它可以穿越隔板和墙，并在建筑物之间建立链接。
它还能在很短的时间内安装好。
利用单片机、温度传感器和无线模块组成的专用无线测温系统由于具有结构简单、工作可靠、价格低廉的优势，而得到了广泛的应用。
NRF24L01是Nordic公司提供的一款工作在2.4GHz的无线通信芯片,采用GFSK调制，内部集成Nordic的EnhancedShockBurst协议，通信速度达2Mbps,提供标准SPI,方便与微控制器接口，结合DS18B20温度传感器即可方便的构建一个多点分布式智能无线温度测量系统。
主要任务：
1、完成温度测量系统的硬件设计
2、完成温度测量系统的软件编程
3、实现多点温度测量
时间安排：
1-—2周：
进行论文题目的调研
3周：
完成开题报告
4-—5周:
完成论文的总体方案设计
6?
9周:
进行论文软硬件设计
10?
H周：
系统调试
12-14周:
撰写论文、修改论文
15周:
准备答辩
必读参考资料：
1、电子技术基础模、数电
2、单片机的应用
3、传感器电路
4、proteus仿真
指导教师签名：
教研室主任签名：
盖章
附件2
毕业设计论文开题报告
题目 基于NRF24L01无线温度测量系统的设计与实现
学生姓名--枫专业班级电信1081班学号
1.目的及意义（含国内外的研究现状分析）：
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已经渗透到生活的各个方面。
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。
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许多重要领域,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。
在2.4GHz非授权频段上，目前已经云集了蓝牙、Wi-Fi、Zigbee等多个标准无线协议。
具有带宽高,双向传输,抗干扰性强,传输距离远,耗电少的优点,用于无线键鼠等室内场合。
Nordic公司等公司已成功推出NRF24L01芯片,2.4G全球开发ISM频段免许可证使用。
同时许多公司也相继推出基于NRF24L01的无线传输模块。
NRF24.L01模块是一款新型单片射频收发器件，工作于2.4GHz~2.5GHzISM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ShockBurst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-6dBm的功率发射时,工作电流也只有9mA;接收时,工作电流只有12.3mA,多种低功率工作模式使节能设计更方便。
至此这种基于此频段的通信方式已日渐趋向成熟。
同样随着传感器及电子电路的发展，集成的温度检测器件的完善性及集成性也得到了大大的提高。
类似美国DALLAS公司推出的数字测温芯片DS18B20层出不穷，国内外的研究在这方面的研究也趋近完善。
2.基本内容和技术方案：
在粮库温控系统、冷库温控系统、智能化建筑监控系统、中央空调系统等众多应用领域都需要多点温度测量技术。
传统的有线多点温度测量系统，不便于布设、维护和更新，同时安装线缆的真实花费可以达到几万元人民币。
无线通信却能很容易地跨跃这些障碍,并且不需要可见的线就能工作。
它可以穿越隔板和墙，并在建筑物之间建立链接。
它还能在很短的时间内安装好。
利用单片机、温度传
感器和无线模块组成的专用无线测温系统由于具有结构简单、工作可靠、价格低廉的优势，而得到了广泛的应用。
NRF24L01是Nordic公司提供的一款工作在2.4GHz的无线通信芯片，采用GFSK调制，内部
集成Nordic的EnhancedShockBurst协议，通信速度达2Mbps,提供标准SPI,方便与微控制器接口，结合DS18B20温度传感器即可方便的构建一个多点分布式智能无线温度测量系统。
本设计采用AT89C51单片机作为主控CPU,外加DS18B20温度采集模块、
NRF24L01无线收发模块和数码显示模块组成整个系统,如图1所示。
图1系统总体结构图
3.进度安排：
1-—2周：
进行论文题目的调研，查找、收集相关资料，进行分析、整理
3周：
结合自己对课题的思考,形成个人的观点,完成开题报告
4-—5周:
完成论文的总体方案设计
6?
9周:
进行论文软硬件设计
10?
H周：
系统调试
12T4周:
撰写论文、对论文进行反复修改，使毕业论文圆满完成
15周:
准备答辩
4.指导老师意见：
指导教师签名:
年月日
注:
1.开题报告应根据教师下发的毕业设计（论文）任务书,在教师的指导下由学生独立撰写,在学院规定时间内完成；
5.设计的目的及意义至少800字,基本内容和技术方案至少400字；
6.指导教师意见应从选题的理论或实际价值出发，阐述学生利用的知识、原理、建立的模型正确与否、学生的论证充分否、学生能否完成课题，达到预期的目标
郑重声明
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，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
本人签名：
韩剑枫日期：
目录
摘
要
•••••••••••••••••••••]
ABSTRAC
2
1绪
论
3
1.1研 究 背
景
3
1.2 课题的国内外研究状
况 3
1.3 本课题的研究内
容 4
2系统方案分析与选择论证 5
2.1系 统 方 案 设
计
5
2.1.1系 统 设 计 要
求
…5
2.1.2 主 控 芯 片 方
案
…5
2.1.3无线通信模块方案 5
2.1.4 温 度 传 感 方
案
…5
2.1.5 显 示 模 块 方
案
•••6
2.1.6 单片机与PC机通信模
块 6
2.2 系 统 方 案 确
……6
3无线温度采集系统的硬件电路设
计 8
3.1单片2.4GHzNRF24L01无线模
块 8
1.1.11.1 NRF24L01 芯 片 概
述 8
1.1.2引脚功能及描
述 8
1.1.3工 作 模
式
9
1.1.41.4 工 作 原
理
9
1.1.5配 置
10
3.1.6 NRF24L01 模 块 原 理
图 10
3.2温 度 采 集
端
11
3.3.1 采 集 单
兀
•••••••••]]
1.1.2控 制 单
元
15
1.1.3显 示 单
兀
19
1.1.4传 输 单
元
19
1.1.5报 警 单
元
20
3.3温 度 接 收
端
21
3.4电 源 管
理
21
3.4.1稳压电源的组
成
21
3.4.2电 源 设
计
22
3.5看 门 狗 电
路
22
3.6时钟电路和复位电路 23
4软件编制与程序实现
25
4.1系 统 软 件 设
计
25
4.1.1 上位机程序设
计
25
4.1.2 下位机程序设
25
4.2 程序设计语言的选
用 25
4.3 测温程序设计流
程
26
4.3 .1 主 程
序
26
4.3.2读出温度子程
序
26
4.3.3温度转换命令子程
序 28
4.3.4计算温度子程
序
29
4.5.5显示数据刷新子程序 29
4.4 无 线 通 信 协
议
……29
4.4.1 通 信 信
道
20
4.5.2 数 据 传 输 协
议
…29
5 系 统 仿
真
31
5.1 电源电路的仿
真
••31
6.1.1 +5V 电源电路仿
真 31
5.2发送端温度采集与显示仿真 31
5.3接收端LCD1602显示温度仿
真 32
6 总 结 与 展
望
33
7.1 系 统 调
试
33
7.2温 度 对
比
33
7.3总 结 与 展
望
33
参 考 文
献
35
附录
36
致谢
39
摘要
温度是一个非常重要的参数。
在工业、医疗、军事和生活等许多地方,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尤为必要。
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AT89C51控制DS18B20实现的无线温度测量系统。
通过简单的无线通信协议,实现可靠性与功耗平衡,该系统能实现对温度的检测，能够同时进行温度检测,是可以实现远程控制的无线温度检测系统。
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:
单片机无线传输NRF24101DS18B20
ABSTRACT
Temperatureisaveryimportantparameters.Intheindustrial,medicalandmilitaryandlifeandmanyotherplace,itneedstousethetemperaturemeasurementdevicetodetecttemperature.Thetraditionaldirectmeasurementwiringdoesnotmeettherequirements,especiallyin
someenvironmentalbadindustrialenvironmentandoutdoorenvironment,throughthedirectwiringmeasurementisnotpractical.SousingwirelesstransmissiontemperaturetestingisnecessaryAtpresentsomedesigncanrealizethewirelesstemperaturegathering,butthepriceistoohigh,itsbiggestweakness.Intheactualtemperaturecontrolprocessrequiresbothsystemhasstability,real-timeandtheneedtoreducepowerconsumption.Sothedesignofakindoflowpowerconsumptionwirelesstemperaturedetectionsystemisverymeaningful.ThispaperpresentsaUSESthemonolithicintegratedcircuitAT89C51controlDS18B20oftherealizationofthewirelesstemperaturemeasuringsystem.Throughthesimplewirelesscommunicationprotocol,realizethereliabilityandpowerbalance,thesystemcanrealizetothetemperaturedetection,cansimultaneouslydeterminethetemperature,canberealizedthewirelessremotecontroltemperaturedetectionsystem.Lowpowerconsumption,real-timewirelesstemperaturedetectionisthebiggestcharacteristicofthedesign.WirelesstransmissionusingNRF24L01moduletransmissionThesystemstructureissimple,reliable,lowpowerconsumption,lowcost,itisakindofwirelesssensorsolutions
Keyword:
MCUAT89C51wirelesstransmissionNRF24101DS18B20
1绪论
本章对基于NRF24L01无线温度测量系统的研究背景、研究意义进行了综合评述，对基于NRF24L01无线温度测量系统的国内外发展历史做了抛砖引玉式的回顾，通过目前国内外具有代表性的公司生产的波形发生器产品的比较，得出目前本课题在国内外的研究现状,在本章的最后明确了本设计的具体研究内容。
1.1课题的背景与意义
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、机器人控制等许多重要领域,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。
1.2课题的国内外研究状况
在2.4GHz非授权频段上，目前已经云集了蓝牙、Wi-Fi、Zigbee等多个标准无线协议,具有带宽高（2Mbps）,双向传输,抗干扰性强，传输距离远（短距离无线技术范围），耗电少的优点,用于无线键鼠等室内场合。
Nordic公司等公司已成功推出NRF24L01芯片,2.4G全球开发ISM频段免许可证使用。
同时许多公司也相继推出基于NRF24L01的无线传输模块。
NRF24.L01模块是一款新型单片射频收发器件,工作于2.4GHz~2.5GHzISM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ShockBurst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-6dBm的功率发射时,工作电流也只有9mA;接收时,工作电流只有12.3mA,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。
至此这种基于此频段的通信方式已日渐趋向成熟。
同样随着传感器及电子电路的发展，集成的温度检测器件的完善性及集成性也得到了大大的提高。
类似美国DALLAS公司推出的数字测温芯片DS18B20层出不穷，国内外的研究在这方面的研究也趋近完善。
1.3本课题的研究内容
本系统的设计采用了Nordic公司新推出的工作于2.4GHz频段NRF24L01射频芯片，由AT89C51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AT89C51为核心，使用温度转换芯片DS18B20实时采集温度并通过
NRF24101将采集的温度无线传送给接收部分，然后在LCD1602上显示,并通过串口发送到PC机上显示,通过蜂鸣器实现对温度过高或过低进行报警。
2系统方案分析与选择论证
2.1系统方案设计
2.1.1系统设计要求
根据本系统的应用环境,总结系统的技术要求如下：
1.体积小。
本系统主要用于测量粮库、蔬菜大棚等场所的温度，所以与传统的温度计相比,测温系统的体积要尽可能的小,这样才能减少占用的空间,而且更便于安装和更换。
2.可靠性高。
为了保证系统能够正常工作，并且尽可能减少测温误差,要求接收端与发射端之间的无线通信可靠。
而系统环境的影响可能会有不确定的电磁干扰等,因此,系统要有一定的抗干扰性能。
3.低成本。
无线测温系统应充分考虑其成本,在满足系统要求的前提下,应尽量降低成本,才能比同类产品具有竞争力。
2.1.2主控芯片方案
方案一:
采用传统的AT89c51单片机作为主控芯片。
此芯片价格便宜、操作简便，低功耗，比较经济实惠[1]o
方案二:
采用TI公司生产的MSP430F149系列单片机作为主控芯片。
此单片机是一款高性能的低功耗的16位单片机,具有非常强大的功能,且内置高速12位ADCO但其价格比较昂贵,而且是TPFQ贴片封装,不利于焊接,需要PCB制板，大大增加了成本和开发周期。
方案三:
采用宏晶科技有限公司的STC12C5A60S2增强型51单片机作为主控芯片。
此芯片内置ADC和SPI总线接口，且内部时钟不分频,可达到IMPS。
而且价格适中。
考虑到此系统需要不用到ADC,从性能和价格上综合考虑我们选择方案一,即用AT89C51作为本系统的主控芯片。
2.1.3无线通信模块方案
方案一:
采用GSM模块进行通信,GSM模块需要借助移动卫星或者手机卡，虽说能够远距离传输，但是其成本较大、且需要内置SIM卡,通信过程中需要收费,后期成本较高。
方案二:
采用TI公司CC2430无线通信模块，此模块采用Zigbee总线模式，传输速率可达250kbps,且内部集成高性能8051内核。
但是此模块价格较贵，且Zigbee协议相对较为复杂。
方案二:
采用NRF24L01无线射频模块进行通信,NRF24L01是一款高速低功耗的无线通信模块。
他能传输上千米的距离（力口PA）,而且价格较便宜，采用SPI总线通信模式电路简单,操作方便。
考虑到系统的复杂性和程序的复杂度,我们采用方案三作为本系统的通信模块⑵。
2.1.4温度传感方案
方案一:
采用AD590是美国ANALOGDEVICES公司的单片集成两端感温电流源。
AD590测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路,广泛应用于不同的温度控制场合由于AD590精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶的冷端补偿。
但其需要用到差分放大器放大和A/D转换,需要原件多。
方案二:
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［3］。
使用DS18B20线路简单,编程容易,但是比AD590精度低。
AD590还需要其它辅助电路,线路复杂,编程难度大，但是温度精确。
考虑到电路的设计,成本,还有多点通信,我们选择方案二,即用DS18B20作为本系统的温度传感器。
2.1.5显示模块方案
方案一:
选择主控为ST7920的带字库的LCD12864来显示信息。
12864是一款通用的液晶显示屏,能够显示多数常用的汉字及ASCII码，而且能够绘制图片,描点画线,设计成比较理想的结果。
方案二:
采用字符液晶LCD1602显示信息,1602是一款比较通用的字符液晶模块,能显示字符和数字等信息,且价格便宜,容易控制。
方案三:
采用LED7段数码显示管显示,其成本低,容易显示控制，但不能显示字符。
综合以上方案,我们选择了经济实惠的字符液晶LCD1602来作为接收端的显示,发送端用7段数码管显示。
2.1.6单片机与PC机通信模块
采用RS-232串口与PC机通信。
RS-232串口是个人计算机上的通讯接口之一，由电子工业协会ElectronicIndustriesAssociation,
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