论文总字数：17160字

摘 要

随着计算机技术与通信技术的迅猛发展,对我们方方面面产生了巨大影响.智能化的趋势,万物互联的潮流已经可以预见。传统的有线通讯技术由于无法避免物理走线的缺陷,电缆接口设备的不易移动，以及设备移动后将引起线路重新排布等一系列问题，而无线通讯技术具有的可移动，不受地理位置环境因素限制的特点能够很好的解决这类问题。

无线通讯技术有着广泛的应用，由于摆脱了物理线路的限制，获取信息资源的将不再受到环境的限制，从而许多设备能够实现远程控制。同时基于mcu的无线模块应用以其体积小，操作简单，适用范围广等优点使得在日常生活中越来越多的被采用。本次设计采用一种基于mcu的以nrf24l01无线模块和数字温度传感器DS18B20相结合的无线温度监控系统,对电梯内部空间以及相关机械部件做出温度测量，从而达到提高安全性的目的。

关键字： 无线通讯；计算机技术; MCU; NRF24L01

Abstract

With the development of computer and communication technology, it have changed all the things around us and it can be seen that communication day is not far from us. Traditional wired communication technology because of the inevitable physical wiring defects and the cable interface devices is not easy to move, and devices will cause the line rearrangement of a series of problems if we move it .However wireless

Communication technology with the mobile is not limited by geographic environmental factors can very good solve this kind of problem.Wireless communication technology has a wide range of application, due to restrict the physical line, it can get information resources no longer limited by environment, so that many devices can achieve remote control.At the same time MCU-based wireless module utility with its small size, simple operation,have have increasingly been adopted in daily life. The design uses a wireless temperature monitoring system for MCU which combined with nrf24l01 wireless module and a digital temperature sensor DS18B20 to make a temperature measurement in the space of the elevator and their mechanical parts, so as to improve security purposes.

Keywords: wireless communication; computer technology; MCU; NRF24L01

目录

第一章 引言 1

1.1 概述 1

1.2无线系统的发展 1

1.3通讯的选择及任务分析 2

第二章 主要芯片和系统模块介绍 3

2.1无线模块介绍 3

2.1.1无线技术选择 3

2.1.2 无线通讯模块nrf2401介绍 3

2.1.3 nRF24L01芯片的主要特性： 3

2.1.4Nrf24l01的外部封装图 4

2.1.5无线模块工作原理简介 5

2.2温度测量传感器的选择 5

2.2.1 ds18b20简介 6

2.2.2 DS18B20管脚配置 6

2.3液晶显示器1602 6

2.3.1 1602液晶显示器简介 6

2.4单片机（mcu)系统选择与简介 7

2.4.1单片机的说明 7

2.4.2 单片机选择 7

2.4.3 STC89C52RC介绍 7

第三章系统的硬件电路设计 9

3.1系统硬件总括 9

3.1单片机系统的硬件连接电路 10

第四章系统的软件设 13

4.1系统软件总括 13

4.2温度采集软件系统的软件设计 13

4.2.1 ds18b20温度采集的工作原理简介 13

4.2.2 Ds18b20的功能指令 14

4.2.3 dx18b20程序的实现 14

4.2 lcd1602显示程序的编写 15

4.3 nrf24l01的程序编写 16

4.3.1无线模块的配置 16

4.3.2NRF24L01的通讯核心：spi总线 17

4.3.3nrf24l01的程序实现 18

第五章测试说明 19

第6章 总结与展望 20

6.1提高部分 20

6.2研究展望 20

第一章 引言

1.1 概述

随着信息技术的快速发展，许多研究人员已经逐渐意识到无线通信已经成为一种产业。在工作站点,电缆用于连接设备,传输各种信息。总线技术和局域网技术出现，使生产更容易,使人类生活更方便。但是架设电线网络是很麻烦的一项工程，,如配置有线电视、移动设备，同时对设备的移动将使得设备无法工作。

温度作为一项重要的指标对整个工业生产有着重要的示数价值，但类似炼铁，化工等场合，由于厂房大、并且须用传输数据多，使用传统的有线数据传输方式需要铺设通信线，这不仅浪费资源，占用空间，而且可操作性较差，并且一旦出现错误就会产生换线困难的问题。而且，工作性质危险，环境恶劣，当数据采集点处于变化的状态、所处的环境不容许或无法铺设电缆时候，数据无法传输，而近距离的读数对于工人有着不小的危险，员工无法长时间的处于观测位置，而有线连接的方式对于多端点的测量的情况下的成本有着不小的压力。为了避免类似的麻烦，使其更加灵活，无线通讯进入了生产视线。无线通讯具有的可移动性，无需物理连接而带来的需求空间小，等优势能够很好的解决上述问题。依托于嵌入式系统配合相应的射频芯片能够很好的完成数据的传输，从而能够远距离的对测量示数进行获取。

基于以上情形,现我们设计一种电梯内部的无线温度监控装置.对电梯内部的温度情形做出监控,从而更好的对电梯温度状况做出确认,从而保护电梯乘客的安全.

1.2无线系统的发展

起步阶段：无线通信技术开始于20世纪50年代，那时主要应用于军方及海洋舰队上的通信。

扩展阶段：20世纪80年代随着半导体技术工艺的进步，无线通信技术广泛的用语电话系统并且往数字化的方向发展。在使用的范围，内容的复杂度，使用领域的多样性上都有了一定发展。

现代化发展阶段：20世纪90年代至今，该技术的发展速度不断加快，随着计算机网络技术的发展，使得无线通讯技术能够与更多的领域相结合，向着功能的多样化，网络一体化，服务综合化发展。

无线技术的现阶段发展状况：

1.使用广泛性：无线系统现已广泛的用于工业，服务业，等多种产业。广泛的使用于测量，智能家居，设备识别，定位等多种场合中。

2.规范性：越来越多的产品使用同一个标准，协议的标准化发展，不同产品的相互兼容性提升。使得现代无线通信有着相对规范化的技术操作与标准，易于产业的发展与推广。

3：细分性：现今无线通讯划分为如GSM，CDMA等长距离，高功耗，高成本，大范围的通信技术与蓝牙，ZigBee等小型低成本，低功耗的网络通信技术。即向两极化的发展趋势。

1.3通讯的选择及任务分析

该系统设计采取的NRF24L01是Nordic公司所推出的工作在2.4GHz频段射频芯片来实现无线数据通信,用DS18b20作为温度采集传感器，stc89c25rc作为主控芯片。整个系统框架结构可分为发送和接收端二个部分，无线数据收发传输则通过NRF24L01通讯模块来完成。发送部分使用温度传感器DS18B20实时采集温度，将采集到的温度以无线的方式传输给接收部分，然后在接受部分对数据处理并以lcd1602来进行显示，出于对该系统实际作用与用途的考量，后续我们进行部分提高，将得到的温度在显示同时存储下来，并能够进行回放以备查询。

本文将着重对于接受端的系统设计的简介，将侧重于接受端的硬件电路，元器件介绍，以及相关程序的设计讲解。

第二章 主要芯片和系统模块介绍

2.1无线模块介绍

2.1.1无线技术选择

对于电梯无线报警模块的通信技术方式选择是首要问题，对比市面上主流的ZigBee，WiFi,蓝牙三种技术，ZigBee的传输速率较低并且最重要的是该技术并未完全成熟；蓝牙的通讯距离仅有10米左右（不加装信号增强装置情况下），若加装将导致成本的上升；WiFi作为现今主流的无线局域网技术具有高度的扩展性与传输速率，但相应的模块成本高昂，接口程序相比较为复杂。出于电梯的环境以及成本的考虑三种主流技术方式都不适合在该项目上应用，我们将目光放在了低成本，低功耗的无线技术上，最终我们决定采用Nordic公司的NRF2401方案。

由于是无线通信，那么硬件电路的器件排线就十分讲究，不然器件会引起一定的干扰导致通信质量低下，所以硬件的排布给我们造成相当大的困难。

2.1.2 无线通讯模块nrf2401介绍

RF24L01 是一款Nordac公司生产的一种单片射频收发元器件,采用全球共用的2.4G~2.5G的频谱作为工作区间。芯片内集成了频率合成装置、功率运放、晶体振荡器、调制与解调器等多种功能模块,并且加入了增强型SholckBurst这一技术，同时其输出功率和通讯频道都可通过程序进行任意配置。nRF24L01 功耗很低,即使在以-6 dBm的情况下发射时，在工作时的电流也仅仅只有9 mA;工作于接收时，工作电流也仅仅为12.3 mA，同时模块还含有多种低功率的工作模式(包括失电模式和空闲待机模式)能使设计更节能，更方便。

2.1.3 nRF24L01芯片的主要特性：

NRF24L01工作与2.4G全球开放的ISM频段，技术成熟，最大传输速率达到2Mb/s外围硬件较少，具有CRC与点对多点通信控制地址，集成频率合成器，晶体震荡器和调制解调器。主要特点如下:

1.1.9~3.6V低工作电压。

1. 拥有2Mbps的最大传输速率，SPI的传输速率为0 Mb/s～10 Mb/s。
2. 3.频点多，125频点满足多点通信与跳频的需要。
3. 4.超小型：5x5mm超小体积

5低功耗：具有待机模式与应答模式，2者自由切换能很好降低功耗。

6.低成本：其SPI借口可以单片机系统连接，也可用I/O模拟来实现，内部有FIF0可与各个速率单片机连接，可采用低成本单片机来实现功能。

7.集成度高：硬件内部集成了GFSK调制技术,同时还集成了OSI链路层，具有自动应答和自动再发射功能;通信时，片内能自动产生报头和CRC校验码;

8.兼容性好：与其他nRF24系列射频器件相兼容。

2.1.4Nrf24l01的外部封装图

如图所示：

图2.1 外部封装图

各端口功能如下：

CE:使能端输入输出，RX或TX模式选择

CSN:SPI片选信号

SCK:SPI时钟发生信号

MOSI：SPI主机输出从机输入端

MISO：SPI从机输入主机输出端

IRQ：判断中断的标志位

VDD：电源的接口（ 3v）

VSS：电源接地的端口

XC2，XC1：晶体振荡器引脚

VDD_PA：给RF的功放器提供的 1.8v电源

ANT1.ANT2:天线接口

DVDD：去偶电路电源正极端

2.1.5无线模块工作原理的简单介绍

当有数据需要发送时，首先需要将nRF24L01的模式设定为发射模式：接着把接收地址TX_ ADDR和有效数据TX_PLD按照相应spi时序方式写入nRF24L01 缓存区，CE置为高电平并且保持至少10μs，之后延迟130μs后模块将数据进行发射，若自动应答功能开启，那么nRF24L01 模块在数据发射完成后立即转入接收模式，接收应答信号。若nrf24l01 模块收到应答信号后，此次通信则认为成功，TX_DS将置为高位，TX FIFO中的TX_PLD将被清除;如果未收到应答信号，数据将会自动重新发射（在自动重发功能开启情况下)，最后当发射成功时,CE为低则NRF24L01将装换为空闲模式I;如果发送数据的栈中有数据并且CE为高电平，将会自动发射下一组数据;如果发送数据的栈中没有数据且CE为高电平，则会转入空闲模式II。当需要接收所需数据时,首先要将NRF24L01 的模式设置为接收模式，之后再延迟130μs才能进入接收状态，从而模块将等待数据的到来。接收模块检测到有效的地址与数据时，就会将这个数据包放入RX FIFO，并且中断位RX_DR将置为高点评，IRQ变为低位来产生中断，之后模块就会通知MCU来把数据取出。如果自动应答功能开启，则接收方在数据取出后同时自动进入发射状态并对发送端应答信号进行回复。最后当所有数据接收成功后，如果CE为低，则nRF24L01 将自动进入空闲模式I。

模式功能如下：

图2.2引脚功能

2.2温度测量传感器的选择

对于电梯无线监控系统来说对温度是一项重要的指标,对此传感器的选择就有一定的要求我们经过筛选现有如下2中选择：

一：采用AD590，AD590是美国ANALO GREVlCES 公司生产的一款单片集成两端感温传感器。AD590可测量热力学温度、摄氏温度，广泛应用于不同温度测量与控制场合，AD590的温度精度较高、同时使用时不需外部电源辅助、并且线性度较好好。但其输出的是模拟信号需要进行A/D转换同时还需要用差分放大器放大信号，故需要较多外扩电路辅助。

二：采用DS18B20，它是由美国DALLASS公司生产的新型数字温度传感器芯片，它的体积小，使用十分简单，并且封装形式多种多样，在各种小型数字测温设备和温度控制领域应用十分广泛。并且使用DS18B20线路简单，程序编写容易，但是相比AD590精度低。

通过对本系统应用场合的考量，以及对与温度误差的要求，DS18B20足以完成的温度精度的要求，故此其价格低廉，简单易用特点就突出起来。故本次采用的DS18B20传感器作为温度测量工具。

2.2.1 ds18b20简介

单线数字温度传感器DS18B20是一种新型单总线器件，其体积相比以前的传感器要更小、适用电压更宽、更经济的数字化温度传感器.相比传统温度传感器，其不需要A/D转换能直接输出数字信号，使用方便。DS18B20的测量温度范围为 -55°C~ 125°C，误差温度±0.5°C。其精巧的设计，易于使用的特性使其能够广泛的使用于各类场合。

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