基于NRF24L01+的多点无线测温系统设计
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【摘要】利用nrf24l01+和AT89S51单片机构成无线测温模块，多点发送，一点接收，接收到的温度数据送到单片机，经过单片机处理后，再通过RS232串行通信发送至上位PC机接收程序加以显示。
NRF24L01+是一款功能完备的无线收发芯片，工作在2.4～2.5GHz世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片。无线收发器包括：频率发生器、增强型SchockBurstTM模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器、解调器。输出功率、频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置。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。
利用NRF24L01+、AT89S51单片机、DS18B20数字温度传感受器可以构成性能稳定、使用方便的无线测温模块，再编写相应的模块控制程序和上位机接收程序，就可以构成多用途的无线测温系统。本设计的实物已经在某公司电子节能灯测试线投入实际使用，效果较好，能方便直观地监测各点温度。也可以对硬件和软件加以适当改动，应用于其他如仓库管理、气象监测等场合。
1.硬件构成
1.1 NRF24L01+简介
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。无线收发器包括：频率发生器、增强型SchockBurstTM模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器、解调器。输出功率、频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置。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。NRF24L01+芯片共计20个引脚，各引脚排列及功能标注如图1所示。
各引脚功能详细描述如表1所列。
1.2 系统框图
本文所设计的无线测温系统主要包括：6块发送板、1块接收板、上位PC机。其中发送板与接收板的电路结构基本相同，所不同的是NRF24L01+的工作模式不同，另外发收板与上位PC机的RS232串行通讯口有线加以连接。多路无线测温系统结构如图2所示。
1.3 电路设计
电路设计部分主要包括：NRF24L01+的电源电路、上位机通讯用电平转换电路、收发板整体电路，下面逐一加以说明。
NRF24L01+模块采用市面上常用的组合模块，这样可以避免单体芯片焊接的麻烦，也能保证通讯的质量。但该模块对电源要求较高，电压数值、滤波的处理均需要达到要求。NRF24L01+需要3.3V的直流电压，且电源路径中要加以多级LC滤波，才能使其工作状态稳定，经过参考各种资料，最终设计出的NRF24L01+电源电路如图3所示。
由于需要通过RS232串行通讯进行数据的传送，所以要在单片机和上位PC机之间进行电平变换，否则通讯不能正常进行。主要是因为TTL电平逻辑与RS232电平逻辑采用不同的标准，TTL电平采用正逻辑，RS232采用负逻辑。最终设计出的通讯电路如图4所示。
综合以上电路及其他电路需求，设计出收发板整体电路，并经飞线试验证实是稳定可靠的，电路如图5所示。
2.软件设计
在完成硬件设计及试验后，就进入到软件设计的阶段，软件设计主要包括：发送板单片机程序设计、接收板单片机程序设计、上位PC机接收程序设计（采用VB）。
2.1 发送板单片机程序设计
发送板主要任务是进行DS18B20数字温度传感器的设置与数据读取和转换、NRF24L01+模块的设置与数据写入。DS18B20的单片机控制方法在网上随处可见，在此就不过多说明，主要说明DS18B20的温度数据处理方法，DS18B20的温度数据是BCD码二进制数，需要对其进行整合及去小数位处理，再进行查表将各位转换成相应的ASCII码，存储到缓冲单元，等待单片机依次送入NRF24L01+模块进行无线发送。
NRF24L01+的设置主要包括：设置本地地址、频道设定、发射速率设定、中数应答模式设定等。完成了相关设置后，就可由单片机进行查询模式的数据发送控制，程序流程图如图6所示。
2.2 接收板单片机程序设计
对于接收板而言，同样首先要进行nRF24 L01初始化配置，设定为接收工作模式，由于一共要接收6路信息，所以还要设定好通道0到通道5的地址。然后要为进行串通信做准备，设定串行口的工作模式。然后就依次把6块发送板发送的温度信息接收进来并打包。待6组数据接收完毕，启动串行发送函数将数据传输给上位机。最后返回准备第二次重复工作。程序流程如图7所示。
其中最为关键的6路通道地址设置程序段如下：
//NRF24L01初始化
void init_NRF24L01（void）
{
inerDelay_us（100）；//短延时
CE=0；//NRF24L01芯片进入待机模式1状态
CSN=1；//CSN引脚置高电位，关闭SPI口
SCK=0；//时钟引脚置低电位
//写本地地址
SPI_Write_Buf（WRITE_REG+TX_ADDR，TX_ADDRESS，TX_ADR_WIDTH）；
//写接收通道0地址
SPI_Write_Buf（WRITE_REG+RX_ADDR_P0，RX_ADDRESS_0，RX_ADR_WIDTH）；
//写接收通道1地址
SPI_Write_Buf（WRITE_REG+RX_ADDR_P1，RX_ADDRESS_1，RX_ADR_WIDTH）；
//写接收端地址，此处只要写入一个低字节地址即可。很关键
SPI_Write_Buf（WRITE_REG+RX_ADDR_P2，RX_ADDRESS_2，1）；
//写接收端地址，此处只要写入一个低字节地址即可。很关键
SPI_Write_Buf（WRITE_REG+RX_ADDR_P3，RX_ADDRESS_3，1）；
//写接收端地址，此处只要写入一个低字节地址即可。很关键
SPI_Write_Buf（WRITE_REG+RX_ADDR_P4，RX_ADDRESS_4，1）；
//写接收端地址，此处只要写入一个低字节地址即可。很关键
SPI_Write_Buf（WRITE_REG+RX_ADDR_P5，RX_ADDRESS_5，1）；
2.3 上位机接收程序设计（VB）
上位接收程序的设计主要包括：通讯控件的设置、接收状态判断、数据整合处理、送相应用窗口显示。Visual Basic以其简明易懂的语法、快速可见的界面控制、方便实用的通讯模组，得到了众多工程技术人员的编程首选，由其在RS232串行通讯编程应用领域，更是独具特色。在反复调整后的程序流程图如图8所示。