NRF24+无线数据收发设计设计.doc

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1、任务书一、 任务：设计一个简易数据信息无线传输系统。二、要求：1.基本要求：（1）、每一条信息由前3位十进制数及后1位AF的英文字母组成。（2）、每次传送一条信息，并在接收方完整显示。（3）、发送与接收的最小有效传输距离为10米。（4）、接收电路具有接收信息提示功能。2.发挥部分： （1）、每次传送十条（以上）的信息。 （2）、接收自动循环显示由发送方发送的十条（以上）的数据信息。（3）、在接收方设计手动控制键盘以逐条显示数据库信息。三、评分标准目 录1.绪论11.1选题的目的及意义11.2课题背景及发展趋势12.总体设计22.1方案论证22.2方案1的总体设计图33.单元电路设计43.1硬件

2、的组成及个单元组成框图43.2各单元电路的设计43.2.1.键盘的设计43.2.2.LCD1602液晶显示的设计53.2.3.基本操作时序：73.3.NRF2401+无线发射模块：73.4.复位电路84. 功能实现94.1.功能实现过程：94.2.实现功能介绍105.测试方法及结果115.1.测试方法115.2.测试结果12结论13致谢141.绪论1.1选题的目的及意义在信息发展迅速的今天，数据通信占据着重要的地位，数据传输可采用有线和无线的方式，有线方式可靠、稳定，但在一些地理条件复杂、线路架设难度大、成本高的场合，无线方式就显出了优势。另外人们不仅需要在移动中通信，而且还要求在移动中进行计

3、算机通信，在这些情况下，人们强烈需要无线数据的传输。近些年来，无线数据传输的发展日新月异，各种新技术、新产品层出不穷，作为通信工程专业的学生，了解无线数据传输的基本原理和实现方法是专业必修课，所以我们这次的选题为简易数据信息无线传送系统，旨在巩固所学的专业知识并把理论和实践联系起来，提高动手能力，为毕业设计和将来的就业做准备。1.2课题背景及发展趋势数据通信是计算机与通信相结合而产生的一种通信方式，主要用来实现人与计算机以及计算机与计算机之间的通信，无线数据传输进一步完善了数据通信，无线数据传输有很大的应用范围，几乎所有中低速的数据传输业务都可以使用，如INTERNET接入、个人信息、股票信息

4、、金融、交通等。通用分组无线业务GPRS也是个在现有GSM系统上发展出来的一种新无线数据传输业务，目的给移动用户提供高速无线IP或X.25服务。GPRS理论带宽可达171.2Kbit/s，实际应用带宽大约在40100Kbit/s，在此信道上提供TCP/IP连接，可以用于INTERNET连接、数据传输等应用。2.总体设计2.1方案论证 方案一：基于NRF2401+的液晶显示无线数据传输系统在此方案中我们选用单片机作为主芯片通过编程来实现无线数据的传输和显示，无线数据的传输选用NRF2401A集成模块，显示采用LCD1602液晶显示屏，通过4*4矩阵键盘来输入数据，并利用各独立键盘和单片机实现控制

5、功能。其系统框图如下所示： 图1 方案一框图 实际电路设计中将液晶显示屏接到单片机的P3口，矩阵键盘接到单片机的P1口，P0口因加了上拉电阻增加了驱动能力故接无线发射模块，而其他控制键和发送接收提醒功能如：蜂鸣器、发光二极管等以及LCD1602的控制信号都接到P2口。 方案二：基于NRF2401+的数码管无线数据传输系统 在方案二中除显示部分用数码管外其他都和方案一相同，即无线数据的传输选用NRF2401A集成模块，显示采用LCD1602液晶显示屏，通过4*4矩阵键盘来输入数据，将液晶显示屏接到单片机的P3口，矩阵键盘接到单片机的P1口，P0口因加了上拉电阻增加了驱动能力故接无线发射模块，而用

6、于显示的四个数码管都接到P2口。方案选择：对比方案一和方案二我们最终选择了方案一，首先与数码管相比液晶显示器显示直观、功能强且易于控制，它不但可以显示数据，还可以实现光标的移位进而修改错误的数据，并且液晶显还可以显示英文字母，这样就具有很高的实用价值，功能的实现都是通过程序来实现，显示多个数据时需要多个数码管，布线会显的过于复杂和繁琐；而液晶显示则可以一屏可以32个字符，且布线简单，另外与方案一相比方案二中由于四个数码管需用8个I/O口用于段选和位选就无法实现发射与接收的提示，其次，在通信工程专业课程设计中我们成功做过LCD1602的图片显示，所以对液晶显示有一定的基础和认知，故综合考虑我们选

7、择了方案一。2.2方案1的总体设计图图2 实际电路设计图3.单元电路设计3.1硬件的组成及个单元组成框图硬件组成：STC89C52、4*4矩阵键盘、LCD1602液晶显示屏、12MHZ晶振、30pf电容(两个)、LED灯、蜂鸣器、74ls04、10uf电容（三个用于复位电路）、10K、1K电阻、100K电位器、独立键盘等。各单元组成框图如下所示： 图3硬件连接框图3.2各单元电路的设计3.2.1.键盘的设计 工作原理及方式：行列式矩阵键盘，采用行列反转扫描法，接单片机的P1口，通过16个独立的点触式开关接成矩阵键盘，如电路图中所示，按键设置在行列的交点上，P1.0P1.3接矩阵键盘的列线，P1

8、.4P1.7接矩阵键盘的行线，16个键设置为09、AF，键盘的列线由单片机通过程序来设置为0，行线由单片机通过程序设置为高电平1，键盘中哪一个键按下是由行线和列线共同决定的，首先单片机向列扫描P1.0P1.3输出全为0，扫描码为f0h，然后从行检查口P1.4P1.7输入行扫描信号，只要有一列信号不为1，则P1口不为f0h,则表示有键按下，接着查出按下键所在的行列位置，单片机将得到的信号取反，P1.4P1.7中为1的为便是键所在的行，接下来确定键所在的列，需要进行逐列扫描，单片机首先使P1.0为0，P1.1P1.7为1，接着输入列检查信号，若全为1，则表示不在第一行，这样逐次发0扫描码，直到找到

9、按下键所在的行。 图4矩阵键盘布局 图5 实际电路中矩阵键盘的接法3.2.2.LCD1602液晶显示的设计（1） LCD1602的显示原理：TC1602液晶模块内带标准字库，内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了192个5*7点阵字符，32个5*10点阵字符，另外还有字符生成RAM（CGROM)512字节，供用户自定义字符。这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。LCD1602是一种带字库的液晶显示，专

10、门用于显示字母、数字、符号等，各管脚及功能定义如表1所示； （2）1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如表2所示 : : 1602液晶模块的读写操作，屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的:（说明1为高电平，0为低电平） 指令1：清显示，指令码01H，光标复位到地址00H位置 指令2：光标复位，光标返回到地址00H 指令3：光标和显示位置设置I/D，光标移动方向，高电平右移，低电平左移，S：屏幕上所有文字是否左移或右移，高电平表示有效，低电平表示无效。 指令4：显示开关控制。D：控制整体的显示开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示。C:控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电

11、平表示无光标 B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。 指令5：光标或显示移位 S/C ：高电平时显示移动的文字，低电平时移动光标 指令6：功能设置命令 DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线 N：低电平时为单行显示，高电平时为双行显示，F：低电平时显示5X7的点阵字符，高电平时显示5X10的显示字符。指令7：字符发生器RAM地址设置。 指令8：DDRAM地址设置。 指令9：读忙信号和光标地址 BF：忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或数据，如果为低电平表示不忙。表1 LCD1602引脚 表2 LCD1602指令表3.2.3.基本操作时序： 读状态 输入：RS=L，RW

12、=H，E=H 输出：DB0DB7=状态字 写指令 输入：RS=L，RW=L，E=下降沿脉冲，DB0DB7=指令码 输出：无 读数据 输入：RS=H，RW=H，E=H 输出：DB0DB7=数据 写数据 输入：RS=H，RW=L，E=下降沿脉冲，DB0DB7=数据 输出：无 先对液晶进行初始化，有管脚定义、开光标、开显示、光标显示、光标右移、1602液晶显示屏双行显示等，初始化完成后通过写字符函数和写字符串函数来实现实现所要求的功能。3. 无线发射模块的设计3.3.NRF2401+无线发射模块：nRF24L01+是一款工作在2.42.5GHz世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片。无线收发器包括：

13、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。NRF2401+所有配置都在寄存器中，所有寄存器都是通过SPI口进行配置的。该无线数据发射模块是以NRF2401芯片为主和其他外围电路构成的，NTF2401芯片的引脚图如下所示：图6NRF2401芯片引脚图 极低的电流消耗，当工作在发射模式下发射功率为0dBm时电流消耗为11.3mA，接收模式时为13.5mA，掉电模式和待机模式下电流消耗更低。nRF24L01+适用于多种无线通信的场合，如无线数据传输系统、无线鼠标、遥控开锁、遥控玩具等。 1.

14、引脚定义： 表3 S002无线数传引脚功能表 图7 S002无线数传模块引脚定义图 2.NRF2401+无线发射模块与单片机的引脚连接图： 图8 52系列单片机与S002无线模块连接方式参考（P0口） 推荐工作电压为+5V、P0为高阻引脚的52单片机使用 3.nRF2401+ 工作模式： 表4 NRF2401+工作模式选择 4.无线发射模块的具体实现：根据无线发射模块的特点及使用方法在实际程序设计中结合SPI总线编写C语言程序通过单片机来实现无线发射和接收的功能。无线发射模块在正常状态下都处于接收模式，一旦有按键按下，就会自动转为发送模式，而接收方仍处于接收模式这样接收方就可以收到发送方的数据

15、，数据的发送时通过软件的设置来实现的:当输入的数据达到四个时就自动把缓存中的数据发出去并回到接收模式。3.4.复位电路 本设计中的复位电路采用的是按键复位，具体电路如下图9所示：图9复位电路 独立按键及提示功能的设计：在设计中我们利用发光二级管和蜂鸣器来提示信息的发送和接收成功与否，对于发送方：发送时发光二级管亮一下，对于接收方：当接收到新的数据时，发光二级管会亮两次，蜂鸣器会间隔的响两声“滴”、“滴”，在这整个过程中灯亮和蜂鸣器响是同步的，即灯亮和蜂鸣器响是同时发生的。4. 功能实现4.1.功能实现过程： 根据课题的任务要求，我们设计的无线数据发射系统的功能如下：系统由两个完全一样的独立模块

16、组成，能实现半双工数据传输，即两个独立的模块都可以作为发送方或接收方（但在一次数据传输中只能是其中一种模式，要么是接收方要么是发送方）。由于两个独立模块的功能完全一样，就以其中一个来做具体介绍，主要功能的实现：通过主芯片STC89C52编程来控制，信息输入用的是4*4矩阵键盘，显示部分采用LCD1602带字库的液晶显示屏显示信息，通过发光二极管和蜂鸣器来实现信息发送与否提示、信息成功发送与否提示的功能，以及四个独立的控制键，除此之外外围电路有：按键复位电路、电源指示电路，一次数据传输可以传输一条信息也可以传输多条信息，其具体实现过程;1. 通电后首先对LCD1602和NRF2401+无线数据发

17、射模块进行初始化，这部分功能是通过程序来实现的(整体程序如附录所示),通过调用void LCD_Clear(void)清屏函数，void LCD_Init(void)初始化函数对LCD初始化，调用n1P_Init_IO()和n1P_Turn_RX()函数对无线发射模块初始化并将其设置为接收模式，初始化主要完成LCD光标的显示、移动及背光灯的开关等设置，在单片机对其初始化的过程中LCD显示屏上会显示“Welcome Wireless World”界面，表示系统正在初始化，这部分功能是通过调用写字符函数和写字符串函数来实现的；2. 初始化完成后，调用LCD_Write_Char(j,0,n1P_R

18、X_Buffj)函数在屏幕上显示字符串“Waitting for DATA”,界面如图10所示；此时按下发送数据条数键（该键接到单片机的P2.1口），屏幕上显示字符串“input the number”，界面如图11所示；当按下要发送的条数（例如：01）屏幕上显示字符串“DATA:(01)(00)”界面如图12所示；此时输入所要发送的数据（例如：890A）系统就会自动把数据发送出去，如果发送成功则接收方就会接收到发送的数据，并且LED灯和蜂鸣器会提示用户发送成功与否（对发送方而言）以及是否有数据发送过来（对接收方而言）。这部分的功能是通过软件编程和硬件电路来实现的，程序中实现此功能的是函数，硬

19、件为发送数据条数键； 图10 输入数据提示界面 图11 输入要发送的条数 图12 输入数据提示信息在图12中第一个括号中数字“01”表示一次要发送的总条数（“01”表示一次发送一条信息，“02”表示一次发送2条信息，以此类推），总条数小于20；第二个括号中的数字“00”表示已输入的信息条数，例如一次发送一条信息，当输入一条信息完成后的界面如图13所示；接收方接到发送的数据并显示如图14所示： 图13 输入数据完后的界面 图14接收方接收到的数据3. 当一次数据传输完成后，再次输入数据系统没有反应，而按下发送条数键系统回到“inputt the number”状态，接下来又可以再次输入数据实现无

20、线数据的传输。4.2.实现功能介绍 1.写入数据总条数显示，当前写入条数； 2.发送提示（LED亮），发送成功提示（LED亮，扬声器响）； 3.接收数据提示（LED亮，扬声器响）； 4.自动循环显示所接收数据； 5.带有按键查询功能。5.测试方法及结果5.1.测试方法 实验测试方法如下: 1接上电源供电（靠近LCD的一端接正极，靠近独立按键的一端接负极); 正常供电后先执行初始化程序，绿色的LED灯亮着，LCD屏上会出现欢迎界面:“Welcome Wireless World”如下图测试结果所示： 图15 欢迎界面 初始化完成后绿色的LED灯灭，LCD显示屏上显示字符串“Waitting fo

21、r DATA”,界面如图16所示：图16第一步图 此时为等待接收界面。如果要发送数据，按下上键进入发送数据界面，屏幕上显示字符串“input the number”，界面如图17所示:图17第二步图 然后输入要发送的数据条数（例如：一条，则按下01）。然后界面会跳转到如下所示的界面，屏幕上显示字符串“DATA:(01)(00)”，如图18所示：图18第三步图此时通过矩阵键盘输入要发送的数据（每四位为一条，每条数据由前3位十进制数及后1位AF的英文字母组成）。当输入数据到达要发送的数据总条数时，系统就会自动把数据发送出去。如果输入所要发送的数据为890A，若发送成功则接收方就会接收到发送的数据，

22、如图19所示：图19第四步图并且LED灯和蜂鸣器会提示用户发送成功与否（对发送方而言）以及是否有数据发送过来（对接收方而言），如果接受方成功接收到了来自发送方的数据，那么发送方绿色的LED灯会亮一下再灭掉同时蜂鸣器会发出“滴”的一声，此时接收方绿色的LED灯会亮两下同时蜂鸣器也发出“滴”、“滴”的两声，并且LCD屏上会显示出发送方发送的信息，如测试结果中所示；1. 以同样的方法可以实现另一方向的数据发送。5.2.测试结果 实物图如下图所示：结论 通过对基于NRF2401+的无线数据传输系统的研究和电路设计，完成了一种简单、有效的实现无线数据传输功能的系统设计。 本系统设计从开始到完成包括文档的

23、编写总共花了将近一个半月的时间，设计的难点在对无线数据发射模块NRF2401+的使用和控制上，以及怎样将从键盘输入的信息发送并显示在LCD1602液晶显示屏上。本系统完成了设计任务的基本要求，从程序的易改性和易用性，以及NRF2401+和LCD1602所给出的指令集的操作方式的角度度出发，选用了以单片机STC89C52为主芯片的控制来设计该系统。 设计中我们要实现输入的数据信息经过无线数据发送模块发送到接收方，并且在接收方完整的显示出来，这整个过程中的控制部分是通过单片机编程来实现的，通过程序中各个函数的调用来实现所有的要求，另外和硬件电路结合起来，利用独立按键来控制什么时候输入信息，输什么信

24、息，利用LED灯及蜂鸣器来实现提示功能。设计的最终结果表明，我们设计的该系统已经实现了所要求的基本功能，但由于时间有限及所学知识还不够，所以部分发挥的功能仍然没有实现，希望在以后能有机会对该系统做进一步的完善。致谢 在本次的设计中，我们想首先感谢郑老师，他作为我们的指导老师从设计的开始到结束，给了我们很多指导性的意见，不断帮助我们完善系统设计，他丰富的教学经验及实际操作经验、严谨的治学态度，使得我们投入了大量时间在实验室，还有在我们设计过程中对我们帮助极大的各位老师，他们对我们的意见和建议让我们受益颇深，而这，对我们的帮助和影响是非常巨大的，正是因为有了这些锻炼的机会和各位老师的耐心指导，我们才能非常顺利的完成我们的设计。14