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1、基于 nRF24L01 的远程温度检测系统 设计摘 要温度检测在日常生活、工作和工程实践中具有重要的应用。随着生活水平的提高和科学技术的进步，无论是工业还是农业或者是日常生活中对温度检测的要求越来越高。不仅要做到低耗，还要求进行一定距离的传输。基于这点我们运用两片主控芯片，一个温度传感器，及数码管显示部分，解决了这个日常生活工作中的问题。出于低功耗本设计我们选择了以低功耗见长的430 单片机中的 F149 系列作为主控芯片，工作场所的温度采集用到了温度采集芯片 DS18B20 来达到一定的准确度和精确度，最后采用 nRF24L01 模块对采集到的温度数据进行无线传输，从而打破传统温度操作受到距
2、离限制的缺陷。在经过软硬件测试后，我们基本实现了用温度传感器采集温度，用nRF24L01 进行一定距离传输后在接受端的数码管上显示出来的模型。传输距离30m,温度范围达到 0 至 125 摄氏度，精度 1 摄氏度。 关键词: msp430f149；nRF24L01；温度；无线传输 ABSTRACTTemperature measurement have important applications in daily life,work and engineering practice.With the improvement of living standards and technologi
3、cal progress，whether industry，agriculture or daily life become increasingly demanding of temperature detection. Not only to achieve low power consumption,but also requires a certain distance transmission. For this reason we solved the problem of daily life and work using two control chips, a tempera
4、ture sensor, and the led display part. For low-power design we have chosen the low-power microcontroller known for the F149 series of 430 as the master chip, temperature acquisition DS18B20 has used to achieve a certain accuracy and precision, Finally nRF24L01 module temperature data collected by wi
5、reless transmission, thus breaking the distance limitations of traditional temperature operation. After software and hardware testing, we basically realize our Initial target. Transmission distance30m, temperature range 0 to 125 degrees, 1 degree accuracy.Keywords: msp430f149;nRF24L01;Temperature;Wi
6、reless目 录第 1 章 绪 论11.1 课题的背景与意义11.2 国内外研究状况及相关领域中已有的研究成果21.3 对设计任务的分析21.4 预 期 结 果.31.5 论文的结构安排3第 2 章 主控芯片及编程环境的介绍.52.1 MSP430 简介.52.2 IAR 开发软件 .72.3 本章小结8第 3 章 硬件系统的设计与实现.93.1 温度采集模块93.1.1 DS18B20 的管脚配置和内部结构.103.1.2 单总线介绍.113.1.3 DS18B20 的工作原理123.2 无线收发模块143.2.1 nRF24L01 概述153.2.2 引脚功能及描述.163.2.3 工作
7、模式.173.2.4 工作原理173.2.5 配置字.193.3 LED 显示模块.193.3.1 数码管选择.193.3.2 驱动电路选择.203.4 主控制模块(MSP430F149 最小系统) .213.4.1 下载电路213.4.2 电源电路设计233.4.3 复位电路.253.4.4 晶振电路253.5 引脚分配263.5.1 发射部分.263.5.2 接收部分.273.6 本章小结28第 4 章 软件系统的设计与实现.304.1 分部分软件设计304.1.1 温度检测.304.1.2 无线发射模块软件设计314.1.3 无线接收模块软件设计324.1.4 显示模块软件设计334.2
8、 软件的总体设计334.2.1 发送部分.334.2.2 接收部分344.3 本章小结35第 5 章 系统的调试及实验结果.365.1 调试步骤365.2 实验结果365.3 本章小结38结论.39参考文献 .41致谢.42附录.431第 1 章 绪 论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
9、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
10、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2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。1.2 国内外研究状况及相关领域中已有的研究成果在 2.4GHz 非授权频段上,目前已经云集了蓝牙、Wi-Fi、Zigbee
11、 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 2.4 GHz2.5 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 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-6dB
12、m 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2。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3。1.3 对设计任务的分析本系统的设计采用了工作于 2.4GHz 频段 nRF24L01 射频芯片，并有低功耗单片机 MSP430F149 控制实现短距离无线数据通信。该接口设计具有成本低、功耗低、传输速率高、软件设计简单
13、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 MSP430F149 为核心，使用温度转换芯片DS18B20 实时采集温度并通过数码管显示。将采集的温度无线传送给接收部分，然后再在数码管上显示。本系统的核心控制芯片选用的是3MSP430F149。单片机在各个技术领域中的迅猛发展，与单片机所构成的计算机应用系统的特点有关：（1）单片机构成的应用系统有较大的可靠性；（2）系统构建简洁、易行，能方便的实现系统功能；（3）由于构成的系统是一个计算机系统，相当多的功能由软件实现，故具有柔性特点和优异的性能价格比；对 m
14、sp430f149 可以制作两个最小系统（一个控制发送端，一个控制接受部分）最小系统包括电源电路，下载电路采用 JTAG 接口及主控芯片和一些基本外围电路。对于 DS18B20 的温度检测模块，硬件部分较简单，由于是单脚传输导致软件时序的时间精确度控制上要求比较高，要做到精确。数码管显示部分虽然较简单但是在调试过程有重要作用，是显示软硬件好使的必要条件，不可忽视。另外为了降低 430 的输出功率，采用锁存器对数码管进行驱动。无线收发模块采用挪威(Nordic)公司生产的 nRF24L01 及其外围电路组成，软件部分要熟悉内部的标志及控制寄存器以及数据通道，发射频率功率及收发模式等以利于编程。1
15、.4 预 期 结 果采用 MSP430F149 单片机作为主控 CPU，DS18B20 作为温度采集模块，nRF24L01 作为无线收发模块，加上 LED 显示模块构成系统。要求完成硬件模块的设计和电路板的制作。软件模块包括温度检测模块、无线发射模块、无线接收模块和显示模块。温度测量范围：0C 至 125C，传输距离30m。1.5 论文的结构安排本文基于本次毕业设计的过程与要求，将论文分为五章。具体内容如下：4第 1 章 绪论 本章简单介绍了课题的研究背景、目的和意义，无线温度检测的国内外发展现状和相关领域中已有的研究结果，该设计的预期结果和意义。第 2 章 主控芯片及编程环境的介绍 本章介绍
16、了本次毕业设计的主控芯片及相应的编程环境，让我们熟悉了整个系统的调试方法。第 3 章 硬件系统的设计与实现 本章介绍本课题硬件系统各部分电路的设计、实现，讲述了各模块的功能。第 4 章软件 系统的设计与实现 本章根据系统的总方案，设计出程序的总流程图，并利用 C 语言编写相应的程序。第 5 章系统的调试及实验结果 本章根据已有的软硬件，进行调试，得到的相应成果。最后总结本论文，得出相关结论。56第 2 章 主控芯片及编程环境的介绍2.1 MSP430 简介MSP430 系列单片机是美国德州仪器（TI）1996 年开始推向市场的一种16 位超低 MSP430 单片机功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器（Mixed Signal Processor）。称之为混合信号处理器，是由于其针对实际应用需求，将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片”解决方案。该系列单片机多应用于需要电池供电的便携式仪器仪表中4。MSP430 单片机的特点：（1）处理能力强 MSP430 系列单片机是
