第1章方案论证
1.1课题来源
随着现代通信技术的飞速发展，无线数据传输系统已成为当今通信业乃至整个信息业的热点，不但可以应用在数据传输电台，还可以应用于无线遥控、报警、无线局域网、军事通信等范围，具有一定的实际应用价值。
目前，无线数据通信的应用领域越来越广：遥控遥测、无线抄表、门禁系统、身份识别、非接触RF智能卡、无线标签、安全防火系统、生物信号采集、机器人控制等。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。基于达成以上要求本人设计了一款基于无线传输模块的网络通信系统。
1.2方案论证
此次方案设计使用的元器件主要有两种分别是单片机和无线传输模块，使用单片机控制无线传输模块进行发送和接收数据，单片机准备用比较熟悉的AT89S51单片机，无线传输模块准备用性价比比较高的nRF24L01。
1.2.1基于无线传输模块的网络通信系统的基本工作原理
本系统通过利用无线传输模块进行的无线通信传输，图1通过用单片机控制无线传输模块1进行发送无线信号，然后用单片机控制无线传输模块2接收无线传输模块1所发出的无线信号，从而实现1对1的无线信号传输。图2所示的是通过单片机控制3个无线传输模块进行相互的无线传输。
图1.11对1无线传输原理框图
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图1.23模块间相互无线传输原理框图
1.2.2无线传输模块的选择
方案一：采用nRF24L01
本方案采用的无线传输模块是nRF24L01，nRF24L01是单片射频收发芯片，工作于2.4～2.5 GHz ISM频段。工作电压为1.9～3.6 V，有多达125个频道可供选择。可通过SPI写入数据，最高可达10 Mb/s，数据传输率最快可达1 Mb/s，并且有自动应答和自动再发射功能。
芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融进了增强式ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。芯片能耗非常低，以-6 dBm的功率发射时，工作电流只有9 mA，接收时工作电流只有12.3 mA，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。Array
图1.3 无线传输模块nRF24L01
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方案二：采用nRF9E5
本方案采用的无线传输模块是nRF9E5，nRF9E5是一种微型32引脚QFN ( 5x5 mm)封装的芯片。工作电压直流1. 9 ～3. 6 V,工作频率433MHz，868～915MHz。nRF9E5主要由兼容8051的微控制器；nRF9E5无线通讯模块；A /D转换模块和一些与逻辑端口连接的其他功能模块: 包括SP I可编程串行接口、PWM脉冲宽度调制、低功率RC振荡器、看门狗定时器和RTC实时时钟唤醒模块等组成。
综上所述，方案1选择的无线传输模块nRF24L01它的工作速率可以达到1Mbps，而nRF9E5的工作速率只有100kbps，nRF24L01的功耗可以达到—6dBm比nRF9E5的功耗低，并且nRF24L01具有CRC纠检错硬件电路和协议，使得模块运行稳定可靠，而nRF24L01的价格却只有nRF9E5价格的一半。
1.2.3单片机的选择
随着电子技术的发展与进步，单片机也已有许多型号，常见的有Intel公司的MCS-51、151、251系列；ZILOG的Z8系列；Philips公司的80C51和51XA系列；Motorola的68HC05/08系列；Microchip公司的PIC18CXX系列单片机；Atmel公司的89系列；Sunplus公司的SPCE061A系列单片机；Winbond公司的78E51系列等。
方案一:采用Microchip公司的PIC18F4620
本方案采用的是采用PIC18F4620单片机，PIC18F4620采用哈佛结构，以及RISC 指令系统单片机，其具有1K RAM，64K FLASH，丰富的I/O口资源，内置A/D，内置EEPROM，看门狗电路，倍频电路等丰富的外围模块，一个指令周期是四个机器周期，运算速度快，完全能够满足我们的系统要求。但由于其不是主流单片机，价格比较高，购买不方便，使用不广泛，放弃此方案。
方案二：采用ATMEL公司的AT89S51
ATMEL公司的AT89S51，它以经典的8031为内核，有一个8位的微处理器，不仅可以处理字节数据，还支持位操作，片内拥有8KB的Flash ROM 程序存储器，256B RAM的数据存储器，中断系统拥有6个中断源，分两级优先权，一个串行口，4个8位并行IO口：P0、P1、P2、P3，具有很强的运算、控制能力，而且与其他单片机相比具有很强的稳定性，价格低，性价比高。
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综上所述，根据本毕设的要求，选用AT89S51单片机。
1.2.4 3.3V 电源电路的选择
单片机AT89S51与无线收发模块nRF24L01连接时，由于AT89S51工作电压为5V ，而nRF24L01工作电压为3V 左右，因而要在两个芯片之间加上电压转换电路。方案论证如下：
方案一：采用电位计进行分压 电位计分压电路图如图1.4所示
图1.4 电位计分压电路图
根据电阻串联分压原理i U R R R U 2
11
0+=
（1．
2） 在公式1.2中，U i 为单片机输出电压，U o 为分得电压，即nRF24L01的输入电压。通过调节电位计，使U o =3.3V ，以此达到电平转换的作用。
采用电位计通过分压来进行电平转换，虽说在理论上能够进行电平转换，但是在实践操作中，却存在着很大问题，主要体现在：
人为影响太大。每次实验前都需检测与调节U o 是否在nRF24L01的工作范围内，
以防止nRF24L01被过高的电压烧坏，整个电平转换电路不够稳定。
方案二：采用稳压模块LM1117
LM1117它只有三个引脚，外接电路简单，只需要两个电容，就能够输出稳定的3.3V电压，为nRF24L01提供3.3V工作电源。在图1.4中，引脚1接5V电压。引脚3接地。引脚2便输出3.3V电压，来作为nRF24L01的工作电压。
图1.4 LM1117引脚分配图
表1.1 LM1117引脚功能
综上所述，根据实验要求并比较以上两种方案，采用稳压模块LM1117电路简单易行，稳定性强，可实现电压转换。因而选用第二种方案。
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第2章关键芯片
2.1 引言
由于无线数据通信不用布线，快速布局，因此具有有线数据通信无法比拟的便捷性，在特殊场合具有不可替代性。然而，传统的由基本射频集成电路搭建的无线数据通信系统存在电路复杂，成本高，传输速率低，可靠性差等缺点。因此，我们选择了一款工业级内置硬件链路层协议的低成本单芯片nRF24L01型无线收发器件。该器件采用GFSK调制，128个频点自动跳频，片内自动生成报头和CRC校验码，具有出错自动重发功能，这些特性使得由nRF24L0l构建的无线数据传输系统具有成本低，速率高，传输可靠等优点。
2.2无线传输模块nRF24L01
2.2.1 nRF24L01芯片的介绍
nRF24L01是一种单片无线收发器，工作在2.4~2.5GHz频段。nRF24L01由完全集成的频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成。其芯片结构如图2.1所示。nRF24L01各引脚功能见表2.1。
图2.1 nRF24L01芯片结构图
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2.2.2 nRF240L1功能分析
nRF24L01是单片射频收发芯片，工作于2.4～2.5GHz 频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过软件进行设置。芯片能耗非常低，以-5dBm的功率发射时，工作电流只有10.5mA，接收时工作电流只有18mA，多种低功率工作模式，节能设计更方便。125个频道，满足多频及跳频需要，高速率1Mbps，高于蓝牙，具有高数据吞吐量。发射功率、工作频率等所有工作参数全部通过软件设置完成。nRF24L01内置了CRC校验码，软件开发相对简单。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、遥控玩具、警报和安全系统、家用自动化、监视系统等。
表2.1 nRF24L01引脚功能
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2.2.3工作方式的设定
nRF24L01有四种工作模式：发送模式、接收模式、待机模式和掉电模式。nRF24L01的工作模式由PWR_UP 、PRIM_RX和CE三个引脚决定，详见表2.2。
表2.2 nRF24L01工作模式
各种工作模式详述如下：
2.2.2.1收发模式
收发模式有Enhanced ShockBurstTM收发模式、ShockBurstTM收发模式和直接收发模式三种，收发模式由器件配置字决定
1、Enhanced ShockBurstTM收发模式
Enhanced ShockBurstTM收发模式下，使用片内的先入先出堆栈区，数据低速从微控制器送入，但高速(1Mbps)发射，这样可以尽量节能，因此，使用低速的微控制器也能得到很高的射频数据发射速率。与射频协议相关的所有高速信号处理都在片内进行，这种做法有三大好处：尽量节能；低的系统费用(低速微处理器也能进行高速射频发射)；数据在空中停留时间短，抗干扰性高。Enhanced ShockBurstTM技术同时也减小了整个系统的平均工作电流。
在Enhanced ShockBurstTM收发模式下，nRF24L01自动处理字头和CRC校验码。在接收数据时，自动把字头和CRC校验码移去。在发送数据时，自动加上字头和CRC 校验码，在发送模式下，置CE为高，至少10us，将时发送过程完成后。
(1) Enhanced ShockBurstTM发射流程
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A、把接收机的地址和要发送的数据按时序送入nRF24L01；
B、配置CONFIG寄存器，使之进入发送模式。
C、微控制器把CE置高（至少10us），激发nRF24L01进行Enhanced ShockBurstTM 发射；
D、nRF24L01的Enhanced ShockBurstTM发射
● 给射频前端供电；
● 射频数据打包(加字头、CRC校验码)；
● 高速发射数据包；
● 发射完成，nRF24L01进入空闲状态。
(2) Enhanced ShockBurstTM接收流程
A、配置本机地址和要接收的数据包大小；
B、配置CONFIG寄存器，使之进入接收模式，把CE置高。
C、130us后，nRF24L01进入监视状态，等待数据包的到来；
D、当接收到正确的数据包(正确的地址和CRC校验码)，nRF2401自动把字头、地址和CRC校验位移去；
E、nRF24L01通过把STATUS寄存器的RX_DR置位(STATUS一般引起微控制器中断)通知微控制器；
F、微控制器把数据从nRF2401读出；
G、所有数据读取完毕后，可以清除STATUS寄存器。nRF2401可以进入四种主要的模式之一
2.2.2.2 空闲模式
nRF24L01的空闲模式是为了减小平均工作电流而设计的，其最大的优点是，实现节能的同时，缩短芯片的起动时间。在空闲模式下，部分片内晶振仍在工作，此时的工作电流跟外部晶振的频率有关，如外部晶振为4MHz时工作电流为12μA，外部晶振为16MHz时工作电流为32μA。在空闲模式下，配置字的内容保持在nRF24L01
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片内
2.2.2.3 关机模式
在关机模式下，为了得到最小的工作电流，一般此时的工作电流小于1μA。关机模式下，配置字的内容也会被保持在nRF24L01片内，这是该模式与断电状态最大的区别。
2.3 AT89S51单片机
2.3.1概述
AT89S51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM-Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造, 可反复擦写1000次，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构,芯片内集成了通用8位中央处理器和存储单元,功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
图2.2 A T89S51单片机内部功能模块
AT89S51将中央处理单元CPU、RAM、ROM、定时/计数器和I/O接口等器件集成在一块大规模集成电路芯片上，构成了一个完整的计算机体系，内部功能模块如图2.2所示。
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2.3.2 AT89S51单片机的主要性能特点：
●一个8位的中央处理单元（CPU），它能实现各种算术、逻辑运算及判断控制功能；
●内部程序存储器（ROM）与内部数据存储器（RAM）容量较大。其中内部RAM为128×8字节；
●特殊功能寄存器（SFR）是一批特殊用途的寄存器。每个寄存器占一个存储单元；
●工作电压为3.3V～5V，时钟频率为1.2MHz～12MHz；
● 4个8位的双向输入输出（I/O）端口P0、P1、P2、P3；
● 2个16位定时器/计数器；
●一个全双工串行通信接口；
●五级中断的中断系统；
●具有片内时钟振荡器；
● 3级程序存储器保密功能。
2.3.3 单片机的引脚及功能
AT89S51单片机的外部引线如图2.3所示。其引线共有40条，分为端口线、控制线和电源线三类。AT89S51单片机的各管脚功能如下：P0口：P0口为一个8位漏极开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在Flash编程时，P0口作为原码输入口，当Flash进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
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图 2.3 A T89S51单片机外部引线图
P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O 口，P1口缓冲器能接收输出4TTL 门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH 编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：P2口为一个带内部上拉电阻的8位双向I/O 口，P2口缓冲器可接收， 输出4个TTL 门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被上拉电阻拉高，且作为输入。作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉电阻，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在Flash 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O 口，可接收输出4个TTL 门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流，这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89S51的一些特殊功能口，如表2.3所示.
表2.3 P3口特殊功能表
P3口同时为Flash编程和编程校验接收一些控制信号。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH 地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。RST：复位/备用电源引线。当该端加上超过24个时钟周期的高电平时，可使单片机复位。
________
PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器
周期两次________
PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的
________
PSEN信号将不
出现。
____ EA：当____
EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管
是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，____
EA将内部锁定为RESET；当
____
EA端保
持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编
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程电源（VPP）。XTAL1和XTAL2：外部晶体连线，片外石英晶体连于此两端与片内电路构成振荡器，产生片内CPU的工作时钟。
2.4稳压模块LM1117
2.4.1 LM1117概述
LM1117是一个低压差电压调节器系列。其压差在1.2V输出，负载电流为800m A时为1.2V。它与国家半导体的工业标准器件LM317有相同的管脚排列。LM1117有可调电压的版本，通过2个外部电阻可实现1.25～13.8V输出电压范围。另外还有5个固定电压输出（1.8V、2.5V、2.85V、3.3V和5V）的型号。LM1117提供电流限制和热保护。电路包含1个齐纳调节的带隙参考电压以确保输出电压的精度在±1%以内。LM1117系列具有LLP、TO-263、SOT-223、TO-220和TO-252 D-PAK封装。输出端需要一个至少10uF的钽电容来改善瞬态响应和稳定性。
2.4.2 LM1117特性
●提供1.8V、2.5V、2.85V、3.3V、5V和可调电压的型号
●节省空间的SOT-223和LLP封装
●电流限制和热保护功能
●输出电流可达800mA
●线性调整率：0.2% (Max)
●负载调整率：0.4% (Max)
●温度范围：－LM1117：0℃~125℃；－LM1117I：-40℃~125℃。
2.4.3LM1117应用
●开关DC/DC转换器的主调压器
●高效线性调整器
●电池充电器
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●电池供电装置
2.4.4 LM1117引脚功能
稳压模块LM1117只有3个引脚，如图2.4。引脚1是输入端；引脚2是输出端；引脚3是地线。当输入端的电压是5V时，输出端的电压可以达到3.3V。
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第3章系统硬件设计
系统硬件设计包括3.3V电源电路的设计、无线收发模块的电路设计、显示电路的设计。
3.1 3.3V电源电路的设计
nRF24L01的工作电压在1.9V~3.6V之间，一般用3.3V电压作为芯片工作电源电压。在这部分的电路设计中，由于稳压电源提供5V电压，只需要将5V电压转化为3.3V电压，采用稳压模块LM1117。它只有三个引脚，外接电路简单，只需要两个电容，就能够输出稳定的3.3V电压，为nRF24L01提供3.3V工作电源。其外接电路如图3.1所示。在图3.1中，引脚1接5V电压。引脚2接地。引脚1和引脚3接20μF 的电解电容，然后接地。引脚3便输出3.3V电压，来作为nRF24L01的工作电压。
图3.1 LM1117应用电路图
3.2 无线收发模块接口电路的设计
无线芯片比较小，焊接起来很困难，因此本次毕业设计采用的是无线收发模块。无线收发模块nRF24L01与单片机的连接电路图如图3.2所示。
图3.2为nRF24L01的应用电路。由图可知，其只需要与单片机的P1口相连nRF24L01应用电路一般工作于3V，它可用多种低功耗微控制器进行控制。
nRF24L01通过Enhanced ShockBurstTM收发模式进行无线数据发送，收发可靠，
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其外形尺寸小，需要的外围元器件也少，因而使用方便，在工业控制、消费电子等各个领域都具有广阔的应用前景。
图3.2 nRF24L01模块结构图
3.2.1 时钟电路的设计
时钟电路用于产生AT89S51单片机工作时所必需的时钟信号。时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。时钟频率越快，单片机的程序执行速度越快，抗干扰性能越差；时钟频率越小，单片机的工作速度慢，抗干扰性能越好。要恰到好处的选择时钟频率对单片机工作效率尤为重要。
单片机各功能的运行都是以时钟频率为基准一拍一拍的工作。常用的时钟电路有两种工作方式，一种是内部时钟方式，另一种为外部时钟方式。为了方便单片机与无线传输模块nRF24L01之间的数据通信，选用外部时钟，选取外接12MHz晶振。由于当晶体振荡器振荡频率在1M到12M之间取值时，两个微调电容的典型取值通常选择在30pF左右，所以在此选33pF时钟电路如图3.3所示。
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- 18 - 图3.3时钟电路的设计
3.2.2 复位电路的设计
复位电路必须确保系统上电时能够自动复位，在必要时还可以手动复位。
在本设计中，复位电路采用最简单的上电复位加按键复位。在通电的瞬间，在RC电路充电过程中，RST端出现正脉冲保证引脚出现10ms以上稳定的高电平，从而是单片机复位。
上电自动复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为了可靠起见电源稳定后，还要经一定的延时才撤销复位信号以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。为了实现这种功能，本设计采用了一种RC定时电路。其时间常数τ=RC，系统上电时，C两端的电压为零，单片机的复位端的电平为高电平，单片机复位，经过4—5个τ后，C两端的电压约等于电源电压，单片机的复位端的电平为低电平，单片机退出复位状态。
手动复位电路采用的是按键复位电路。在按键按下时，单片机的复位端的电平为高电平，单片机复位，在按键松开时，单片机的复位端的电平为低电平，单片机退出复位状态。复位电路如图3.4所示。
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图3.4复位电路图
3.3 显示电路的设计
显示电路如下图3.5所示，因为无线传输模块nRF24L01只占用单片机一个I/O 端口，所以显示电路中的数码管可以和单片机直接相连。数码管采用AMBERCA 。
显示电路主要是由4个数码管、12个电阻、4个三极管组成如图3.5。三极管是PNP 型当其基极输入是低电平时，数码管才能工作。数码管是共阳极所以当输入是低电平时，数码管才会显示。其中
到
等八8个电阻是数码管的限流电阻。
AT89S51输出高电平out U 为4.8V 到5V 。 AMBERCA 数码管为共阳数码管，其驱动电流m I 为15mA 到30mA ，数码管导通时的压降ces U 是0.7V ，由此计算出限流电阻R ：
()
out ces m
U U R I -=
所以限流电阻的取值应在137欧姆到287欧姆之间，为了使数码管稍微更亮些，但又不要功耗太大，在此取限流电阻为180欧姆。
图3.5 显示电路图- 20 -