基于nrf24l01電子防丟器的設計與實現(xiàn)

1、本科畢業(yè)論文(設計)題目：基于nrf24l01電子防丟的設計與 實現(xiàn)學院： 物理與電子科學學院 班級： 電子四班 姓名： 賈昊麗 指導教師： 劉紅梅 職稱： 副教授 完成日期：2015年05月20日基于nrf24l01電子防丟器的設計與實現(xiàn) 摘 要：二十一世紀的今天，生活壓力的加大，生活節(jié)奏的加快，人們丟失東西也就成了不可避免的一種“習慣”。這就讓一系列以防丟為目的的電子產品也流行起來。本文設計了電子防丟器，該防丟器的功能主要由報警器的蜂鳴所體現(xiàn)，防丟器分為兩個部分，設計時分為從機和主機，即發(fā)射模塊和接收模塊，有各自獨立的發(fā)射和接收電路，因此其編碼不相同不會相互干擾，從機放在怕被丟失的物件上，

2、而主機則攜帶在主人身上，調整兩個模塊距離的遠近就可以根據(jù)警報實現(xiàn)防丟器的保護與尋找兩個功能。此次設計的電子防丟器采用的是集成芯片，所以電路比較簡單，功耗與成本相對都比較低。關鍵詞：防丟器；報警器；從機；主機目 錄1 引言11.1 課題的背景及意義11.2電子防丟器的功能與原理12 系統(tǒng)總體硬件設計22.1 系統(tǒng)硬件概述2 2.3 各組成模塊選擇32.3.1 主控模塊的選擇32.2.2 顯示器選擇方案42.2.3 無線模塊的選擇方案62.4 功能按鍵電路設計72.5 系統(tǒng)報警電路72.6 系統(tǒng)電源電路設計83 系統(tǒng)軟件總體設計83.1 軟件開發(fā)環(huán)境83.2 編程語言 83.3軟件總體設計93.3

3、.1程序結構93.4 流程圖104 系統(tǒng)的分析與調試115 結論與展望12參考文獻12基于nrf24l01電子防丟器的設計與實現(xiàn)1 引言 1.1 課題的背景及意義 為了減少現(xiàn)代快節(jié)奏的生活中因找不到貴重東西帶來的些許急躁感，防丟器的設計就好像是最好的減壓禮物，它不僅小巧，攜帶方面，而且環(huán)保、省電。要是帶著的小孩走丟，更是焦急如焚，因此要避免這類事情的發(fā)生，電子防丟報警器更是最好的幫手?，F(xiàn)在的市場上有各色各樣的防丟器，這些原理同樣可運用于警方的跟蹤報警器，不僅可以解決生活中一些不可避免的小失誤，同樣也對一些警方所要偵破的案件有著極其重要的輔助作用，因此，考慮到它極其強大的市場前景，我選擇對防丟報

4、警器進行設計與實現(xiàn)。 1.2電子防丟器的功能與原理 這些防丟器都有主機和從機兩個部分，由報警器的及時反應來得知貴重物品是否丟失和開啟尋找模式輕松在所設定的范圍內找到該貴重物品。該電子防丟器的是使用nrf24l01為無線模塊，對于這個無線新型單片射頻收發(fā)器件，因不同的發(fā)射和和接收模塊使得無線發(fā)射頻率也各不相同，因此不會相互干擾。子機有編碼電路與無線發(fā)射電路兩部分，母機則由再生式接收電路、譯碼電路、報警電路和電源電路構成。如果再生式接收電路接收到從機發(fā)射的無線信號，則會檢波還原出原編碼信號，然后發(fā)送到譯碼電路譯碼，由譯碼電路翻譯出該信號，最后發(fā)送到報警電路。要是超過nrf24l01所限定的距離值，

5、或者收到的比較弱的信號，譯碼電路就會因收不到信號不能進行譯碼，使得蜂鳴器報警。本文所設計的防丟器采用了單片2.4無線射頻收發(fā)芯片nrf24l01和52單片機，在電路設計方面就比較簡單，即可以在穩(wěn)定的電路工作狀態(tài)下來實現(xiàn)保護，尋找，報警功能，形成了一個簡單的電子防丟器報警系統(tǒng)。2 系統(tǒng)總體硬件設計 2.1 系統(tǒng)硬件概述 這次的畢業(yè)設計所要呈現(xiàn)的電子防丟報警器主要是由發(fā)射模塊與接收模塊兩部分構成，發(fā)射模塊也為主機模塊，它是由單片機系統(tǒng)，無線模塊，液晶顯示模塊，聲光報警模塊以及按鍵輸入模塊組成。接收模塊即從機模塊，從機模塊是由單片機最小系統(tǒng)模塊和無線模塊組成。整個系統(tǒng)包括有兩種工作模式，他們分別是保

6、護模式和尋找模式。在保護模式下，當保護對象超出限定的保護距離外后，系統(tǒng)自動發(fā)出報警。在尋找模式下，當主機尋找到從機后，系統(tǒng)發(fā)出報警。保護距離可以通過設置無線模塊的發(fā)射功率來設置。由于系統(tǒng)采用的無線模塊NRF24L01可以被設置成4個檔位的發(fā)射功率，所以本系統(tǒng)可以設置4種檔位的保護距離設置。其中主控模塊和無線模塊是該電子防丟器的核心模塊。當使用該套設備時，接收器應該設計的盡量體積小，這樣才方便與寶貴物品粘放一起。1602液晶顯示 無線模塊 從機 主機聲光報警STC89C52STC89C52 按鍵模塊 圖2.1電子防丟器原理方框圖 2.3 各組成模塊選擇 2.3.1 主控模塊的選擇 控制器模塊選擇

7、，在價格方面進行對比，而且該設計需要手持設備，因而一款單片機就完全可以達到系統(tǒng)的要求。本設計中擁有一個控制器，它主要控制驅動信號產生，以及信息的顯示等功能，控制器擁有很多種，下面介紹一些控制器以及本設計采用的控制器。方案一：選擇STC89C52作為控制器。STC89C52是升級版的51內核的單片機芯片，是擁有8位CPU的高性能微控制器，采用“CISC”指令集，其所擁有的111條指令使得操作得心應手。還有，它的供電電壓是5V和其他的一些芯片具有相同的供電電壓，其抗干擾能力強，端口容易操作，構建其最小控制系統(tǒng)簡單。該方案的實用性和可靠性比較高，可以滿足絕大多數(shù)控制，選擇51單片機作為控制器，對于初

8、學者可以很方便的構建一個最小控制系統(tǒng)，并且其的編程很簡單，成本低，便于操作者實現(xiàn)控制目標。方案二：選擇具有16位CPU的控制器MSP430。MSP430是TI公司生產的一款低功耗控制芯片，其供電電壓是3.3V，這種低功耗模式為節(jié)省能源消耗又做了貢獻，該CPU采用“RISC”，有簡簡單單的27條指令與大量的模擬指令，大大小小的各種寄存器或者片內寄存器都可以更加靈活的進行運算。方案三：選擇STM32F103作為控制器。STM32F103體積小，集成資源十分豐厚，價格低，代碼開源度大，易于開發(fā)，且有良好的應用背景，可靠性高。聯(lián)系本設計的任務，對于控制器的要求，所以從設計成本以及可靠性和實施難度等方面

9、考慮，本設計選擇控制方案一作為控制方案選擇。 圖2.3.1STC89C52引腳圖 2.3.2 顯示器選擇方案 方案一：用LED數(shù)碼管作顯示。LED數(shù)碼管作為顯示器有其自身的優(yōu)缺點，在強光照射下顯示亮度比較好，適用于白天，耐用且便宜，但因為該顯示器顯示比較單一，而且處理其顯示電路比較麻煩，占用了大量控制器資源。方案二：用液晶LCD1602作顯示。LCD1602顯示器顯示功能強大，不僅在字母，數(shù)字以及中文符號方面獨具一格，而且在繪圖和文字畫面混合顯示方面也不遜色。有三種控制接口，包括8位微處理器、4位微處理器及串行接口。其所包含的一切功能例如顯示RAM或者是字型產生器僅僅需要一個最小的微處理系統(tǒng)就

10、可以搞定，簡單方面的處理模塊。在價格和性能方面來說，LCD1602顯示器不僅具有白菜的價格而且及其省電，各種功能靈活運用自如，資源占用較少。 從各方面的優(yōu)缺點考慮，當然首選LCD11602作為該電子防丟器的顯示器。 圖2.3.2-1 LCD1602實物和管腳圖 圖液晶1602電路原理圖 2.3.3 無線模塊的選擇 此次防丟器所用的無線模塊為nRF24L01，nRF24L01是由NORDIC生產的一款工作頻率在2.42.5GHzISM之間的新型單片射頻收發(fā)器件，幾乎可以連接到各種單片機芯片，并完成無線數(shù)據(jù)傳送工作，nRF24L01內部包含的模塊分別為頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器與調制器，并

11、與增強型的ShockBurst技術結合，可以通過SPI接口對其輸出功率、頻道選擇與協(xié)議進行設置，因為nRF24L01有極低的工作電流，不僅功耗較低，而且處于其他低功率工作模式時，即掉電模式和待機模式下電流消耗更低，在節(jié)能設計方面占有足夠大的優(yōu)勢。 圖2.3.3 NRF24l01無線模塊電路 如圖2.3.3所示為nRF24L01無線發(fā)送電路圖，到天線輸出時，是一個電路，其六個控制腳接MCU控制器,并有一個獨立的晶振支持工作，當控制器對其完成讀寫工作后，其開始工作。 不同的發(fā)射模塊與接收模塊都有自己相對應的IP地址，我們通過硬件上的開關來實現(xiàn)。發(fā)射器無間斷的發(fā)射數(shù)據(jù)包，這些數(shù)據(jù)包攜帶著不同的通訊協(xié)

12、議，每次發(fā)送一個數(shù)據(jù)包就記錄時間T1，接收器在無線所限定的范圍內收到數(shù)據(jù)包后，立刻與自己的ID相匹配，若與自己相前的ID相同，則迅速回復與之相同的數(shù)據(jù)包，發(fā)射器接收到所返回的數(shù)據(jù)包后就記錄時間T2，T2-T1即為時間距離，即為LED燈隨之閃爍的原因。在硬件測試中，如果想要通過發(fā)射與接收的時間差讓LED閃爍是行不通的。 2.4 功能按鍵電路設計 系統(tǒng)的功能按鍵共有4個，分別是“保護”按鍵，“尋找”按鍵?！皺n位加”按鍵，“檔位減”按鍵。“保護”按鍵和“尋找”按鍵主要用于系統(tǒng)工作模式的切換，“檔位加”按鍵和“檔位減”按鍵主要用于保護距離的檔位切換。電路原理圖如圖2-4所示。 圖2-4功能按鍵電路圖

13、2.5 系統(tǒng)報警電路系統(tǒng)報警模塊采用的是蜂鳴器報警，另外還加了報警指示燈。在保護模式下，當保護對象超出限定的保護距離外后，系統(tǒng)自動發(fā)出報警。在尋找模式下，當主機尋找到從機后，系統(tǒng)發(fā)出報警。蜂鳴器會報警且同時報警指示燈會閃爍。其電路原理圖如圖所示。由于其原理比較簡單。 圖2.5系統(tǒng)報警電路 2.6 系統(tǒng)電源電路設計 關于本系統(tǒng)的電源設計，主要是看本系統(tǒng)需要幾種電源，由于系統(tǒng)的MCU的IO電壓為5v，所以系統(tǒng)需要一個5V，系統(tǒng)中的繼電器和蜂鳴器都需要5V供電，而直流電機的供電電壓需要12V，所以系統(tǒng)共需要2種電壓等級，所以本系統(tǒng)采用12V電壓輸入，然后利用穩(wěn)壓芯片7805將12V轉換成5V。其電路

14、原理圖如圖2-5所示。 系統(tǒng)電源原理圖3 系統(tǒng)軟件總體設計 3.1 軟件開發(fā)環(huán)境 本設計中選用德國KEIL公司推出的uVision4集成開發(fā)環(huán)境作為主機程序設計的編譯器。該軟件集成了業(yè)內最領先的技術。可以方便的對C程序代碼進行編譯，有匯編源程序、連接與重定位目標文件和庫文件的強大功能，并且可以創(chuàng)建HEX文件和對目標程序進行調試。 3.2 編程語言 此次軟件設計使用C語言進行編程，C語言是一種語言精煉，層次感強的一種結構化的語言，運用模塊化來組織程序的方式對于調試與維護來說更顯容易且靈活。不僅如此，它還具有各類運算與全面的數(shù)據(jù)類型，對于實現(xiàn)各類數(shù)學難題也顯得頗為能耐。第三，不僅可以對內存地址進行

15、訪問，位操作對于其來說也是易如反掌。第四，C語言不管是在高級語言方面還是在低級語言方面都有足夠強大的優(yōu)勢。因此對硬件實現(xiàn)編程操作對于C來說也是毫不費力，在應用軟件開發(fā)方面也絲毫不遜色于系統(tǒng)軟件的開發(fā)。除此之外，C不僅效率高，而且可移植性也很強。例如，原來使用的匯編語言編寫的程序，由于別人編寫的程序不易被讀懂，在一段時間后再去做升級和維護就會感覺非常的不方便。但對于C語言在使用和調試這兩方面卻可以應用自如，C語言潛在的優(yōu)勢就立顯出來。 3.3軟件總體設計 3.3.1程序結構 本設計中軟件部分起到了非常重要的作用,設計的是否完美主要取決于軟件的設計。本設計的軟件需要完成的任務是： 1）基本要求 采

16、用單片機作為主控芯片,主要用于數(shù)據(jù)識別和控制報警。制作無線電發(fā)射、無線電接收裝置各一個，其中一個放在貴重物品上（假設為A部分），另一個則帶在身上（假設為B部分）。正常情況下蜂鳴器不響。當發(fā)射接收模塊之間的距離大于某一個限定的范圍時，則說明貴重物品已經(jīng)不在身邊或者是被小偷順走了，此時開啟尋找模式此時蜂鳴器停止報警，然后主人移動自己的位置對丟失物品進行尋找，若警報聲再次響起，說明該丟失物就在最初的安全范圍內，即被找到。 調制方式采用調幅式和調頻式任選。 采用超外差方式接收。 作用距離為10m。 發(fā)射功率不大于10mW。 2）擴展功能 為了證明不同的發(fā)射與接收模塊之間不會受到干擾，因此可以多做幾組防

17、丟器，證明其是一一對應的，互相之間不會受到影響。 采用3V扣電池。 3.4 流程圖 我們所要設計的電子防丟器在軟件設計方面需要對整題的運行程序進行流程設計，劃分各個模塊并實現(xiàn)與之相對應的功能，最后將各個子模塊有條不紊的聯(lián)系起來，形成總的程序。其主流程圖如下： （1）主機程序流程圖開始定時器初始化液晶初始化 給從機發(fā)送指令 保護指令 保護距離修改指令Y 修改無線模塊發(fā)射功率是否收到從機反饋信號NY 系統(tǒng)發(fā)出聲光警報 結束 2）從機程序流程圖開始 系統(tǒng)初始化N是否收到主機信號Y 給主機發(fā)送反饋信號 結束4 系統(tǒng)的分析與調試 本設計是在Keil C環(huán)境下開發(fā)的，Keil C軟件支持C語言的編程及調試

18、，運用方便，是做C語言畢業(yè)設計者的首選。設計的首要任務是安裝和學習使用這個軟件，在簡單的學習和了解Keil C后，我們便可在此環(huán)境下開始了對電子防丟器的設計工作。在編譯完Keil C后，再運用STC_ISP_V480軟件燒錄到開發(fā)板上，實現(xiàn)實物與程序的連接。在燒錄前要對STC_ISP_V480進行一些必要的設置。第一步：設置MCU Type為STC89C52RC；第二步：打開編寫好并編譯的程序文件，它是以.hex為后綴的文件；第三步：選擇對應的COM端口，（可在我的電腦的設備管理處查看COM選項）；第四步：點擊Download/下載，等提示，給MCU上電時，打開開發(fā)板上的開關，它就自行燒錄了。 在完成對程序的調試及燒錄之后，還需要對其進行演示，把開發(fā)板與電腦連上，設置好對應的接口，完成供電及下載。開始供電后、幾秒后1602液晶屏能正常顯示當前從機與主機的狀態(tài)。然后調節(jié)主機與從機間的距離，根據(jù)報警器的蜂鳴就可以測出保護狀態(tài)的最大距離值，超出保護距離后蜂鳴器若響起，此時開啟尋找模式，再次調整主機與從機間的距離，蜂鳴器若停止報警，從機將在一定范圍內被找到，達到了設計所需要的結果。5 結論與展望本系統(tǒng)以單片機為核心部件的控制系統(tǒng)，利用軟件編程，最終基本上實現(xiàn)了各項要求。經(jīng)過近兩個月的奮斗，從確定題目，到后來查找資料，理論學習，實驗編程調試，這一切都使我的理論知識和動手能力有了很大的提高。