基于MSP430單片機的無線距離報警系統(tǒng)

1、Hefei University 2015年合肥學院課程設計項目報告項目名稱：無線距離報警作者姓名：指導教師： 完成時間：2015/1/7無線距離報警摘要 本無線距離報警是以MSP430F1232超低功耗單片機作為主控核心和無線通信模塊nRF2401的各個功能模塊及其特性。系統(tǒng)主要實現(xiàn)了無線距離報警即當從機離開主機一定距離后主機會自動報警，并且在報警發(fā)生后可有用戶通過按鍵對報警狀態(tài)進行清除，另外從機還預設了內(nèi)線的掉線檢測，即主從機在正常通信的狀態(tài)下，從機會實時將自身的一根內(nèi)線信號上傳給主機并伴有燈光報警提示。分析了數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的工作原理以及實現(xiàn)本系統(tǒng)所要解決的關鍵問題最后通過實物驗證了系統(tǒng)的

2、性能。 關鍵詞：單片機MSP430 、NRF24L2401、無線通信 、報警    Wireless alarm distanceABSTRACT The wireless alarm distance is MSP430F1232 ultra low power microcontrolleras the main control core of each function module and wireless communication module 

3、;nRF2401 and its characteristics. The system mainly implements thewireless alarm distance is when the host certain distance from the machineafter the departure of the host will automatically alarm, and alarm occurs incan the user through th

4、e button on the alarm state is clear, also from themachine also presupposes the disconnection detection inside, namely the master-slave communication in normal state, the opportunity will be a real timefro

5、m the inside signal upload their to the host and accompanied by light alarm.Analysis of the data sending and receiving the work principle and the key problems of implementation of the system to solve the final performance of the s

6、ystem is validated by real.Keyword:  MCU MSP430, NRF24L2401, wireless communication, alarm 目 錄目 錄II第一章 引言- 1 -第二章 方案設計- 1 -2.1系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能路- 1 -2.2總體方案- 2 -2.2.1方案論證與比較- 2 -第三章 系統(tǒng)硬件與軟件設計- 4 -3.1 部分單元電路設計- 4 -3.2 軟件設計- 9 -4.1測試儀器- 10 -4.2測試及性能分析- 11 -第五章 結論- 12 -參考文獻- 13 -附

7、 電路原理圖和PCB版圖及主從機部分代碼- 14 -系統(tǒng)總體原理圖- 14 -系統(tǒng)PCB版圖- 14 - 主從機部分代碼. . .- 14 - I第一章 引言隨著電子信息技術和計算機網(wǎng)絡技術的發(fā)展人們的生活水平越來越高而報警系統(tǒng)作為現(xiàn)代防盜系統(tǒng)的一個重要組成部分其性能的好壞直接關系到人們?nèi)粘Ｉ畹陌踩?。把無線網(wǎng)絡技術應用到報警系統(tǒng)中通過實時采集周圍的環(huán)境信息再通過無線的方式將信息傳輸給控制中心能夠彌補有線設備的缺陷具有價廉、可靠性高等優(yōu)點。 本設計中我們根據(jù)無線網(wǎng)絡技術的特點設計了一種基于MSP430F1232超低功耗單片機和無線通信模塊nRF2401的無線距離報警器。該系統(tǒng)通過從機向主機不間

8、斷的發(fā)送信號當從機離開主機能夠接受的范圍時母機會自動進行聲光報警。第二章 方案設計2.1系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能本設計是基于MSP430F1232超低功耗單片機和無線通信模塊nRF2401的無線距離報警器。其實現(xiàn)的主要功能有 1、當從機/主機在接受范圍內(nèi)時從機/主機的發(fā)光二極管會正常發(fā)光顯示已經(jīng)接收到從機/主機發(fā)來的信號。 2、當從機/主機離開超出了從機/主機所能接收到的范圍時從機/主機立即報警并且發(fā)光二極管會閃爍。 3、在報警發(fā)生后可有用戶通過按鍵對報警狀態(tài)進行清除。 4、從機還預設了內(nèi)線的掉線檢測，即主從機在正常通信的狀態(tài)下，從機 會實時將自身的一根內(nèi)線信號上傳給主機并伴有燈光報警提示。2.2總

9、體方案 本系統(tǒng)制作的是一個無線距離傳輸報警器系統(tǒng)主要由單片機、無線發(fā)送和接受模塊、電源模塊、按鍵控制模塊、聲光報警模塊組成。系統(tǒng)總體框圖如下圖1所示USB接口電源模塊（輸入5V）各級穩(wěn)壓模塊 輸出+3.3V）聲光報警模塊 按鍵模塊MSP430F1232主控模塊 無線收發(fā)模塊 （NRF2401） 圖2.2 方案設計總體框圖2.2.1方案論證與比較n 控制器部分方案的選擇與論證 方案一：單片機STM32Cortex-M3超級單片機完成對其他各部分控制。方案二：采用單片機89C51作為控制部分。方案三：采用MSP430超低功耗單片機作為控制部分。方案論證：方案一所使用的STM32-cortexM3是

10、一款高速、低功耗、性價比高的超級單片機，其內(nèi)部具有強大的存儲能力，在一定程度上不必考慮代碼的冗余且能實現(xiàn)各種復雜的控制功能，該芯片是貼片封裝且管教分布較為密集會給后期硬件的設計帶來不便，方案二采用AT89C51單片機，可在開發(fā)環(huán)境及代碼編寫上相對來說較為簡單，源于51內(nèi)核的單片機是基礎教程且網(wǎng)上資源相當豐富基本可以涵蓋多數(shù)控制操作，但功耗比較大、數(shù)據(jù)傳輸速率低。方案三采用MSP430單片機，具有超低功耗且運行速度介于方案一、二之間,再有其指令系統(tǒng)較上述兩種最少，故具有相當高的抗干擾能力，給整個系統(tǒng)的穩(wěn)定提供了基礎。所以本系統(tǒng)采用MSP430F1232作為主控芯片。 n 無線收發(fā)模塊選擇與論證

11、方案一：由RC電路和三極管等分立元件組成多諧振蕩器。其電路優(yōu)點是簡單、廉價，但電路工作頻率單一，雖然可以通過調(diào)節(jié)RC參數(shù)改變電路頻率，但實現(xiàn)起來比較困難，識別能力有限，因此難以有效地進行ID識別。 方案二：采用集成芯片M7216。M7216是一款低電壓遙控編碼芯片，內(nèi)碼共有20位元100萬組（2的20次方），降低使用中編碼重復的機率；低工作電壓。其缺點是譯碼部分需要利用可編程邏輯器件，系統(tǒng)實現(xiàn)起來較為復雜。 方案三：采用挪威的Nordic研發(fā)的的一種型號的無線模塊（nRF2401AG），其工作頻率范圍為2.4GHz,具有更高的傳輸速度，是新型的無線傳輸模塊。其也具有價格低廉的優(yōu)點，在現(xiàn)在的一些

12、無線傳輸系統(tǒng)中應用中比較廣泛。 其工作電壓為1.93.6V低電壓,是一種低功耗的傳輸模塊。 根據(jù)無線防盜報警器的實際要求，需要盡量做到電路簡單、功耗低，ID可識別，因此我們選擇方案三。n 工作電源選擇與論證 方案一：采用兩節(jié)7號電池供電。方案二：采用USB標準接口供電。 由于本設計處于試用調(diào)試階段，采用單獨的電池供電不利于開發(fā)階段的調(diào)試（公地問題，USB下載問題），而采用方案二的優(yōu)點在于：將系統(tǒng)的USB下載和供電問題合二為一，介于當前移動電源較為普及故將后期的作品驗收預的電源供電問題帶來方便。 第三章 系統(tǒng)硬件與軟件設計3.1 部分單元電路設計n 單片機主控電路圖本系統(tǒng)的的控制部分主

13、要是通過MSP430F1232超低功耗單片機進行控制，該單片機片速度可達8MIPS、極高的抗干擾能力、易操作等特點。該單片機的最小系統(tǒng)電路圖如圖3.1所示。圖3.1 單片機的最小系統(tǒng)電路圖n 按鍵模塊電路以及按鍵功能的詳述 按鍵模塊電路圖如圖3.2所示。按SW1鍵 系統(tǒng)出現(xiàn)聲光報警時，取消/選擇蜂鳴報警音 按SW2鍵 系統(tǒng)預設備用按鍵 圖3.2 按鍵模塊電路圖n 聲光報警電路及其分析 本模塊設計三個發(fā)光二極管及一個蜂鳴器；單片機可直接驅動放光二極管的亮滅，但對于大負載的蜂鳴器需額外加入驅動電路故采用NPN（8050）加以間接控制。系統(tǒng)采用三個發(fā)光管向用戶提示主從機的三種不同工作狀態(tài)（蜂鳴器報警

14、屬于其中一類）；工作狀態(tài)一：主從機通信正常，二：主機或從機掉線（伴有蜂鳴報警），三：從機內(nèi)線斷開與否提示（此種狀態(tài)下是在系統(tǒng)處于狀態(tài)一工作的前提下進行），可用于采集各類傳感器接入并將參量實時傳送與主機。 圖3.3聲光報警電路電路圖n 無線收發(fā)模塊及其電路分析 nRF24L01模塊工作在2.4GHz2.5GHz的ISM 頻段的單片無線收發(fā)器芯片。無線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器和解調(diào)器。輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設置可以通過SPI 接口進行設置。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。極低的電流消耗：當工作在發(fā)射模

15、式下發(fā)射功率為0dBm 時電流消耗為11.3mA ，接收模式時為12.3mA，掉電模式和待機模式下電流消耗更低。 圖3.4無線收發(fā)模塊接口n USB接口電源及其電路分析 該模塊分為兩個部分USB接口電路及后級穩(wěn)壓電路；USB接口電路分為兩個作用USB供電、代碼下載（電阻TEST1、TEST就是起到跳線選擇的目的）。后級穩(wěn)壓電路將USB提供的+5V電壓降至+3.3V為整個系統(tǒng)供電（這里選擇RT9193原因有三：一其封裝相比AM1117擁有更小的尺寸以減小PCB的尺寸，二，整個系統(tǒng)的兩大核心芯片（單片機，無線模塊）都是超低功耗的理念設計故不需要搭載大功率的穩(wěn)壓片，三，貼片RT9193相比其他3.3

16、V輸出的穩(wěn)壓片擁有更高的轉換效率）；其外圍電路配置參考RT9193數(shù)據(jù)手冊。 圖3.5 USB接口電源電路3.2 軟件設計本設計軟件模塊采用C語言編寫程序，分別對主機和從機進行編程下載，根據(jù)本設計任務要求，兩個模塊的程序流程圖如下：上電上電單片機初始化單片機初始化nRF24L01初始化配置子程序nRF24L01初始化配置子程序nRF24L01激發(fā)為接收模式nRF24L01激發(fā)為發(fā)射模式數(shù)據(jù)發(fā)射成功啟動聲光報警 接收成功?nRF24L01激發(fā)為接收模式 NO nRF24L01激發(fā)為發(fā)射模式YES 接收成功? 內(nèi)線斷開 ？ NO YES 啟動聲光報警 NO 置位短線標志位 主機 從機 第四章 系統(tǒng)

17、測試及誤差分析4.1測試儀器1. 數(shù)字萬用表：一臺2. 示波器：一臺3. 單片機仿真下載器：一臺4. 電腦：一臺4.2測試及性能分析系統(tǒng)硬件方案完成后，各模塊焊接、檢測完畢后，連線無誤，再逐步對各模塊進行測試。指標測試:1、當從機/主機在接受范圍內(nèi)時從機/主機的發(fā)光二極管會正常發(fā)光顯示已經(jīng)接收到從機/主機發(fā)來的信號。 2、當從機/主機離開超出了從機/主機所能接收到的范圍時從機/主機立即報警并且發(fā)光二極管會閃爍。 3、在報警發(fā)生后可有用戶通過按鍵對報警狀態(tài)進行清除。 4、從機還預設了內(nèi)線的掉線檢測，即主從機在正常通信的狀態(tài)下，從機 會實時將自身的一根內(nèi)線信號上傳給主機并伴有燈光報警提示。下面列出

18、部分測試結果： 功能1完成。實際實現(xiàn)的效果是：當主機和從機在通信正常的情況下，主從機系統(tǒng)板上的藍色LED發(fā)出階段性閃爍。 功能2完成。實際實現(xiàn)的效果是：當主機或從機其中一個處于掉線的情況下（相對距離太遠、掉電），主從機系統(tǒng)板上的綠色LED發(fā)出光并伴有蜂鳴器鳴叫。 功能3完成。實際實現(xiàn)的效果是：當主從機系統(tǒng)板上的綠色LED發(fā)出光并伴有蜂鳴器鳴叫時，通過按壓一次系統(tǒng)板上的按鍵蜂鳴嘯叫會立即停止但綠色LED發(fā)光正常。 功能4完成。實際實現(xiàn)的效果是： 從機通過板上開關來模擬掉線狀態(tài)，開關一個方向為高電平另一個為低電平，從機將此信號實時傳送給主機，本系統(tǒng)定義當開關撥在低電平狀態(tài)下視為掉線，此時主機/從機

19、上的紅色LED點亮標志從機內(nèi)線斷開。第五章 結論 本系統(tǒng)以MSP430F1232超低功耗單片機作為主控核心和無線通信模塊（nRF2401）報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)實用性強，可適合用于家庭防盜等。它具有如下功能：(1)主從模塊掉線報警功能(2)撤報功能(3)主機同步跟蹤從機接入的傳感器的變化參量(4)報警功能。 發(fā)送電路和接收電路的采用兩塊相同PCB系統(tǒng)板， 本次設計的硬件與調(diào)試工作是先后步進行的，即先進行PCB硬件的設計，待硬件焊接完成后，進入軟件編程，代碼編寫分為主從兩個部分，各個部分子程序均采用模塊化編寫；以便后續(xù)的代碼的調(diào)試檢錯。 在發(fā)射接收程序的編寫，程序寫入芯片以后有時沒

20、有按照自己設想的狀態(tài)實現(xiàn)，就更次改寫入，在幾次下來問題解決的同時，自己的思路和視野也開闊！ 由于時間問題，該系統(tǒng)需要進一步完善，即接收機與用戶的通訊或者反饋，功能是讓用戶清楚你已經(jīng)接收到他發(fā)送的的信息，可以耐心等待你的處理。 該設計已經(jīng)通過調(diào)試，基本實現(xiàn)了設計所要求的任務。 參考文獻1 林濤數(shù)字電子技術清華大學出版社20062 秦龍單片機C語言應用程序設計電子工業(yè)出版社20063 王增福穩(wěn)定電源使用電路選編電子工業(yè)出版社20034 沈建華MSP430系列16位超低功耗單片機原理與實踐北京航空航天大學出版社20085 林濤模擬電子技術基礎重慶大學出版社2001附 電路原理圖系

21、統(tǒng)總體原理圖附圖1系統(tǒng)PCB版圖 部分代碼 主機代碼#include "msp430F1232.h"#include "Define.h"unsigned int counter=0,Timer=20;unsigned int Break_Timer;unsigned char Startup_flag=0,i; unsigned char Bell_flag =0;unsigned char Bell_sp=0; #pragma vector=TIMERA0_VECTOR_interrupt void TimerAINT(void) if(Startu

22、p_flag) BELL_0; LED2_1; counter+; if(counter<15) LED1_0;if(Bell_sp)BELL_1; else LED1_1;if(Bell_sp)BELL_0;Bell_sp=0; if(counter>30) Startup_flag=0; counter=0; else Break_Timer+; if(Break_Timer>100) Break_Timer=100; LED2_0; if(!Bell_flag) BELL_1; else BELL_0; main() WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD;

23、/禁止看門狗 LED_IO_set(); BELL_IO_set(); KEY_IO_set(); RF24L01_IO_set(); InitSys(); init_NRF24L01() ; InitTimerA();/定時器 A 初始化 LED1_1;LED3_1;LED2_1; BELL_0; /delay_ms(300) ; LED2_0; BELL_1;delay_ms(300) ; BELL_0;LED2_1; while(1) Scan_KEY_Code();/掃描按鍵值 及 處理 SetRX_Mode(); if(nRF24L01_RxPacket(RxBuf) /接收數(shù)據(jù) i

24、f(RxBuf4=0x29) Bell_sp=1; LED3_0; else LED3_1; if(RxBuf1=0x29) Startup_flag=1; Break_Timer=0; TxBuf1 = 0x29;/發(fā)送完后將TxBuf1設定成0xFF，以作狀態(tài)恢復 TxBuf2 = 0x55; for(i=10;i>0;i-) /重復發(fā)送 防止丟失 nRF24L01_TxPacket(TxBuf);/ 當有按鍵后，不同按鍵發(fā)送不同數(shù)據(jù) SPI_RW_Reg(WRITE_REG+STATUS,0XFF); delay_ms(50) ; TxBuf1 = 0xff;/發(fā)送完后將TxBuf

25、1設定成0xFF，以作狀態(tài)恢復 TxBuf2 = 0xff; 從機代碼#include "msp430F1232.h"#include "Define.h"unsigned int counter=0,Timer=0;unsigned int Break_Timer;unsigned char Startup_flag=0,i;unsigned char Bell_flag=0;unsigned char Bell_tab=0;#pragma vector=TIMERA0_VECTOR_interrupt void TimerAINT(void) Timer+; if(Startup_flag) BELL_0; LED2_1; counter+; if(counter<15) LED1_0; else LED1_1; if(counter>25) Startup_flag=0; counter=0; else Break_Timer+; if(Break_Timer>140) Break_Timer=140; LED2_0; if(!Bell_flag) BELL_1; else BEL