1、鄭州工業應用技術學院本科生畢業論文 智能無線防丟器設計 I本科生畢業設計本科生畢業設計題 目： 智能無線防丟器設計 鄭州工業應用技術學院本科生畢業論文 智能無線防丟器設計II畢業設計（論文）原創性聲明和使用授權說明畢業設計（論文）原創性聲明和使用授權說明原創性聲明原創性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業設計（論文），是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經發表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構的學位或學歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。

2、作 者 簽 名： 日 期： 指導教師簽名： 日期： 使用授權說明使用授權說明本人完全了解 大學關于收集、保存、使用畢業設計（論文）的規定，即：按照學校要求提交畢業設計（論文）的印刷本和電子版本；學校有權保存畢業設計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務；學校可以采用影印、縮印、數字化或其它復制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績热?。作者簽名： 日 期： 鄭州工業應用技術學院本科生畢業論文 智能無線防丟器設計III學位論文原創性聲明學位論文原創性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內

3、容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經發表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名： 日期： 年 月 日學位論文版權使用授權書學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權 大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。涉密論文按學校規定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導師簽名： 日期： 年 月 日鄭州工業應用

4、技術學院本科生畢業論文 智能無線防丟器設計IV注 意 事 項1.設計（論文）的內容包括：1）封面（按教務處制定的標準封面格式制作）2）原創性聲明3）中文摘要（300 字左右）、關鍵詞4）外文摘要、關鍵詞 5）目次頁（附件不統一編入）6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結論7）參考文獻8）致謝9）附錄（對論文支持必要時）2.論文字數要求：理工類設計（論文）正文字數不少于 1 萬字（不包括圖紙、程序清單等），文科類論文正文字數不少于 1.2 萬字。3.附件包括：任務書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復印件）。4.文字、圖表要求：1）文字通順，語言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無錯

5、別字，不準請他人代寫2）工程設計類題目的圖紙，要求部分用尺規繪制，部分用計算機繪制，所有圖紙應符合國家技術標準規范。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準用徒手畫3）畢業論文須用 A4 單面打印，論文 50 頁以上的雙面打印4）圖表應繪制于無格子的頁面上5）軟件工程類課題應有程序清單，并提供電子文檔5.裝訂順序1）設計（論文）2）附件：按照任務書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復印件）次序裝訂鄭州工業應用技術學院本科生畢業論文 智能無線防丟器設計V摘摘 要要本課題設計的防丟器與現代人們生活密切相關，是時代進步，科技發展的成果。本設計主要分為母機和子機兩個部分，母機主要包括TC89

6、C51 單片機控制模塊、NRF24L01 無線發送和接收模塊、聲光報警和震動報警模塊，復位電路模塊以及晶振電路模塊。子機主要包括STC89C51 單片機控制模塊、 NRF24L01 無線發送和接收模塊、聲光報警模塊、燈光提示電路、晶振電路模塊以及復位電路模塊。因為母機和子機都載有采用2.4G 技術進行通信的 NRF24L01 無線模塊，所以母機和子機都能夠進行信號的發送和接收。當兩者距離沒有超過規定的范圍時，NRF24L01 發射端配置為發射模式，對數據進行發送，相應的NRF24L01接收端配置為接收模式對數據進行接收，當接收端接收到發送端的數據時，然后對發送端傳輸應答信號，這樣母機和子機就完

7、成了一次通信。然而當母機和子機的距離超過規定范圍內時，那么母機發送的數據就不能被子機所接收，這時子機也不會對母機傳遞應答信號，在超過規定的時間內發送端不能接收到接收端發出的應答信號，而此時母機和子機就不能進行正常的通信，數據傳輸失敗，母機進行聲光報警和震動報警，子機出現聲光報警。本設計在原有防丟器的基礎上加以震動報警模塊，這也是本設計的創新所在，防丟器的震動報警功能在現代生活中發揮著越來越重要的作用，尤其是在噪雜的人群中，效果尤為突出。關鍵詞：關鍵詞：NRF24L01；防丟器；STC89C51鄭州工業應用技術學院本科生畢業論文 智能無線防丟器設計 VIAbstractAbstract:The

8、issue of anti-lost design is closely related to modern peoples lives, is the era of progress, the results of scientific and technological development. The design is divided into two parts of the base unit and the handset, the base unit includes TC89C51 MCU control module, NRF24L01 wireless transmiss

9、ion and reception module, sound and light alarm and vibration alarm module, reset circuit module and oscillator circuit module. Including major STC89C51 slave MCU control module, NRF24L01 wireless transmission and reception module, sound and light alarm module, lighting tips circuit, crystal oscilla

10、tor circuit module and reset circuit module. Because the base unit and handset are contained using 2.4G technology NRF24L01 wireless communication module, so the base unit and the handset can send and receive signals. When the distance between the two does not exceed the specified range, NRF24L01 th

11、e transmitter configured to transmit mode, the data is sent, the corresponding NRF24L01 receiving end configured to receive data reception mode, when receiving the sender receives the data, and then the sender response signal transmission, machine tools and so on to complete a sub-machine communicat

12、ion. However, when the distance of the base unit and the handset exceeds a predetermined range, then the data can not be transmitted by the base unit received quilt machine, then the handset will not have the base unit transfer acknowledge signal within a predetermined period of time than the sender

13、 to the receiver can not receive response signal sent from the console, but this time the base unit and the handset can not be normal communication, data transmission failure, machine tools sound and light alarm and vibration alarm, the handset appears sound and light alarms. The design to be in the

14、 original anti-lost, based on the vibration alarm module, which is the innovation of this design lies, anti lost the vibration alarm is playing an increasingly important role in modern life, especially in a noisy crowd the effect is particularly prominent.Keywords: NRF24L01; Anti lost alarm; STC89C5

15、1鄭州工業應用技術學院本科生畢業論文 智能無線防丟器設計 VII目目 錄錄1 1 前言前言.11.1 課題的背景與意義.11.2國內外研究狀況及相關領域中已有的研究成果.11.3 設計任務的分析.11.4 預期結果.22 2 總體方案設計的論證總體方案設計的論證.32.1 系統方案設計.32.2 模塊方案設計.42.2.1 主控芯片方案.42.2.2 無線通信模塊方案.43 3 硬件電路設計硬件電路設計.63.1 STC89C51 單片機主控模塊設計.63.2 單片機最小系統.83.2.1 時鐘電路.83.2.2 復位電路.93.2.3 STC89C51 中斷技術概述.93.3 nRF24L0

16、1 無線模塊設計.103.3.1 nRF24L01 概述.103.3.2 引腳功能及描述.113.3.3 nRF24L01 射頻芯片特性.123.3.4 nRF24L01 發送程序設計.163.4 聲光報警模塊設計.173.4.1 燈光提示電路.173.4.2 聲音報警電路.173.5 震動報警模塊設計.183.6 按鍵模塊設計.194 4 軟件系統的設計軟件系統的設計.194.1 軟件介紹.204.2 nRF24L01 發送流程圖設計.214.3nRF24L01 接收流程圖設計.224.4 母機流程圖設計.234.5 子機流程圖設計.245 5 系統的調試及實驗結果系統的調試及實驗結果.25

17、5.1 調試流程.25鄭州工業應用技術學院本科生畢業論文 智能無線防丟器設計VIII5.2 實驗結果.256 6 結論結論.267 7 致謝致謝.288 8 參考文獻參考文獻.28附錄一：主機原理圖附錄一：主機原理圖.33附錄二：從機原理圖附錄二：從機原理圖.34附錄三：元件清單附錄三：元件清單.35附錄四：附錄四：NRF24L01NRF24L01 發送模塊程序發送模塊程序.36附錄五：附錄五：NRF24L01NRF24L01 接收模塊程序接收模塊程序.40鄭州工業應用技術學院本科生畢業論文 智能無線防丟器設計 11 1 前言前言1.1 課題的背景與意義課題的背景與意義隨著科學技術的進步、社會

18、狀況的良好發展，現代人們的生活節奏不斷加快，而由于個人發展、家庭瑣事、社會競爭等諸多因素，人們常常使自己的大腦處于忙碌和緊張的狀態、長此以往容易導致自己記憶力下降，出現忘東忘西的狀況，常常不記得自己的手機、錢包、鑰匙放在何處。另外，隨著生活水平的不斷提高，逛街、購物、出外旅行越來越受到人們的青睞，這些都是比較繁華熱鬧的地方，自己的錢包、手機不知什么時候就被小偷偷走了，更要命的是那些帶著自己孩子外出的人們，稍微不注意自己的孩子就跑丟了。為了預防以上這些不好事情的發生，智能電子防丟器就出現在我們的生活中并且很方便，很實用。智能電子防丟器有體積小，攜帶方便，環保，性能好等特點，對防止錢包、手機、鑰匙

19、、小孩等貴重物品的丟失有很好的用途，是現代生活所必不可少的物品1。本課題設計的防丟器通過單片機系統分別控制發送模塊和接收模塊，在保留聲音報警功能的同時添加振動報警功能，這樣在噪雜的人群中能更好的發揮防丟器的優勢，更有效地解決物品丟失的問題。1.2 國內外研究狀況及相關領域中已有的研究成果國內外研究狀況及相關領域中已有的研究成果隨著社會的發展，時代的進步，防丟器將在人們日常生活中發揮著越來越大的作用。因此，好多專家與學者對防丟器進行了研究、分析及其設計。在 2000 年，張朝輝設計了一款以 UM3758108A 編解碼芯片為核心的防丟器2，當母機和子機超過規定范圍內時就會出現聲光報警。2010

20、年劉密歌、王路設計了一款防丟器，它以 PT2262/PT2272 編解碼集成芯片為核心3。該防丟器不僅有防丟功能，而且還具有查找功能。2014 年郭明明、韓陽等人研究并設計了基于藍牙技術的雙向防丟器，該防丟器克服了原有防丟器單項聲光報警的問題，開發了一種新型的防丟器4。而本設計則是采用 2.4GHz 無線技術的 NRF24L01 無線通信模塊進行短距離傳輸，2.4GHz 技術屬于國際性的頻段，抗干擾性強5。同時本設計在原有防丟器基礎上加以震動報警功能，克服了原有防丟器的缺陷和不足，具有結構簡單，功耗低，實用性強、方便使用等優點。這種震動報警功能在噪雜的人群中效果顯得尤為突出，更好的解決了物品丟

21、失以及兒童丟失的問題。1.3 設計任務的分析設計任務的分析鄭州工業應用技術學院本科生畢業論文 智能無線防丟器設計2本設計分為硬件電路部分和軟件編程部分。硬件電路的主要部分是 STC89C51單片機和采用 2.4G 技術進行短距離通信的 NRF24L01 無線發送和接收模塊6。該防丟器運用 NRF24L01 無線發送和接收模塊在規定距離內母機和子機進行正常信號傳輸，超出距離母機和子機不能進行正常信號傳輸的思想，通過 STC89C51 單片機對母機或者子機接收的信息進行處理，并隨時更新母機、子機的信息，進而對聲光報警器和震動報警器進行控制7，以完成信號不能正常傳輸就報警的任務。另外，本設計擁有結構

22、簡單，價格低廉，安全性高，傳輸速率快等特點。本設計的軟件編程部分是以 KeilC51 軟件為開發平臺，使用 C 語言進行程序編寫的。 本此設計選用的是 STC89C51 單片機。單片機具有以下特性：結構不復雜，安全性能高。處理功能強，速度快。低電壓低耗，體積小。價格低廉，使用方便。程序的循環利用率較高。1.4 預期結果預期結果母機和子機通過無線模塊在 10m 的范圍內上能相互通信，當信號不能正常傳輸時，進行聲光報警和震動報警。本設計的模塊主要包括 STC89C51 單片機控制模塊、NRF24L01 無線發送和接收模塊、聲光報警和震動報警模塊、燈光提示電路模塊以及按鍵查找模塊8。鄭州工業應用技術

23、學院本科生畢業論文 智能無線防丟器設計32 總體方案設計的論證總體方案設計的論證2.1 系統方案設計系統方案設計子機：子機主要包括 STC89C51 單片機控制模塊、 NRF24L01 無線發送和接收模塊、聲光報警模塊、燈光提示電路、晶振電路模塊以及復位電路模塊。如下圖 2-1 所示： 單片機復位電路晶振電路聲光報警模塊NRF24L01 無線模塊燈光提示電路 圖 2-1 子機模塊母機：母機主要包括 STC89C51 單片機控制模塊、NRF24L01 無線發送和接收模塊、聲光報警和震動報警模塊，復位電路模塊以及晶振電路模塊。如下圖 2-2 所示：單片機按鍵查找模塊晶振電路聲光報警模塊NRF24L

24、01 無線模塊復位電路震動報警模塊鄭州工業應用技術學院本科生畢業論文 智能無線防丟器設計4圖 2-2 母機模塊圖 2-2 母機模塊2.2 模塊方案設計模塊方案設計2.2.1 主控芯片方案主控芯片方案方案一：采用 STC89C51 單片機實現。 STC89C51 單片機具有安全性能高、運行速度快、處理功能強、結構簡單、功耗低、體積小、價格低廉、易于調試和維護等優點9，10。同時， STC89C51 單片機易于開發，應用領域廣，技術掌握較全面，技術運用能力較嫻熟。方案二：采用 MSP430F149 單片機。 MSP430F149 單片機具有集成度高、功能強大、可靠性高、運行速度快、功耗低等優點11

25、，12，但是考慮到本設計結構簡單，不需要強大的功能做支撐，另外，MSP430F149 單片機也有很多缺點，比如成本較高，開發周期較長等等。綜合考慮我們選擇 STC89C51 單片機作為本系統的微控制單元（英文縮寫為“MCU”）。2.2.2 無線通信模塊方案無線通信模塊方案方案一：采用集成芯片 M7216。集成芯片 M7216 屬于遙控編碼的一種，具有內碼數量大，編碼重復率低，工作電壓低等優點，但是集成芯片M7216系統結構復雜，功能難以實現。方案二：運用編解碼芯片 PT2262/2272。編解碼芯片 PT2262/2272 具有功耗低、價格低廉、應用領域廣、地址碼較多等優點13，14，傳輸方式

26、及結構如下圖 2-3 所示：鄭州工業應用技術學院本科生畢業論文 智能無線防丟器設計5編碼高頻發射高頻接收載波檢波放大整形報警解碼圖 2-3 PT2262/2272 芯片傳輸結構圖據調查及其上圖表明，編解碼芯片PT2262/2272 的缺點主要包括穩定性差、發射頻率較低、系統較復雜、實現功能較少（只能完成單向報警功能）等方面。方案三：采用 2.4G 技術進行短距離傳輸的 NRF24L01 無線發送和接收模塊。NRF24L01 無線發送和接收模塊具有價格低廉、體積小、功耗低、穩定性好、運行速度快、抗干擾性強等優點15，16。同時該模塊結構簡單，功能強大， 能夠實現雙向報警。綜上所述，我們采用 NR

27、F24L01 無線發送和接收模塊作為本設計的通信模塊。鄭州工業應用技術學院本科生畢業論文 智能無線防丟器設計63 硬件電路設計硬件電路設計3.1 STC89C51 單片機主控模塊設計單片機主控模塊設計STC89C51 單片機是一個低壓高性能 8 位單片機，片內含 8k Flash 閃存，512 bytes 的 RAM，2K 字節 EEPROM 存儲空間并且具有處理能力強，性能穩定，功耗低，價格低廉的優點17。它完全兼容普通 51 單片機的指令和功能，并且可以獨自完成 ISP 在線編程功能。主要功能特性：1)8k 可反復擦寫 Flash ROM；2)32 個雙向 I/O 口；3)512x8bit

28、 內部 RAM；4)可直接使用串口下載；5) 內帶 2K 字節 EEPROM 存儲空間；6）三級加密程序存儲器；7)低功耗空閑和掉電模式；8）掉電后中斷可喚醒；9）8 個中斷向量源；10）時鐘頻率介于 0Mhz 和 24Mhz 之間；11）通用異步串行口（ UART）；12）具有兩個 16 位的定時計時器。引腳圖見圖 3-1:鄭州工業應用技術學院本科生畢業論文 智能無線防丟器設計7EA/VP31X119X218RESET9P37/RD17P36WR16P32/INT012P33/INT113P34/T 014P35/T 115P101P112P123P134P145P156P167P178P0

29、039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE /P30P31/T XD11P30/RX D10GND20VCC40U1ST C89C52圖 3-1 單片機管腳圖STC89C51 單片機引腳介紹如下： 主電源引腳（2 根）VCC(Pin40)：電源輸入，接5V 電源GND(Pin20)：接地線外接晶振引腳（2 根）XTAL1(Pin19)：單片機中振蕩電路外部信號的引入接口。XTAL2(Pin18)：單片機中振蕩電路的輸出接口。控制引腳（4 根）RST/VPP(Pin

30、9)：具有復位功能的引腳。若該引腳在規定周期內出現兩個連續的高電平脈沖時，則對單片機進行初始化操作，恢復單片機原有的狀態。ALE/PROG(Pin30)：地址鎖存允許信號。一般情況下，STC89C51 單片機對外部信息訪問時， ALE 能夠鎖存低 8 位字節的地址，另外， ALE 端的脈沖輸出頻率是振蕩器輸出頻率的六分之一，具有定時、降低成本的作用。PSEN(Pin29)：外部存儲器信息讀取信號。當單片機讀取內部存儲器信息時，PESN 保持原有的狀態，當單片機讀取外部儲存器信息時，PESN 在每個周期內變化兩次。EA/VPP(Pin31)：對訪問內部、外部信號進行控制。當這個引腳接低電平時，單

31、片機將讀取外部信息指令，當這個引腳接高點平時，單片機首先讀取內部儲存信息指令，一旦訪問的地址范圍大于內部儲存器的范圍時，單片機將自動讀取外部儲存信息指令。另外，當外部編譯器對內部程序進行編譯時，可輸入編程電壓 VPP。雙向 I/O 端口（4 組）鄭州工業應用技術學院本科生畢業論文 智能無線防丟器設計8STC89C51 單片機有 4 組 8 位的可編程 I/O 口，分別位 P0、P1、P2、P3 口，對于每一組 I/O 端口而言都包含 8 個引腳，4 組 I/O 端口一共有 32 個引腳18。P0口（Pin39Pin32）：P0端口是一個沒有內部上拉電阻的8位雙向輸入、輸出端口。此時該端口輸出低

32、電平為0，輸出高電平則為高阻態，因此在眾多情況下加上內拉電阻是非常有必要的。比如該端口作為普通的輸入、輸出端口或者該端口對NPN型管進行驅動時。另外，該端口還可以用作復用總線，提供8位數據和低8位地址。該端口的引腳依次命名為P0.0、P0.1,、P0.2、P0.3、P0.4、P0.5、P0.6、P0.7。P1口（Pin1Pin8）：P1端口是一個內部含有上拉電阻的8位雙向輸入、輸出端口。該端口可同時對四個負載進行驅動，當輸入1時為高點平，當該端口作為輸入口時，被拉低的引腳可輸出一個電流。該端口的引腳依次命名為P1.0、P1.1,、P1.2、P1.3、P1.4、P1.5、P1.6、P1.7。P2

33、口（Pin21Pin28）：P2端口也是一個內部含有上拉電阻的8位雙向輸入、輸出端口。該端口也可同時對四個負載進行驅動，當輸入1時為高點平，可作為輸入口。該端口的引腳依次命名為P2.0、P2.1,、P2.2、P2.3、P2.4、P2.5、P2.6、P2.7。P3口（Pin10Pin17）：P3端口同樣也是一個內部含有上拉電阻的8位雙向輸入、輸出端口。該端口同樣可對四個負載進行驅動，當輸入1時為高點平，當該端口作為輸入口時，被拉低的引腳可輸出一個電流。該端口的引腳依次命名為P3.0、P3.1,、P3.2、P3.3、P3.4、P3.5、P3.6、P3.7。3.2 單片機最小系統單片機最小系統單片機

34、最小系統指的就是運用較少的元器件，組成一個能夠正常運行的系統，一般情況下，我們把最小系統看作是應用系統的核心19。該系統包括 STC89C51 單片機，時鐘電路，復位電路。該系統原理框圖如下圖 3-2 所示：圖 3-2 單片機最小系統原理框圖3.2.1 時鐘電路時鐘電路 時鐘電路Stc89c51單片機 復位電路 I/OI/O鄭州工業應用技術學院本科生畢業論文 智能無線防丟器設計9晶振是 STC89C51 單片機系統中不可或缺的元件，就晶振供給的時鐘頻率角度而言，時鐘頻率越低，單片機系統的運行速度就越慢，時鐘頻率越高，單片機系統的運行速度就越快。晶振的存在主要是為單片機系統提供時鐘信號的20。而

35、對于STC89C51 單片機的時鐘信號而言，它包括內部時鐘和外部時鐘兩種模式，如下圖3-3 所示是 STC89C51 單片機內部時鐘結構框圖。在單片機系統本身存在的振蕩電路基礎上，用晶振與單片機的 18、19 引腳相連接，然后再并聯接入兩個電容就構成了自激振蕩器，此時便可產生單片機所需的時鐘信號。兩個電容的主要功能是穩頻和加快振蕩速度。電容數值的大小介于 5pF 和 30pF 之間，最常用的電容值是 30pF，振蕩頻率的數值介于 1.2Mhz 和 12Mhz 之間，最常用的是 6Mhz 和 12Mhz。30pF 30pF 1819Y 1圖 3-3 STC89C52 內部時鐘電路3.2.2 復位

36、電路復位電路在電路電源接通的前提下，如果 STC89C51 單片機的 RESET 引腳能夠滿足以下兩個條件：1、從電源正極植入高電平； 2、高電平脈沖持續兩個周期的時間。那么單片機就會執行復位操作。另外，如果該引腳一直處于高電平植入狀態，那么單片機內部將不斷執行復位操作。對于復位電路而言，它分為自動復位電路和手動復位電路兩種模式，而本設計采用的是自動復位電路，自動復位操作主要是通過電容的充放電功能來完成的，當電壓的上升時間小于 1ms 時，單片機就可以完成自動復位21。本設計的自動復位框圖如下 3-4 所示：鄭州工業應用技術學院本科生畢業論文 智能無線防丟器設計10GND+5R4C3+10uf

37、9RESET10K圖 3-4 STC89C51 復位電路3.2.3 STC89C51 中斷技術概述中斷技術概述中斷技術是由單片機內部的中斷系統來實現的，它的主要作用是對主程序進行管理和監控，并且當中斷系統發出中斷指令時，單片機應及時作出響應并執行中斷操作22，23。中斷技術的具體操作步驟如下：首先由中斷系統發出中斷指令，然后對這一指令進行判斷，若中斷指令被允許，那么單片機就停止執行現有的程序，接著執行并處理中斷系統發出的中斷指令，待到中斷指令執行完成后，單片機再轉到程序中斷的地方，繼續執行主程序。如下圖 3-5 所示是程序中斷的處理過程。圖 3-5 中斷過程對于單片機系統而言，中斷技術在其運行

38、過程中發揮著重要的作用。假如單片機內部無中斷系統，那么單片機在運行過程中就要對單片機系統中的服務請求進行查詢，這樣不僅浪費大量的時間，而且單片機的工作效率也大大降低了。故在單片機中采用中斷技術是非常必要的。鄭州工業應用技術學院本科生畢業論文 智能無線防丟器設計113.3 nRF24L01 無線模塊無線模塊設計設計3.3.1 nRF24L01 概述概述 本設計采用 NRF24L01 無線通信模塊實現母機、子機之間的通信，它是由 nRF24L01 芯片制作而成的， nRF24L01 無線收發器芯片的工作頻率在ISM 頻段規定的范圍內，一般介于2.4GHz 和 2.5GHz 之間，可對近距離無線信號

39、進行單向發送和單向接收。同時，該芯片具有體積小，功率損耗低，實用性強，性能穩定，電路結構簡單等優點，另外，該芯片還采用了高斯頻移鍵控GFSK 的調制方式，并在芯片內部創建了鏈路層，為此該芯片能夠實現很多功能，比如自動應答、自動重發、地址碼檢測、循環冗余校驗碼檢測等24。該芯片的數據傳輸速率為 1Mbit/s 或者 2Mbit/s，一般采用串行外圍接口 SPI 與微控制單元相連接的方式設置芯片參數，以便更好進行數據傳輸，對于串行外圍接口而言，它的傳輸速率一般介于 0Mbit/s 到 8Mbit/s 之間，工作電壓介于 1.9V 到 3.6V 之間，并且它還擁有 125 個射頻傳輸信道供我們選擇2

40、5。另外，針對無線通信模塊而言，它主要是由頻率 發生器增強型 SchockBurstTM 模式控制器功率放大器、時鐘處理器、晶體振蕩器調制器、頻率合成器、解調器輸出功率信道的選取以及協議的配置組成。此模塊進行信號收發時，消耗的電流較低，調查數據如下：當無線收發模塊進行信號發送時，消耗的電流量是 9.0mA，在對信號進行接收時消耗的電流量是 12.3mA，特別是在空閑模式或者關機模式下該模塊消耗的電流量更少。隨著時代的進步，科學技術的發展，nRF24L01 芯片在無線通信領域發揮的作用越來越大，應用領域也越來越廣泛。 nRF24L01 芯片不僅被運用到鍵盤、鼠標等小型設備中，而且還用到日常生活中

41、的防盜系統、遙控系統、勘測系統等大型設備中。另外，由于人們對無線傳輸的要求愈來愈高，nRF24L01 芯片技術也不斷得到更新和完善，當前國內外無線研究技術組織對nRF24L01 芯片技術進行創新，并在某些領域取得了較好的成果。故本設計采用具有2.4G 技術的nRF24L01 無線發送和接收模塊進行短距離通信，這樣更能保證傳輸的安全性和可靠性。3.3.2 引腳功能及描述引腳功能及描述 nRF24L01 的電路圖引腳如圖 3-6 所示。鄭州工業應用技術學院本科生畢業論文 智能無線防丟器設計12 圖 3-6 NRF24L01 引腳圖各引腳功能如下：CE：傳送數據 RX 或接收數據 TX 模式選擇；C

42、SN，SCK，MOSI，MISO：串行外圍接口，用于與 nRF24L01 芯片相連接 ；IRQ：中斷引腳；VDD：電源輸入端；VSS：電源接地端；XC2，XC1：晶體振蕩器模擬輸出、輸入引腳；VDD_PA：為射頻的功率放大器提供+1.8 V 電源；ANT1,ANT2：天線接口；IREF：參考電流輸入引腳。通過以上對 nRF24L01 引腳功能的研究與分析，再加以對設計模型的考慮，制作出了本設計的 pcb 圖及其實物圖，如下圖 3-7 所示：鄭州工業應用技術學院本科生畢業論文 智能無線防丟器設計13 圖 3-7 NRF24L01 模型圖和實物圖3.3.3 nRF24L01 射頻芯片特性射頻芯片特

43、性1、射頻通道nRF24L01 的工作頻率可選擇的范圍是2.400GHz 到 2.483GHz，每個頻道的帶寬是 1MHz（1Mbps 速率）或 2MHz（2Mbps 速率）， nRF24L01 無線射頻通道的工作頻率是由六位寄存器RF_CH 確定的，并且射頻通道的工作頻率將對射頻通道運用的中心頻率起到決定性作用。我們可由下列公式計算出射頻通道工作頻率即： F0=（2400+RF_CH）MHz。對于射頻通道而言，如果發送端和接收端的射頻通道設定不相同即它們不在一個信道內傳輸，那么兩者就不能實現通信。為此我們在收發信號時，應當把兩者的射頻通道設定為同一條，才能實現通信。但是對于具體的情況還需具體

44、分析，比如當射頻通道的帶寬是 2MHz 時，我們必須設定 RF_CH 寄存器的內容不大于 2，否則將影響發送端和接收端之間的通信。2、工作模式通過對寄存器 PWR_UP,PRIM_RX 和使能端 CE 引腳的設定，我們可以把nRF24L01 設定為四種模式，包括發送模式，接收模式，空閑模式和關機模式，如下表 3-1 所示：表 3-1 nRF24L01 工作模式表鄭州工業應用技術學院本科生畢業論文 智能無線防丟器設計14模式PWR_UPPRIM_RXCEFIFO 寄存器狀態接收模式111發送模式101寄存器中數據在TXFIFO發送模式1010據發送完停留在發送模式直到數空閑模式101TXFIFO

45、 為空空閑模式10無數據傳輸關機模式03、數據包處理方式 對 nRF24L01 無線發送和接收模塊而言，它采用兩種方式對數據包進行處理，一種是 ShockBurstTM 模式，另一種是增強型 ShockBurstTM 模式，這兩種數據包的處理方式都是將微控制單元MCU 與 nRF24L01 無線發送和接收模塊通過串行外圍接口 SPI 相互連接起來26。 （1）ShockBurstTM 模式當運用 ShockBurstTM 模式對信號進行接收時，如果接收端收到準確的地址和數據，那么這時接收端通過中斷請求IRQ 告知微控制單元 MCU 信息已準確收到，接著微控制單元通過RXFIFO 寄存器讀取接收

46、到的地址和數據。運用這一模式進行數據和地址發送時，可以自動生成循環冗余校驗碼，當數據完全發送完畢后，接收端的中斷請求IRQ 告知微控制單元 MCU 信息已發出，這樣就能大大減少了微控制單元 MCU 對信息確定性的查詢時間，從而提高了工作效率。另外，在 nRF24L01 無線通信模塊的內部含有兩類寄存器，一類是RXFIFO 寄存器，另一類是 TXFIFO 寄存器，無論是在收發模式，關機模式還是在空閑模式下，微控制單元 MCU 都可以對 FIFO 寄存器進行訪問。（2）增強型 ShockBurstTM 模式對于增強型 ShockBurstTM 模式而言，它在保持微控制單元MCU 工作量的基礎上，又

47、同時擁有自動應答功能和自動重發功能。它的主要流程為：首先由發送端發出信號，當接收端接收所發出的地址和數據，則通過自動應答功能對發鄭州工業應用技術學院本科生畢業論文 智能無線防丟器設計15送端進行回復，然后發送端對反饋信息進行檢測。若信息檢測無誤，那么發送端繼續發送下一條信息，如果信息檢測有誤，那么就執行自動重發功能，直到信息傳輸無誤為止。另外對于增強型ShockBurstTM 模式下的應答和重發功能都是自動運行的，無需人工操作。由此可以看出采用增強型ShockBurstTM 模式對數據包進行處理具有功率損耗低、成本低、抗干擾性強等優點。 經過綜合考慮，因此本設計我們采用增強型ShockBurs

48、tTM 模式對數據包進行處理。4、自動應答功能自動應答功能主要是為信息接收端服務的。自動應答功能指的是當接收端接收到信號時，那么接收端便自動對發送端進行信息反饋，以便很好的對信息的準確性進行檢測。當信息確認無誤后，系統便進入正常工作狀態。這個功能在很大程度上降低了微控制單元 MCU 的工作量，減少了電流損耗，大大提高了工作效率27。5、自動重發功能 自動重發功能主要是為信息發送端服務的。當發送端檢測到接收端反饋信息無誤時，那么隨后系統將進入正常工作模式，若發送端沒有要發送的數據時，這時發送端則進入空閑模式下。一旦檢測到反饋信息出現錯誤時，這時系統自動返回到發送模式對錯誤數據進行重新發送，直到數

49、據準確無誤為止28。6、數據包格式，數據包識別 PID 及其循環冗余 CRC 校驗增強型 ShockBrustTM 模式下的數據包格式如下表3-2 所示：前導碼地址（35字節）9 位（標志位）數據（132 字節）CRC 校驗（0/1/2）ShockBurstTM 模式下的數據包格式如表 3-3：前導碼地址（35 字節）數據（132 字節）CRC 校驗（0/1/2）前導碼的作用主要是對脈沖編碼0 或 1 進行檢測，在進行數據傳輸時加上前導碼，而在數據接收端則把前導碼除去。地址主要是指的接收地址，地址寬度介于3 個字節到 5 個字節之間，當數據進行傳輸時，數據包在信道中可自行配置地址，而在接收端再

50、把配置地址自動去除。鄭州工業應用技術學院本科生畢業論文 智能無線防丟器設計16標志位一共有 9 位，其中兩位代表數據包識別位，其他7 位保留以滿足將來產品所需。數據包識別 PID 的主要作用就是為了對新數據包和舊數據包進行區分，當接收到新數據包時， PID 值加 1；反之， PID 值保持不變。數據位介于 1 字節到 32 字節之間，在通信過程中，必須保證發送端和接收端數據位數相同，否則接收端接收錯誤。對于接收到的數據寬度一般通過RX_PW_Px 寄存器進行設定， x 的取值介于 0 到 5 之間。循環冗余校驗碼 CRC 的作用主要是對信息的準確性進行檢測，以便保證信息的完整性和可靠性。檢測的

51、部分主要包括地址、PID 和有效數據等，如果循環冗余碼出現錯誤時，那么接收端則不對數據包進行接收。下圖 3-8 是數據包識別 PID 的生成和檢測框圖：圖 3-8 數據包識別 PID 的生成和檢測框圖由上圖可得出以下結論：（1）發送端：每當發送一個新的數據包， PID 值就會加 1。（2）接收端：對于接收端而言，讓新接收的數據包PID 值與上次接收數據包的 PID 值進行比較，假如兩次 PID 值不相同，則認為此數據包為新數據包，系統對其進行接收。假如兩次PID 值不同，然后再對兩次循環冗余碼CRC 進行比較，如果兩者相同，則認為是舊數據包直接丟棄。若循環冗余碼CRC 不同，則認為是新數據包，

52、系統對其進行接收。7、載波檢測鄭州工業應用技術學院本科生畢業論文 智能無線防丟器設計17在采用增強型 ShockBurstTM 模式進行數據包處理時，載波檢測將發揮很重要的作用。在數據包傳送過程中，如果數據包丟失率增加，那么這時我們就在接收端對傳輸通道 CD 值進行檢測，當 CD 值為高電平時，表明此通道傳輸數據過多，出現擁塞現象，這時我們采取的方式就是改變傳輸通道。當CD 值為低電平時，表明此通道可進行正常的數據傳輸。8、數據通道 當 nRF24L01 無線通信模塊設置為接收模式時，接收端可同時對六路通道不同，地址不同，速率相同的數據進行接收。對于數據通道而言，它是由寄存器 EN_RXADD

53、R 來設定的，一般情況下，只有通道0 和通道 1 處于開啟狀態。另外，這些數據通道都通過寄存器RX_ADDR_Px 賦予各自不同的地址（ x 的取值為 0 到 5，其中 RX_ADDR_P0 和 RX_ADDR_P1 的地址是 40 位，RX_ADDR_P2 到 RX_ADDR_P5 的地址為 32 位共用地址再加上各自調節的低8 位地址）29。3.3.4 nRF24L01 發送程序設計發送程序設計當 nRF24L01 無線通信模塊發送數據時，起初應該把nRF24L01 設定為發射模式，然后通過串行外圍接口SPI 將 nRF24L01 無線通信模塊與 STC89C51單片機相連接，緊接著將接收

54、節點地址TX_ADDR 以及有效數據 TX_PLD 按照先后順序輸入到 nRF24L01 無線通信模塊的儲存器中，在這一過程中，對于接收節點地址 TX_ADDR 只需輸入一次就行了，而對于有效數據TX_PLD 則必須在滿足 CSN 為高電平的條件時連續輸入。接下來設定CE 引腳為高電平并且維持 10s 以上，最后經過 130s 后再對數據進行發送。如果nRF24L01無線通信模塊的接收端打開了自動應答模式，那么數據發送后就等待接收端信號的回應，通過接收端的反饋數據對信息的準確度進行判斷，如果反饋的地址與發送的地址相一致，那么數據傳輸成功，這時設定TX_DS 為高電平并把TX_FIFO 寄存器中

55、的數據刪除：但是假如接收端反饋的地址與發送的地址不相符合，此時保留 TX_FIFO 寄存器中的數據，發送端通過自動重發功能對數據進行發送，直到數據傳輸成功或者重發次數ARC 大于設定的值；如果發送次數大于設定的值，那么這時就把MAX_RT 或者 TX_DS 設定為高電平，把中斷請求 IRQ 設定為低電平，通過數據接口告知微控制單元MCU，然后微控制單元進行處理，直到數據傳輸成功30。那么發送端和接收端通信成功后，如果還有數據需要發送，那么系統就進入正常收發模式，如果沒有數據需要發送，那么系統就進入空閑模式。如下圖3-9 所示是 nRF24L01 發送數據的時序圖：鄭州工業應用技術學院本科生畢業

56、論文 智能無線防丟器設計18圖 3-9 nRF24L01 發送數據 時序圖3.4 聲光報警模塊設計聲光報警模塊設計3.4.1 燈光提示電路燈光提示電路R12.2K+5D2LEDYP37圖 3-10 燈光提示電路發光二極管英文縮寫為 LED，它能夠將電能轉化為可見光，具有轉化率高、熱量低、體積小、功耗低、壽命長、環保、應用領域廣泛等優點。本設計采用發光二極管與電阻串聯的形式作為燈光提示電路，當物品丟失的時候，給予人們燈光警示。在此串聯電路中，由于電源供電電壓為+5V，而發光二極管的供電電壓為+3V，因此串聯一個電阻起到分壓的作用。3.4.2 聲音報警電路聲音報警電路鄭州工業應用技術學院本科生畢業

57、論文 智能無線防丟器設計19A1B2FBUZZER+5G NDFR12.2KQ 19012圖 3-11 聲音報警電路蜂鳴器指的就是一種能夠發出聲音的電子器件，它是采用直流電壓供電的方式對蜂鳴器進行供電的。按照結構原理可以分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種，根據驅動方式的不同可以 分為有源蜂鳴器和無源蜂鳴器，有源蜂鳴器是由直流電壓驅動的，而無源蜂鳴器是由方波驅動的。它的應用領域廣泛，主要運用到電話，汽車內部設備，報警器等電子產品中31。結合上圖可知本設計的聲音報警電路是由一個 PNP 型三極管，一個有源蜂鳴器和一個限流電阻組成。此電路采用 PNP 型三極管，Q1 只起到開關的作用，當基極輸入低電

58、平時，三極管被導通，蜂鳴器發出報警聲，而當基極輸入高電平時，三極管停止工作，蜂鳴器不發出報警聲。當物品丟失時，該電路給予人們聲音報警警示。3.5 震動報警模塊設計震動報警模塊設計Q 19012R12.2KA-+M 13vR268G ND+5圖 3-12 震動報警電路由上圖可知震動報警電路主要由兩個電阻，一個電機，一個 PNP 型三極管和一組偏心塊組成?？烧{偏心塊安裝在電機轉子軸的兩側，當電機旋轉時，偏心塊就會產生激振力，當轉子的平衡量超出設定的范圍時，電機就會震動。而且轉子超出平鄭州工業應用技術學院本科生畢業論文 智能無線防丟器設計20衡量越大，電機震動就會越劇烈。本設計選用 3v 震動電機來

59、提醒主人防丟，更加增加了設計的可靠性。3.6 按鍵模塊設計按鍵模塊設計對于按鍵來說，它可以分為獨立按鍵和矩陣式按鍵兩種模式，獨立按鍵具有結構簡單，系統穩定性強的優點，而矩陣式按鍵結構較復雜，不適合用在簡單的電路中。通過考慮本設計的實際狀況，最終決定使用獨立式按鍵。本設計按鍵模塊的主要作用是母機對子機的查找。當按下母機上的按鍵時，子機就會出現燈光報警和聲音報警。它的工作原理主要是當按下按鍵時，就會在單片機的輸入、輸出接口輸入低電平，那么此時單片機出現短路狀態，母機和子機之間不能進行正常通信。而當按鍵維持現狀的情況下，單片機的輸入、輸出接口輸入的是高電平，此時能夠保持母機和子機進行通信。另外，在按

60、鍵的過程中會出現抖動現象。解決這種現象的方式一般分為硬件去抖動和軟件去抖動。硬件抖動就是我們平常所說的電平不穩定，這種抖動持續的時間范圍是 10200ms。硬件去抖動就是及時對硬件電路進行處理，而軟件去抖動則是跳過抖動的時間，等到按鍵保持穩定的時候，再對其進行處理32。本設計采用的是軟件去抖動的方式。軟件去抖動是這樣實現的，當有低電平出現時對其進行延遲，延遲時間保持 10200ms，之后，再對輸入、輸出接口進行檢測，如果此時值為 1，則把它當做干擾信號，如果值為 0，則執行相應的程序。如下圖 3-13 所示是按腳模塊的電路部分。G NDS1SW-PBP17圖 3-13 按鍵電路鄭州工業應用技術