智能无线防丢器设计与实现

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本科生毕业设计智能无线防丢器设计与实现
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摘要
本课题设计的防丢器与现代人们生活密切相关，是时代进步，科技发展的成果。

本设计主要分为母机和子机两个部分，母机主要包括TC89C51单片机控制模块、NRF24L01无线发送和接收模块、声光报警和震动报警模块，复位电路模块以及晶振电路模块。

子机主要包括STC89C51单片机控制模块、NRF24L01无线发送和接收模块、声光报警模块、灯光提示电路、晶振电路模块以及复位电路模块。

因为母机和子机都载有采用2.4G技术进行通信的NRF24L01无线模块，所以母机和子机都能够进行信号的发送和接收。

当两者距离没有超过规定的范围时，NRF24L01发射端配置为发射模式，对数据进行发送，相应的NRF24L01接收端配置为接收模式对数据进行接收，当接收端接收到发送端的数据时，然后对发送端传输应答信号，这样母机和子机就完成了一次通信。

然而当母机和子机的距离超过规定范围内时，那么母机发送的数据就不能被子机所接收，这时子机也不会对母机传递应答信号，在超过规定的时间内发送端不能接收到接收端发出的应答信号，而此时母机和子机就不能进行正常的通信，数据传输失败，母机进行声光报警和震动报警，子机出现声光报警。

本设计在原有防丢器的基础上加以震动报警模块，这也是本设计的创新所在，防丢器的震动报警功能在现代生活中发挥着越来越重要的作用，尤其是在噪杂的人群中，效果尤为突出。

关键词：NRF24L01；防丢器；STC89C51
Abstract
Abstract:The issue of anti-lost design is closely related to modern people's 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 transmission 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 oscillator 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 the 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 communication. 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 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 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; STC89C51
目录
1 前言 (1)
1.1课题的背景与意义 (1)
1.2国内外研究状况及相关领域中已有的研究成果 (1)
1.3设计任务的分析 (1)
1.4预期结果 (2)
2 总体方案设计的论证 (3)
2.1系统方案设计 (3)
2.2模块方案设计................. (4)
2.2.1主控芯片方案 (4)
2.2.2无线通信模块方案 (4)
3 硬件电路设计 (5)
3.1 STC89C51单片机主控模块设计 (6)
3.2单片机最小系统 (8)
3.2.1时钟电路 (8)
3.2.2复位电路 (9)
3.2.3 STC89C51中断技术概述 (9)
3.3 nRF24L01无线模块设计 (10)
3.3.1 nRF24L01概述 (10)
3.3.2引脚功能及描述 (11)
3.3.3 nRF24L01射频芯片特性 (12)
3.3.4 nRF24L01发送程序设计 (16)
3.4声光报警模块设计 (17)
3.4.1灯光提示电路 (17)
3.4.2声音报警电路 (17)
3.5震动报警模块设计 (18)
3.6按键模块设计 (18)
4 软件系统的设计 (20)
4.1软件介绍 (20)
4.2 nRF24L01发送流程图设计 (21)
4.3nRF24L01接收流程图设计 (21)
4.4母机流程图设计 (22)
4.5子机流程图设计 (23)
5 系统的调试及实验结果 (24)
5.1调试流程 (25)
5.2实验结果 (25)
6 结论 (27)
7 致谢 (28)
8 参考文献 (29)
附录一：主机原理图 (30)
附录二：从机原理图 (30)
附录三：元件清单 (30)
附录四：NRF24L01发送模块程序 (30)
附录五：NRF24L01接收模块程序 (30)
1 前言
1.1课题的背景与意义
随着科学技术的进步、社会状况的良好发展，现代人们的生活节奏不断加快，而由于个人发展、家庭琐事、社会竞争等诸多因素，人们常常使自己的大脑处于忙碌和紧张的状态、长此以往容易导致自己记忆力下降，出现忘东忘西的状况，常常不记得自己的手机、钱包、钥匙放在何处。

另外，随着生活水平的不断提高，逛街、购物、出外旅行越来越受到人们的青睐，这些都是比较繁华热闹的地方，自己的钱包、手机不知什么时候就被小偷偷走了，更要命的是那些带着自己孩子外出的人们，稍微不注意自己的孩子就跑丢了。

为了预防以上这些不好事情的发生，智能电子防丢器就出现在我们的生活中并且很方便，很实用。

智能电子防丢器有体积小，携带方便，环保，性能好等特点，对防止钱包、手机、钥匙、小孩等贵重物品的丢失有很好的用途，是现代生活所必不可少的物品[1]。

本课题设计的防丢器通过单片机系统分别控制发送模块和接收模块，在保留声音报警功能的同时添加振动报警功能，这样在噪杂的人群中能更好的发挥防丢器的优势，更有效地解决物品丢失的问题。

1.2 国内外研究状况及相关领域中已有的研究成果
随着社会的发展，时代的进步，防丢器将在人们日常生活中发挥着越来越大的作用。

因此，好多专家与学者对防丢器进行了研究、分析及其设计。

在2000年，张朝辉设计了一款以UM3758—108A编解码芯片为核心的防丢器[2]，当母机和子机超过规定范围内时就会出现声光报警。

2010年刘密歌、王路设计了一款防丢器，它以PT2262/PT2272 编解码集成芯片为核心[3]。

该防丢器不仅有防丢功能，而且还具有查找功能。

2014年郭明明、韩阳等人研究并设计了基于蓝牙技术的双向防丢器，该防丢器克服了原有防丢器单项声光报警的问题，开发了一种新型的防丢器[4]。

而本设计则是采用2.4GHz无线技术的NRF24L01无线通信模块进行短距离传输，2.4GHz技术属于国际性的频段，抗干扰性强[5]。

同时本设计在原有防丢器基础上加以震动报警功能，克服了原有防丢器的缺陷和不足，具有结构简单，功耗低，实用性强、方便使用等优点。

这种震动报警功能在噪杂的人群中效果显得尤为突出，更好的解决了物品丢失以及儿童丢失的问题。

1.3设计任务的分析
本设计分为硬件电路部分和软件编程部分。

硬件电路的主要部分是STC89C51单片机和采用2.4G技术进行短距离通信的NRF24L01无线发送和接收模块[6]。

该防丢器运用NRF24L01无线发送和接收模块在规定距离内母机和子机进行正常信号传输，超出距离母机和子机不能进行正常信号传输的思想，通过STC89C51单片机对母机或者子机接收的信息进行处理，并随时更新母机、子机的信息，进而对声光报警器和震动报警器进行控制[7]，以完成信号不能正常传输就报警的任务。

另外，本设计拥有结构简单，价格低廉，安全性高，传输速率快等特点。

本设计的软件编程部分是以KeilC51软件为开发平台，使用C语言进行程序编写的。

本此设计选用的是STC89C51单片机。

单片机具有以下特性：
·结构不复杂，安全性能高。

·处理功能强，速度快。

·低电压低耗，体积小。

·价格低廉，使用方便。

·程序的循环利用率较高。

1.4预期结果
母机和子机通过无线模块在10m的范围内上能相互通信，当信号不能正常传输时，进行声光报警和震动报警。

本设计的模块主要包括STC89C51单片机控制模块、NRF24L01无线发送和接收模块、声光报警和震动报警模块、灯光提示电路模块以及按键查找模块[8]。

2 总体方案设计的论证
2.1系统方案设计
子机：子机主要包括STC89C51单片机控制模块、NRF24L01无线发送和接收模块、声光报警模块、灯光提示电路、晶振电路模块以及复位电路模块。

如下图2-1所示：
图2-1 子机模块
母机：母机主要包括STC89C51单片机控制模块、NRF24L01无线发送和接收模块、声光报警和震动报警模块，复位电路模块以及晶振电路模块。

如下图2-2所示：
图2-2 母机模块
单 片 机 复位电路
晶振电路 声光报警模块 NRF24L01无线模块
灯光提示电路
单 片 机
按键查找模块
晶振电路 声光报警模块 NRF24L01无线模块 复位电路
震动报警模块
图2-2 母机模块
2.2 模块方案设计
2.2.1主控芯片方案
方案一：采用STC89C51单片机实现。

STC89C51单片机具有安全性能高、运行速度快、处理功能强、结构简单、功耗低、体积小、价格低廉、易于调试和维护等优点[9，10]。

同时，STC89C51单片机易于开发，应用领域广，技术掌握较全面，技术运用能力较娴熟。

方案二：采用MSP430F149单片机。

MSP430F149单片机具有集成度高、功能强大、可靠性高、运行速度快、功耗低等优点[11，12]，但是考虑到本设计结构简单，不需要强大的功能做支撑，另外，MSP430F149单片机也有很多缺点，比如成本较高，开发周期较长等等。

综合考虑我们选择STC89C51单片机作为本系统的微控制单元（英文缩写为―MCU‖）。

2.2.2无线通信模块方案
方案一：采用集成芯片M7216。

集成芯片M7216属于遥控编码的一种，具有内码数量大，编码重复率低，工作电压低等优点，但是集成芯片M7216系统结构复杂，功能难以实现。

方案二：运用编解码芯片PT2262/2272。

编解码芯片PT2262/2272具有功耗低、价格低廉、应用领域广、地址码较多等优点[13，14]，传输方式及结构如下图2-3所示：
图2-3 PT2262/2272芯片传输结构图 编码 高频发射
高频接收
载波 检波 放大整形
报警
解码
据调查及其上图表明，编解码芯片PT2262/2272的缺点主要包括稳定性差、发射频率较低、系统较复杂、实现功能较少（只能完成单向报警功能）等方面。

方案三：采用2.4G技术进行短距离传输的NRF24L01无线发送和接收模块。

NRF24L01无线发送和接收模块具有价格低廉、体积小、功耗低、稳定性好、运行速度快、抗干扰性强等优点[15，16]。

同时该模块结构简单，功能强大，能够实现双向报警。

综上所述，我们采用NRF24L01无线发送和接收模块作为本设计的通信模块。

3 硬件电路设计
3.1 STC89C51单片机主控模块设计
STC89C51单片机是一个低压高性能8位单片机，片内含8k Flash 闪存，512 bytes 的RAM ，2K 字节EEPROM 存储空间并且具有处理能力强，性能稳定，功耗低，价格低廉的优点[17]。

它完全兼容普通51单片机的指令和功能，并且可以独自完成ISP 在线编程功能。

主要功能特性：
1)8k 可反复擦写Flash ROM ；
2)32个双向I/O 口；
3)512x8bit 内部RAM ；
4)可直接使用串口下载；
5) 内带2K 字节EEPROM 存储空间；
6）三级加密程序存储器；
7)低功耗空闲和掉电模式；
8）掉电后中断可唤醒；
9）8个中断向量源；
10）时钟频率介于0Mhz 和24Mhz 之间；
11）通用异步串行口（UART ）；
12）具有两个16位的定时／计时器。

引脚图见图3-1: EA/VP 31
X119X218RESET 9P37/RD 17P36W R 16P32/INT012P33/INT113P34/T014P35/T115P101
P112P123P134P145P156P167P178P0039
P0138
P0237
P0336
P0435
P0534
P0633
P0732
P2021
P2122
P2223
P2324
P2425
P2526
P2627
P2728
PSEN 29
ALE/P 30
P31/TXD 11P30/RXD 10GND 20VCC 40
U1
STC89C52
图3-1 单片机管脚图
STC89C51单片机引脚介绍如下：
① 主电源引脚（2根）
VCC(Pin40)：电源输入，接＋5V 电源
GND(Pin20)：接地线
②外接晶振引脚（2根）
XTAL1(Pin19)：单片机中振荡电路外部信号的引入接口。

XTAL2(Pin18)：单片机中振荡电路的输出接口。

③控制引脚（4根）
RST/VPP(Pin9)：具有复位功能的引脚。

若该引脚在规定周期内出现两个连续的高电平脉冲时，则对单片机进行初始化操作，恢复单片机原有的状态。

ALE/PROG(Pin30)：地址锁存允许信号。

一般情况下，STC89C51单片机对外部信息访问时，ALE能够锁存低8位字节的地址，另外，ALE端的脉冲输出频率是振荡器输出频率的六分之一，具有定时、降低成本的作用。

PSEN(Pin29)：外部存储器信息读取信号。

当单片机读取内部存储器信息时，PESN 保持原有的状态，当单片机读取外部储存器信息时，PESN在每个周期内变化两次。

EA/VPP(Pin31)：对访问内部、外部信号进行控制。

当这个引脚接低电平时，单片机将读取外部信息指令，当这个引脚接高点平时，单片机首先读取内部储存信息指令，一旦访问的地址范围大于内部储存器的范围时，单片机将自动读取外部储存信息指令。

另外，当外部编译器对内部程序进行编译时，可输入编程电压VPP。

④双向I/O端口（4组）
STC89C51单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，对于每一组I/O端口而言都包含8个引脚，4组I/O端口一共有32个引脚[18]。

P0口（Pin39～Pin32）：P0端口是一个没有内部上拉电阻的8位双向输入、输出端口。

此时该端口输出低电平为0，输出高电平则为高阻态，因此在众多情况下加上内拉电阻是非常有必要的。

比如该端口作为普通的输入、输出端口或者该端口对NPN 型管进行驱动时。

另外，该端口还可以用作复用总线，提供8位数据和低8位地址。

该端口的引脚依次命名为P0.0、P0.1,、P0.2、P0.3、P0.4、P0.5、P0.6、P0.7。

P1口（Pin1～Pin8）：P1端口是一个内部含有上拉电阻的8位双向输入、输出端口。

该端口可同时对四个负载进行驱动，当输入1时为高点平，当该端口作为输入口时，被拉低的引脚可输出一个电流。

该端口的引脚依次命名为P1.0、P1.1,、P1.2、P1.3、P1.4、P1.5、P1.6、P1.7。

P2口（Pin21～Pin28）：P2端口也是一个内部含有上拉电阻的8位双向输入、输出端口。

该端口也可同时对四个负载进行驱动，当输入1时为高点平，可作为输入口。

该端口的引脚依次命名为P2.0、P2.1,、P2.2、P2.3、P2.4、P2.5、P2.6、P2.7。

P3口（Pin10～Pin17）：P3端口同样也是一个内部含有上拉电阻的8位双向输入、输出端口。

该端口同样可对四个负载进行驱动，当输入1时为高点平，当该端口作为输入口时，被拉低的引脚可输出一个电流。

该端口的引脚依次命名为P3.0、P3.1,、P3.2、
P3.3、P3.4、P3.5、P3.6、P3.7。

3.2单片机最小系统
单片机最小系统指的就是运用较少的元器件，组成一个能够正常运行的系统，一般情况下，我们把最小系统看作是应用系统的核心[19]。

该系统包括STC89C51单片机，时钟电路，复位电路。

该系统原理框图如下图3-2所示：
图3-2 单片机最小系统原理框图
3.2.1时钟电路
晶振是STC89C51单片机系统中不可或缺的元件，就晶振供给的时钟频率角度而言，时钟频率越低，单片机系统的运行速度就越慢，时钟频率越高，单片机系统的运行速度就越快。

晶振的存在主要是为单片机系统提供时钟信号的[20]。

而对于STC89C51单片机的时钟信号而言，它包括内部时钟和外部时钟两种模式，如下图3-3所示是STC89C51单片机内部时钟结构框图。

在单片机系统本身存在的振荡电路基础上，用晶振与单片机的18、19引脚相连接，然后再并联接入两个电容就构成了自激振荡器，此时便可产生单片机所需的时钟信号。

两个电容的主要功能是稳频和加快振荡速度。

电容数值的大小介于5pF和30pF之间，最常用的电容值是30pF，振荡频率的数值介于1.2Mhz和12Mhz之间，最常用的是6Mhz和12Mhz。

30pF 30pF 18
19 Y 1
时钟电路
Stc89c51单片
复位电路
I/O
图3-3 STC89C52内部时钟电路
3.2.2复位电路
在电路电源接通的前提下，如果STC89C51单片机的RESET 引脚能够满足以下两个条件：1、从电源正极植入高电平；
2、高电平脉冲持续两个周期的时间。

那么单片机就会执行复位操作。

另外，如果该引脚一直处于高电平植入状态，那么单片机内部将不断执行复位操作。

对于复位电路而言，它分为自动复位电路和手动复位电路两种模式，而本设计采用的是自动复位电路，自动复位操作主要是通过电容的充放电功能来完成的，当电压的上升时间小于1ms 时，单片机就可以完成自动复位[21]。

本设计的自动复位框图如下3-4所示：
图3-4 STC89C51复位电路 3.2.3 STC89C51中断技术概述
中断技术是由单片机内部的中断系统来实现的，它的主要作用是对主程序进行管理和监控，并且当中断系统发出中断指令时，单片机应及时作出响应并执行中断操作
[22，23]。

中断技术的具体操作步骤如下：首先由中断系统发出中断指令，然后对这一指令进行判断，若中断指令被允许，那么单片机就停止执行现有的程序，接着执行并处理中断系统发出的中断指令，待到中断指令执行完成后，单片机再转到程序中断的地方，继续执行主程序。

如下图3-5所示是程序中断的处理过程。

GND +5
R4
C3 +
10uf 9
RESET 10K
图3-5 中断过程
对于单片机系统而言，中断技术在其运行过程中发挥着重要的作用。

假如单片机内部无中断系统，那么单片机在运行过程中就要对单片机系统中的服务请求进行查询，这样不仅浪费大量的时间，而且单片机的工作效率也大大降低了。

故在单片机中采用中断技术是非常必要的。

3.3 nRF24L01无线模块设计
3.3.1 nRF24L01概述
本设计采用NRF24L01无线通信模块实现母机、子机之间的通信，它是由nRF24L01芯片制作而成的，nRF24L01无线收发器芯片的工作频率在ISM频段规定的范围内，一般介于2.4GHz和2.5GHz之间，可对近距离无线信号进行单向发送和单向接收。

同时，该芯片具有体积小，功率损耗低，实用性强，性能稳定，电路结构简单等优点，另外，该芯片还采用了高斯频移键控GFSK的调制方式，并在芯片内部创建了链路层，为此该芯片能够实现很多功能，比如自动应答、自动重发、地址码检测、循环冗余校验码检测等[24]。

该芯片的数据传输速率为1Mbit/s或者2Mbit/s，一般采用串行外围接口SPI与微控制单元相连接的方式设置芯片参数，以便更好进行数据传输，对于串行外围接口而言，它的传输速率一般介于0Mbit/s到8Mbit/s之间，工作电压介于1.9V到3.6V之间，并且它还拥有125个射频传输信道供我们选择[25]。

另外，针对无线通信模块而言，它主要是由频率发生器增强型SchockBurstTM模式控制器功率放大器、时钟处理器、晶体振荡器调制器、频率合成器、解调器输出功率信道的选取以及协议的配置组成。

此模块进行信号收发时，消耗的电流较低，调查数据如下：当无线收发模块进行信号发送时，消耗的电流量是9.0mA，在对信号进行接收时消耗的电流量是12.3mA，特别是在空闲模式或者关机模式下该模块消耗的电流量更少。

随着时代的进步，科学技术的发展，nRF24L01芯片在无线通信领域发挥的作用越来越大，应用领域也越来越广泛。

nRF24L01芯片不仅被运用到键盘、鼠标等小型设备中，而且还用到日常生活中的防盗系统、遥控系统、勘测系统等大型设备中。

另外，由于人们对无线传输的要求愈来愈高，nRF24L01芯片技术也不断得到更新和完善，当前国内外无线研究技术组织对nRF24L01芯片技术进行创新，并在某些领域取得了较好的成果。

故本设计采用具有 2.4G技术的nRF24L01无线发送和接收模块进行短距离通信，这样更能保证传输的安全性和可靠性。

3.3.2引脚功能及描述
nRF24L01的电路图引脚如图3-6所示。

图3-6 NRF24L01引脚图
各引脚功能如下：
CE：传送数据RX或接收数据TX模式选择；
CSN，SCK，MOSI，MISO：串行外围接口，用于与nRF24L01芯片相连接；
IRQ：中断引脚；
VDD：电源输入端；
VSS：电源接地端；
XC2，XC1：晶体振荡器模拟输出、输入引脚；
VDD_PA：为射频的功率放大器提供+1.8 V电源；
ANT1,ANT2：天线接口；
IREF：参考电流输入引脚。

通过以上对nRF24L01引脚功能的研究与分析，再加以对设计模型的考虑，制作出了本设计的pcb图及其实物图，如下图3-7所示：
图3-7 NRF24L01模型图和实物图
3.3.3 nRF24L01射频芯片特性
一、射频通道
nRF24L01的工作频率可选择的范围是2.400GHz到2.483GHz，每个频道的带宽是1MHz（1Mbps速率）或2MHz（2Mbps速率），nRF24L01无线射频通道的工作频率是由六位寄存器RF_CH确定的，并且射频通道的工作频率将对射频通道运用的中心频率起到决定性作用。

我们可由下列公式计算出射频通道工作频率即：F0=（2400+RF_CH）MHz。

对于射频通道而言，如果发送端和接收端的射频通道设定不相同即它们不在一个信道内传输，那么两者就不能实现通信。

为此我们在收发信号时，应当把两者的射频通道设定为同一条，才能实现通信。

但是对于具体的情况还需具体分析，比如当射频通道的带宽是2MHz时，我们必须设定RF_CH寄存器的内容不大于2，否则将影响发送端和接收端之间的通信。

二、工作模式
通过对寄存器PWR_UP,PRIM_RX和使能端CE引脚的设定，我们可以把nRF24L01设定为四种模式，包括发送模式，接收模式，空闲模式和关机模式，如下表3-1所示：。