基于 51 单片机的无线数据收发系统设计

基于 51 单片机的无线数据收发系统设计

发表时间：2020-03-18T06:31:42.251Z 来源：《建设者》2019年22期作者：狄飞龚忠平※[导读] 系统接收与发送端模块均单片机、无线发送模块/ 接收、显示、声音提示模块。

四川汽车职业技术学院四川绵阳 621000

摘要：系统使用 51 单片机通过NRF24L01 模块远程传输数据，接收端通过NRF24L01 模块接收无线数据。处理后由液晶进行数据显示，可根据需要设置声音提示。系统接收与发送端模块均单片机、无线发送模块/ 接收、显示、声音提示模块。

关键词：51 单片机；NRF24L01；液晶显示；无线通讯

1硬件设计

1.1系统组成

该系统将数据经过控制器由无线发送模块进行远距离发送，再通过接收端进行无线数据接收。接收的数据经控制器处理后由液晶显示器显示，并根据需要可以实现一定的声音提示。

1.2无线收发模块

本设计使用无线通讯技术实现数据的传送，能够实现此功能的硬件电路模块总类较多。为符合设计需求，采用以 NRF24L01 为核心的无线通讯模块。该方案可以使系统具有低成本，低功耗，体积小等特点。

NRF24L01 无线模块出至 NORDIC 公司。其工作频段在 2.4G— 5GHz，该模块正常工作电压为 1.9V—3.6V，内部具有 FSK 调制功能，集成了 NORDIC 公司自创的增强短脉冲协议。该模块最多可实现 1 对 6 的数据发送与接收。其每秒最高可传输两兆比特，能够实现地址检验及循环冗余检验。若使用 SPI 接口，其每秒最高可传输八兆比特，多达 128 个可选工作频道，将该芯片的最小系统集成后，构成

NRF24L01 无线通信模块。

1、引脚功能

此模块有 6 个数据传输和控制引脚，采用 SPI 传输方式，实现全双工串口通讯，其中 CE 脚为芯片模式控制线，工作情况下，CE 端协配合寄存器来决定模块的工作状态。当4 脚电平为低时，模块开始工作。数据写入的控制时钟由第 5 脚输入，数据写入与输出分别为 6、7脚，中断信号放在了第 8 脚。

2、电器特性

NRF24L01 采用全球广泛使用的 2.4Ghz 频率，传输速率可达 2Mbps，一次数据传输宽度可达 32 字节，其传输距离空旷地带可达

2000M 此模块增强版空旷地带传输距离可达 5000M—6000M, 因内部具有 6 个数据通道，可实现 1 对 6 数据发送，还可实现 6 对 1 数据接收，其工作电压为 1.9V-3.6V，当没有数据传输时可进入低功耗模式运行，微控制器对其控制时可对数据控制引脚输入 5V 电平信号，可实现 GFSK 调制。由于其内部具有增强型 Shock Burst 功能，能够实现自动数据包处理功能。

3、工作模式

NRF24L01 具有 5 种工作状态模式，分别为掉电模式、发送模式、接收模式以及两个待机模式。当模块空闲时，通过更改CONFG 中的PWR_UP 位电平置低即可进入掉电模式，实现低功耗运行，将CONFG 中的PWR_UP 置高时，模块进入待机 1 模式，当控制引脚CE 端口置 1 时立即进入主模式，当 CE 置 1，PTX 设备上 FIFO 为空时，模块马上切换至待机模式 2，模式 2 相对于模式 1 区别在于模式 2 比模式1 功率大，消耗更多电流。发送数据模式和接收数据模式为主模式，切换至发送模式时，PWR_UP=0，PRIM_RX=0，TX 的 FIFO 必须赋值，CE 引脚产生10us 以上的高脉冲立即切换至发送模式。切换至接收模式只需将 PWR_ UP 位和 PRIM_RX 位和 CE 引脚置 1，即可进入接收模式。

1.4 整体电路

在硬件整体电路中除单片机的最小系统电路外，LCD1602 进行数据显示，并连接到单片机 P0 端，由于 P0 端口是双向数据 I/O 口因此需要上拉电阻实现电平输出控制。其中 RP1 是LCD1602 显示对比度调节电位器，通过调节 VO 端电压实现对比度控制，以此达到显示清晰度调节。其中 NRF24L01 模块由于工作电压为 DC3.3V 供电，本系统采用 DC5V 供电，因此 AMS1117 电压转换芯片被添加到系统中，以实现 5V 转 3.3V 的电压降，达到该模块的 3.3V 供电。该模块有 8 个 IO端口，其中 3-8 是数据端口，控制端口连接到单片机 P1 端口。在系统电路中增加了三个扩展接口和 4 个机械按键以及三个 LED 实现后续的功能扩展。

2

软件设计思路

发射流程中首先对各模块进行初始化设置，启动系统后通过 51 单片机对外围设备进行数据采集，如没有数据输入，系统继续等待，若有进行数据提取处理，并写入 NRF24L01 内部数据存储区，单片机对其控制实现数据的无线发射，同时液晶显示模块进行数据显示。其控制流程如图 4 所示。

接收模块始终处于等待状态，并且在同一数据通道中监测到数据，就立即进行数据接收，在进行 CRC 数据校验，校验正确后进行数据存储至缓存区，51 单片机通过对 NRF24L01 数据缓存区进行数据提取，处理后通过LCD1602 实时显示。

发射过程为对各模块进行初始化设置，系统对外围设备进行数据采集，进行提取处理，将处理后数据写入NRF24L01 内部进行无线发射，同时LCD1602 进行数据实时显示。

3电路制作与装配

电路制作装配过程中，首先为PCB 的绘画布局，在PCB 绘制过程中严格按照电子产品设计工艺，多方面考虑电路的简单化，安装方便，抗干扰能力等，做到布局合理，紧凑；元件封装添加过程中仔细核对元件封装与实物封装的一致性，保证可以正常安装元件。

在产品整体安装过程中，严格安装电子产品装配工艺要求进行。在焊接过程中根据电洛铁 5 步法原则进行焊接，同时严格控制电洛铁温度及元件加热时间，以免由于温度过高损坏元器件。

4后记

在产品调试过程中，分别进行了三项测试实验。

第一项为数据收发实验。模块是否能够发送及接收数据，通过按键调用相应数据包经过1 对1 数据传送，在接收端能够成功接收及显示。

第二项为传送过程中数据丢包测试。通过发送端向接收端发送多组数据包。接收端在接收数据后执行液晶实时滚动显示，并作记录。重复收发 50 次后，进行数据分析。经测试，未发生数据丢失情况。

第三项实验为无线传输距离测试。在空旷区域中，通过不断增加两模块间的距离进行数据收发。最终确定，在 2000m 半径的空旷地带，能准确实现数据收发。

由于实验条件有限，在测试过程中采用了等效替换法，以提高测试数据的准确性。在性能精度上可能会存在一定误差，后续将继续完善。

参考文献

[1]王涛. 基于nRF24L01 的 2.4GHz 无线通信系统设计[J]. 无线电通信技术, 2011, 37(3):4-7.

[2]王涛. " 基于nRF24L01 的 2.4GHz 无线通信系统设计." 无线电通信技术 37.3(2011):4-7.

[3]朱慧彦, 林林. 基于MCU 和nRF24L01 的无线通信系统设计[J]. 电子科技, 2012, 25(4):81.

[4]付聪, 付慧生, 李益青. 基于nRF24L01 的无线温度采集控制系统的设计[J]. 工矿自动化, 2010, 36(1):73-75.

[5]王峰, 邢磊, 史星晟, 等. 基于nRF24L01 的无线通信系统设计[J]. 科技创新与生产力, 2011(7):88-90.

[6]沈勇, 蒋文雄, 段勇. 基于nRF24L01 的通用无线通信模块设计[J]. 电子设计工程, 2013, 21(18):84-86.

[7] 赵亮 . 液晶显示模块 LCD1602 应用 [J]. 电子制作 , 2007(3):58-59.

[8] 胡彬彬 , 张玮 . 单片机无线通信系统的设计与实现 [J]. 数字技术与应用, 2014(4):38-39.

作者简介

狄飞（1981-），男，四川宜宾人，讲师，工程硕士，研究方向为嵌入式设计。（四川绵阳 621000）

龚忠平（1996-），男，四川达州人，汽车电子技术专业学生