丁媛媛
(煙臺職業學院,山東 煙臺 264670)
利用無線傳輸模塊進行無線通信傳輸,通過單片機控制無線傳輸模塊A進行發送無線信號,然后用單片機控制無線傳輸模塊B接收無線傳輸模塊A所發出的無線信號,從而實現一對一的無線信號傳輸,如圖1所示。反方向傳輸也是如此,無線傳輸模塊B發出信號,無線傳輸模塊A接收傳輸信號。
系統硬件部分主要由單片機ATS89S51控制電路、nRF24L01收發模塊、穩壓電路、顯示電路、電平轉換電路組成,以下重點介紹無線收發芯片等重點控制部分的電路原理。
無線傳輸模塊采用nRF24L01芯片[2],該芯片是單片射頻收發芯片,工作于2.4~2.5 GHz-ISM頻段,芯片內置晶體振蕩器、功率放大器、頻率合成器以及調制器等功能模塊,輸出功率與通信頻道能夠通過程序進行配備。芯片能耗非常低,如果按照-5 dBm的功率發射,工作電流只有10.5 mA,接收時工作電流18 mA,具有多種低功率的工作模式,節能設計更加方便。其DuoCeiv-erTM 技術[3]能夠使nRF24L01使用同一天線來同時接收兩個不同頻道的數據。nRF24L01適用于多種無線通信的場合,如無線數據傳輸系統、無線鼠標、遙控開鎖、遙控玩具等,應用范圍非常廣。
nRF24L01工作原理圖如圖2所示。

圖2 nRF24L01工作原理圖
主控制電路主要由AT89S51單片機芯片[4]、復位電路及外設晶振電路組成。具體電路圖如圖3所示,該單片機的 P1.4,P1.5,P1.6,P1.7 口接無線收發模塊的1、2、3、4引腳,通過 SPI方式進行通信,P1.5,P1.6引腳分別收發圖2中的數據。圖3中J3作為串口及外部擴展使用,J4與無線收發模塊連通,J5,J6為外部擴展接口,接LED顯示燈與按鍵。

圖3 主控制芯片工作原理圖
接口電路輸出電流經過二極管整流、濾波后,三端穩壓器件7805實現降壓,由12 V降至5 V給單片機供電,5 V電壓經過再次濾波,從AMS1117的輸入端輸入,經過AMS1117正向低壓穩壓器再次降壓,獲得穩定的3 V電壓,作為無線發送與接收模塊的供電電源,具體電路如圖4所示。
PCB板的設計主要是板圖設計,采用電路板的主要優點是大大減少布線和裝配的差錯,提高了自動化水平和生產勞動率。
畫該電路的PCB板應注意以下幾點[5]:
1)在整個PCB板的布線中,電源、地線盡管布置得非常好,但是仍有可能會干擾無線發送信號,降低發送信號的性能,甚至影響發送信號的成功率。因此對電源線、地線的布線一定要認真設計,把電源線、地線所產生的干擾降到最低,以保證無線發送信號的質量。

圖4 AMS1117電壓源原理圖
2)模數電路的共地處理:現在大部分PCB電路板設計完以后已經不再是單純的數字電路或者模擬電路,往往是由二者混合設計而成。故在布線時對于信號干擾問題就需要特別考慮,尤其要針對噪音干擾進行處理。一般電路板以雙面板居多,地線布置非常講究,通常采用單點接地方法,電源和地由電源兩端接到PCB板上,電源共1個接點,地共1個接點。PCB板上需具備多個返回地線,最后全部聚回電源的接點上,稱之為單點接地。而且模擬地、數字地、大功率器件地都要開分,這被稱為布線分開,最后也都聚回到這個地。與PCB板以外的信號連接時,一般利用屏蔽電纜進行隔離。
3)對連接引腳的處理需要進行綜合考慮,尤其是在大面積的PCB板制作中,連接引腳的處理在大面積的接地中應用較廣泛,常用元器件的引腳與之連接。從電氣性能方面來講,元件引腳的焊盤最好與銅面滿接,但在元器件焊接裝配時存在不利因素,如焊接時容易形成虛焊。因此,為了綜合考慮電氣性能和工藝要求,通常將焊盤設計成十字花焊盤,這種焊盤在焊接時因截面過分散熱可大大減少虛焊點。多層板的接電(地)層引腳的處理也是一樣。
4)設計規則檢查(DRC):電路板布線設計完成以后,在protel軟件中點擊設計規則檢查命令,對電路進行檢查,查看布線的設計是否符合規則,確認所制訂的規則是否與電路板生產工藝相吻合,通常需要檢查線與線之間、線與元件焊盤之間、貫通孔與貫通孔之間、元件焊盤與貫通孔之間、連接線與貫通孔之間的距離設計是否達到設計要求,是否與生產工藝的需求相吻合,同時還需檢查電源線、地線的寬度是否合適,一般電源線和地線的寬度比信號線要寬。
圖5為nRF24L01發送部分主程序流程圖。

圖5 nRF24L01發送部分主程序流程圖
在nRF24L01無線發送部分主程序中,首先進行初始化操作,通過配置模式對nRF24L01進行設置,主要包括發送的數據寬度、地址寬度、發送數據的地址以及CRC技術和常用配置等。常用配置[6]包括使能第一頻道設置、通信方式設置、發送數據速率設置、晶振頻率設置、發送輸出功率設置、頻道設置和收發模式設置等。待初始化完成后,將nRF24L01設置為發送模式,進行發送數據。然后查看狀態寄存器TX_DS是否為1,如果TX_DS為1則表示nRF24L01發送成功,并且數碼管可以顯示發送的數據;如果TX_DS不為1則代表nRF24L01發送不成功,程序返回重新發送。
nRF24L01無線接收部分主程序流程圖如圖6所示。

圖6 nRF24L01無線接收部分主程序流程圖
在nRF24L01無線接收部分主程序中,首先進行初始化操作,將nRF24L01設置為接收模式,并通過配置模式對nRF24L01進行設置,主要包括接收的數據寬度、地址寬度、接收數據的地址以及CRC技術和常用配置等。常用配置包括與無線發送部分的配置基本相同。待初始化完成后,延時等待數據包的到來。查看狀態寄存器RX_DR是否為1,如果RX_DR為1,則表示接收到數據,然后查看接收到的第一個數據是否正確,如果正確,則讓數碼管顯示接收的數據;如果RX_DR不為1,則表示沒有接受到數據,然后返回繼續等待接收數據。
無線傳輸模塊nRF24L01的一對一發射程序如下:


無線傳輸模塊nRF24L01的一對一接收程序如下:

該設計在充分掌握無線傳輸模塊nRF24L01和AT89S51的工作原理的基礎上,通過加入其他外圍電路,如恒壓電源電路,晶振電路,復位電路,電平轉換電路,顯示電路等,共同工作實現了一對一的無線雙向通信。
該系統具有設計簡單,成本低,穩定性好等優點,可應用到各類無線傳輸的工程領域中,如無線數據傳輸系統、無線鼠標、遙控開鎖等,具有一定實用價值。
[1]何講明.基于nRF24L01的無線通信系統設計[J].科技創新與生產力,2011,7(10):23 -25.
[2]張天祥.基于MCU和nRF24L01的無線通信系統設計[J].電子科技,2012,4(1):34 -35.
[3]白春雨.基于nRF24L01的2.4 GHz無線通信系統設計[J].無線電通信技術,2011,3(4):45 -46.
[4]蔣俊峰.無線收發芯片比較與選擇[J].今日電子,2003(9):56-57.
[5]劉建平.單片2.4 GHz無線收發一體芯片nRF24L01及其應用[J].國外電子元器件,2004,6(12):36 -38.