基于nRF24L01的太陽能無線小車設計

袁銘

摘 ?要：該設計主要由計算機控制端和太陽能小車組成，計算機控制端利用nRF24L01無線控制小車運動。小車以STC89C52單片機為主控芯片，由太陽能鋰電池充電控制模塊提供電源。同時，小車能夠測量工作電壓和環境的溫濕度數據，通過無線傳輸模塊發送給計算機端并在C#開發的界面上顯示。

關鍵詞：STC89C52 ?nRF24L01 ?太陽能 ?C#

中圖分類號：TN99 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1672-3791（2019）06（a）-0004-02

該小車基于人和物交流的物聯網思想設計制作，利用太陽能這種清潔能源驅動小車運行，達到了節能環保的可持續發展理念。該文基于nRF24L01和單片機開發了一款具有無線通信能力的太陽能供電小車，在PC端遠距離控制小車的運行，并且在PC端實時顯示小車采集到的環境溫濕度信息和其他相關參數。

1 ?系統整體結構方案

整個系統由計算機控制端（上位機）和太陽能小車（下位機）兩部分組成。上位機部分由PC機、單片機和無線收發模塊組成。上位機控制端通過無線收發模塊向小車發射控制命令，控制小車運行，同時該無線模塊接收來自小車的各種參數發送至PC控制端顯示。下位機小車部分由單片機系統、無線通信模塊、太陽能控制模塊、電機控制模塊、溫濕度模塊等組成。無線通信模塊接收上位機發出的指令，通過和單片機的通信，由單片機模塊控制電機模塊驅動控制小車運動。AD轉換電路用于采集太陽能充電電流等工作參數，和溫濕度參數一起通過無線模塊發送至計算機控制端。系統框圖見圖1。

2 ?下位機硬件電路設計

2.1 太陽能充電電路

該設計的太陽能充電控制模塊采用CN3722，具有恒流恒壓充電模式，適合對單節或多節鋰電池或磷酸鐵鋰電池的充電管理。恒壓充電電壓由外部電阻分壓網絡設置;在恒流充電模式，充電電流通過一個外部電阻設置。對于深度放電的電池，當電池電壓低于所設置的恒壓充電電壓的66.7%時，CN3722用所設置的恒流充電電流的15%對電池進行涓流充電。在恒壓充電階段，充電電流逐漸減小，充電過程持續直到充電電流減小到零，這樣即使太陽能電池輸出很小的功率，也能對電池充電;因為此時電池連接端BAT管腳電壓保持不變，所以不會對電池過充電。該小車采用3節鋰電池串聯充電，每節鋰電池最大充電電壓為4.2V，總充電電壓最大為12.6V。

2.2 無線通信模塊電路

無線通信模塊采用nRF24L01，是一款工作在2.4～2.5GHz世界通用ISM頻段的低功耗單片無線收發器芯片。輸出功率、頻道選擇和協議的設置可以通過SPI接口進行設置。3腳使能端由單片機P2.0口控制，4、5、6、7腳為SPI引腳，分別由單片機P2.3、P2.1、P2.4、P2.2配置，8腳中斷標志位由單片機P3.2控制。

2.3 電量采集電路

電量采集電路采用典型的儀表放大電路，通過AD轉換芯片PCF8591采集到單片機端，用于測量太陽能電流。

放大倍數：U=（R20/R17）×（1+2（R18/R21））×（（in1+）- （in1-））=10（1+2（10/R21））

當R21=2.2222K時，放大倍數為100倍。

2.4 電機控制電路

電機控制模塊采用L298N，內部包含4通道邏輯驅動電路。其是一種二相和四相電機的專用驅動器，即內含2個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅動器，接收標準TTL邏輯電平信號，可驅動46V、2A以下的電機。

2.5 溫濕度測量電路

溫濕度測量模塊采用DHT11，是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性和卓越的長期穩定性。單線制串行接口，使系統集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，使其成為各類應用甚至是最為苛刻的應用場合的最佳選擇。

2.6 上位機端電路

上位機和單片機采用RS232總線連接，為了使PC機與MCS-51單片機之間能可靠地進行串行通信，需要用電平轉換芯片，該設計采用MAXIM公司生產的專用芯片MAX232。MAX232是一種把電腦的串行口RS-232信號電平（-10V，+10V）轉換為單片機所用到的TTL信號點平（0V，+5V）的芯片。

3 ?軟件設計

3.1 下位機軟件設計

下位機編程采用模塊化編程思想，主流程圖如圖2所示，主流程圖在完成一些初始化后進入while（1）循環中，進行標志位的檢測及電壓等參數檢測，并控制小車運動，在外部中斷子程序中執行NRF24L01的IRQ觸發中斷，在中斷服務程序中主要是對一些標志位的設置。

3.2 上位機程序設計

3.2.1 串口通信協議制定

上位機控制臺要對上位接收機端發來的數據進行解析，分離出有效數據，設計的數據格式如下：$--溫度--？--濕度--@--電池電壓--<--輸入電流--/--輸出電流--*。

其中：

$為一幀數據開始符號;

？為溫度與濕度隔離符號;

@為濕度與電池電壓隔離符號;

<為電池電壓與輸入電流隔離符號;

/為輸入電流與輸出電流隔離符號;

*為結束標志。

3.2.2 控制臺界面設計

控制臺程序設計的目的是接收串口數據，進行數據解析，通過串口發射控制數據。

界面主要功能區有：串口設置區、數據顯示區、指令發射區。

串口設置區功能：端口號、波特率選擇、串口打開與關閉。數據顯示區：原始數據顯示文本、解析后數碼管顯示。指令發射：按鍵指令發射、串口文本框指令發送。

3.2.3 串口通信

串口數據的讀取采用事件觸發的方式，在SerialPort類中有DataReceived事件，當串口的讀緩存有數據到達時則觸發DataReceived事件，其中SerialPort.ReceivedBytesThreshold屬性決定了當串口讀緩存中數據多少個時才觸發DataReceived事件，默認為1。從SerialPort對象接收數據時，將在輔助線程上引發DataReceived事件。由于此事件在輔助線程而非主線程上引發，因此嘗試修改主線程中的一些元素（如UI元素）時會引發線程異常。如果有必要修改主Form或Control中的元素，必須使用Invoke回發更改請求，這將在正確的線程上執行。進而要想將輔助線程中所讀到的數據顯示到主線程的Form控件上時，只有通過Invoke方法來實現。

4 ?結語

該小車采用太陽能供電，主控芯片采用STC89C52單片機控制，利用nRF24L01無線通信模塊實現上位機和下位機之間的數據傳輸，在PC計算機上位機端控制界面上操作控制小車的運行，同時可以采集溫濕度、電流電壓等相關參數并顯示在PC端界面上，實現了人-車之間的遠程交互控制。該太陽能無線控制小車具有功耗低、電路結構簡單等特點。

參考文獻

[1] 李曉麗.單片機與上位機串行通信系統設計[J].儀表技術，2010（7）：45-47.

[2] 韓毅，楊天.基于HCS12單片機的智能尋跡模型車的設計與實現[J].學術期刊，2008，29（18）：1535-1955.

[3] Yamato. New conversion system for UPS using high fre 2 quency link[A].IEEE PESC[C].1988：210-320.

[4] 儲江偉，郭克友，王榮本，等.自動導向車導向技術分析與評價[J].起重運輸機，2002（11）：1-5.

[5] 王朝盛.基于16單片機MC9S12DG128B智能車系統設計[D].天津工業大學，2007.