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通信工程本科畢業(yè)論文開(kāi)題報告
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課題名稱(chēng)：基于nRF24L01的無(wú)線(xiàn)數據傳輸系統設計
一.文獻綜述
隨著(zhù)社會(huì )的發(fā)展及科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，越來(lái)越多的數據采集系統相繼被開(kāi)發(fā)出來(lái)，并在各領(lǐng)域的應用越來(lái)越廣泛，特別是在各種工農業(yè)生產(chǎn)中，這些系統有效地提高了生產(chǎn)效益。然而傳統的數據采集系統，通常是通過(guò)RS485、CAN總線(xiàn)等有線(xiàn)方式來(lái)進(jìn)行數據的傳輸，這種有線(xiàn)傳輸方式不僅布線(xiàn)繁瑣、費用高，而且容易產(chǎn)生斷線(xiàn)、短路等一些線(xiàn)路故障，越來(lái)越不能滿(mǎn)足現代工農業(yè)生產(chǎn)的需求[1]。于是就誕生了很多基于無(wú)線(xiàn)傳輸的數據采集系統。無(wú)線(xiàn)數據采集系統不僅不用布線(xiàn)，而且還具有很高的靈活性和適應性，具有非常廣闊的應用前景。特別是隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)線(xiàn)用在了生活生產(chǎn)領(lǐng)域的各個(gè)方面，比如近年來(lái)盛行的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(WSN)，代表著(zhù)無(wú)線(xiàn)數據采集系統的發(fā)展方向，各種集成了MCU和射頻模塊的芯片也相繼被開(kāi)發(fā)出來(lái)。
目前，包括北歐集成電路公司(NORDIC)、TI公司等生產(chǎn)了一系列的射頻無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片，很多國內外研究機構針對這些芯片設計開(kāi)發(fā)了各種無(wú)線(xiàn)數據采集系統，并在相關(guān)領(lǐng)域得到了實(shí)際的應用。文獻[2]設計了一種基于ZigBee的土壤墑情檢測系統，用于實(shí)時(shí)檢測土壤的濕度、溫度等墑情信息，并將采集到實(shí)時(shí)溫濕度數據信息傳送給用戶(hù)，讓用戶(hù)及時(shí)掌握墑情并采取相應的措施。文獻[3]對基于WSN和μC/OS-Ⅱ的無(wú)線(xiàn)數據采集系統研究和設計，采用μC/OS-Ⅱ為內核編寫(xiě)網(wǎng)關(guān)軟件，提高系統的實(shí)時(shí)性和可靠性。文獻[4]設計了基于CC2420的溫室無(wú)線(xiàn)數據采集系統，用于實(shí)現對溫室內作物的生長(cháng)環(huán)境進(jìn)行無(wú)線(xiàn)智能的調控。這些設計和研究有力地推動(dòng)了無(wú)線(xiàn)數據采集系統的發(fā)展，也為其在現代化工農業(yè)生產(chǎn)中的應用開(kāi)辟了更廣闊的空間。
本文針對射頻芯片nRF24L01的應用進(jìn)行了設計和研究，設計并制作了一套基于nRF24L01的無(wú)線(xiàn)溫度傳輸系統，以實(shí)現對環(huán)境溫度的遠程監測。nRF24L01是一款新型單片射頻收發(fā)器件,工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM頻段。內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等功能模塊,并融合了增強型ShockBurst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過(guò)程序進(jìn)行配置。nRF24L01功耗低,在以-6 dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流也只有9 mA;接收時(shí)，工作電流只有12.3 mA，多種低功率工作模式(掉電模式和空閑模式)使節能設計更方便。
整個(gè)傳輸系統的設計主要涉及nRF24L01外圍電路的設計、微帶天線(xiàn)的設計及相應控制電路的設計。其中微帶天線(xiàn)的設計制作是整個(gè)系統的技術(shù)難點(diǎn)，設計的系統微帶天線(xiàn)性能的好壞直接關(guān)系到整個(gè)數據傳輸系統的數據傳輸質(zhì)量，如果微帶天線(xiàn)設計的不好就可以導致數據發(fā)射不出去或達不到預定的傳輸距離。所以，在整個(gè)系統設計中，首先著(zhù)手設計的是基于nRF24L01射頻無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊，這里包括對射頻芯片nRF24L01外圍電路的設計和發(fā)射數據的微帶天線(xiàn)的設計。其它的控制電路設計較為簡(jiǎn)單，其中包括數據采集電路的設計、數據顯示電路的設計和報警電路的設計。
微帶天線(xiàn)是上世紀末發(fā)展起來(lái)的一種新型天線(xiàn),目前其理論分析無(wú)論是在深度和廣度上都趨于成熟,并因其具有結構簡(jiǎn)單、重量輕、剖面低、可共形、制造成本低、輻射效率高、容易實(shí)現雙頻、多頻段工作等獨特優(yōu)點(diǎn)，在近十幾年得到了廣泛的研究和發(fā)展[5]。目前，微帶天線(xiàn)已經(jīng)出現了多種結構,比如倒L型[6],倒F型(PIFA)[7]等,新興的還有光子隙微帶天線(xiàn),各種技術(shù)各有特色,有著(zhù)不同的應用范圍。nRF24L01工作于2.4-2.5GHz的世界通用ISM免費頻段，而包括藍牙、ZigBee等多種無(wú)線(xiàn)通信系統也都工作于該頻段上，因此，越來(lái)越多的專(zhuān)家學(xué)者對該頻段的天線(xiàn)進(jìn)行了研究和設計，并相繼提出了微帶貼片形[8]、微帶線(xiàn)形[9]等2.4G天線(xiàn)結構，并都取得了良好的測試效果。本文將在這些設計的基礎上，設計出一款針對nRF24L01射頻芯片的小型化線(xiàn)性天線(xiàn)，用于滿(mǎn)足系統的無(wú)線(xiàn)通信需求。
本文通過(guò)nRF24L01射頻模塊發(fā)射的數據是經(jīng)傳感器采集的數據。隨著(zhù)微電子技術(shù)的發(fā)展，各種傳感器，如溫度、濕度、光照、煙霧等傳感器也相繼被研發(fā)出來(lái)，并向數字式發(fā)展，可以說(shuō)21世紀進(jìn)入的是一個(gè)傳感器時(shí)代，因此很多智能控制系統都先傳感其對應控制的參數。本文感知的環(huán)境中的溫度，所以選用溫度傳感器。溫度傳感器是一種把外界溫度信號轉成電信號的裝置。應用于各類(lèi)需要監測環(huán)境溫度的工作場(chǎng)合。溫度傳感器的使用對工業(yè)控制、科學(xué)實(shí)驗、環(huán)境檢測、醫療衛生、農林、氣象等多方面的溫度監控有著(zhù)重要的意義[10]。隨著(zhù)科技水平的提升，溫度傳感器由分立元器件向集成元器件發(fā)展，由模擬溫度傳感器向智能數字式溫度傳感器發(fā)展。溫度轉換速率向更高速發(fā)展，轉換精度也向更高精度發(fā)展。
系統可分為數據采集和數據顯示兩部分，通過(guò)溫度傳感器采集的溫度數據通過(guò)nRF24L01射頻無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊發(fā)送到數據顯示模塊并通過(guò)液晶顯示出來(lái)。
參考文獻
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二、方法及預期目標：
1、本課題的任務(wù)要求
1) 理解nRF24L01射頻芯片的工作原理，并設計該芯片的外圍工作電路;
2) 設計一天線(xiàn)，用于配合nRF24L01射頻芯片進(jìn)行數據的無(wú)線(xiàn)傳輸;
3) 設計一個(gè)基于51單片機的采集控制系統;
4) 通過(guò)溫度傳感器實(shí)現環(huán)境中溫度參數的采集;
5) 實(shí)現溫度環(huán)境參數的無(wú)線(xiàn)傳輸和液晶顯示。
2、本課題的整體方案
根據任務(wù)要求，設計了如下方案：首先根據nRF24L01射頻芯片的工作原理設計其外圍的工作電路。然后根據實(shí)際應用要求設計發(fā)射、接收數據的天線(xiàn)，并測試。最后設計51單片機主控系統，包括控制溫度傳感器DS18B20采集溫度電路、控制液晶12864顯示電路、控制蜂鳴器和LED報警電路。整體設計框圖如下：
3、擬采用的研究方法
整個(gè)傳輸系統可大致分為硬件部分和軟件部分，而且軟件的設計是基于硬件平臺的，所以根據任務(wù)要求先進(jìn)行硬件的設計，然后再根據設計制作的硬件平臺和任務(wù)要求進(jìn)行軟件的編程。
硬件系統主要為控制處理模塊和射頻無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊。在控制處理模塊，MCU采用的是ATMEL公司生產(chǎn)的性?xún)r(jià)比極高的AT89S52單片機。在發(fā)送端，通過(guò)單片機及其外圍電路實(shí)現溫度的采集及無(wú)線(xiàn)發(fā)送模塊的控制過(guò)程。系統中的射頻無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊是基于nRF24L01進(jìn)行設計和制作的，在此模塊中，主要是微帶天線(xiàn)的設計。溫度傳感器采用的是由Maxim-Dallas Semiconductor公司生產(chǎn)的數字式溫度傳感器DS18B20。此傳感器外接了3個(gè)引腳，VCC、GND、DQ(數據線(xiàn))。VCC腳與DQ腳之間通常需接4.7K的上拉電阻。在接收端，同樣通過(guò)單片機來(lái)控制nRF24L01射頻無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊，進(jìn)行溫度數據的接收，并在液晶上顯示出溫度值。
軟件系統：軟件部分主要是根據任務(wù)要求對單片機進(jìn)行編程。包括實(shí)現溫度數據的采集，無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊的控制，液晶的顯示，蜂鳴器和LED警報等。程序采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，開(kāi)發(fā)環(huán)境是Keil uVision2軟件。
4、 本課題要研究或解決的問(wèn)題及預期效果
擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題：
(1) 單片機控制電路板的設計及制作;
(2) 無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊的設計及制作;
(3) 單片機對無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊控制程序的編寫(xiě)。
硬件系統設計滿(mǎn)足如下要求：
(1) 對溫度數據的采集;
(2) 對無(wú)線(xiàn)數據的傳輸;
(3) 對采集的溫度在液晶屏上中顯示;
(4) 實(shí)現蜂鳴器和LED報警。
軟件系統設計要求：
(1)在發(fā)送端，控制單片機進(jìn)行數據采集，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)發(fā)送模塊發(fā)送數據;
(2)在接收端，控制單片機通過(guò)無(wú)線(xiàn)接收模塊接收溫度數據，并顯示在液晶屏上，同時(shí)驅動(dòng)蜂鳴器和LED報警。
預期效果如下圖：
5、開(kāi)發(fā)工具
操作系統：Windows操作系統;
開(kāi)發(fā)語(yǔ)言：KeilC;
開(kāi)發(fā)平臺：自制監測系統開(kāi)發(fā)板;
開(kāi)發(fā)軟件：DXP 2004、SP2、Keil uVision2、HFSS。
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