通信工程本科畢業論文開題報告

通信工程本科畢業論文開題報告

　　開題報告是當課題方向確定之后，課題負責人在調查研究的基礎上撰寫的報請上級批準的選題計劃，以下是小編搜集整理的通信工程本科畢業論文開題報告，歡迎閱讀參考。

　　課題名稱：基于nRF24L01的無線數據傳輸系統設計

　　一.文獻綜述

　　隨著社會的發展及科學技術的進步，越來越多的數據采集系統相繼被開發出來，并在各領域的應用越來越廣泛，特別是在各種工農業生產中，這些系統有效地提高了生產效益。然而傳統的數據采集系統，通常是通過RS485、CAN總線等有線方式來進行數據的傳輸，這種有線傳輸方式不僅布線繁瑣、費用高，而且容易產生斷線、短路等一些線路故障，越來越不能滿足現代工農業生產的需求[1]。于是就誕生了很多基于無線傳輸的數據采集系統。無線數據采集系統不僅不用布線，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。特別是隨著無線通信技術的快速發展，無線用在了生活生產領域的各個方面，比如近年來盛行的無線傳感器網絡(WSN)，代表著無線數據采集系統的發展方向，各種集成了MCU和射頻模塊的芯片也相繼被開發出來。

　　目前，包括北歐集成電路公司(NORDIC)、TI公司等生產了一系列的射頻無線收發芯片，很多國內外研究機構針對這些芯片設計開發了各種無線數據采集系統，并在相關領域得到了實際的應用。文獻[2]設計了一種基于ZigBee的土壤墑情檢測系統，用于實時檢測土壤的濕度、溫度等墑情信息，并將采集到實時溫濕度數據信息傳送給用戶，讓用戶及時掌握墑情并采取相應的措施。文獻[3]對基于WSN和μC/OS-Ⅱ的無線數據采集系統研究和設計，采用μC/OS-Ⅱ為內核編寫網關軟件，提高系統的實時性和可靠性。文獻[4]設計了基于CC2420的溫室無線數據采集系統，用于實現對溫室內作物的生長環境進行無線智能的調控。這些設計和研究有力地推動了無線數據采集系統的發展，也為其在現代化工農業生產中的應用開辟了更廣闊的空間。

　　本文針對射頻芯片nRF24L01的應用進行了設計和研究，設計并制作了一套基于nRF24L01的無線溫度傳輸系統，以實現對環境溫度的遠程監測。nRF24L01是一款新型單片射頻收發器件,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，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。nRF24L01功耗低,在以-6 dBm的功率發射時，工作電流也只有9 mA;接收時，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。

　　整個傳輸系統的設計主要涉及nRF24L01外圍電路的設計、微帶天線的設計及相應控制電路的設計。其中微帶天線的設計制作是整個系統的技術難點，設計的系統微帶天線性能的好壞直接關系到整個數據傳輸系統的數據傳輸質量，如果微帶天線設計的不好就可以導致數據發射不出去或達不到預定的傳輸距離。所以，在整個系統設計中，首先著手設計的是基于nRF24L01射頻無線收發模塊，這里包括對射頻芯片nRF24L01外圍電路的設計和發射數據的微帶天線的設計。其它的控制電路設計較為簡單，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。

　　微帶天線是上世紀末發展起來的一種新型天線,目前其理論分析無論是在深度和廣度上都趨于成熟,并因其具有結構簡單、重量輕、剖面低、可共形、制造成本低、輻射效率高、容易實現雙頻、多頻段工作等獨特優點，在近十幾年得到了廣泛的研究和發展[5]。目前，微帶天線已經出現了多種結構,比如倒L型[6],倒F型(PIFA)[7]等,新興的還有光子隙微帶天線,各種技術各有特色,有著不同的應用范圍。nRF24L01工作于2.4-2.5GHz的世界通用ISM免費頻段，而包括藍牙、ZigBee等多種無線通信系統也都工作于該頻段上，因此，越來越多的專家學者對該頻段的天線進行了研究和設計，并相繼提出了微帶貼片形[8]、微帶線形[9]等2.4G天線結構，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性天線，用于滿足系統的無線通信需求。

　　本文通過nRF24L01射頻模塊發射的數據是經傳感器采集的數據。隨著微電子技術的發展，各種傳感器，如溫度、濕度、光照、煙霧等傳感器也相繼被研發出來，并向數字式發展，可以說21世紀進入的是一個傳感器時代，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。應用于各類需要監測環境溫度的工作場合。溫度傳感器的使用對工業控制、科學實驗、環境檢測、醫療衛生、農林、氣象等多方面的溫度監控有著重要的意義[10]。隨著科技水平的提升，溫度傳感器由分立元器件向集成元器件發展，由模擬溫度傳感器向智能數字式溫度傳感器發展。溫度轉換速率向更高速發展，轉換精度也向更高精度發展。

　　系統可分為數據采集和數據顯示兩部分，通過溫度傳感器采集的溫度數據通過nRF24L01射頻無線收發模塊發送到數據顯示模塊并通過液晶顯示出來。

　　參考文獻

　　[1] 宋曉偉，孟國營，葉洋，等.基于nRF24L01的無線溫度檢測系統[J].煤炭工程，2010，(11)：11-12.

　　[2] 靳廣超，彭承琳，趙德春，等.基于ZigBee的土壤墑情檢測系統[J].傳感器與微統,2008,27(10):92-94.

　　[3] 袁朝輝，江輝軍，馬科，等.基于WSN和μC/OS-Ⅱ的無線數據采集系統的研究和實現[J].計算機測量與控制，2010，18(8)：1947-1949.

　　[4] 吳金洪，丁飛，鄧志輝.基于CC2420的溫室無線數據采集系統的設計與實現[J].儀表技術與傳感器，2006(12)：42-43，51.

　　[5] 陳浩，游佰強.藍牙微帶天線的設計和仿真[J].廈門大學學報，2005,44:307-311.

　　[6] Lan K,Chaudhuri S K,Safavi-Naeini S. A compact wide dual-band antenna for bluetooth and wireless LAN applications[J]. Antennas and Propagation Society International Symposium, 2003, 2:926-929.

　　[7] Salonen P, Keskilammi M, Rantanen J, et al. A novel Blue-tooth antenna on flexible subst rate for smart clothing[J].Systems Man and Cybernetics, 2001, 2(2):789-794.

　　[8] 馬中華，陳朝陽，楊光松，等.2.4G藍牙微帶貼片天線的設計分析[J].電子科技，2008，增刊：184-187.

　　[9] 賈鵬，郜洪民.面向RFID應用的2.4GHz微帶天線的設計與實現[M].電子產品世界，2010，48-50.

　　[10] 溫度傳感器. http://baike.baidu.com/view/66411.htm.

　　[11] 射頻無線模塊. http://baike.baidu.com/view/3325625.htm.

　　[12] 祝常紅.數據采集與處理技[M].北京：電子工業出版社.2008.

　　[13] 李念強.數據采集技術與系統設計[M].北京：機械工業出版社.2009.

　　[14] 居敏花.基于AT89S52的溫濕度檢測系統的設計[M].山西電子技術.NO.3,2009.

　　[15] 張毅剛.單片機原理及應用[M].第1版.高等教育出版社.2003.

　　二、方法及預期目標：

　　1、本課題的任務要求

　　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，用于配合nRF24L01射頻芯片進行數據的無線傳輸;

　　3) 設計一個基于51單片機的采集控制系統;

　　4) 通過溫度傳感器實現環境中溫度參數的采集;

　　5) 實現溫度環境參數的無線傳輸和液晶顯示。

　　2、本課題的整體方案

　　根據任務要求，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。然后根據實際應用要求設計發射、接收數據的天線，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，所以根據任務要求先進行硬件的設計，然后再根據設計制作的硬件平臺和任務要求進行軟件的編程。

　　硬件系統主要為控制處理模塊和射頻無線收發模塊。在控制處理模塊，MCU采用的是ATMEL公司生產的性價比極高的AT89S52單片機。在發送端，通過單片機及其外圍電路實現溫度的采集及無線發送模塊的控制過程。系統中的射頻無線收發模塊是基于nRF24L01進行設計和制作的，在此模塊中，主要是微帶天線的設計。溫度傳感器采用的是由Maxim-Dallas Semiconductor公司生產的數字式溫度傳感器DS18B20。此傳感器外接了3個引腳，VCC、GND、DQ(數據線)。VCC腳與DQ腳之間通常需接4.7K的上拉電阻。在接收端，同樣通過單片機來控制nRF24L01射頻無線收發模塊，進行溫度數據的接收，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要求對單片機進行編程。包括實現溫度數據的采集，無線收發模塊的控制，液晶的顯示，蜂鳴器和LED警報等。程序采用C語言編寫，開發環境是Keil uVision2軟件。

　　4、 本課題要研究或解決的問題及預期效果

　　擬解決的關鍵問題：

　　(1) 單片機控制電路板的設計及制作;

　　(2) 無線收發模塊的設計及制作;

　　(3) 單片機對無線收發模塊控制程序的編寫。

　　硬件系統設計滿足如下要求：

　　(1) 對溫度數據的采集;

　　(2) 對無線數據的傳輸;

　　(3) 對采集的溫度在液晶屏上中顯示;

　　(4) 實現蜂鳴器和LED報警。

　　軟件系統設計要求：

　　(1)在發送端，控制單片機進行數據采集，并通過無線發送模塊發送數據;

　　(2)在接收端，控制單片機通過無線接收模塊接收溫度數據，并顯示在液晶屏上，同時驅動蜂鳴器和LED報警。

　　預期效果如下圖：

　　5、開發工具

　　操作系統：Windows操作系統;

　　開發語言：KeilC;

　　開發平臺：自制監測系統開發板;

　　開發軟件：DXP 2004、SP2、Keil uVision2、HFSS。

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