Thiết kế mạch thu phát RF băng tần ISM sử dụng NRF24l01+

Thiết kế mạch thu phát RF băng tần ISM sử dụng NRF24l01+

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ

Tp HCM

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, nhóm sinh viên ( NGÔ QUANG TRUNG – PHẠM HỒNG HẬU) thực hiện đồ án 2

khóa 2010 gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy NGUYỄN THẾ HOÀNG vì những góp

ý xác đáng và việc chỉnh sửa thực tiễn cùng với những thấu hiểu thực sự những nội

dung liên quan đến đồ án Nhóm em cũng xin cảm ơn các thầy cô ở khoa Điện tử với những chỉ dẫn tận tình cho đồ án “Thiết kê mạch thu phát RF băng tần ISM sử

dụng NRF24l01+”

Nhóm em đồng thời thể hiện sự biết ơn đối với những giảng viên và các bạn cùng đề tài góp ý xây dựng đề tài được hoàn thiện hơn Sự giúp đỡ không kém phần quan trọng trong công việc tìm kiếm kiến thức về đồ án RF Nhóm em cũng xin cảm ơn các thành viên trên các diễn đàn mạng với những lời bình luận đóng góp ý kiến của họ giúp cho mạch càng thêm hoàn chỉnh

Và cuối cùng, nhóm em cũng xin gửi lời cảm ơn tới hãng NorDic, công ty Thiên Minh

đã cung cấp Chip NRF24l01+ và những linh kiện điện tử chuyên dụng để nhóm em có

đầy đủ điều kiện để thực hiện đồ án tốt nghiệp: “Thiết kê mạch thu phát RF băng

tần ISM sử dụng NRF24L01+”.

Nhóm em xin chân thành cảm ơn

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 DẪN NHẬP 13

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VI ĐIỀU KHIỂN ATmega8L 14

2.8 CÁC CỔNG XUẤT NHẬP 21

2.8.1 Port B 22

2.8.2 Port C 22

2.8.3 Port D 23

2.9 SERIAL PERIPHERAL INTERFACE – SPI 23

CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ NRF24L01+ 25

3.1 GIỚI THIỆU NRF24L01+ 25

3.5 KÊNH TẦN SỐ RF 29

3.6 ĐIỀU KHIỂN PA 30

CHƯƠNG 4: SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG 31

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 32

5.1 THIẾT KẾ PHẦN NGUỒN 5V VÀ 3,6V 32

5.2 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG AVR ATMEGA8L 38

5.3 MẠCH HIỂN THỊ LCD ( LIQUID CRYSTAL DISPLAY) 40

5.4 PHẦN CỨNG MODULE NRF24L01+ 42

CHƯƠNG 6: LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT 45

CHƯƠNG 7: CHƯƠNG TRÌNH 46

CODE PHÁT RF 46

CODE THU RF 51

CHƯƠNG 8: TỔNG KẾT 54

ƯU ĐIỂM: 54

NHƯỢC ĐIỂM: 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

PHỤ LỤC 55

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

LSByte Least Significant Byte

PTX Primary TX

PWR_DWN Power Down

RoHS Restriction Of Use Of Certain Hazardous Substances

DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang

Bảng 1 Các nguồn clock………17

Bảng 3.4.1 Chức năng các chân NRF24L01+ ……….28

Bảng 3.4.1.6 Các chế độ hoạt động chính của NRF24l01+……….… 30

Bảng 3.6 Thiết lập công suất ngõ ra……….….31

Bảng 5.3 Chức năng các chân của LCD……… 42

Bảng 5.4 Thông số các linh kiện……… ….45

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Trang

Hình 2.1 AT mega8L…………15

Hình 2.2 Sơ đồ chân ATmega8L……… 16

Hình 2.3 Hệ thống clock……… 17

Hình 2.4 Các nguồn Reset……… 18

Hình 2.5 Sơ đồ kiến trúc ATmega8L……….…… 19

Hình 2.6 Bộ nhớ chương trình…………20

Hình 2.7 Bộ nhớ dữ liệu……… 21

Hình 2.8 Sơ đồ các ngõ ra………….22

Hình 2.9.1 SPI Control Register – SPCR……… 25

Hình 2.9.2 SPI Status Register……….……….25

Hình3.1 Hình ảnh về NRF24L01+……… 26

Hình 3.2 Block diagram……… ……….…26

Hình 3.3 Các chân của NRF24l01+……… 27

Hình 4 Sơ đồ khối hệ thống hoạt động của bộ thu phát RF……… 32

Hình5.1.1 Sơ đồ nguyên lý nguồn 5v……… 33

Hình 5.1.2 Sơ đồ nguyên lý nguồn 3.3V……….34

Hình 5.1.3 Sơ đồ layout nguồn 5v & 3.3v……… 36

Hình 5.1.4 Mach in……… 36

Hình5.1.5 Layout mạch nguồn 5V và 3.3V dùng ASM1117……… 38

Hình 5.1.6 Mạch in……… 39

Hình 5.2.1 Phần cứng vi điều khiển ATmega8L……… 40

Hình 5.2.2 Sơ đồ layout mạch thu phát RF……….……….40

Hình 5.3 Sơ đồ mạch LCD ……….……… 42

Hình 5.4.1 Sơ đồ mạch Module NRF24L01+……….… 44

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay với những ứng dụng của khoa học kĩ thuật trên cả tiên tiến, thế giới chúng ta

đã và đang ngày một thay đổi, văn minh và hiện đại hơn Sự phát triển của kĩ thuật điện

tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với các đặc điểm nổi bật như sự chính xác, tốc độ nhanh, gọn nhẹ là những yếu tố cần thiết cho hoạt động của con người đạt hiệu quả cao

Điện tử đang trở thành một nghành công nghiệp đa nhiệm vụ Điện tử đã đáp ứng những đòi hỏi không ngừng từ các lĩnh vực công nông lâm ngư nghiệp cho đến các nhu cầu thiết bị trong đời sống hàng ngày

Một trong những ứng dụng quan trọng trong công nghệ điện tử là kĩ thuật thu phát RF

Nó góp phần rất lớn trong việc điều khiển các thiết bị từ xa hay những thiết bị mà con người không thể trực tiếp chạm vào để vận hành điều khiển

Xuất phát từ ứng dụng quan trọng trên, chúng em đã thiết kế và thi công mạch thu phát

RF sử dụng tần ISM dùng nRF24L01+

Mạch được thiết kế với khả năng thu phát sóng RF băng tần 2.4Ghz trong bán kính tối

đa 100m khi không có vật cản

CHƯƠNG 1 DẪN NHẬP

Truyền dữ liệu không dây là một mảng lớn trong điện tử thông tin,dữ liệu truyền đi

có thể là tương tự củng có thể là số.Trong truyên dữ liệu không dây,hiệu quả nhất phải

là sóng điện từ hay sóng Radio, bởi những ưu điểm là truyền ở khoảng cách xa, đa hướng,tần số hoạt động cao

Hiện nay truyên dữ liệu số được ứng dụng rất rộng rãi,nhất là trong lĩnh vực điều

khiển,thông tin số Nhiệu vi mạch hỗ trợ xử lý tín hiệu không dây được sử dụng

PT2248, PT2249, NRF24L01, HT640….Vậy vấn đề đặt ra các vi mạch này truyền dữ liệu chỉ dàng cho một mục đích riêng là điệu khiển thiết bị, thông tin được truyền đi đã được mã hóa sẵn,số bit dữ liệu truyền đi thấp, không phù hợp với nhu cầu truyền dữ liệu hàng loạt và liên tục

Giải quyết vấn đề này, chúng em tận dụng khả năng của vi điều khiển về truyền nhận

dữ liệu nối tiếp nhờ vào bộ UART trong chip, vi điều khiển có khả năng thực hiện truyền thông đa xử lý rất thích hợp cho việc truyền dữ liệu trong một hệ thống mạng không dây gồm nhiều bộ xử lý

Đề tài xây dựng một hệ thống đơn giản gồm một board phát dữ liệu và một board thu

dữ liệu Dữ liệu bên phát được mã hóa bằng vi điều khiển Một Module phát sẽ được nối vào vi điều khiển thực hiện truyền dữ liệu và truyền tới biên thu Bên thu thu nhận tín hiệu RF bằng một mạch thu siêu tái sinh, dữ liệu thu được sẽ được vi điều khiển mã hóa và hiển thị qua LCD

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VI ĐIỀU KHIỂN ATmega8L

2.1 GIỚI THIỆU ATMEGA8L

Hình 2.2 AT mega8L

Tốc độ tối đa: 16MHz

Dung lượng bộ nhớ chương trình: 8 KB

Bộ nhớ EEPROM: 512 Byte

Dung lượng bộ nhớ RAM: 1 KB

Bộ nhớ chương trình có khả năng ghi 10.000 lần, bộ nhớ EEPROM có thể ghi 100.000 lần Hỗ trợ bootloader, có khả năng tự ghi vào bộ nhớ chương trình, cập nhật chương trình cho chip mà không cần mạch nạp

Timer 8 bit: 2

Timer 16 bit: 1

ADC: 6 kênh, 10 bit

Giao tiếp: TWI (I2C), UART, SPI

Điện áp hoạt động:

Atmega8L: 2.7V – 5.5V

Atmega8: 4.5V – 5.5V

2.2 SƠ ĐỒ CHÂN ATMEGA8L

Hình 2.2 Sơ đồ chân PIC 16F877A

2.3 HỆ THỐNG CLOCK

Hình 2.3 Hệ thống clock

Chip có thể hoạt động với các nguồn Clock tương ứng với việc thiết lập các FUSE tương ứng

Bảng 2 Các nguồn clock

Để chip có thể hoạt động thì cần được FUSE đúng.

Khi xuất xưởng thì mặc định chip được FUSE sử dụng dao động nội với tần số 1MHz.

2.4 RESET NGUỒN

Hình 2.4 Các nguồn Reset

Atmega8 có 4 cách RESET:

Reset khi cấp nguồn.

Reset ngoài (thông qua chân RESET).

Watchdog RESET.

Reset khi nguồn bị sụt áp.

2.5 SƠ ĐỒ KIẾN TRÚC

Hình 2.5 Sơ đồ kiến trúc ATmega8L

2.6 BỘ NHỚ CHƯƠNG TRÌNH.

2.7 BỘ NHỚ DỮ LIỆU.

Hình 2.6 Bộ nhớ chương trình

Hình 2.4.2 Bộ nhớ dữ liệu

2.8 CÁC CỔNG XUẤT NHẬP

Hình 3.4: Sơ đồ các ngõ ra.

2.8.1 Port B.

2.8.2 Port C.

2.8.3 Port D.

2.9 SERIAL PERIPHERAL INTERFACE – SPI

SPI của Atmega8 có thể hoạt động ở nhiều chế độ:

Ta chỉ tìm hiểu đại diện chế độ master:

Dữ liệu luôn luôn truyền theo hướng Master tới Slaver thông qua chân MOSI và từ Slaver tới Master thông qua chân MISO

Khi ghi muốn truyền dữ liệu ta sẽ ghi dữ liệu cần truyền vào thanh ghi dữ liệu SPI (SPI

Hình 3.6.1 SPI Control Register – SPCR

Bit 5 – DORD: Data Order: khi bit này bằng 1 thì khi truyền SPI sẽ truyền bit thấp nhất (LSB) trước, ngược lại khi bit bằng 0 thì SPI sẽ truyền bit cao nhất trước (MSB).

Bit 4 – MSTR: Master – Slaver select: bằng 1 chọn chế độ Master, bằng 0 chọn chế độ Slaver Bit 1 0: Chọn tốc độ xung SCK:

Hình 3.6.2 SPI Status Register

Bit 7 – SPIF: SPI Interrupt Flag: được đặt bằng 1 khi truyền xong 1 byte và ta sẽ kiểm tra bit này để xem khi nào truyền xong 1 byte.

Bit 0 – SPI2X: Nhân đôi tốc độ SCK

Để sử dụng SPI ta qua các bước sau:

Cấu hình bộ SPI, chế độ master.

Cho phép bộ SPI hoạt động.

Truyền, nhận dữ liệu.

3.2 SƠ ĐỒ KHỐI KIẾN TRÚC CHIP NRF24L01+

3.3 SƠ ĐỒ CHÂN NRF24L01+

Hình 3 Các chân của NRF24l01+

Mô tả đặc tính các chân của NRF24L01+

Bảng 3.4.1 Chức năng các chân NRF24L01+

3.4 ĐIỀU KHIỂN VÔ TUYẾN

3.4.1 Chế độ hoạt động

Chúng ta có thể cấu hình cho NRF24l01+ ở chế độ Power down, Standby, RX mode,

TX mode

3.4.1.1 Biểu đồ trạng thái

Bao gồm chế độ nghỉ I và chế độ nghỉ II (Xem bảng 3.5.1.2)

3.4.1.4 Chế độ RX

Chế độ RX là chế độ tích cực, lúc này NRF24l01+ được sủ dụng như là một thiết bị nhận Để kết thúc chế độ này bit PWR_UP và PRIM_RX của NRF24L01+ phải được set ở mức cao

Bảng sau mô tả cách thức cấu hình các chế độ hoạt động

Bảng 3.4.1.6 Các chế độ hoạt động chính của NRF24l01+

3.5 KÊNH TẦN SỐ RF

3.6 ĐIỀU KHIỂN PA

Điều khiển PA( Power Amplifier) để thiết lập công suất ngõ ra từ bộ khuếch đại công suất của NRF24L01+ Chương trình trong chế độ điều khiển PA có bốn bước thể hiện trong bảng 3.6

Bảng 3.6 Thiết lập công suất ngõ ra

CHƯƠNG 4: SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG

Hình 4 Sơ đồ khối hệ thống hoạt động của bộ thu phát RF

Phần mach

phát

TX_RF

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG5.1 THIẾT KẾ PHẦN NGUỒN 5V VÀ 3,6V.

Chức năng của nguồn 3.6V: Thiết kế nguồn 3.6V nhằm cung cấp mức điện áp cho NRF24L01+ hoạt động

Chức năng của nguồn 5V: nhằm cung cấp mứcđiện áp 5V cho AVR và LCD hoạt động

Với mạch phát cần nguồn nuôi ổn định và công suất lớn nên chúng em sử dụng mạch

ổn áp 5v dùng LM7805 kết hợp với mạch ổn áp 3.3v có khả năng điều chỉnh mức điện

áp dùng IC LM2576 ADJ

Hình 5.1.1 Sơ đồ nguyên lý nguồn 5v

Hình 5.1.3 Sơ đồ layout nguồn 5v & 3.3v

Hình 5.1.4 Mach in

Với mạch thu chúng em sử dụng nguồn 5V và 3.3V sử dụng IC ASM 1117 cấp nguồn đầu vào bằng PIN 9V để gọn nhẹ và dễ di chuyển

Hình 5.1.5 Layout mạch nguồn 5V và 3.3V dùng ASM1117

Hình 5.1.6 Mạch in

5.2 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG AVR ATMEGA8L

Hình 5.2.1 Phần cứng vi điều khiển ATmega8L

Phần cứng gồm sơ đồ kết nối các chân của AVR

• Nút nhấn BT1 ->BT4 dùng để thiết lập mã BCD 4 bit

• Nút nhấn BT5 dùng để gửi mã BCD đi

• Port PB2,PB2,PB4,Pb5,PC3,PC4,PC5 dùng kết nối với LCD

• Port PB6,PB7,PD5,PD6,PD7,PB0 dùng để giao tiếp với NRF24L01+

• Port PB1 kết nối với LED để hiển thị trạng thái khi nhận tín hiệu từ bộ phát

Hình 5.2.2 Sơ đồ layout mạch thu phát RF

13 D6 0/1 Bit 6

Chân 15, 16 còn được ghi là A (Anode) và K (Cathode) Đây là hai chân LED nền

5.4 PHẦN CỨNG MODULE NRF24L01+

Chíp NRF24L01+ là một đơn chíp truyền phát tần số 2.4Ghz với thiết kế cho các ứng dụng không dây sử dụng công suất cực thấp NRF24l01+ được thiết kế để hoạt động trong dải tần ISM từ 2.400 – 2.4835 Ghz Để có thể thiết kế bộ thu phát RF với NRF24L01+ chúng ta cần thêm MCU (Microcontroller unit) và một số linh kiện thụ động khác như thạch anh 16Mhz, cuộn cảm dán có điện cảm cỡ nH, tụ dán có điện dụng cỡ pF, và một số điện trở

Hình 5.4.1 Sơ đồ mạch Module NRF24L01+

Thông tin một số linh kiện cho trong bảng sau:

Bảng 5.4 Thông số các linh kiện

C1,C2 phải có giá trị điện dung phù hợp với tần số dao động của thạch anh

CL=12pF , +/- 60ppmChúng em chọn C1,C2 khoảng 22pF

Chíp NRF24L01+ và NRF24L01 chỉ khác nhau ở điện trở R1 Sử dụng R1 bên ngoài

có giá trị khoảng 1Mohm thì không ảnh hưởng đến sự hoạt động của thạch anh

Thiết kế layout

Hình 5.4.2 Layout module NRF24L01

CHƯƠNG 6: LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT

CHƯƠNG 7: CHƯƠNG TRÌNHCODE PHÁT RF

#include <main.h>

#include <var.h>

void main(void)

{

unsigned char RxBuf[32];

unsigned char Lcd_Buff[16]; // Bo dem cho LCD1602

unsigned char MaTruyen;

unsigned char b0, b1, b2, b3;

bit a,b,c,d; // Cac bit trong ma BCD: abcd

// PORTB ===============================================PORTB=0xFF;

DDRB=0xFF;

// PORTC ===============================================PORTC=0xFF;

DDRC=0xFF;

// PORTD ===============================================PORTD=0xFF;

DDRD=0xC0;

// Khoi tao LCD1602 ====================================lcd_init(16);

/*

SU DUNG 4 NUT BAM KEY1 KEY4 DE LAP MA BCD KEY1 set bit3 (a)

KEY1 set bit2 (b)

KEY1 set bit1 (c)

KEY1 set bit0 (d)

lcd_puts(Lcd_Buff);

b3=((0x00|a)<<3);

// PORTC ===============================================PORTC=0xFF;

DDRC=0xFF;

// Khoi tao LCD1602 ====================================lcd_init(16);

CHƯƠNG 8: TỔNG KẾT

Sau nhiều tuần thực hiện với nhiều cố gắng và nỗ lực của nhóm chúng em cùng với sự

tận tình hướng dẫn của thầy Nguyễn Thế Hoàng đồ án chuyên ngành cũng đã hoàn thành đúng thời gian qui định theo yêu cầu đặt ra là thiết kế Mạch thu phát RF băng

Khoảng cách thu phát còn thấp khoảng 20m

Phạm vi đồ án còn nhiều hướng nâng cấp để ngày hoàn thiện hơn với nhiều ứng dụng trong cuộc sống

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Datasheet Atmega8L, NRF24L01+

Giáo trình điện tử cơ bản

THE END

 Thư mục file Powerpoint