基于nRF24L01的太阳能无线小车设计

袁铭

摘  要：该设计主要由计算机控制端和太阳能小车组成，计算机控制端利用nRF24L01无线控制小车运动。小车以STC89C52单片机为主控芯片，由太阳能锂电池充电控制模块提供电源。同时，小车能够测量工作电压和环境的温湿度数据，通过无线传输模块发送给计算机端并在C#开发的界面上显示。

关键词：STC89C52  nRF24L01  太阳能  C#

中图分类号：TN99                                  文献标识码：A                        文章编号：1672-3791（2019）06（a）-0004-02

该小车基于人和物交流的物联网思想设计制作，利用太阳能这种清洁能源驱动小车运行，达到了节能环保的可持续发展理念。该文基于nRF24L01和单片机开发了一款具有无线通信能力的太阳能供电小车，在PC端远距离控制小车的运行，并且在PC端实时显示小车采集到的环境温湿度信息和其他相关参数。

1  系统整体结构方案

整个系统由计算机控制端（上位机）和太阳能小车（下位机）两部分组成。上位机部分由PC机、单片机和无线收发模块组成。上位机控制端通过无线收发模块向小车发射控制命令，控制小车运行，同时该无线模块接收来自小车的各种参数发送至PC控制端显示。下位机小车部分由单片机系统、无线通信模块、太阳能控制模块、电机控制模块、温湿度模块等组成。无线通信模块接收上位机发出的指令，通过和单片机的通信，由单片机模块控制电机模块驱动控制小车运动。AD转换电路用于采集太阳能充电电流等工作参数，和温湿度参数一起通过无线模块发送至计算机控制端。系统框图见图1。

2  下位机硬件电路设计

2.1 太阳能充电电路

该设计的太阳能充电控制模块采用CN3722，具有恒流恒压充电模式，适合对单节或多节锂电池或磷酸铁锂电池的充电管理。恒压充电电压由外部电阻分压网络设置;在恒流充电模式，充电电流通过一个外部电阻设置。对于深度放电的电池，当电池电压低于所设置的恒压充电电压的66.7%时，CN3722用所设置的恒流充电电流的15%对电池进行涓流充电。在恒压充电阶段，充电电流逐渐减小，充电过程持续直到充电电流减小到零，这样即使太阳能电池输出很小的功率，也能对电池充电;因为此时电池连接端BAT管脚电压保持不变，所以不会对电池过充电。该小车采用3节锂电池串联充电，每节锂电池最大充电电压为4.2V，总充电电压最大为12.6V。

2.2 无线通信模块电路

无线通信模块采用nRF24L01，是一款工作在2.4～2.5GHz世界通用ISM频段的低功耗单片无线收发器芯片。输出功率、频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置。3脚使能端由单片机P2.0口控制，4、5、6、7脚为SPI引脚，分别由单片机P2.3、P2.1、P2.4、P2.2配置，8脚中断标志位由单片机P3.2控制。

2.3 电量采集电路

电量采集电路采用典型的仪表放大电路，通过AD转换芯片PCF8591采集到单片机端，用于测量太阳能电流。

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

当R21=2.2222K时，放大倍数为100倍。

2.4 电机控制电路

电机控制模块采用L298N，內部包含4通道逻辑驱动电路。其是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含2个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。

2.5 温湿度测量电路

温湿度测量模块采用DHT11，是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，使其成为各类应用甚至是最为苛刻的应用场合的最佳选择。

2.6 上位机端电路

上位机和单片机采用RS232总线连接，为了使PC机与MCS-51单片机之间能可靠地进行串行通信，需要用电平转换芯片，该设计采用MAXIM公司生产的专用芯片MAX232。MAX232是一种把电脑的串行口RS-232信号电平（-10V，+10V）转换为单片机所用到的TTL信号点平（0V，+5V）的芯片。

3  软件设计

3.1 下位机软件设计

下位机编程采用模块化编程思想，主流程图如图2所示，主流程图在完成一些初始化后进入while（1）循环中，进行标志位的检测及电压等参数检测，并控制小车运动，在外部中断子程序中执行NRF24L01的IRQ触发中断，在中断服务程序中主要是对一些标志位的设置。

3.2 上位机程序设计

3.2.1 串口通信协议制定

上位机控制台要对上位接收机端发来的数据进行解析，分离出有效数据，设计的数据格式如下：$--温度--？--湿度--@--电池电压--<--输入电流--/--输出电流--*。

其中：

$为一帧数据开始符号;

？为温度与湿度隔离符号;

@为湿度与电池电压隔离符号;

<为电池电压与输入电流隔离符号;

/为输入电流与输出电流隔离符号;

*为结束标志。

3.2.2 控制台界面设计

控制台程序设计的目的是接收串口数据，进行数据解析，通过串口发射控制数据。

界面主要功能区有：串口设置区、数据显示区、指令发射区。

串口设置区功能：端口号、波特率选择、串口打开与关闭。数据显示区：原始数据显示文本、解析后数码管显示。指令发射：按键指令发射、串口文本框指令发送。

3.2.3 串口通信

串口数据的读取采用事件触发的方式，在SerialPort类中有DataReceived事件，当串口的读缓存有数据到达时则触发DataReceived事件，其中SerialPort.ReceivedBytesThreshold属性决定了当串口读缓存中数据多少个时才触发DataReceived事件，默认为1。从SerialPort对象接收数据时，将在辅助线程上引发DataReceived事件。由于此事件在辅助线程而非主线程上引发，因此尝试修改主线程中的一些元素（如UI元素）时会引发线程异常。如果有必要修改主Form或Control中的元素，必须使用Invoke回发更改请求，这将在正确的线程上执行。进而要想将辅助线程中所读到的数据显示到主线程的Form控件上时，只有通过Invoke方法来实现。

4  结语

该小车采用太阳能供电，主控芯片采用STC89C52单片机控制，利用nRF24L01无线通信模块实现上位机和下位机之间的数据传输，在PC计算机上位机端控制界面上操作控制小车的运行，同时可以采集温湿度、电流电压等相关参数并显示在PC端界面上，实现了人-车之间的远程交互控制。该太阳能无线控制小车具有功耗低、電路结构简单等特点。

参考文献

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