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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM
KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ
…  …
ĐỒ ÁN 2
Đề tài:
THIẾT KẾ MẠCH THU PHÁT RF BĂNG TẦN ISM
GVHD: NGUYỄN THẾ HOÀNG
Tp. HCM
2
GVHD: NGUYỄN THÊ HOÀNG
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
6
GVHD: NGUYỄN THẾ HOÀNG
PHỤ LỤC 55
7
GVHD: NGUYỄN THÊ HOÀNG
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ACK Acknowledgement
ACS Adjacent Channel Selectivity
AGC Automatic Gain Control
ART Auto Re-Transmit
CD Carrier Detect
CE Chip Enable
CLK Clock
CRC Cyclic Redundancy Check
CSN Chip Select Not
ESB Enhanced Shockburst
GFSK Gaussian Frequency Shift Keyling
IM Intermodulation
IRQ Interrupt Request
ISM Industrial-Scientific-Medical
LNA Low Noise Amplifier
LSB Least Significant Bit
LSByte Least Significant Byte
Mbps Megabit Per Second
MCU Microcontroller Unit
MISO Master Inslave Out
MOSI Master Out Salve In
MSB Most Significant Byte
PCB Printed Circuit Board
PID Packet Indentity Bits
PLD Payload
PRX Primary RX
8
GVHD: NGUYỄN THẾ HOÀNG
PTX Primary TX
PWR_DWN Power Down

PWR_UP Power Up
RoHS Restriction Of Use Of Certain Hazardous Substances
RPD Received Power Detector
RX Receive
RX_DR Received Power Detector
RX Received
RX_DR Received Data Ready
SPI Serial Peripheral Interface
TX Transmit
TX_DS Transmit Data Sent
9
GVHD: NGUYỄN THÊ HOÀNG
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
10
GVHD: NGUYỄN THÊ HOÀNG
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
11
GVHD: NGUYỄN THẾ HOÀNG
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.
12
GVHD: NGUYỄN THẾ HOÀNG
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
13
GVHD: NGUYỄN THÊ HOÀNG
CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VI ĐIỀU KHIỂN ATmega8L
2.1GIỚI 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.
14
GVHD: NGUYỄN THÊ HOÀNG
2.2 SƠ ĐỒ CHÂN ATMEGA8L
Hình 2.2 Sơ đồ chân PIC 16F877A
15
GVHD: NGUYỄN THÊ HOÀNG
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
16
GVHD: NGUYỄN THÊ HOÀNG

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.
17
GVHD: NGUYỄN THÊ HOÀNG
2.5 SƠ ĐỒ KIẾN TRÚC
Hình 2.5 Sơ đồ kiến trúc ATmega8L
2.6 BỘ NHỚ CHƯƠNG TRÌNH.
18
GVHD: NGUYỄN THÊ HOÀNG
2.7BỘ NHỚ DỮ LIỆU.
Hình 2.6 Bộ nhớ chương trình
19
GVHD: NGUYỄN THÊ HOÀNG
Hình 2.4.2 Bộ nhớ dữ liệu
20
GVHD: NGUYỄN THÊ HOÀNG
2.8 CÁC CỔNG XUẤT NHẬP
Hình 3.4: Sơ đồ các ngõ ra.
21
GVHD: NGUYỄN THÊ HOÀNG
2.8.1 Port B.
2.8.2 Port C.
22
GVHD: NGUYỄN THÊ HOÀNG
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
Data Register - SPDR).
Mỗi khi gửi xong 1 byte thì bit SPIF sẽ được thiết lập: ta sẽ dùng để kiểm tra xem khi
nào thì gửi xong 1 byte.
23
GVHD: NGUYỄN THÊ HOÀNG
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.
24
GVHD: NGUYỄN THÊ HOÀNG
CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ NRF24L01+
3.1 GIỚI THIỆU NRF24L01+
Hình3.1 Hình ảnh về 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.
3.2 SƠ ĐỒ KHỐI KIẾN TRÚC CHIP NRF24L01+
Hình 3.2 Block diagram
25
GVHD: NGUYỄN THẾ HOÀNG