2024年5月7日发(作者：操清怡)
四川师范大学成都学院电子工程学院课程设计报告
前言
无线方案适用于布线繁杂或者不允许布线的场合，目前在遥控遥测、门禁系统、无
线抄表、小区传呼、工业数据采集、无线遥控系统、无线鼠标键盘等应用领域，都采用
了无线方式进行远距离数据传输。目前，蓝牙技术和Zigbee技术已经较为成熟的应用
在无线数据传输领域，形成了相应的标准。然而，这些芯片相对昂贵，同时在应用中，
需要做很多设计和测试工作来确保与标准的兼容性，如果目标应用是点到点的专用链
路，如无线鼠标到键盘，这个代价就显得毫无必要。
本无线数据传输系统采用挪威Nordic公司推出的工作于2.4GHzISM频段的
nRF24L01射频芯片。与蓝牙和Zigbee相比，nRF24L01射频芯片没有复杂的通信协议，
它完全对用户透明，同种产品之间可以自由通信。更重要的是，nRF24L01射频芯片比蓝
牙和Zigbee所用芯片更便宜。系统由单片机STM32F103控制无线数字传输芯片nRF24L01,
通过无线方式进行数据双向远程传输,两端采用全双工方式通信，该系统具有成本低，
功耗低，软件设计简单以及通信可靠等优点。
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1. 总体设计方案
无线通信技术迅速发展，有多种通讯方案可供选择，这里从实用，经济和实现等方
面进行综合的考虑分析，选出合适的设计方案。
1.1 无线通信方式的比较和选择
方案一：采用GSM模块进行通信，GSM模块需要借助移动卫星或者手机卡，虽说能
够远距离传输，但是其成本较大、且需要内置SIM卡，通信过程中需要收费，后期成本
较高。
方案二：采用TI公司CC2430无线通信模块，此模块采用Zigbee总线模式，传输
速率可达250kbps，且内部集成高性能8051内核。但是此模块价格较贵，且Zigbee协
议相对较为复杂。
方案三：采用nRF24L01无线射频模块进行通信，nRF24L01是一款高速低功耗的无
线通信模块。他能传输上千米的距离（加PA），而且价格较便宜，采用SPI总线通信模
式电路简单，操作方便。
考虑到系统的复杂性和程序的复杂度，我们采用方案三作为本系统的通信模块。
1.2 微控制器的比较和选择
方案一：采用传统的AT89S52单片机作为主控芯片。此芯片价格便宜、操作简便，
低功耗，比较经济实惠,但是应用很局限，且要求较高时传统的AT89S52单片机达不到
要求。
方案二：采用TI公司生产的MSP430F149系列单片机作为主控芯片。此单片机是一
款高性能的低功耗的16位单片机，具有非常强大的功能，且内置高速12位ADC。但其
价格比较昂贵，而且是TPFQ贴片封装，不利于焊接，需要PCB制板，大大增加了成本
和开发周期。
方案三：基于ARM公司Cortex-M3内核的STM32F103系列处理器，采用串行单线调
试和JTAG，通过JTAG调试器你可以直接从CPU获取调试信息，从而使产品设计大大简
化，主要应用于要求高性能、低成本、低功耗的产品。
根据系统需要，从性能和价格上综合考虑我们选择方案三，即用STM32F103作为本
系统的主控芯片。
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1.3 串行通信方式比较和选择
RS-485串行通信：该接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗噪声干扰性
好。具有多机通信能力，这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。
接口组成的半双工网络，一般只需二根信号线，所以它的接口均采用屏蔽双绞线传输，
数据信号采用差分传输方式。但是由于电脑上没有485接口，所以设计的时候还需要一
个485转232转换器，较为麻烦。
RS-232串行通信：它是无处不在的，每一台PC机都有一个或者更多的接口。在微
控制器中，接口芯片使得将一个5V串口转换成RS-232变的更容易。连接距离可以达到
50到100ft，大多数的外设接口都不会用于太长的距离。对于一个双向选择，只需要3
条导线。一个并行连接器一般需要8条数据线，两条或者更多的控制信号线和几根接地
线。它作为一种标准，与很多设备兼容，目前已经在很多的微机通信接口中广泛的被采
用。所以这里采用该通信方式。
1.4 显示模块方案
方案一：选择主控为ST7920的带字库的LCD12864来显示信息。12864是一款通用
的液晶显示屏，能够显示多数常用的汉字及ASCII码，而且能够绘制图片，描点画线，
设计成比较理想的结果。
方案二：采用2.8寸TFT-LCD显示信息，这款LCD比较通用的字符液晶模块，能显
示字符和数字等信息，且价格便宜，容易控制。
方案三：采用LCD7段数码显示管显示，其成本低，容易显示控制，但不能显示字
符。
综合以上方案，方便我们对信息的观看和理解，我们选择了经济实惠的2.8寸
TFT-LCD显示，可以直接显示数据、字符等。
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2. 单元模块设计
2.1 nRF24L01射频模块电路设计
2.1.1 nRF24L01芯片概述
nRF24L01是一款新型单片射频收发器件,工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM频段。内置
频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型ShockBurst
技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01功耗低,在以-6 dBm的
功率发射时，工作电流也只有9 mA；接收时，工作电流只有12.3 mA，多种低功率工作
模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便。
nRF24L01主要特性如下：
1）2.4GHz全球开放的ISM频段，免许可证使用。
2）最高工作速率2Mbps，高校的GFSK调制，抗干扰能力强。
3）125个可选的频道，满足多点通信和调频通信的需要。
4）内置CRC检错和点对多点的通信地址控制。
5）低工作电压（1.9~3.6V）。
6）可设置自动应答，确保数据可靠传输。
2.1.2 引脚功能及描述
nRF24L01的封装及引脚排列如图所示。各引脚功能如下：
图 1 nRF24L01引脚示意图
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CE：使能发射或接收；
CSN，SCK，MOSI，MISO：SPI引脚端，微处理器可通过此引脚配置nRF24L01；
IRQ：中断标志位；
VDD：电源输入端；
VSS：电源地；
XC2，XC1：晶体振荡器引脚；
VDD_PA：为功率放大器供电，输出为1.8V；
ANT1,ANT2：天线接口；
IREF：参考电流输入。
2.1.3 工作模式
nRF24L01有工作模式有四种：收发模式、配置模式、空闲模式和关机模式。nRF24L01
的工作模式由PWR_UP、CE、TX_EN和CS三个引脚决定，如表。
表格 1 nRF24L01工作模式
工作模式
收发模式
配置模式
空闲模式
关机模式
ＰＷＲ＿ＹＰ
１
１
１
０
ＣＥ
１
０
０
Ｘ
ＣＳ
０
１
０
Ｘ
收发模式：nRF24L01的收发模式有ShockBurstTM收发模式和直接收发模式两种，
收发模式由器件配置字决定。这里只介绍ShockBurstTM收发模式。
ShockBurstTM收发模式下，使用片内的先入先出堆栈区，数据低速从微控制器送
入，但高速(1Mbps)发射，这样可以尽量节能，因此，使用低速的微控制器也能得到很
高的射频数据发射速率。与射频协议相关的所有高速信号处理都在片内进行，这种做法
有三大好处：
1）尽量节能；
2）低的系统费用(低速微处理器也能进行高速射频发射)；
3）数据在空中停留时间短，抗干扰性高。nRF24L01的ShockBurstTM技术同时也
减小了整个系统的平均工作电流。
在ShockBurstTM收发模式下，nRF24L01自动处理字头和CRC校验码。在接收数
据时，自动把字头和CRC校验码移去。在发送数据时，自动加上字头和CRC校验码，
当发送过程完成后，数据准备好引脚通知微处理器数据发射完毕。
配置模式：在配置模式，15字节的配置字被送到nRF24L01，这通过CS、CLK1和
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DATA三个引脚完成。
空闲模式：nRF24L01的空闲模式是为了减小平均工作电流而设计，其最大的优点
是，实现节能的同时，缩短芯片的起动时间。在空闲模式下，部分片内晶振仍在工作，
此时的工作电流跟外部晶振的频率有关，如外部晶振为4MHz时工作电流为12uA，外
部晶振为16MHz时工作电流为32uA。在空闲模式下，配置字的内容保持在nRF24L01
片内。
关机模式：在关机模式下，为了得到最小的工作电流，一般此时的工作电流小于
1uA。关机模式下，配置字的内容也会被保持在nRF24L01片内，这是该模式与断电状
态最大的区别。
2.2 STM32F103模块电路
2.2.1 电源电路
由于STM32直接由PC的USB供电，提供5V电源，所以不需要总电源，但nRF24L01
模块需要低于3.5V电压，所以需要3.3V稳压电路，如下：
图 2 3.3V稳压电路
2.2.2 显示模块
2.8寸TFT-LCD与STM32连接原理图，如下：
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图 3LCD原理图
2.2.3按键模块
在课程设计中用到了按键控制发送数据，按键原理图，如下：
图 4 按键连接原理图
2.2.4nRF24L01模块
nRF24L01模块有八个引脚需要连接到STM32，在这里由于用到了SPI1的四个引
脚，直接与PA(4-6)引脚相连，设置GPIO复用功能就直接可用SPI1，无线模块的其他
引脚分别与PA1和PA7相连，这样可以简化电路，如下：
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图 5 nRF24L01原理图
3. 系统功能与软件设计
3.1 系统总结构与流程
系统主要包括两个分别具有收发功能的无线通信模块，每个模块均由STM32F103
和无线收发芯片nRF24L01组成。系统的原理框图如图所示，发送时，单片机通过IO
总线向nRF24L01写人控制命令及所需发送的数据，nRF24L01通过天线发送出去；接
收时，单片机通过IO总线读取nRF24L01的工作状态，获取芯片相关信息及接收到的
数据。两个收发模块之间相互通信，从而实现数据的无线传输。同时接收端将接收到的
数据存储到扩展的片外数据存储器中。
系统结构框图：
图 6整体结构框图
根据功能不同，可以把整个系统分为STM32、nRF24L01无线通信模块、LCD显示模
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块、按键发送模块。
STM32主要功能是控制nRF24L01无线通信和LCD显示，按键中断控制nRF24L01无
线模块发送数据，LCD显示模块显示数据。
当按下按键时，STM32控制LCD显示相应的数字，同时通过nRF24L01将该数字发送
出去，另一个nRF24L01接收到该数字，经由STM32F103显示于LCD上。
系统的工作流程图如下：
图 7系统流程图
3.2 初始化程序的设计
系统在正式工作前，都要进行一些初始化工作。因此在系统启动之初，为了能够让
STM32F103单片机各项功能合理有序的工作，需要进行一系列的初始化配置。本文系统
设计中初始化程序主要包括微处理器STM32F103开发板的初始化程序、串行外设接口
（SPI）的初始化程序、nRF24L01芯片的初始化程序、按键的初始化程序、LCD显示模
块的初始化程序等。其中STM32F103单片机的初始化又包括GPIO口初始化配置、中断
初始化配置等。
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3.2.1 SPI的初始化配置
STM32F103的串行SPI接口置配置时，设SPI为主，串行时钟在SCK脚产生。配置
程序软件及步骤如下：
1.配置nRF24L01的MOSI、MISO输入输出线和SCLK时钟线分别同CPU的SPI对应
的外设线相连接，即SPI1与SCK（PA5/SPI1_SCK）、MISO（PA6/SPI1_MISO）、MOSI
（PA7/SPI1_MOSI）、NSS（PA4/SPI1_NSS）相连接。
2.通过SPI_CR1寄存器的BR位定义串行时钟波特率分频值为16。
3.选择CPOL和CPHA位，定义数据传输和串行时钟的相位关系，选择了串行时钟的
稳态，时钟悬空低电平，数据捕获于第一个时钟沿。
4.设置DRR位来定义为8位。
5.配置SPI_CR1寄存器的LSBFIRST位定义帧格式。
6.如果NSS引脚需要工作在输入模式，硬件模式中在整个数据帧传输器件应把NSS
脚连接到高电平；在软件模式中，需设置SPI_CR1寄存器的SSM和SSI位，如果NSS引
脚工作在输出模式，则只需设置SSOE位。
7.设置MSTR和SPE位在这个配置中，MOSI脚是数据输出，而MISO脚是数据输入。
SPI串行口初始化流程图如3-5所示：
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图 8 SPI初始化
3.2.2NVIC中断向量及EXTI外部中断配置
为了能让系统程序的执行效率更高，所以必须尽量使用STM32F103的中断响应函数
来取代传统的循环判断方式。STM32F103中断配置以抢占优先级与响应优先级这两项为
主要参数，抢占优先级代表了中断的嵌套关系，抢占优先级较高（数值较小）的中断能
够在优先级较低的中断里面嵌套执行。响应优先级表示了当中断同时发生的时候
STM32F103响应的顺序，数值较小的中断优先响应。
配置EXTI外部中断，EXTI_line0对应按键PA0，当按键按下触发中断，进入中断
服务函数，延时消抖后清除中断标志位，开启片选后在服务函数中调用nRF24L01发送
程序关闭片选。
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图 9 按键及中断配置
3.2.3 nRF24L01工作模式配置及接收函数
当使用nRF24L01时需要对其接收或者发送模式进行配置，首先调用初始化SPI函
数，然后配置寄存器使芯片工作于发送模式后拉高CE端至少10us，读状态寄存器
STATUS，判断是否是发送完成标志位置位，清标志，清数据缓冲。工作模式配置可以
参考数据手册在表1可以得到。配置过程如图：
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图 10 工作模式配置及接收函数
3.2.4 LCD初始化配置
LCD初始化直接调用库函数，经过初始化LCD，设置背景颜色和设置字体颜色，
过程非常简单，这里不做过多说明。
4. 设计总结
在本次无线通信应用系统设计中我收获了不少。在之前我都是学习了书本上
的东西，而很少将其应用到实际中去，虽然之前我也做过一些课程设计，但这次的课程
设计更加从实。我从选取题目，画原理图到购买元器件再到焊接电路还有后面的调试测
试工作我都一一的亲身经历并学到了不少课本上学不到的东西。以前我学习课本上的知
识，觉得要将其应用到实际中会是一件较为轻松的事，也看其他人做的东西很有意义，
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但我自己实际去设计制作时，才发现了要做好一个作品是那么的不容易，自己去做时，
才发现自己的种种不足，动起手来是那么的笨拙。老师常常给我们讲动手能力对我们学
习电子的同学有多么重要，因此我也都一直想着要提高自己的动手能力，这次课程设计
对我来说是一次难的机会，对于我提高自己的动手能力有很大的帮助。我不仅学到了怎
样去改进、优化、美化电路布局，也掌握更多调试、测试电路的方法，也学到了不少怎
样去选取合适的元器件的方法。在以后的学习工作做，我要不断的提高自己的动手能力，
就要不断亲身去设计、自作实际的东西，这样才不会被时代所淘汰成为对社会有用的人。
5. 参考文献
[1] 赵亮、候国锐.单片机C语言编程与实例[M].北京：人民邮电出版社，2003年9月.
[2] 海创.无线收发模块nRF24L01开发包资料[J].海创电子科技,2010年.P99—P121.
[3] 张毅刚.单片机原理及应用[M].北京:高等教育出版社，2010年11月
[4] 康华光.电子技术基础模拟部分（第五版）[M].北京：高等教育出版社,2010年.
[5] 康华光.电子技术基础数字部分（第五版）[M].北京:高等教育出版社,2010年.
[6] 谢自美.电子线路设计.实验.测试[M].武汉:华中科技大学出版社,2009年7月.
[7] 赵海,赵杰,刘铮等.一种无线传感器网络节点的设计与实现[J].东北大学学报:自
然科学版,2009年.P809—P812.
[8] 王秀梅.低功耗2.4GHz无线通信分系统的设计与实现[J]．中国数据通信,2004
年.P57—P61.
[9] 李文忠,段朝玉.短距离无线数据通信[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006
年.P178—P187.
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附录
程序附录1按键配置
void key_int(void)
{
/*******************gpio*******************/
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
GPIO__Pin = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_8;
GPIO__Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO__Mode = GPIO_Mode_IPU;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
/*******************NVIC*******************/
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_0);
NVIC__IRQChannel = EXTI0_IRQn;
NVIC__IRQChannelPreemptionPriority = 0;
NVIC__IRQChannelSubPriority = 0;
NVIC__IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
NVIC__IRQChannel = EXTI9_5_IRQn;
NVIC__IRQChannelPreemptionPriority = 0;
NVIC__IRQChannelSubPriority = 1;
NVIC__IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
/*******************EXTI*******************/
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EXTI__Line = EXTI_Line0;
EXTI__Mode = EXTI_Mode_Interrupt;
EXTI__Trigger = EXTI_Trigger_Falling;
EXTI__LineCmd = ENABLE;
EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);
EXTI__Line = EXTI_Line8;
EXTI__Mode = EXTI_Mode_Interrupt;
EXTI__Trigger = EXTI_Trigger_Falling;
EXTI__LineCmd = ENABLE;
EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);
}
程序附录2spi初始化
void GPIO_SEG(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;
RCC_PCLK2Config(RCC_HCLK_Div2);
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_SPI1|RCC_APB2Perip
h_AFIO,ENABLE);//¿ªÆô¸´Óù¦ÄÜ
SPI_Cmd(SPI1, DISABLE); //±ØÐëÏȽûÄÜ,²ÅÄܸıäMODE
GPIO__Pin = GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_7;//5clk,7mosi
GPIO__Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO__Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
GPIO__Pin = GPIO_Pin_6;//miso
GPIO__Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
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GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
GPIO__Pin = GPIO_Pin_4; //NSS
GPIO__Speed = GPIO_Speed_10MHz;
GPIO__Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
GPIO__Pin = GPIO_Pin_2 | GPIO_Pin_3;//2CE,3CS
GPIO__Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
GPIO__Pin = GPIO_Pin_1;// IRQ
GPIO__Mode = GPIO_Mode_IPD;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
SPI__Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;//Ñ¡ÔñÈ«Ë«¹¤
SPI__Mode = SPI_Mode_Master;
SPI__DataSize = SPI_DataSize_8b;
SPI__CPOL = SPI_CPOL_Low;
SPI__CPHA = SPI_CPHA_1Edge;
SPI__NSS = SPI_NSS_Soft;
SPI__BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_16;
SPI__FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;
SPI__CRCPolynomial = 7;
SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure);
}
SPI_Cmd(SPI1, ENABLE);
GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_2);//ʹÄÜ 24L01
GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_3);//SPIƬѡȡÏû
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附录3 lcd显示
void lcd_int(void)
{
}
STM3210B_LCD_Init();
LCD_SetTextColor(Black);
LCD_SetBackColor(Cyan);
LCD_Clear(Cyan);
LCD_DisplayStringLine(Line0,"2.4Ghz test");
图 11 lcd显示图
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前言
无线方案适用于布线繁杂或者不允许布线的场合，目前在遥控遥测、门禁系统、无
线抄表、小区传呼、工业数据采集、无线遥控系统、无线鼠标键盘等应用领域，都采用
了无线方式进行远距离数据传输。目前，蓝牙技术和Zigbee技术已经较为成熟的应用
在无线数据传输领域，形成了相应的标准。然而，这些芯片相对昂贵，同时在应用中，
需要做很多设计和测试工作来确保与标准的兼容性，如果目标应用是点到点的专用链
路，如无线鼠标到键盘，这个代价就显得毫无必要。
本无线数据传输系统采用挪威Nordic公司推出的工作于2.4GHzISM频段的
nRF24L01射频芯片。与蓝牙和Zigbee相比，nRF24L01射频芯片没有复杂的通信协议，
它完全对用户透明，同种产品之间可以自由通信。更重要的是，nRF24L01射频芯片比蓝
牙和Zigbee所用芯片更便宜。系统由单片机STM32F103控制无线数字传输芯片nRF24L01,
通过无线方式进行数据双向远程传输,两端采用全双工方式通信，该系统具有成本低，
功耗低，软件设计简单以及通信可靠等优点。
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四川师范大学成都学院电子工程学院课程设计报告
1. 总体设计方案
无线通信技术迅速发展，有多种通讯方案可供选择，这里从实用，经济和实现等方
面进行综合的考虑分析，选出合适的设计方案。
1.1 无线通信方式的比较和选择
方案一：采用GSM模块进行通信，GSM模块需要借助移动卫星或者手机卡，虽说能
够远距离传输，但是其成本较大、且需要内置SIM卡，通信过程中需要收费，后期成本
较高。
方案二：采用TI公司CC2430无线通信模块，此模块采用Zigbee总线模式，传输
速率可达250kbps，且内部集成高性能8051内核。但是此模块价格较贵，且Zigbee协
议相对较为复杂。
方案三：采用nRF24L01无线射频模块进行通信，nRF24L01是一款高速低功耗的无
线通信模块。他能传输上千米的距离（加PA），而且价格较便宜，采用SPI总线通信模
式电路简单，操作方便。
考虑到系统的复杂性和程序的复杂度，我们采用方案三作为本系统的通信模块。
1.2 微控制器的比较和选择
方案一：采用传统的AT89S52单片机作为主控芯片。此芯片价格便宜、操作简便，
低功耗，比较经济实惠,但是应用很局限，且要求较高时传统的AT89S52单片机达不到
要求。
方案二：采用TI公司生产的MSP430F149系列单片机作为主控芯片。此单片机是一
款高性能的低功耗的16位单片机，具有非常强大的功能，且内置高速12位ADC。但其
价格比较昂贵，而且是TPFQ贴片封装，不利于焊接，需要PCB制板，大大增加了成本
和开发周期。
方案三：基于ARM公司Cortex-M3内核的STM32F103系列处理器，采用串行单线调
试和JTAG，通过JTAG调试器你可以直接从CPU获取调试信息，从而使产品设计大大简
化，主要应用于要求高性能、低成本、低功耗的产品。
根据系统需要，从性能和价格上综合考虑我们选择方案三，即用STM32F103作为本
系统的主控芯片。
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1.3 串行通信方式比较和选择
RS-485串行通信：该接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗噪声干扰性
好。具有多机通信能力，这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。
接口组成的半双工网络，一般只需二根信号线，所以它的接口均采用屏蔽双绞线传输，
数据信号采用差分传输方式。但是由于电脑上没有485接口，所以设计的时候还需要一
个485转232转换器，较为麻烦。
RS-232串行通信：它是无处不在的，每一台PC机都有一个或者更多的接口。在微
控制器中，接口芯片使得将一个5V串口转换成RS-232变的更容易。连接距离可以达到
50到100ft，大多数的外设接口都不会用于太长的距离。对于一个双向选择，只需要3
条导线。一个并行连接器一般需要8条数据线，两条或者更多的控制信号线和几根接地
线。它作为一种标准，与很多设备兼容，目前已经在很多的微机通信接口中广泛的被采
用。所以这里采用该通信方式。
1.4 显示模块方案
方案一：选择主控为ST7920的带字库的LCD12864来显示信息。12864是一款通用
的液晶显示屏，能够显示多数常用的汉字及ASCII码，而且能够绘制图片，描点画线，
设计成比较理想的结果。
方案二：采用2.8寸TFT-LCD显示信息，这款LCD比较通用的字符液晶模块，能显
示字符和数字等信息，且价格便宜，容易控制。
方案三：采用LCD7段数码显示管显示，其成本低，容易显示控制，但不能显示字
符。
综合以上方案，方便我们对信息的观看和理解，我们选择了经济实惠的2.8寸
TFT-LCD显示，可以直接显示数据、字符等。
3
四川师范大学成都学院电子工程学院课程设计报告
2. 单元模块设计
2.1 nRF24L01射频模块电路设计
2.1.1 nRF24L01芯片概述
nRF24L01是一款新型单片射频收发器件,工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM频段。内置
频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型ShockBurst
技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01功耗低,在以-6 dBm的
功率发射时，工作电流也只有9 mA；接收时，工作电流只有12.3 mA，多种低功率工作
模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便。
nRF24L01主要特性如下：
1）2.4GHz全球开放的ISM频段，免许可证使用。
2）最高工作速率2Mbps，高校的GFSK调制，抗干扰能力强。
3）125个可选的频道，满足多点通信和调频通信的需要。
4）内置CRC检错和点对多点的通信地址控制。
5）低工作电压（1.9~3.6V）。
6）可设置自动应答，确保数据可靠传输。
2.1.2 引脚功能及描述
nRF24L01的封装及引脚排列如图所示。各引脚功能如下：
图 1 nRF24L01引脚示意图
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CE：使能发射或接收；
CSN，SCK，MOSI，MISO：SPI引脚端，微处理器可通过此引脚配置nRF24L01；
IRQ：中断标志位；
VDD：电源输入端；
VSS：电源地；
XC2，XC1：晶体振荡器引脚；
VDD_PA：为功率放大器供电，输出为1.8V；
ANT1,ANT2：天线接口；
IREF：参考电流输入。
2.1.3 工作模式
nRF24L01有工作模式有四种：收发模式、配置模式、空闲模式和关机模式。nRF24L01
的工作模式由PWR_UP、CE、TX_EN和CS三个引脚决定，如表。
表格 1 nRF24L01工作模式
工作模式
收发模式
配置模式
空闲模式
关机模式
ＰＷＲ＿ＹＰ
１
１
１
０
ＣＥ
１
０
０
Ｘ
ＣＳ
０
１
０
Ｘ
收发模式：nRF24L01的收发模式有ShockBurstTM收发模式和直接收发模式两种，
收发模式由器件配置字决定。这里只介绍ShockBurstTM收发模式。
ShockBurstTM收发模式下，使用片内的先入先出堆栈区，数据低速从微控制器送
入，但高速(1Mbps)发射，这样可以尽量节能，因此，使用低速的微控制器也能得到很
高的射频数据发射速率。与射频协议相关的所有高速信号处理都在片内进行，这种做法
有三大好处：
1）尽量节能；
2）低的系统费用(低速微处理器也能进行高速射频发射)；
3）数据在空中停留时间短，抗干扰性高。nRF24L01的ShockBurstTM技术同时也
减小了整个系统的平均工作电流。
在ShockBurstTM收发模式下，nRF24L01自动处理字头和CRC校验码。在接收数
据时，自动把字头和CRC校验码移去。在发送数据时，自动加上字头和CRC校验码，
当发送过程完成后，数据准备好引脚通知微处理器数据发射完毕。
配置模式：在配置模式，15字节的配置字被送到nRF24L01，这通过CS、CLK1和
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DATA三个引脚完成。
空闲模式：nRF24L01的空闲模式是为了减小平均工作电流而设计，其最大的优点
是，实现节能的同时，缩短芯片的起动时间。在空闲模式下，部分片内晶振仍在工作，
此时的工作电流跟外部晶振的频率有关，如外部晶振为4MHz时工作电流为12uA，外
部晶振为16MHz时工作电流为32uA。在空闲模式下，配置字的内容保持在nRF24L01
片内。
关机模式：在关机模式下，为了得到最小的工作电流，一般此时的工作电流小于
1uA。关机模式下，配置字的内容也会被保持在nRF24L01片内，这是该模式与断电状
态最大的区别。
2.2 STM32F103模块电路
2.2.1 电源电路
由于STM32直接由PC的USB供电，提供5V电源，所以不需要总电源，但nRF24L01
模块需要低于3.5V电压，所以需要3.3V稳压电路，如下：
图 2 3.3V稳压电路
2.2.2 显示模块
2.8寸TFT-LCD与STM32连接原理图，如下：
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图 3LCD原理图
2.2.3按键模块
在课程设计中用到了按键控制发送数据，按键原理图，如下：
图 4 按键连接原理图
2.2.4nRF24L01模块
nRF24L01模块有八个引脚需要连接到STM32，在这里由于用到了SPI1的四个引
脚，直接与PA(4-6)引脚相连，设置GPIO复用功能就直接可用SPI1，无线模块的其他
引脚分别与PA1和PA7相连，这样可以简化电路，如下：
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图 5 nRF24L01原理图
3. 系统功能与软件设计
3.1 系统总结构与流程
系统主要包括两个分别具有收发功能的无线通信模块，每个模块均由STM32F103
和无线收发芯片nRF24L01组成。系统的原理框图如图所示，发送时，单片机通过IO
总线向nRF24L01写人控制命令及所需发送的数据，nRF24L01通过天线发送出去；接
收时，单片机通过IO总线读取nRF24L01的工作状态，获取芯片相关信息及接收到的
数据。两个收发模块之间相互通信，从而实现数据的无线传输。同时接收端将接收到的
数据存储到扩展的片外数据存储器中。
系统结构框图：
图 6整体结构框图
根据功能不同，可以把整个系统分为STM32、nRF24L01无线通信模块、LCD显示模
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块、按键发送模块。
STM32主要功能是控制nRF24L01无线通信和LCD显示，按键中断控制nRF24L01无
线模块发送数据，LCD显示模块显示数据。
当按下按键时，STM32控制LCD显示相应的数字，同时通过nRF24L01将该数字发送
出去，另一个nRF24L01接收到该数字，经由STM32F103显示于LCD上。
系统的工作流程图如下：
图 7系统流程图
3.2 初始化程序的设计
系统在正式工作前，都要进行一些初始化工作。因此在系统启动之初，为了能够让
STM32F103单片机各项功能合理有序的工作，需要进行一系列的初始化配置。本文系统
设计中初始化程序主要包括微处理器STM32F103开发板的初始化程序、串行外设接口
（SPI）的初始化程序、nRF24L01芯片的初始化程序、按键的初始化程序、LCD显示模
块的初始化程序等。其中STM32F103单片机的初始化又包括GPIO口初始化配置、中断
初始化配置等。
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3.2.1 SPI的初始化配置
STM32F103的串行SPI接口置配置时，设SPI为主，串行时钟在SCK脚产生。配置
程序软件及步骤如下：
1.配置nRF24L01的MOSI、MISO输入输出线和SCLK时钟线分别同CPU的SPI对应
的外设线相连接，即SPI1与SCK（PA5/SPI1_SCK）、MISO（PA6/SPI1_MISO）、MOSI
（PA7/SPI1_MOSI）、NSS（PA4/SPI1_NSS）相连接。
2.通过SPI_CR1寄存器的BR位定义串行时钟波特率分频值为16。
3.选择CPOL和CPHA位，定义数据传输和串行时钟的相位关系，选择了串行时钟的
稳态，时钟悬空低电平，数据捕获于第一个时钟沿。
4.设置DRR位来定义为8位。
5.配置SPI_CR1寄存器的LSBFIRST位定义帧格式。
6.如果NSS引脚需要工作在输入模式，硬件模式中在整个数据帧传输器件应把NSS
脚连接到高电平；在软件模式中，需设置SPI_CR1寄存器的SSM和SSI位，如果NSS引
脚工作在输出模式，则只需设置SSOE位。
7.设置MSTR和SPE位在这个配置中，MOSI脚是数据输出，而MISO脚是数据输入。
SPI串行口初始化流程图如3-5所示：
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图 8 SPI初始化
3.2.2NVIC中断向量及EXTI外部中断配置
为了能让系统程序的执行效率更高，所以必须尽量使用STM32F103的中断响应函数
来取代传统的循环判断方式。STM32F103中断配置以抢占优先级与响应优先级这两项为
主要参数，抢占优先级代表了中断的嵌套关系，抢占优先级较高（数值较小）的中断能
够在优先级较低的中断里面嵌套执行。响应优先级表示了当中断同时发生的时候
STM32F103响应的顺序，数值较小的中断优先响应。
配置EXTI外部中断，EXTI_line0对应按键PA0，当按键按下触发中断，进入中断
服务函数，延时消抖后清除中断标志位，开启片选后在服务函数中调用nRF24L01发送
程序关闭片选。
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图 9 按键及中断配置
3.2.3 nRF24L01工作模式配置及接收函数
当使用nRF24L01时需要对其接收或者发送模式进行配置，首先调用初始化SPI函
数，然后配置寄存器使芯片工作于发送模式后拉高CE端至少10us，读状态寄存器
STATUS，判断是否是发送完成标志位置位，清标志，清数据缓冲。工作模式配置可以
参考数据手册在表1可以得到。配置过程如图：
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图 10 工作模式配置及接收函数
3.2.4 LCD初始化配置
LCD初始化直接调用库函数，经过初始化LCD，设置背景颜色和设置字体颜色，
过程非常简单，这里不做过多说明。
4. 设计总结
在本次无线通信应用系统设计中我收获了不少。在之前我都是学习了书本上
的东西，而很少将其应用到实际中去，虽然之前我也做过一些课程设计，但这次的课程
设计更加从实。我从选取题目，画原理图到购买元器件再到焊接电路还有后面的调试测
试工作我都一一的亲身经历并学到了不少课本上学不到的东西。以前我学习课本上的知
识，觉得要将其应用到实际中会是一件较为轻松的事，也看其他人做的东西很有意义，
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但我自己实际去设计制作时，才发现了要做好一个作品是那么的不容易，自己去做时，
才发现自己的种种不足，动起手来是那么的笨拙。老师常常给我们讲动手能力对我们学
习电子的同学有多么重要，因此我也都一直想着要提高自己的动手能力，这次课程设计
对我来说是一次难的机会，对于我提高自己的动手能力有很大的帮助。我不仅学到了怎
样去改进、优化、美化电路布局，也掌握更多调试、测试电路的方法，也学到了不少怎
样去选取合适的元器件的方法。在以后的学习工作做，我要不断的提高自己的动手能力，
就要不断亲身去设计、自作实际的东西，这样才不会被时代所淘汰成为对社会有用的人。
5. 参考文献
[1] 赵亮、候国锐.单片机C语言编程与实例[M].北京：人民邮电出版社，2003年9月.
[2] 海创.无线收发模块nRF24L01开发包资料[J].海创电子科技,2010年.P99—P121.
[3] 张毅刚.单片机原理及应用[M].北京:高等教育出版社，2010年11月
[4] 康华光.电子技术基础模拟部分（第五版）[M].北京：高等教育出版社,2010年.
[5] 康华光.电子技术基础数字部分（第五版）[M].北京:高等教育出版社,2010年.
[6] 谢自美.电子线路设计.实验.测试[M].武汉:华中科技大学出版社,2009年7月.
[7] 赵海,赵杰,刘铮等.一种无线传感器网络节点的设计与实现[J].东北大学学报:自
然科学版,2009年.P809—P812.
[8] 王秀梅.低功耗2.4GHz无线通信分系统的设计与实现[J]．中国数据通信,2004
年.P57—P61.
[9] 李文忠,段朝玉.短距离无线数据通信[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006
年.P178—P187.
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附录
程序附录1按键配置
void key_int(void)
{
/*******************gpio*******************/
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
GPIO__Pin = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_8;
GPIO__Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO__Mode = GPIO_Mode_IPU;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
/*******************NVIC*******************/
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_0);
NVIC__IRQChannel = EXTI0_IRQn;
NVIC__IRQChannelPreemptionPriority = 0;
NVIC__IRQChannelSubPriority = 0;
NVIC__IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
NVIC__IRQChannel = EXTI9_5_IRQn;
NVIC__IRQChannelPreemptionPriority = 0;
NVIC__IRQChannelSubPriority = 1;
NVIC__IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
/*******************EXTI*******************/
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EXTI__Line = EXTI_Line0;
EXTI__Mode = EXTI_Mode_Interrupt;
EXTI__Trigger = EXTI_Trigger_Falling;
EXTI__LineCmd = ENABLE;
EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);
EXTI__Line = EXTI_Line8;
EXTI__Mode = EXTI_Mode_Interrupt;
EXTI__Trigger = EXTI_Trigger_Falling;
EXTI__LineCmd = ENABLE;
EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);
}
程序附录2spi初始化
void GPIO_SEG(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;
RCC_PCLK2Config(RCC_HCLK_Div2);
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_SPI1|RCC_APB2Perip
h_AFIO,ENABLE);//¿ªÆô¸´Óù¦ÄÜ
SPI_Cmd(SPI1, DISABLE); //±ØÐëÏȽûÄÜ,²ÅÄܸıäMODE
GPIO__Pin = GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_7;//5clk,7mosi
GPIO__Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO__Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
GPIO__Pin = GPIO_Pin_6;//miso
GPIO__Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
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GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
GPIO__Pin = GPIO_Pin_4; //NSS
GPIO__Speed = GPIO_Speed_10MHz;
GPIO__Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
GPIO__Pin = GPIO_Pin_2 | GPIO_Pin_3;//2CE,3CS
GPIO__Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
GPIO__Pin = GPIO_Pin_1;// IRQ
GPIO__Mode = GPIO_Mode_IPD;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
SPI__Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;//Ñ¡ÔñÈ«Ë«¹¤
SPI__Mode = SPI_Mode_Master;
SPI__DataSize = SPI_DataSize_8b;
SPI__CPOL = SPI_CPOL_Low;
SPI__CPHA = SPI_CPHA_1Edge;
SPI__NSS = SPI_NSS_Soft;
SPI__BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_16;
SPI__FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;
SPI__CRCPolynomial = 7;
SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure);
}
SPI_Cmd(SPI1, ENABLE);
GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_2);//ʹÄÜ 24L01
GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_3);//SPIƬѡȡÏû
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附录3 lcd显示
void lcd_int(void)
{
}
STM3210B_LCD_Init();
LCD_SetTextColor(Black);
LCD_SetBackColor(Cyan);
LCD_Clear(Cyan);
LCD_DisplayStringLine(Line0,"2.4Ghz test");
图 11 lcd显示图
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