无线环境监测模拟装置00

哈尔滨工程大学目录1系统方案设计.................................................................................................................11.1设计任务..............................................................................................................11.2方案论证与选择...................................................................................................11.2.1调制解调方式.............................................................................................11.2.2载波频率....................................................................................................11.2.3功放的选择................................................................................................11.2.4单片机选型................................................................................................11.3系统方案框图.......................................................................................................12理论分析计算与电路设计..............................................................................................22.1发射部分..............................................................................................................22.1.1耦合天线....................................................................................................22.1.2发射机........................................................................................................22.2接收部分..............................................................................................................32.2.1SA636接收机.............................................................................................32.2.2中频滤波器................................................................................................32.2.3解调信号处理.............................................................................................32.2.4晶体振荡器设计.........................................................................................42.3传感器..................................................................................................................43系统软件设计.................................................................................................................43.1通信协议..............................................................................................................43.2系统软件..............................................................................................................54系统测试方案与测试数据..............................................................................................54.1测试仪器..............................................................................................................54.2载波频率测试.......................................................................................................54.3监测终端与各节点通信距离、响应时间及功耗测试.........................................54.4温度测量..............................................................................................................64.5带有转发功能的探测节点与监测终端通信距离、响应时间及功耗测试..........65系统创新点分析.............................................................................................................66附录........................................................................[e-mail]哈尔滨工程大学2摘要无线环境监测模拟装置由监测终端和探测节点组成，二者可进行点对点通信，又可构成具有转发功能的通信网络，同时支持在线地址更改。该套装置可以实现对周边温度和光照信息的探测与采集。该系统为半双工通信系统，系统通信载频为27MHz，采用CMOS晶体振荡器以及数字器件做ASK调制，用SA636的快速RSSI进行ASK解调，其灵敏度高，可以实现强度为-75dBm的ASK信号的解调，系统通信速率9600bps。监测终端可以自动获取探测节点的地址信息以及传感器信息，探测节点可以作为中继实现信息转发功能。系统采用MSP430F147低功耗单片机，以及低功耗分离元器件，使得单个探测节点功耗较低。关键词：无线环境监测[e-mail]哈尔滨工程大学11系统方案设计1.1设计任务根据命题要求，设计并制作一套无线环境监测模拟装置，实现对周边温度和光照信息的探测与采集。该装置由1个监测终端和不多于255个探测节点组成（实际制作2个）。每个装置由无线收发信机，耦合线圈（天线），传感器，信息处理器，显示器等多个模块构成，实现监测终端对不同探测节点周边环境信息的探测与采集。命题所要求系统具体的性能与技术指标：实现无线数据通信；探测节点可预置编码，并不多于255个；温度测量范围0℃～100℃，绝对误差小于2℃；探测有无光照；探测时延小于5s；监测终端与探测节点通信距离不小于10cm，增加节点转发功能通信距离不小于50cm；尽量降低整套装置的功耗。1.2方案论证与选择1.2.1调制解调方式数字通信中常用的调制方式有ASK，FSK，PSK等。由于探测节点由电池供电，而FSK或PSK调制解调方式需要的供电电压和功耗较高，所以我们选用功耗低且易于实现的ASK调制解调方式。1.2.2载波频率对耦合线圈作为天线传递信息进行计算与分析，在发射功率一定的情况下，载频越高，天线指向性越强，则接收信号质量越好。受限于命题载波频率小于30MHz的要求，最终将载波频率定为27MHz，由晶体振荡器产生。1.2.3功放的选择由于探测节点的低电压供电要求使得功率放大在使用普通元件时变得相对困难，经测试，非门振荡器所产生的信号，经模拟电路处理，接50W负载最低幅值达1.65V（6.4mW），可以直接接到天线发射，无需再加功放电路。1.2.4单片机选型ATmega88V：片上自带可按字节擦写的EEPROM，可擦写的FLASH，模拟比较器，片内ADC，功耗极低（300uA，2.7V），但受限于参赛选手对其了解以及使用，不适合在短时间内对该单片机进行开发应用。MSP430F147：其最低稳定工作电压为1.8V，而且内部资源丰富（12位AD，双串口，大容量RAM，硬件乘法器），有多种低功耗模式。可以在极低的功耗下便捷的完成题目所要求的任务。并且其市场价格低廉，开发工具与开发环境较为简单。基于此，本系统最终将核心控制器确定为MSP430F147。1.3系统方案框图对每一个探测节点和检测终端都制作同样的收发信机，其结构示意图如图1所示。图1收发信机结构示意图[e-mail]哈尔滨工程大学2数据发射：单片机串口发数据，经晶体ASK调制发射机将数据进行调制，过双工器以及天线匹配网络，最终将信号经耦合线圈发送出。数据接收：耦合线圈接收射频信号，经双工器分离进接收机混频，然后接收机RSSI输出基带信号，再经模拟信号处理获得数字信息。2理论分析计算与电路设计2.1发射部分2.1.1耦合天线天线线圈等效电路如图2所示，其中ANTL表示线圈电感量，ANTR表示线圈的等效串联电阻，ANTC表示线圈的分布电容。图2天线线圈等效电路根据命题要求实际制作的线圈，用LCR电桥测量结果为：1.5μHANTL=，25mΩANTR=，7.5pFANTC=。天线的品质因数是天线正确调谐和所获得性能的一个重要特性，所制线圈的品质因数10178.8RANTANTQLRw==。而根据天线的几何形状，Q的值通常在50~100之间。要进行正确的数据传输这个值还要减少，由带宽RBfQ=，以及时间与带宽乘积规定1BT׳，得出RQfT£×。由于元件的容差和对温度的依靠，Q通常取35，所以要降低原始Q因数，需串入一个外部电阻357.24EXTRANTANTRLRw=-=W。采用图2所示的电路图将天线线圈匹配