2017毕业论文-无线环境监测模拟装置.doc

1 目录目录 摘要摘要2 关键词关键词2 引言引言3 1 1 系统方案设计系统方案设计3 1.1 设计任务.3 1.2 方案论证与选择.3 1.2.1 调制解调方式 3 1.2.2 载波频率 3 1.2.3 功放的选择 4 1.2.4 单片机选型 4 1.3 系统方案框图.4 2 2 理论分析计算与电路设计理论分析计算与电路设计5 2.1 发射部分 .5 2.1.1 耦合天线 5 2.1.2 发射机 6 2.2 接收部分.7 2.2.1 3839a 接收机7 2.2.1 解调信号处理 8 2.2 传感器 8 2.3.1 光电传感器 8 2.3.2 温度传感器 8 9 2.4 信号处理 9 2.4.1 终端： 9 2.4.2 探测节点 .10 3 3 系统软件设计系统软件设计10 3.1.1 码型设计11 3.1.2 通信协议 .11 3.2 程序流程图 .12 4 4、测试方法和测试结果、测试方法和测试结果12 5 5、结束语、结束语13 参考文献参考文献14 附录附录15 2 无线环境监测模拟装置无线环境监测模拟装置 摘要摘要 ： ：本系统基于 ASK (Amplitude-Shift Keying)：幅移键控技术，监测终端和 探测节点 各含一套无线收发电路，实现了对周边温度和光照信息的探测。其中监 测终端可以分别与各 探测节点直接通信，并能显示当前能够通信的探测节点编号 及其探测到的环境温度和光照 信息。本系统探测节点采用线圈耦合接收信号， 实现了每个探测节点信息的转发功能，实现 中继。探测节点同时采用AT89S52单片机处理数据,探测节点温度检测采用ds18b20温度传感 器，光照检测采用普通光敏二极管。本电路的基本原理是：温度传感器、光敏二极管检测到温 度、光照信号后送到单片机处理，处理后的信号再通过单片机的串行发送端口送到ASK调制 电路进行调制，调制后的信号再通过线圈发送出去，监测终端通过线圈耦合接收到 信号进行 放大解调，再给终端的单片机处理，再通过1602液晶显示屏显示。本系统具有电路简单，传输 距离远，低功耗等特点。 关关键词键词： ：线圈耦合 无线环境监测 ASK Wireless environment monitoring device The YuShuiQing guide teacher weiwu his system based on the itinerary Shift Keying Amplitude (of) : - moved Keying technology, monitoring terminal and detecting node containing the wireless transceiver circuit, a set of surrounding temperature and light information detection. Which can be measured respectively, and the terminal into the detecting node, and can be directly communication can display the current detection of communication Numbers and detect nodes ambient temperature and light information. This system in detecting node using coil coupling, each receiving signal detection node of the information transmitted function, relay. Detecting node using AT89S52 SCM processing data, the node temperature detection using temperature sensor ds18b20, using ordinary light photosensitive diode. The basic principle of this circuit is: temperature sensor, photosensitive diode detected temperature, light signals to chip after treatment, the signal sent by MCU serial port to ASK modulation circuit modulation, modulated by sending out again, monitoring terminal coil winding coupling to receive signals through amplification demodulation, give terminal chip processing, again through the LCD display 1602. This system has the simple circuit, the transmission distance, low power consumption, Keywords: coil coupling wireless environment monitoring itinerary 3 引言引言 无线通信技术、无线技术给人们带来的影响是无可争议的。如今每一天大约有 15 万人成为新的无线用户。该课题的主要技术在于无线数据传输，研究该课题的主 要意义在于让我们更加深入的了解无线数据传输的原理。本课题的研究对象是通信 系统中的发送设备和接收设备的各种高频功能电路的功能、原理和基本组成。在科 学技术的快速发展，通信集成电路不断更新的今天，研究本课题应特别注意对电路 功能和基本原理的理解。 1 1 系统方案设计系统方案设计 1.11.1 设计任务设计任务 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 0100，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。 1.21.2 方案论证与选择方案论证与选择 1.2.11.2.1 调制解调方式调制解调方式 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ASK 调制解调方式。 1.2.21.2.2 载波频率载波频率 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12MHz，由晶体振荡器产生。 4 1.2.31.2.3 功放的选择功放的选择 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 50 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。 1.2.41.2.4 单片机选型单片机选型 监测终端：监测终端可以采用5v电源供电，因此可以选用5V电源的单片机，我 们采用了AT89S52单片机，At89S52是一种低功耗、高性能 CMOS8位微控制器，具 有8K在系统可编程 Flash 存储器。AT89S52单片机具有 编程容易，兼容性强等优 点，出于AT89S52单片机是我们了解的比较深入，同时也是我们使用的比较多的 单片机，所以我们选择 AT89S52做我们监测终端的处理器。 探测节点：探测节点是由两节电池 3V供电，单片机必须选择更低电压的。 在作品中，我们选择了 STC12LE5A16S2。STC12LE5A16S2是一种更低功耗，与51系 列单片机兼容的微处理器。 1.31.3 系统方案框图系统方案框图 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 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，再 通过天线匹配网络，最终将信号经耦合线圈发送出。 5 数据接收：耦合线圈接收射频信号，经选频进入接收机混频，然后差频出一个 5M的中频信号，再通过接收机内的ASK解调电路将信号解调出来。输出基带信号，再 经模拟信号处理获得数字信息1。 2 2 理论分析计算与电路设计理论分析计算与电路设计 2.12.1 发射部分发射部分 2.1.12.1.1 耦合天线耦合天线 天线线圈等效电路如图2所示，其中LANT表示线圈电感量，RANT表示线圈的等效电 阻，CANT表示线圈的分布电容。 图2 线圈等效电路 根据要求实际制作的线圈，用LCR电桥测量的结果为：LANT=1.5 UH,RANT=25m ，CANT=7.5pF。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Q=R*LANT/RANT=10178.8。而根据线圈的几何形状，Q的值通常在 50到100之间。要进行正确的数据传输这个值还要减少，由于带宽B=Fr/Q,以及时间 与带宽乘积规定B*T1,得出QfR*T。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。须串入一个外部电阻REXT=RLANT/35-RANT=7.24。采用图2 所示的电路图将天线匹配到50。 6 图3 天线发射电路 2.1.22.1.2 发射机发射机 系统发射采用 ASK 调制方式。系统采用非门振荡器产生 27MHz 载频信号，运 用或非门数字器件实现符合逻辑要求的 ASK 已调信号。发射功率大于等于 6.5mW（ 50 假负载）。发射机硬件实现电路如图4所示。考虑到功耗问题以及逻辑电路稳 定工作，发射机在发送数据之前 10ms 启动晶体振荡，然后调制基带信号2。 7 图4 ASK调制电路 2.22.2 接收部分接收部分 2.2.12.2.1 3839a3839a 接收机接收机 3839A 接收机电路如图5所示。3839A是一款低电压供电，带有高速接收信号强 度指示（RSSI）输出的 FM 接收机 芯片，分析其内部结构框图。射频信号进入 3839A与本振混频得到中频，然后经中频滤波器，进入中频放大器，再次对中频滤波， 然后经中频限幅放大器输出，而3839A芯片内部的快速 RSSI（100kHz）根据中频放 大器和中频限幅放大器获取 RSSI 信号。由于该套通信系统所建立的信道是 ASK 信 道，则可以根据该芯片的 RSSI 轻松实现ASK 信号的解调。RSSI 的转换速率可轻松 满足系统的最高通信速率5。 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:25-M ay-2010Sheet of File:D:业业业业业业MyD esign.ddbDraw n By: CA CB ML1 0-137 TF10 -51C TF10 -50C 1 2 3 4 5 6 7 89 10 11 12 13 14 15 16 3839a 3839 a R2 1K R1 100K R3 100K R4 20K C1 10U C4 100u C5 100u C9 100U C2 103 C3 223 C6 102 C7 223 C8 472 rp 5K VCC 1 2 j1 业业 8 图5 3839接收机电路 2.2.12.2.1 解调信号处理解调信号处理 接收机解调信号处理电路如图 6 所示。信号解调后经过一级同相放大，放 大后经过一级电压比较器输出到单片机处理。解调后的信号很微弱不足以直接送给 单片机处理，同相放大是为了满足我们对信号电压的要求。信号在放大后，经过一 级比较器，将解调信号转换为数字信号3。 图6 解调信号处理电路 2.22.2 传感器传感器 2.3.12.3.1 光电传感器光电传感器 图7 光照判断 有光照时，光电二极管导通，26脚为低电平，没光照时，光电二极管截止，26 脚为高电平，设置合适的门限电压，单片机通过判断26脚的电平高低判别有无光照 信息4。 2.3.22.3.2 温度传感器温度传感器 9 图8 温度检测 采用低电压供电 SPI 总线的数字温度传感器 DS18B20，该温度传感器 最大绝对误差小于 2，满足命题要求。 2.42.4 信号处理信号处理 2.4.12.4.1 终端：终端： 图9 终端信号处理电路 终端电路包括一个单片机最小系统、显示电路、LED指示电路。单片机首先发出 搜索信号去搜索探测节点，探测节点接收到信号后，发回一个应答信号给终端，然 后再发数据。终端通过串口接收把数据接收进来进行处理，处理的信息包括光照信 10 息和温度信息，温度信息通过1602LCD显示出来，光照信息通过LED2、LED3的亮灭来 指示。LED2亮表示探测节点A有光照信息，LED2不亮表示探测节点A没有光照信息。 LED3亮表示探测节点B有光照信息，LED3不亮表示探测节点B没有光照信息6。 2.4.22.4.2 探测节点探测节点 图10 探测节点信号处理电路 探测节点信号处理电路就是一个单片机最小系统电路，光电传感器电路和温度 传感器电路得到光照信息和温度信息后送到单片机处理，光照信号和温度信号在数 字编码后通过串行口进行发送。 3 3 系统软件设计系统软件设计 系统软件设计包括两个部分，一个是软件编解码的码型设计，一个是无线通信 协议的设计。 11 3.1.13.1.1 码型设计码型设计 方案一、采用高低电平的占空比不同表示“1”与“0”。设置传输一位码元的 周期为固定值，即传输波特率固定。定义“1”为 800us 高电平与 200us 低电平，占 空比为 4/5。定义“0”为 200us 低电平与 800us 高电平，占空比为 1/5。一帧数据 以“引导码+数据”的方式发送。此方案在大多数有线通信中被采用，但考虑到无线 通信过程中噪声干扰的不确定性。长时间的高电平或低电平都很容易产生毛刺导致 误码。而且编码中有长时间的低电平或高电平，硬件电路的不易实现整形和解调。 所以编码不采用此设计方案。 方案二、采用占空比相同而周期不同的形式表示“1”与“0”。一个码元用占 空比为 1、2 的形式表示。定义数据“1”表示为周期等于 1ms，数据“0”表示为周 期等于 2ms。引导码为 2 个字节的 AAH。种编码方式和数据帧的定义，可以避免长 “1”或长“0”时出现长时间的高电平或低电平，增加了码元通信的可靠性。同时， 这种编码方式可以获得有效的同步信号，即使在传输 40 Bit（本装置设计发送一帧 数为 5 个字节，即 40Bit）的长串数据的情况下，仍能有效的控制通信过程的同步 要求。 从软件编程的思路和降低编解码的误码率的角度考虑，我们采用了方案二，即 以 1KHz 的频率表示数据“1”，周期为 1ms。以 500Hz 的频率表示数据“0”，周期 为 2ms。占空比均为 1/2。在码型确定下来之后，又确定以两个字节的 AAH 作为一帧 数据的同步头。这种编码方式和数据帧的定义，可以避免长“1”或长“0”时出现 长时间的高电平或低电平，增加了码元通信的可靠性。同时，这种编码方式可以获 得有效的同步信号，即使在传输 40 Bit（本装置设计发送一帧数为 5 个字节，即 40Bit）的长串数据的情况下，仍能有效的控制通信过程的同步要求。 3.1.23.1.2 通信协议通信协议 根据本无线环境监测系统的功能，设计通信协议为：发送一帧数据包括“引导 码+ID 码+数据+命令”，共 5 个字节。其中引导码占用两个字节，地址码 1 个字节， 数据码和命令码两个字节。8BitID 码可以识别 256 个不同的探测节点，能够满足系 统需要。数据码用来传输 8Bit 的数据，其中 b0-b6 用来表示温度信息，b7 用来表 示光照的有无。命令码用于实现组网通信的协议要求。规定： 12 Oxcc 表示监测终端对所有探测节点的广播侦寻。 0xc0 表示探测节点搜索监测终端。 0xc1 表示探测节点搜索探测节点。 0xc2 应答信号 0xdd 答复 0xcc 的广播，并带回节点信息 先由监测终端发出广播侦寻所有范围内的节点，节点收到广播即回复 0xdd，并带回 节点信息。每个探测节点发出 0xc0 搜索监测终端，若无应答即表示节点在终端范围 以外。每个探测节点亦可发出侦寻信号 0xc1 并将监测终端侦寻不到的探测节点的信 息带回给监测终端。 3.23.2 程序流程图程序流程图 图11 软件流程 4 4、测试方法和测试结果、测试方法和测试结果： 测试仪器要用到示波器、函数信号发生器、扫频仪、高低频信号发生器、稳压 13 电源 、数字万用表。 经测试，装置的部分指标如下 测试部分显示结果如下： 图 12 ASK 调制 5 5、结束语、结束语： 本装置采用单片机、无线传感器网络技术、结合嵌入式技术实现了一种通用 的无线环境监测系统。本系统能随时对待环境内的温度和光的有无信号进行实时监 测，是低功耗、高可靠性的检测控制系统。每个节点采集到两种数据,是某一段区域 的数据。传感器采集到的数据大部分是静态数据,而对环境感知而言,动态数据才是最 重要的,这就要求节点自身能对先期采集到的数据进行过滤筛选,分离出有用的数据, 再与相邻节点共享。单片机进行决策需要融合多传感器、多点的数据，达到最优传 输、最远距离。 接收最大有效 距离 误差率输入频率 示波器显示 电源 30 厘米左右2%左右 12MHz50mv 14 参考文献参考文献 1、高吉祥、唐朝京.全国大学生电子设计竞赛培训系列教材M.北京：电子工业 出版社，2007.5：121-152 2、孙俊人.新编电子电路大全M.北京：中国计量出版社，2001.1:325-405 3、求是科技编著.单片机电信模块设计实例导航（第二版）M.北京：人民邮电 出版社出版发行.2008.7:87-105 4、阳昌汗.高频电子线路M.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社，2001.:145-163 5、孙利民,李建中,陈渝,朱红松.无线传感器网络M.北京:清华大学出版 社,2005:96-125 6、黄签名，李艳.集成收音机原理与维修M.北京:金盾出版社，2005:88-167 7、(美) Vadim Manassewitsch 著；何松柏, 宋亚梅, 鲍景富等译.频率合成原理M.北 京:电子工业出版社，2008.01:23-79 8、刘长年.广播发送技术M.北京:中央广播电视出版社：63-79 15 附录附录 一、程序：一、程序： 串口发送、接收： #include #define uchar unsigned char void delay(void); void init_txd(void); void uart(void); char a,abcd; void delay100ms(void) /误差 0us unsigned char a,b,c; for(c=19;c0;c-) for(b=20;b0;b-) for(a=130;a0;a-); void init_txd(void) TMOD|=0x20; SCON=0x50; TH1=0xfd; TL1=0xfd; ES=1; TR1=1; ET1=1; void uart(void) interrupt 4 uchar x; if(RI) RI=0; /P1=SBUF; /add your code here. 16 else TI=0; void delay(void) int i,j; for(i=0;i100;i+) for(j=0;j50;j+); void REC(void) abcd=SBUF; P1=abcd; RI=0; void init_rxd(void) SP=0x70; TMOD=0x21; TL1=0x0fd; TH1=0x0fd; TR1= 1; SCON=0x50; ES= 1; ET0=1; EA= 1; temp1=0; WDI= WDI; void recieve(void) ES=0; if(RI) ES=1; else temp2=SBUF; P1=temp2; ES=1; WDI = WDI ; 17 二、电路二、电路 主机：主机： 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:25-M ay-2010Sheet of File:D:业业业业业业MyD esign.ddbDraw n By: P1.0 1 89S5 2 P1.1 2 VCC 40 P1.2 3 P0.0 /AD0 39 P1.3 4 P0.1 /AD1 38 P1.4 5 RXD /P3.0 10 P0.2 /AD2 37 P1.5 6 P0.3 /AD3 36 P1.6 7 P0.4 /AD4 35 P1.7 8 P0.5 /AD5 34 RST/VPD 9 P0.6 /AD6 33 TXD /P3.1 11 P0.7 /AD7 32 INT0 /P3.2 12 EA/V PP 31 INT1 /P3.3 13 ALE /PROG 30 T0/P3.4 14 /PSE N 29 T1/P3.5 15 P2.7 /A15 28 WR/P3.6 16 P2.6 /A14 27 RD/P3.7 17 P2.5 /A13 26 XTA L2 18 P2.4 /A12 25 XDA L1 19 P2.3 /A11 24 GND 20 P2.2 /A10 23 P2.0 /A8 21 P2.1 /A9 22 U11 89s5 2 Y1 12M HzC_X 2 30p C_X 1 30P S1C_res 22u R_res 10K VCC U_TX D U_RX D 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 JP6 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 VCC 32 33 34 35 36 37 38 39 1 2 3 4 5 6 7 8 9 12 13 14 15 16 17 18 19 VCC LED 2 LED 3 R32 1K R31 1K C21 27P C22 27P R23 330R R21 1M YY2 1M Y1 1 A1 2 B1 3 Y2 4 A2 5 B2 6 GND 7 A3 8 B3 9 Y3 10 A4 11 B4 12 Y4 13 VCC 14 U5 74HC 02 VCC U_T XD /CS /CS C23 10pfC24 12PF C25 1.2PF R22 7.24r L1 1.5U H OUT 1 1 IN1- 2 IN1+ 3 VCC 4 IN2+ 5 IN2- 6 OUT 2 7 OUT 3 8 IN3- 9 IN3+ 10 GND 11 IN4+ 12 IN4- 13 OUT 4 14 LM3 24 R12 1K Rp3 10KC14 10PF 1 1 W 3 2 2 RP2 VCC C15 10PF C16 10PF U_R XD 1 2 J1 1 2 J2 12 34 56 78 910 XIA ZAIVCC 6 9 8 7R33 VCC LED 1 1 2 J3 RP1 CA CB ML1 0-137 TF10 -51C TF10 -50C 1 2 3 4 5 6 7 89 10 11 12 13 14 15 16 3839a 3839 a R2 1K R1 100K R3 100K R4 20K C1 10U C4 100uC5 100u C9 100U C2 103 C3 223 C6 102 C7 223 C8 472rp 5K VCC 1 2 j1 业业 18 探测节点：探测节点： 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:25-M ay-2010Sheet of File:D:业业业业业业MyD esign.ddbDraw n By: P1.0 1 89S5 2 P1.1 2 VCC 40 P1.2 3 P0.0 /AD0 39 P1.3 4 P0.1 /AD1 38 P1.4 5 RXD /P3.0 10 P0.2 /AD2 37 P1.5 6 P0.3 /AD3 36 P1.6 7 P0.4