基于MSP430單片機(jī)的無(wú)線環(huán)境檢測(cè)模擬裝置的設(shè)計(jì)*

黨智乾

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化工程學(xué)院　西安　710089)

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基于MSP430單片機(jī)的無(wú)線環(huán)境檢測(cè)模擬裝置的設(shè)計(jì)*

黨智乾

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化工程學(xué)院西安710089)

該裝置以MSP430單片機(jī)為核心,結(jié)合ASK調(diào)制解調(diào)電路、DC/DC升壓電路、溫度、光照傳感器等單元電路設(shè)計(jì)完成,可對(duì)周邊環(huán)境的溫度和光照信息進(jìn)行檢測(cè)和顯示。經(jīng)過(guò)測(cè)試證明,該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)檢測(cè),無(wú)線收發(fā),自動(dòng)顯示和節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)功能,功耗較小,可以實(shí)現(xiàn)50cm的無(wú)線通信且耗時(shí)小于5s。

MSP430; 無(wú)線檢測(cè); 環(huán)境監(jiān)控

Class NumberTP274

1　引言

在無(wú)線通信頻段選擇中,由于短波段信號(hào)輻射能力強(qiáng),加之可以使用效率較高的C類(lèi)射頻功率放大器,我們選用短波頻段。調(diào)制方式擇中,由于FSK調(diào)制解調(diào)電路較為復(fù)雜,選用短波段時(shí),需要進(jìn)行下變頻處理,整體電路功耗較大。ASK調(diào)制解調(diào)電路簡(jiǎn)單,雖然抗噪聲性能不如FSK,但是對(duì)短距離通信來(lái)說(shuō)也已足夠,因此我們選擇采用兩級(jí)ASK 調(diào)制,解調(diào)部分利用包絡(luò)檢波器和低頻鎖相環(huán)完成,較一般ASK的包絡(luò)檢波解調(diào)更為靈敏。通信協(xié)議選擇通信由監(jiān)測(cè)終端發(fā)起,監(jiān)測(cè)終端發(fā)送包含探測(cè)節(jié)點(diǎn)編號(hào)的廣播信息,編號(hào)一致的探測(cè)節(jié)點(diǎn)收到該廣播信息后向監(jiān)測(cè)終端發(fā)送探測(cè)到的環(huán)境信息。系統(tǒng)總體框圖[1]如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體方框圖

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1發(fā)射電路設(shè)計(jì)計(jì)算

用MC1648和變?nèi)荻O管構(gòu)成壓控LC 振蕩器,將頻率精確調(diào)整到20MHz;再利用三極管完成ASK調(diào)制[2],然后經(jīng)過(guò)選頻濾波和功率放大由耦合線圈送出。發(fā)射電路[3]的主要電路圖如圖2所示。變?nèi)莨?SV101的電容變化范圍是從12pF到28pF,變?nèi)荼却笥?,非常適合于短波頻段的壓控振蕩器,在壓控振蕩器電壓控制端采用多個(gè)10uF 和47uF 鉭電容進(jìn)行濾波,盡量穩(wěn)定震蕩頻率,降低相位噪聲。采用C 類(lèi)功放對(duì)ASK調(diào)制后的信號(hào)進(jìn)行功率放大,用傳輸線變壓器進(jìn)行1：25阻抗完成末級(jí)功放的阻抗匹配。

2.2接收電路分析與計(jì)算

利用高頻小信號(hào)諧振放大器將線圈上的20MHz 信號(hào)進(jìn)行選頻放大,然后經(jīng)過(guò)高頻放大器,包絡(luò)檢波器,判決器得到基帶ASK調(diào)制信號(hào),然后由單片機(jī)讀取。將耦合線圈與一電容并聯(lián)諧振到20MHz,利用一級(jí)高頻小信號(hào)放大器進(jìn)行選頻放大,然后進(jìn)行限幅放大,利用包絡(luò)檢波器和判決器解調(diào)出基帶信號(hào)。選用高頻三極管9018構(gòu)成高頻小信號(hào)放大器,用集成高速放大器SN10503進(jìn)行限幅放大,最后用三極管和音頻解碼器LM567 完成包絡(luò)檢波和判決。接收部分電路[4]圖如圖3所示。

圖2　發(fā)射電路圖

圖3　接收電路圖

2.3電源管理

經(jīng)測(cè)量,1.5V干電池具有大約1Ω的內(nèi)阻,兩節(jié)干電池串接后的電壓往往小于3V,而且隨著電池電量的消耗電池內(nèi)阻也就漸漸增加,為了提高射頻電路的發(fā)射效率和輸出功率,采用高效DC/DC 轉(zhuǎn)換芯片MAX1674將兩節(jié)干電池電壓穩(wěn)定在3.3V和5V,分別供給單片機(jī)和射頻電路。MAX1674是一款高效DC/DC 升壓芯片,可將1.1V～5.5V的輸入電壓固定變換為5V或者3.3V,在輸出電流為200mA時(shí),效率可以到達(dá)94%[5]。MX1674芯片的連接方式如圖4所示。

圖4　電源電路圖

圖5　溫度與光電檢測(cè)電路圖

2.4溫度與光電檢測(cè)

溫度檢測(cè)采用德州儀器(TI)公司的TMP100數(shù)字型溫度傳感器[6],用光敏二極管配合信號(hào)調(diào)理電路完成光照信號(hào)的采集。TMP100的測(cè)量范圍在-25℃～85℃時(shí),精度在±2℃以內(nèi),I2C總線通信方式,可編程分辨率采用11-Bits,使用時(shí)只需要外加去耦電容和電源電壓即可。光敏二極管反接在電路中,其反向漏電流的大小隨光照的增強(qiáng)而增大,用一個(gè)大電阻將光敏管的反向漏電流轉(zhuǎn)為電壓,然后用運(yùn)放將信號(hào)調(diào)理至單片機(jī)的開(kāi)關(guān)電平。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

探測(cè)節(jié)點(diǎn)需要定時(shí)讀取周?chē)沫h(huán)境信息,并可以選擇發(fā)送或者不發(fā)送給監(jiān)控終端,之后進(jìn)入低功耗模式,關(guān)閉射頻部分電路,軟件流程圖如圖6所示。監(jiān)控終端可以向探測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送廣播消息,用以控制探測(cè)節(jié)點(diǎn)的行為,同時(shí)監(jiān)控終端的接收電路可以獲取探測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的環(huán)境信息,軟件流程圖如圖7所示。

圖6　探測(cè)節(jié)點(diǎn)流程圖

圖7　監(jiān)控終端流程圖

4　系統(tǒng)功能測(cè)試

4.1測(cè)試儀器

系統(tǒng)測(cè)試所使用的測(cè)試儀器,主要有數(shù)字示波器(Aglient 54622D)、高頻信號(hào)源(QF1056B)、低頻函數(shù)發(fā)生器(EE1641B)、三位半數(shù)字萬(wàn)用表(DT9025)、JB913氣溫計(jì)。

4.2測(cè)試方案結(jié)果及分析

1) 溫度測(cè)量

溫度傳感器的測(cè)量范圍-25℃～85℃,數(shù)據(jù)精度0.125℃,誤差要求在±5%之內(nèi)。每次溫度測(cè)量在不同位置采集三組數(shù)據(jù),三組數(shù)據(jù)平均值作為本次測(cè)量數(shù)據(jù)。實(shí)際溫度值采用準(zhǔn)確度較高的JB913氣溫計(jì)[7]采集,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。由溫度測(cè)量結(jié)果可知,該系統(tǒng)誤差最大值為1.3℃,誤差率最大為3.8%,系統(tǒng)誤差在合理區(qū)間范圍內(nèi),滿足設(shè)計(jì)要求。

表1　系統(tǒng)溫度測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

2) 功率測(cè)量

測(cè)試方法,分別測(cè)試監(jiān)控節(jié)點(diǎn)在接收信號(hào)和發(fā)送信號(hào)情況下電路消耗的功率,將電路通斷五次,用萬(wàn)用表測(cè)量每次的電流大小,然后去平均值[8]。測(cè)試結(jié)果為：采用+5V供電時(shí),監(jiān)控節(jié)點(diǎn)在接收信息時(shí)功耗為220mW,在發(fā)送信息時(shí)最大瞬時(shí)功耗為560mW。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的功率均小于1W。

3) 光照測(cè)量

采用遮光板遮住光敏二極管的方法進(jìn)行,首先比較不同環(huán)境下探測(cè)節(jié)點(diǎn)收集到的光照信息與真實(shí)光照信息的差異[9],如表2所示。其次分別改變探測(cè)節(jié)點(diǎn)線圈與控制終端線圈的距離,測(cè)量控制終端是否可以接收到探測(cè)節(jié)點(diǎn)的光照信息,如表3所示。從測(cè)量結(jié)果可知,該系統(tǒng)當(dāng)節(jié)點(diǎn)距離小于50cm時(shí),測(cè)試信息準(zhǔn)確,耗時(shí)較短。

表2　不同環(huán)境和間距系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

表3　改變探測(cè)節(jié)點(diǎn)線圈與控制終端

5　結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)介紹了以MSP430單片機(jī)為控制核心的無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)終端可以控制探測(cè)節(jié)點(diǎn)工作,探測(cè)節(jié)點(diǎn)對(duì)周邊環(huán)境的溫度、光照等信息進(jìn)行采集后,通過(guò)無(wú)線傳輸給監(jiān)測(cè)終端進(jìn)行處理顯示,可對(duì)環(huán)境的溫度光照進(jìn)行實(shí)時(shí)地監(jiān)控,系統(tǒng)具有較低的功耗,在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中[10]或惡劣環(huán)境下的作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)具有廣闊的應(yīng)用前景。

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Design of a Wireless Environmental Monitoring System Based on MSP 430MCU

DANG Zhiqian

(Department of Automation Engineering,Xi’an Aeronautical Polytechnic Institute, Xi’an710089)

The wireless environmental monitoring system which is consist of MSP430 single chip microcomputer, ASK modulation demodulation circuit, DC/DC booster circuit, temperat usre, light sensor circuit and so on. The system can detect the temperature of the surrounding environment and lighting information and display. Actual tests indicates that the system implements the automatic detection, wireless transceiver, automatic display and node forward capability, power consumption is small, realized the wireless communication range is above 50cm and delay is less than 5s.

MSP430, wire less transmission, environmental monitoring

2016年4月11日,

2016年5月28日

西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院教學(xué)改革項(xiàng)目(編號(hào)：16XHJG020)資助。

黨智乾,男,碩士,研究方向：計(jì)算機(jī)測(cè)量與維護(hù)，電機(jī)控制。

TP274

10.3969/j.issn.1672-9722.2016.10.046