第３２卷第２期四川兵工学报２０１１年２月【自动化技术】基于ＭＳＰ４３０单片机的无线环境监测系统的设计陈杰，杨慕升（山东理工大学机械工程学院，山东淄博２５５０９１）摘要：设计ｒ一个无线环境监测系统，以ＮＳＰ４３０Ｆ５４３８单片机为控制核心。制作一个终端和２个节点，整个系统采用ＯＯＫ调制方式，终端能从节点获取节点的环境温度和光照信息，并且节点能够实现中继转发的功能。实践结果表明，该系统能够通过无线的方式对环境温度进行监测。关键词：ＯＯＫ调制；高效率功放；中继转发中图分类号：ＴＮ９１５文献标识码：Ａ文章编号：１００６一０７０７（２０１１）０２—００６１一０４环境监测…是指通过对影响环境质量因素的代表值的测定，确定环境质量（或污染程度）及其变化趋势。随着科技的不断进步，特别是计算机技术和网络技术的不断发展，环境检测由经典的化学分析向仪器与计算机和网络相结合的方式，实现ｆ无线环境的检测。本文中设计了一个尤线环境检测系统，以ＭＳＰ４３０Ｆ５４３８单片机为控制核心悼Ｊ，实际制作一个终端和２个节点，终端能从节点获取节点的环境温度和光照信息，并且节点能够实现中继转发的功能。整个系统采用ＯＯＫ调制方式，收发都使用一个天线，终端发射信号时。将欲传输的信息通过串口输出的电平控制本振的开断从而实现ＯＯＫ调制，后级使用丙类功放发射，接收端节点将天线上的信号进行放大，然后倍压检波，通过自适应比较器解调出数据，最后再向终端回传环境信息。在整个系统的设计过程中，终点和节点都需要一个主控芯片进行处理。主芯片选用ＭＳＰ４３０Ｆ５４３８系列单片机。在信号调制方面采用了ＯＯＫ（Ｏｎ．ＯｆｆＫｅｙｉｎｇ）调制方案。在高频功放方面，采用了分立元件自制戊类放大器使用ＮＥＣ公司的产品２ＳＣ３３５５做功放管。最后确定通信协议方案选择，设计思想足由检测终端发起一次信息阿步传输，所有的节点根据自己的编号在不同的时隙发送信息，中继节点自行搜索判断。通过一系列的选择和设汁，整个系统的结构设计如图１所示。１总体方案设计终端图１节点系统整体方案框图系统以ＭＳＰ４３０Ｆ５４３８单片机作为终端和节点的主控芯片，光照探测由光敏电阻来实现，温度可由单片机内部自带的温度传感器得到。，数据的调制、接收采用串口通信，使用Ｉ／Ｏ口来控制天线的收发模式。２．１发射机的电路分析与设计本地振荡采用ｌＯ．７Ｍ谐振器以及７４ＨＣ００构成的皮尔斯振荡器，同时通过门级电路还可以增大对后级丙放的驱动２系统的理论分析与计算收稿日期：２０１０—１２—１６作者简介：陈杰（１９８５一），男，硕十研究生，主要从事机电一体化及数控技术研究；杨慕升（１９６３一），男，博上，主要从事机电一体化及数控技术、制造质量控制技术研究。万方数据６２四川兵工学报则三极管的输出得到集电极的输出电容，故假设输出电容是１５■ＩＩＩ■●——■—●■—■■■—————■—■■——●——■—■—■■——■■■——■■■■——■■■■■■■■■■■■■—●——■■■■■■■■●●■■■———●—●■■——■■■■——■—■—■■■■■■●■■■■■■■●■—●—●——■—●■■一功率，而串１２１也可以通过与非门来调制信号。实际测量５圈，直径为３．４ｅｍ的线圈，在ｌＯ．７ＭＨｚ下ｐＦ，阻抗可等效为一个４２Ｑ的电阻与一个１５ｐＦ左右的损耗电阻为ｒ－－－－学＝堑堕型』尘堕譬嘉上型，得到ｒ＝０．６６９，所以在并联谐振下等效电阻为Ｒ，＝Ｑ２×ｒ＝１６．３２．２开关状态功放输入输出匹配测量得到电感量为１．５５３ｕＨ，Ｑ值为１５６。在ｌＯ．７ＭＨｚ时的电容并联。取集电极馈电线圈的电感为１０ｕＨ兼作为输出的谐振同路，此时所需的谐振电容为２２．１２ｐＦ，所以还需要在集电极到地接入一个（１０～２２．１２）ｐＦ的电容，为了便于调谐，采用了一只５／３５ｐＦ的可调电容，经过这样后，三极管输出为４２ｎ的纯阻，然后经过一个４２ｎ～１６．３ｋｎ。ｋｌ－Ｉ的ｊ阶低通在节点上采用高效率的开关状态功放，而终端也可以使用戊类放大。设定输出功率为０．１ｗ。首先计算Ｃ３３５５的输出阻抗，假设Ｃ３３５５的输出功率为０．１ｗ，根据功放的最佳负载计算得到，我们的电源电压为Ｋｃ＝３Ｖ，设％。＝０．１滤波器实现阻抗变换，并且使输出波形平滑（滤掉载波的高次谐波）。在输出端接了一个１００ｎＦ的隔直电容，这会使得输出不再是４２ｎ的纯阻，所以经过ＰＳＰＩＣＥ仿真，进行校准，得到最终的具体参数。掣：黜＝４２，由于从Ｃ３３５５Ｃ１４—Ｌｃｌ５—ＬＣｌ６Ｖ，输出功率ｅｏ＝０．１ｗ，计算得出最佳输出电阻为Ｒ＝Ｉ墼Ｊｄａｔａｓｈｅｅｔ上＋３ＶＬ３１０ｕｈＣ１７一卜１００ｎＴｌＣ１８３／３５ｐＲ１３５１‰Ｌ５上‰Ｃ２０Ｌ．ｃｉｒｃｌｅｌ１．５５３ｕｈＣ２２１２０ｐｆ５３０ｐｆ！Ｃ２１３／３５ｐ２，２ｕｈｌｌｌＩ图２ｅ３３５５开关状态功放如下图示。每一次发送或者接收都足以帧为单位。其中数据氲揍的低七位表示０～１００ｏＣ的温度，最高位表示光照的有无，１为有，０为无。整个通信过程如下图示，终端不断发起同步传输，每个同步传输分为信息同步发送和中继同步发送２个阶段。信息同步发送阶段收到终端同步信号的节点在分配给自己的时隙发送数据。中继同步阶段没有收到终端同步信号的节点收到相邻节点回复给终端的信息后，在本阶段自己的时隙内发送中继请求，目的ＩＤ为监听到的节点中的任意一个，由２．３接收机解调电路分析由于本系统采用的是ＯＯＫ凋制，所以采用灵敏度高的倍压检波。当终端与节点距离较远时，为了提高接收灵敏度，所以使用了两级放大，从而在距离较远的时候也能正常检测到信号。考虑到在近距离时，在天线线圈接收处加上限幅电路。这样就保证了在近距离和远距离时都能够接收到较好的信号。但是实际上由于在很远的时候接收到的信号还是很小，这样就导致了随着距离的远近需要改变比较器的参考电平，因此采用一个ＲＣ积分保持电路，使得能检测到最大的峰值，这样就实现了自适应比较，从而在远距离时串口依然能够正确识别信号。为ｒ实现天线的复用，使用一个开关电路来切换收发模式。这个开关电路使用单片机Ｉ／Ｏ口来控制高速二极管的导通与关断来实现切换的。２．４通信协议分析与设计通信协议采用的是终端发起同步传输，各个节点根据终端的同步信息同步自己的时钟，然后在自己编号所分配的时隙内依次传输。信息的交换采用帧交换，每个帧由４个字节组成，结构选中的节点在下一个信息同步发送阶段代替自己发送信息给终端。图３数据帧格式为了克服各个节点定时不够精确的问题，需在每个帧之间加入保护间隔，在本协议中设计为发送一个字节的时间。即发送一帧数据需要５个字节的时间。因此可以计算得到满足要求最低的波特率。按照最坏情况计算，一共需要万方数据陈杰，等：基于ＭＳＰ４３０单片机的无线环境监测系统的设计６３２５６×３Ａ＂时隙，每个时隙由５个字节之间，每个字节１０个６８０位，所以波特率要大于箜盟半＝７了留出余量设置为９６００ｂｐｓ。压下工作，７４ＨＣ（）ｏ实现了ｌＯ．７ＭＨｚ的载波产生，信号调制，功放驱动为一体。功放的额定输出功率是０．１ｗ。３．２接收电路设计接收电路见图５。接收机的前端采用了限幅电路，一个很小的电容（２２ｐＦ）后面接２个方向相反的二极管到地。这ｂｐｓ。这里为３电路设计与软件设计样就保证了在收发天线很近的时候，接收到的电压被限制在０．２５Ｖ。３．１发射电路分析与设计在发射电路中（见图４），我们选用７４ＨＣ００，可在３Ｖ电控制收发的开关电路是有２个反向串联的１Ｎ４１４８和一个４．７ｍＨ电感串联一个５。６ｋ电阻到单片机的Ｉ／Ｏ口。图４发射电路图５接收电路万方数据６４四川兵工学报３．３工作流程图监测终端的软件重要任务就是发送同步信号，等待探测节点返回的数据。并在液晶上显示出来。探测节点的任务是定时采集数据，并在收到同步信号或者监测到其它节点的时候发送数据，并在收到中继请求后提供中继服务。图６和图７便是终端软件和节点软件的流程图。初始化ｌ发起同步传榆ｌＩ信息同步发送阶段Ｉ等待２５６个时隙ｌｌ中断同步发送阶段等待２５６个时隙Ｉ刷新显示图６终端软件流程初始化工等待否是否收到信息ｊ同步传信息Ｔ等待同步传输信息中断同步发送阶段同步发送等待２５６个时隙中断请求处理其他节点的中断请求图７节点软件流程４测试方法与数据测试条件为：终端供电５Ｖ。室温为２６ｑｃ。下面进行的是终端节点通信距离的测试。终端、节点放置在同一水平面，在保证两天线对准的情况下，将距离分别设为１ｅｍ，９ｃｍ。将节点Ａ和Ｂ分别放在终端两侧，距离为１０ｃｍ，测试温度，光照，编码预置功能。测试结果如表１（均有预置编码的功能，探测延迟３ｓ）。万方数据表１测试记录下面进行的是中继节点转发测试。将终端与节点Ａ的距离没为５０ｃｍ，两者不能正常通信，将节点Ｂ插入到两者中间，测试终端是否能够正常识别２个节点，然后将Ａ，Ｂ２个节点互换，测试足否能正常识别。测试结果如表２所示。表２测试记录Ａ为中继节点Ｂ为中继节点全部成功全部成功再次测试最大转发距离，当Ａ作为转发节点时，最大转发距离为６６ｃｍ，当Ｂ作为转发节点时，最大转发距离为８０ｅｍ。最后进行的是节点功耗测试。保持Ｄ１＋Ｉ）２＝５０ｃｍ。测试转发节点测试。实测发现，２个节点都作为中继的时候，最大的电流时３ｍＡ，平均电流在２．４ｍＡ。５测试结果分析温度、光照测量：温度由于采用芯片内集成温度传感器，可采用温度计对温度准确度进行测试。经过算法补偿，在２３～４０℃的范围内，温度准确度在２℃以内。终端与节点的通信距离最远町达３５ｃｍ。节点实现ｒ中继转发的功能。节点的电流非常小，在３ｍＡ以内。参考文献：［１］陈玲，赵建夫．环境监测［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００４：１３—１５．［２］沈建华，杨艳琴，翟骁曙．ＭＳＰ４３０系列１６位超低功耗单片机原理与应用［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００４：１５ｌ一１７２．（责任编辑周江川）基于MSP430单片机的无线环境监测系统的设计
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
陈杰， 杨慕升
山东理工大学,机械工程学院,山东,淄博,255091四川兵工学报
SICHUAN ORDNANCE JOURNAL2011,32(2)
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