基于MSP430單片機的無線環境檢測模擬裝置的設計*

黨智乾

(西安航空職業技術學院自動化工程學院　西安　710089)

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基于MSP430單片機的無線環境檢測模擬裝置的設計*

黨智乾

(西安航空職業技術學院自動化工程學院西安710089)

該裝置以MSP430單片機為核心,結合ASK調制解調電路、DC/DC升壓電路、溫度、光照傳感器等單元電路設計完成,可對周邊環境的溫度和光照信息進行檢測和顯示。經過測試證明,該系統實現了自動檢測,無線收發,自動顯示和節點轉發功能,功耗較小,可以實現50cm的無線通信且耗時小于5s。

MSP430; 無線檢測; 環境監控

Class NumberTP274

1　引言

在無線通信頻段選擇中,由于短波段信號輻射能力強,加之可以使用效率較高的C類射頻功率放大器,我們選用短波頻段。調制方式擇中,由于FSK調制解調電路較為復雜,選用短波段時,需要進行下變頻處理,整體電路功耗較大。ASK調制解調電路簡單,雖然抗噪聲性能不如FSK,但是對短距離通信來說也已足夠,因此我們選擇采用兩級ASK 調制,解調部分利用包絡檢波器和低頻鎖相環完成,較一般ASK的包絡檢波解調更為靈敏。通信協議選擇通信由監測終端發起,監測終端發送包含探測節點編號的廣播信息,編號一致的探測節點收到該廣播信息后向監測終端發送探測到的環境信息。系統總體框圖[1]如圖1所示。

圖1　系統總體方框圖

2　系統硬件設計

2.1發射電路設計計算

用MC1648和變容二極管構成壓控LC 振蕩器,將頻率精確調整到20MHz;再利用三極管完成ASK調制[2],然后經過選頻濾波和功率放大由耦合線圈送出。發射電路[3]的主要電路圖如圖2所示。變容管1SV101的電容變化范圍是從12pF到28pF,變容比大于2,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10uF 和47uF 鉭電容進行濾波,盡量穩定震蕩頻率,降低相位噪聲。采用C 類功放對ASK調制后的信號進行功率放大,用傳輸線變壓器進行1：25阻抗完成末級功放的阻抗匹配。

2.2接收電路分析與計算

利用高頻小信號諧振放大器將線圈上的20MHz 信號進行選頻放大,然后經過高頻放大器,包絡檢波器,判決器得到基帶ASK調制信號,然后由單片機讀取。將耦合線圈與一電容并聯諧振到20MHz,利用一級高頻小信號放大器進行選頻放大,然后進行限幅放大,利用包絡檢波器和判決器解調出基帶信號。選用高頻三極管9018構成高頻小信號放大器,用集成高速放大器SN10503進行限幅放大,最后用三極管和音頻解碼器LM567 完成包絡檢波和判決。接收部分電路[4]圖如圖3所示。

圖2　發射電路圖

圖3　接收電路圖

2.3電源管理

經測量,1.5V干電池具有大約1Ω的內阻,兩節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阻也就漸漸增加,為了提高射頻電路的發射效率和輸出功率,采用高效DC/DC 轉換芯片MAX1674將兩節干電池電壓穩定在3.3V和5V,分別供給單片機和射頻電路。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,效率可以到達94%[5]。MX1674芯片的連接方式如圖4所示。

圖4　電源電路圖

圖5　溫度與光電檢測電路圖

2.4溫度與光電檢測

溫度檢測采用德州儀器(TI)公司的TMP100數字型溫度傳感器[6],用光敏二極管配合信號調理電路完成光照信號的采集。TMP100的測量范圍在-25℃～85℃時,精度在±2℃以內,I2C總線通信方式,可編程分辨率采用11-Bits,使用時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而增大,用一個大電阻將光敏管的反向漏電流轉為電壓,然后用運放將信號調理至單片機的開關電平。

3　系統軟件設計

探測節點需要定時讀取周圍的環境信息,并可以選擇發送或者不發送給監控終端,之后進入低功耗模式,關閉射頻部分電路,軟件流程圖如圖6所示。監控終端可以向探測節點發送廣播消息,用以控制探測節點的行為,同時監控終端的接收電路可以獲取探測節點發來的環境信息,軟件流程圖如圖7所示。

圖6　探測節點流程圖

圖7　監控終端流程圖

4　系統功能測試

4.1測試儀器

系統測試所使用的測試儀器,主要有數字示波器(Aglient 54622D)、高頻信號源(QF1056B)、低頻函數發生器(EE1641B)、三位半數字萬用表(DT9025)、JB913氣溫計。

4.2測試方案結果及分析

1) 溫度測量

溫度傳感器的測量范圍-25℃～85℃,數據精度0.125℃,誤差要求在±5%之內。每次溫度測量在不同位置采集三組數據,三組數據平均值作為本次測量數據。實際溫度值采用準確度較高的JB913氣溫計[7]采集,實驗數據如表1所示。由溫度測量結果可知,該系統誤差最大值為1.3℃,誤差率最大為3.8%,系統誤差在合理區間范圍內,滿足設計要求。

表1　系統溫度測量結果統計表

2) 功率測量

測試方法,分別測試監控節點在接收信號和發送信號情況下電路消耗的功率,將電路通斷五次,用萬用表測量每次的電流大小,然后去平均值[8]。測試結果為：采用+5V供電時,監控節點在接收信息時功耗為220mW,在發送信息時最大瞬時功耗為560mW。監控節點的功率均小于1W。

3) 光照測量

采用遮光板遮住光敏二極管的方法進行,首先比較不同環境下探測節點收集到的光照信息與真實光照信息的差異[9],如表2所示。其次分別改變探測節點線圈與控制終端線圈的距離,測量控制終端是否可以接收到探測節點的光照信息,如表3所示。從測量結果可知,該系統當節點距離小于50cm時,測試信息準確,耗時較短。

表2　不同環境和間距系統測量結果統計表

表3　改變探測節點線圈與控制終端

5　結語

本系統介紹了以MSP430單片機為控制核心的無線環境監測系統。監測終端可以控制探測節點工作,探測節點對周邊環境的溫度、光照等信息進行采集后,通過無線傳輸給監測終端進行處理顯示,可對環境的溫度光照進行實時地監控,系統具有較低的功耗,在工農業生產中[10]或惡劣環境下的作業現場具有廣闊的應用前景。

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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

西安航空職業技術學院教學改革項目(編號：16XHJG020)資助。

黨智乾,男,碩士,研究方向：計算機測量與維護，電機控制。

TP274

10.3969/j.issn.1672-9722.2016.10.046