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1、无线环境监测模拟装置 全国二等奖 西安电子科技大学 孙汉汶 徐晓东 柴源 摘要 本装置以 MSP430 单片机为核心，结合短波 ASK 调制解调电路、 DC/DC 升压电路、 温度、 光照传感器等单元电路制作完成。 调制部分采用两级变频 ASK 调制， 由单片机先完成 10KHz 载频上的 ASK 调制， 再将输出信号调制到 20MHz 射频上， 解调部分采用包络检波器加低频锁相环实现。监测节点和探测节点均可 采用干电池供电，总机功率小于 1W，可以实现大于 10cm 的无线通信。 1 方案论证与比较 1.1 无线通信频段选择 方案一、选用中长波频段，该频段信号频率较低，用数字门电路完成信号的
2、 调制与解调，利用线圈间的磁场耦合完成信息的传输； 方案二、选用短波频段，该频段信号频率较高，采用射频电路完成调制与解 调。 由于短波段信号辐射能力强，加之可以使用效率较高的 C 类射频功率放大 器，因此我们选择方案二。 1.2 调制方式选择 方案一、采用 ASK 调制，包络检波解调； 方案二、采用 FSK 调制，锁相环解调。 FSK 调制解调电路较为复杂，选用短波段时，需要进行下变频处理，整体电 路功耗较大。ASK 调制解调电路简单，虽然抗噪声性能不如 FSK，但是对短距 离通信来说也已足够，因此我们选择方案一。实际中，我们采用了两级 ASK 调 制，解调部分利用包络检波器和低频锁相环完成，
3、较一般 ASK 的包络检波解调 更为灵敏。 1.3 通信协议选择 方案一、 通信由监测终端发起， 监测终端发送包含探测节点编号的广播信息， 编号一致的探测节点收到该广播信息后向监测终端发送探测到的环境信息； 方案二、通信由探测节点发起，探测节点不断地向监测终端发送环境信息， 监测终端只负责读取由探测节点发送的信息； 方案二中只需要单工通信，虽然电路简单，但是探测节点需要不停地发送信 息，导致探测节点功耗很大，而且当探测节点很多时，需要复杂的碰撞检测和冲 突避免算法， 而方案二的这些缺点恰恰对应方案一的优点， 因此我们选择方案一。 2 系统设计 探测节点中的单片机接收到温度传感器和光电传感器的环
4、境信息， 利用节点 中的射频电路将该信息发送给监测终端，为提高发送效率，射频部分采用 5V 供 电，从高效 DC/DC 升压电路得到。 探测节点的系统框图如图 2-1 所示 温度传感器 光传感器单片机 预置编号 ASK调制 ASK解调 耦 合 线 圈 DC/DC升压2节干电池 射频部分5V 单片机部分3.3V 1V3V 图 2-1 探测节点的系统框图 监测终端负责管理整个环境监测系统和收集探测节点的信息， 监测终端采用 单电源供电。监测终端的系统框图如图 2-2 所示 液晶单片机 ASK调制 ASK解调 耦 合 线 圈 图 2-2 监测终端系统框图 3 理论分析与计算 3.1 发射电路设计计算
5、 用 MC1648 和变容二极管构成压控 LC 振荡器，将频率精确调整到 20MHz； 再利用三极管完成 ASK 调制，然后经过选频滤波和功率放大由耦合线圈送出。 发射电路的主要电路图如下： V c c N C T A N K N C B IA S N C V E E V E E N C A G C N C O U T N C V c c 1 0 F 图 3-1 发射机电路 变容管 1SV101 的电容变化范围是 12pF 到 28pF，变容比大于 2，非常适合 于短波频段的压控振荡器，在压控振荡器电压控制端采用多个 10uF 和 47uF 钽 电容进行滤波，尽量稳定震荡频率，降低相位噪声。采
6、用 C 类功放对 ASK 调制 后的信号进行功率放大， 用传输线变压器进行 1：25 阻抗完成末级功放的阻抗匹 配。 3.2 接收电路分析与计算 利用高频小信号谐振放大器将线圈上的 20MHz 信号进行选频放大，然后经 过高频放大器，包络检波器，判决器得到基带 ASK 调制信号，然后由单片机读 取。 将耦合线圈与一电容并联谐振到 20MHz，利用一级高频小信号放大器进行 选频放大，然后进行限幅放大，利用包络检波器和判决器解调出基带信号。 选用高频三极管 9018 构成高频小信号放大器，用集成高速放大器 SN10503 进行限幅放大，最后用三极管和音频解码器 LM567 完成包络检波和判决。 接
7、收电路的主要电路图如图 2-1 所示 图 3-2 接收电路 3.3 电源管理 经测量，1.5V 干电池具有大约 1 欧姆的内阻，两节干电池串接后的电压往 往小于 3V，而且随着电池电量的消耗电池内阻也就渐渐增加，为了提高射频电 路的发射效率和输出功率，我们采用高效 DCDC 转换芯片 MAX1674 将两节干 电池电压稳定在 3.3V 和 5V，分别供给单片机和射频电路。MAX1674 是一款高 效 DCDC 升压芯片，可将 1.1V 至 5.5V 的输入电压固定变换为 5V 或者 3.3V， 在输出电流为 200mA 时，效率可以到达 94%。MX1674 芯片的连接方式如所示。 图 3-3
8、 MAX1674连接图 3.4 温度与光电检测 采用 TMP100 数字型温度传感器进行温度采集， 用光敏二极管配合信号调理 电路完成光照信号的采集。TMP100 的测量精度在 2 摄氏度以内，I2C 总线通信 方式，使用时只需要外加去耦电容和电源电压即可。光敏二极管反接在电路中， 其反向漏电流的大小随光照的增强而增大， 用一个大电阻将光敏管的反向漏电流 转为电压，然后用运放将信号调理至单片机的开关电平。 4 软件流程图及帧格式 探测节点需要定时读取周围的环境信息， 并可以选择发送或者不发送给监控 终端，之后进入低功耗模式，关闭射频部分电路，软件流程图如图 4-1 所示。 低功耗 模式 采集信
9、 息 定时中断 不需要发送 发送信 息 需要发送 图 4-1 探测节点流程图 监控终端可以向探测节点发送广播消息，用以控制探测节点的行为，同时监 控终端的接收电路可以获取探测节点的发来的环境信息，软件流程图如图 4-2 所示 图 4-2 监控终端软件流程图 5 测试方案和测试结果 5.1 测试仪器 数字示波器(Aglient 54622D)、高频信号源(QF1056B)、低频函数发生器 (EE1641B)、数字万用表(DT9025)、水银温度计。 5.2 测试方案结果及分析 (1) 监控节点功率测量 测试方法，分别测试监控节点在接收信号和发送信号情况下电路消耗的功 率，将电路通断 5 次，用万
10、用表测量每次的电流大小，然后去平均值。测试结果 为：采用+5V 供电时，监控节点在接收信息时功耗为 220mW，在发送信息时最 大瞬时功耗为 560mW。 结果分析：当监控节点在接收信号时，射频电路不工作，总体功耗较低，当 监控节点在发送信号时，射频电路工作，电流消耗大。 (2) 探测节点功能测量 测试方法：比较不同环境下探测节点收集到的环境信息与真实信息的差异， 并，同时测量监控节点收到信息的正确性。 表 5-1探测节点功能测量结果 节点间距离 (cm) 环境信息 测量结果 接收信息正确性 探测时延 0 27 有光 28 有光 正确 小于 4s 5 45 有光 44 有光 正确 小于 4s
11、10 27 无光 27 无光 正确 小于 4s 12 27 无光 27 无光 正确 小于 4s 14 27 无光 27 无光 基本正确 小于 4s 16 27 无光 27 无光 不正确 小于 4s 18 27 无光 27 无光 不正确 小于 4s (3) 两个探测节点与控制终端的通信 测试方法： 分别改变探测节点线圈与控制终端线圈的距离，测量控制终端是 否可以接收到探测节点的环境信息。测量数据如所示 与探测节点 A 线圈间距(cm) 与探测节点 B 线圈间距 A 信息正确？ B 信息正确？ 反应时间 1 1 正确 正确 小于 4s 5 5 正确 正确 小于 4s 7 7 正确 正确 小于 4s 9 9 正确 正确 小于 4s 10 10 正确 正确 小于 4s 12 12 正确 正确 小于 4s 14 14 不正确 不正确 - 6 结果分析与总结 通信距离的远近取决于接收机的灵敏度， 提高接收机的灵敏度是增强通信距 离的最好方法。 附录：完整电路原理图 1、温度及光照测量电路 2、射频发射机电路 V c c N C T A N K N C B IA S N C V E E V E E N C A G C N C O U T N C V c c 1 0 F 3、射频接收机电路 4、升压芯片
