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1、1无线环境监测模拟装置（D 题）摘要：本系统通过方案论证，最终采用三套单片机最小系统，其中根据题目要求由两探测节点数据处理时采用必须 3V 供电，所以两套采用 AT89C2051 最小系统，对节点接收的数据进行处理。另外一套用作对监测终端接收的数据采集处理，由 12864 液晶显示输出，STC89C51 即可满足要求。监测终端和探测节点中用的接收和发射电路分别是由 ET13X211 和 ET13X221 芯片为核心制作的模拟电路，实现无线通信。探测节点中对环境温度和光照信息的探测采用的 DS18B20温度传感器以及光敏电阻，通过这些模块，可以完成题目要求的基本部分。一、系统方案 1.整体方案比
2、较与论证本题要求在监测终端和探测节点均含一套无线收发电路，必须先解决在30MHz 频率范围内无线的收发，并最终达到无线传输数据的功能。其次是在两节 1.5V 干电池供电的前提下，对接收的温度和光照信息进行数据的处理要采用适当的方法。无线收发电路设计方案方案一：采用分立模块的方法。发射器电路采用 9016 三极管连接匹配的电容和电感形成 27MHz 的发射电路。接收器电路用美国 MOTOROLA 公司生产的MC3361 芯片为核心制作的单片窄带调频接收电路。探测节点和监测终端分别要进行的编码和解码功能的设置可以采用专门的编码解码芯片 PT2262/PT2272 芯片。至于载波和调制的实现，分别可
3、以用 27MHz 的晶振配置外围电路形成和ASK 方式调制，二极管包络检波。最终达到题目中的要求。方案二：采用集成芯片的方法。发射器电路和接收器电路使用的集成芯片分别采用 Etoms Electronics 公司生产的 ET13X221/ET13X211。基于 ET13X221配轩一定的外围电路，可以实现数字 FSK 调制方式，27MHz 的工作频率。基于ET13X211 一定的外围电路，同样也可以实现 FSK 27MHz 的接收功能。除此以外，这两块电路本身自带编码与解码的功能，可以通过软件编程自动实现此过程。方案论证：方案一虽然能电路实现，电路的功耗小，但实现过程复杂，且在高频电路中，对模
4、拟电路要求比较高，稳定性不高，电路相对于方案二难以实现。方案二，实现起来比方案一简单，具有性价比高，功耗小等优点。综合上述，所以选择方案二。最小系统设计方案方案一：由于题目要求探测节点必须采用 1.5V 干电池串联供电，在此 3V的条件下，我们可以采有电压升压芯片 SP6641，可以将 3V 升到 5V。这样单片机最小系统就可以使用最普遍的 STC51。同时，其他功能电路在 5V 的供电下能正常工作。方案二：我们可以直接使用 3V 电压供电，改变最小系统，可以使用AT89C2051，其工作电压是 3V，但要考虑其他功能电路的正常工作，ET13X221ET13X211 以在此电压下正常工作，温度
5、传感器 DS18B20 和光敏电阻 3V供电也能正常使用，所以 AT89C2051 最小系统能满足要求。2方案论证：方案一和方案二关键问题分别是在探测节点时选用 SP6641 芯片将3V 电压升到 5V 或选择直接用 3V 供电的 AT89C2051 单片机，根据客观环境条件，购买 SP6641 芯片不方便，所以选择 AT89C2051，最终采用方案二。2总体设计方案框图根据以上的分析，设计的总体方案如图1所示。检测节点 A检测节点 B信号处理信号处理发射网络发射网络发送天线接收天线接收网络 信号处理 L C D 显示图1 系统总体方案框图根据框图，检测节点有两个点，分别检测温度和光照信息，采
6、用 DS18B20温度传感器和光敏电阻，将感应到的数据送到 AT89C2051 进行处理，再由ET13X221 成的发射器发射，通过天线送出。天线接收，通过 ET13X211 成的接收器接收，再由 STC51 数据处理，最终通过液晶显示。二、理论分析与计算1. 发射电路的分析1.1阻抗匹配电路天线阻抗可能同时包含电抗与电阻成分。大多数实际应用中，我们寻求的是纯阻性的阻抗（zR） ，但是这种理想情况很难达到。所以当送到天线上的信号频率不是谐振频率时，电抗成分（jX）就出现了。当高于谐振频率时，天线带感性电抗，阻抗为ZRjX。类似地，当低于谐振频率时，天线带容性电抗，阻抗为zR-jX。所以，我们在
7、电路中必须接一级阻抗匹配网络，匹配网络的阻抗必须等于负载的复阻抗的共轭。图2为天线阻抗匹配的框图。射频源 Z s 匹配网络负载图2 天线阻抗匹配框图12 压控振荡器VCO外围电路LC 振荡器由三部分组成：变容二极管，可变电容，电感。如果忽略振荡电路的晶体管寄生电容对振荡频率的影响，那么 LC 振荡器的频率表达式为：3，根据公式，改变 LC 就可以改变振荡器的频率。在这里，我们调12fLC节的是可变电容。变容二极管的选取也是对电路的起振起着关键性作用。变容二极管的计算公式如下： ， 是外加电压为零时二极管的电0/1(/)mCVr0C容值， 是结两边半导体的接触电势差， 为控制电压。m 是二极管电
8、容的非线性系数，它和结两边的掺杂浓度的分布有关系，一般 m 的值在 0.030.04 之间。1.3 带通滤波器带通滤波器可以让一定频带的信号通过，而阻止频带以外的信号。将高通滤波器和低通滤器组合在一起，适当设计电路参数，就可以构成所需要的带通滤波器。2接收电路的分析2.1 RC构成的低通滤波电路。革命在ET13X210电路中，FILI与FILO管脚必须接入低通滤波器。低通滤波器用的是RC构成的低通滤波电路。对于低通滤波器，该频率通常又称为上限截止频率，用符号 来表示。根据 的定义可得的表达式为：hfhf=1/2 RC。hf2.2 高通滤波器 所谓的高通滤波器就是允许高频信号通过，而将低频信号衰
9、减的电路。因高通电路的增益随频率的降低而下降，当高通电路的增益下降了3dB时所对应的频率就是 。对于高通电路，该频率通常又称为下限截止频率，用符号fL来表pf示。根据 的定义可得 的表达式为： = =1/2 RC。 lflfp3 FSK调制与解调分析FSK(Frequency Shift Keying,频移键控)是利用载波的频率变化来传递数字信息。具有抗噪声性能好、对信道变化不敏感、误码率低等优点。我们在这个系统设计中，两块芯片 ET13X210 与 ET13X220 内部自带 FSK 功能。 4. DS18B20温度传感器的分析DS18B20 是全数字温度转换及输出的传感器。检测温度范围是：
10、55 C125 。它收到温度后，将温度进行转换，然后进行数据存储。C5. 通信协议分析根据题目要求，监测终端可以分别与各探测节点直接通信，这里规定节点A 接收的代码是 0xaa,而节点 B 接收的代码是 0xbb。当监测终端发送了一个0xaa 时，此时两节点都收到监测终端发来的代码信息，它们会进行判别，这时节点 A 比较后，发现此代码与其本身一样，则节点 A 就会把数据信息传送到监4测终端，让监测终端进行处理。而节点 B 发现信息代码并不是 0xbb，刚不会发送信息与监测终端，这样监测终端就通过形式，与节点之间达成一致性，也就是通信协议。 三、电路与程序设计1.发射电路设计。 压控振荡器的设计
11、。压控振荡器就是连接一个LC振荡器。LC 振荡器电路如图3所示，为了满足f在27MHz左右，我们取D1的型号为了1SV229，C1=120P，C2=22P，C3=（325）P，L3=1uH。 图3 压控振荡器 带通滤波器设计带通滤波器电路如图4.我们设计参数值分别为 C6=180,L3=100nH,C10=1000P,L4=22uH,C14=10P 图4 带通滤波电路2.接收电路设计。 高通滤波器的设计。高通滤波器在接收电路中连接的是ET13X210的7脚。电路如图5所示。C4=56P，C5=220P，L2=12uH,C8=30P，C10=102P。图 5 高通滤波器 图 6 低通滤波器低通滤
12、波器的设计在接收芯片ET13X210 的16 ，17脚上必须接低通滤波器。一般普通的RC低通滤波就可以。如图6所示，C2=103P，R10=470R。3.传输时序协议的规定。收发模块上接口引脚中的已分别配备了数据端的DI与DO，可以分别连接到MCU的脚上，使用时需将MCU应发数据流经编码后向发射模块的DI端注入，而从接收模块DO的输出的码流经MCU解码后才能还原成应收数据流。传输时序的协议如图7。5图7 传输时序协议图4. 发射电路的总体结构图如附录1.1与发射电路外围硬件电路图如附录1.25. 接收电路的总体结构图如附录2.1 6. 软件总体流程图如附录3.1。7. 软件子程序流程图如附录3
13、.2。四、测试过程以及结果1调试方法与测试选用的仪器测试选用仪器：数字万用表，数字示波器 TDS1001，YB1602P 功率函数信号发生器。 硬件分块调试：a 最小系统与 DS18B20，光敏电阻的测试将最小系统与 DS18B20 温度传感器，光敏电阻对应的口连接好后，将程序下载到 STC12L5616 中，用 HD7279 模块板进行观测。如果温度传感器能正常观测到温度并在 LED 上显示，并且读数正确，则说明单片见机的模块是正常工作，并且 DS18B20 也能正常工作。在检测光敏电阻时，将手遮住有光，则是低电平，并显示，没光则相反，输出高电平。b 发射电路的测试 在测试发射电路时，首先检
14、测压控振荡器是否起振，并且频率在 27MHz 左右。如果没有输出波形没有，可微调电容不得，若还是没有，就说明变容二极管 1SV229，可变电容 C3，C1，C2，电感 L1 这几个器件有问题。若起振，则说明 ET13X220 是好的。然后再检测 CPO 相位检测输出是否有输出，如果没有人为的加二进制代码，输出则应为了 0。最后直接测量输出端 TXO 是否有输出，将通道选择打在 6 上，也就是拨码开关拨为 0110，检测输出则应为 27.135MHz。若没有则应检查电路没有正常工作的原因。c 接收电路的测试接收电路不同于发射电路的第一个检测点就是电线接收下来的选频电路是否有波形。也就是选频电路是
15、否正常工作。第二就是检测 ET13X210 的压控振荡器是否工作，判别芯片是否常工作。第三检测混频是否正作，检测 MIX-O。再经 455KHz 的陶瓷滤波器选择出 455KHz 的频率。第四再检测 LIM-O 与 DEM1 鉴频电路。第四就是检测 DEMO 解码输出端是否有输出。整体电路联调将符合条件的天线接上，将发射电路与接收电路接在一起，用示波器观察是否有波形输出。若有显示，则说明无线收发模块正常作，再接上单片机，DS18B20，光敏传感器，液晶显示，观测液晶显示的结果是否正确。可以监测一下室温度，进行验证。2测度数据记录与分析。6发送与接收电路测试如表格：序号 检测节点 监测终端 误差
16、分析1 28 C 28 C 0%2 26 26 0%3 24 24 0%4 30 C 30 C 0%5 25 25 0%6 24 24 0%7 20 C 20 0%8 21 21 0%9 18 18 0%10 15 C 15 0%温度检测结果：31 五、测试结果误差分析1通信传输误差分析：通过 10 次的测量，发现通信结果能正常工作，且性能良好。2温度检测结果相对误差为：0%3感光检测结果为：可测六、结论在本次设计中，基本要求部分全部完成，主要包括对探测节点进行正确的编码，对监测终端正确解码并能准确探测其环境温度和光照信息，并能在要求误差范围内进行结果的正确显示，我们完成了这个系统设计中最关键的部分
