无线环境监测模拟装置

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1、23目录摘要3关键词33引言41 系统统方案设设计41.1设设计任务务.41.2 方方案论证证与选择择41.2.1调制制解调方方式41.2.2 载载波频率率51.2.3 功功放的选选择51.2.4 单单片机选选型51.3 系系统方案案框图552 理论分分析计算算与电路路设计662.1 发射射部分662.1.1 耦耦合天线线62.1.2 发发射机772.2 接接收部分分82.2.1 38339a接接收机882.2.1 解解调信号号处理992.2 传感器器102.3.1 光光电传感感器1002.3.2 温温度传感感器100112.4 信号处处理1112.4.1 终终端：1112.4.2 探探测节点

2、点123系统软软件设计计123.1.1码型型设计1133.1.2 通通信协议议133.2 程序流流程图1144、测试试方法和和测试结结果1555、结束束语155参考文献献16附录177无线环境境监测模模拟装置置摘要：本本系统基基于 AASK (Ammpliitudde-SShifft KKeyiing)：幅移移键控技技术，监监测终端端和 探探测节点点各含一一套无线线收发电电路，实实现了对对周边温温度和光光照信息息的探测测。其中中监 测测终端可可以分别别与各探探测节点点直接通通信，并并能显示示当前能能够通信信的探测测节点编编号 及及其探测测到的环环境温度度和光照照信息。本本系统探探测节点点采用线

3、线圈耦合合接收信信号， 实现了了每个探探测节点点信息的的转发功功能，实实现中继继。探测测节点同同时采用用AT889S552单片片机处理理数据,探测节节点温度度检测采采用ds188b200温度传传感器，光光照检测测采用普普通光敏敏二极管管。本电路路的基本本原理是是：温度度传感器器、光敏敏二极管管检测到到温度、光光照信号号后送到到单片机机处理，处处理后的的信号再再通过单单片机的的串行发发送端口口送到AASK调调制电路路进行调调制，调调制后的的信号再再通过线线圈发送送出去，监监测终端端通过线线圈耦合合接收到到 信号号进行放放大解调调，再给给终端的的单片机机处理，再再通过116022液晶显显示屏显显示

4、。本本系统具具有电路路简单，传传输距离离远，低低功耗等等特点。关键词：线圈耦耦合 无线线环境监监测 AASK Wireelesss eenviironnmennt mmoniitorringg deevicceThe YuSShuiiQinng guiide teaacheer wweiwwuhis sysstemm baasedd onn thhe iitinneraary Shiift Keyyingg Ammpliitudde (of) : - mmoveed KKeyiing tecchnoologgy, monnitoorinng ttermminaal aand dettectti

5、ngg noode conntaiininng tthe wirreleess traanscceivver cirrcuiit, a sset of surrrouundiing temmperratuure andd liightt innforrmattionn deetecctioon. Whiich cann bee meeasuuredd reespeectiivelly, andd thhe ttermminaal iintoo thhe ddeteectiing nodde, andd caan bbe ddireectlly ccommmuniicattionn caan d

6、dispplayy thhe ccurrrentt deetecctioon oof ccommmuniicattionn Nuumbeers andd deetecct nnodees aambiientt teempeeratturee annd llighht iinfoormaatioon. Thiis ssysttem in dettecttingg noode usiing coiil ccoupplinng, eacch rreceeiviing siggnall deetecctioon nnodee off thhe iinfoormaatioon ttrannsmiitte

7、ed ffuncctioon, rellay. Deetecctinng nnodee ussingg ATT89SS52 SCMM prroceessiing datta, thee noode temmperratuure dettecttionn ussingg teempeeratturee seensoor dds188b200, uusinng oordiinarry llighht pphottoseensiitivve ddiodde. Thee baasicc prrincciplle oof tthiss ciircuuit is: teempeeratturee seen

8、soor, phootossenssitiive dioode dettectted temmperratuure, liightt siignaals to chiip aafteer ttreaatmeent, thhe ssignnal sennt bby MMCU serriall poort to ASKK moodullatiion cirrcuiit mmoduulattionn, mmoduulatted by senndinng oout agaain, moonittoriing terrminnal coiil wwinddingg cooupllingg too ree

9、ceiive siggnalls tthrooughh ammpliificcatiion demmoduulattionn, ggivee teermiinall chhip proocesssinng, agaain thrrouggh tthe LCDD diispllay 16002. Thiis ssysttem hass thhe ssimpple cirrcuiit, thee trranssmisssioon ddisttancce, loww poowerr coonsuumpttionn,Keywwordds: coiil ccoupplinng wwireelesss e

10、enviironnmennt mmoniitorringg ittineerarry引言无线通信信技术、无无线技术术给人们们带来的的影响是是无可争争议的。如如今每一一天大约约有155万人成成为新的的无线用用户。该该课题的的主要技技术在于于无线数数据传输输，研究究该课题题的主要要意义在在于让我我们更加加深入的的了解无无线数据据传输的的原理。本课题题的研究究对象是是通信系系统中的的发送设设备和接接收设备备的各种种高频功功能电路路的功能能、原理理和基本本组成。在在科学技技术的快快速发展展，通信信集成电电路不断断更新的的今天，研研究本课课题应特特别注意意对电路路功能和和基本原原理的理理解。1系统方方案

11、设计计1.1设设计任务务根据命题题要求，设设计并制制作一套套无线环环境监测测模拟装装置，实实现对周周边温度度和光照照信息的的探测与与采集。该该装置由由 1个个监测终终端和不不多于 2555个探测测节点组组成（实实际制作作 2个个）。每每个装置置由无线线收发信信机，耦耦合线圈圈（天线线），传传感器，信信息处理理器，显显示器等等多个模模块构成成，实现现监测终终端对不不同探测测节点周周边环境境信息的的探测与与采集。命命题所要要求系统统具体的的性能与术指指标：实实现无线线数据通通信；探探测节点点可预置置编码，并并不多于于 2555个；温度测测量范围围 01000，绝对对误差小小于 22；探测测有无光光

12、照；探探测时延延小于 5s；监测终终端与探探测节点点通信距距离不小小于100cm，增增加节点点转发功功能，通信信距离不不小于 50ccm；尽尽量降低低整套装装置的功功耗。1.2 方方案论证证与选择择1.2.1调制制解调方方式数字通信信中常用用的调制制方式有有 ASSK，FFSK，PPSK等等。由于于探测节节点由电电池供电电，而FFSK或或 PPSK调调制解调调方式需需要的供供电电压压和功耗耗较高，所所以我们们选用功功耗低且且易于实实现ASSK调制制解调方方式。1.2.2 载载波频率率对耦合线线圈作为为天线传传递信息息进行计计算与分分析，在在发射功功率一定定的情况况下，载载频越高高，天线线指向性

13、性越强，则则接收信信号质量量越好。受受限于命命题载波波频率小小于 330MHHz的要要求，最终将将载波频频率定为为12MHHz，由由晶体振振荡器产产生。1.2.3 功功放的选选择由于探测测节点的的低电压压供电要要求使得得功率放放大在使使用普通通元件时时变得相相对困难难，经测测试，非非门振荡荡器所产产生的信信号，经经模拟电电路处理理，接 50W负负载最低低幅值达达1.665V（66.4mmW），可可以直接接接到天天线发射射，无需需再加功功放电路路。1.2.4 单单片机选选型监测终端端：监测测终端可可以采用用5v电电源供电电，因此此可以选选用5VV电源的的单片机机，我们们采用了了AT889S552

14、单片片机，AAt899S52是是一种低低功耗、高高性能CCMOSS8位微微控制器器，具有有8K在在系统可可编程FFlassh 存存储器。AT89S52单片机具有编程容易，兼容性强等优点，出于AT89S52单片机是我们了解的比较深入，同时也是我们使用的比较多的单片机，所以我们选择AT89S52做我们监测终端的处理器。探测节点点：探测测节点是是由两节节电池33V供电电，单片片机必须须选择更更低电压压的。在在作品中中，我们们选择了了STCC12LLE5AA16SS2。SSTC112LEE5A116S22是一种种更低功功耗，与与51系系列单片片机兼容容的微处处理器。1.3 系系统方案案框图对每一个个探

15、测节节点和检检测终端端都制作作同样的的收发信信机，其其结构示示意图如如图 11所示。图1 收收发信机机结构示示意图数据发射射：单片片机串口口发数据据，经晶晶体 ASKK调制发发射机将将数据进进行调制制，再通通过天线线匹配网网络，最最终将信信号经耦耦合线圈圈发送出出。数据接收收：耦合合线圈接接收射频频信号，经经选频进入接收机机混频，然然后差频频出一个个5M的中中频信号号，再通通过接收收机内的的ASKK解调电电路将信信号解调调出来。输出基带信号，再经模拟信号处理获得数字信息1。2理论分分析计算算与电路路设计2.1 发射射部分2.1.1 耦耦合天线线天线线圈圈等效电电路如图图2所示示，其中中LANN

16、T表示示线圈电电感量，RRANTT表示线线圈的等等效电阻阻，CAANT表表示线圈圈的分布布电容。图2 线线圈等效效电路根据要求求实际制制作的线线圈，用用LCRR电桥测测量的结结果为：LANNT=11.5 UH,RRANTT=255m，CANTT=7.5pFF。天线线的品质质因数是是天线正正确调谐谐和所获获得性能能的一个个重要特特性，所所制线圈圈的品质质因数QQ=wR*LLANTT/RANTT=1001788.8。而而根据线线圈的几几何形状状，Q的的值通常常在500到1000之间间。要进进行正确确的数据据传输这这个值还还要减少少，由于于带宽BB=Fr/Q,以以及时间间与带宽宽乘积规规定B*T1,

17、得得出QfR*T。由由于元件件的容差差和对温温度的依依靠，QQ通常取取35，所所以要降降低原始始Q因数数。须串串入一个个外部电电阻REEXT=wRLANTT/355-RAANT=7.224。采用用图2所所示的电电路图将将天线匹匹配到550。图3 天线发射射电路2.1.2 发发射机系统发射射采用 ASKK调制方方式。系系统采用用非门振振荡器产产生 227MHHz载频频信号，运运用或非非门数字字器件实实现符合合逻辑要要求的 ASKK已调信信号。发发射功率率大于等等于 66.5mmW（ 50W假假负载）。发发射机硬硬件实现现电路如如图4所示。考考虑到功功耗问题题以及逻逻辑电路路稳定工工作，发发射机在

18、在发送数数据之前前 100ms启启动晶体体振荡，然然后调制制基带信信号22。图4 ASKK调制电路路2.2 接接收部分分2.2.138839aa接收机机38399A接收收机电路路如图55所示。3839A是一款低电压供电，带有高速接收信号强度指示（RSSI）输出的 FM接收机芯片，分析其内部结构框图。射频信号进入3839A与本振混频得到中频，然后经中频滤波器，进入中频放大器，再次对中频滤波，然后经中频限幅放大器输出，而3839A芯片内部的快速 RSSI（100kHz）根据中频放大器和中频限幅放大器获取 RSSI信号。由于该套通信系统所建立的信道是 ASK信道，则可以根据该芯片的 RSSI轻松实现

19、ASK信号的解调。RSSI的转换速率可轻松满足系统的最高通信速率5。图5 338399接收机机电路2.2.1解调调信号处处理接收机解解调信号号处理电电路如图图6所示。信信号解调调后经过过一级同同相放大大，放大大后经过过一级电电压比较较器输出出到单片片机处理理。解调调后的信信号很微微弱不足足以直接接送给单单片机处处理，同同相放大大是为了了满足我我们对信信号电压压的要求求。信号号在放大大后，经经过一级级比较器器，将解解调信号号转换为为数字信信号33。图6 解解调信号号处理电电路2.2 传感器器2.3.1光电电传感器器图7 光照判判断有光照时时，光电电二极管管导通，226脚为为低电平平，没光光照时，

20、光光电二极极管截止止，266脚为高高电平，设设置合适适的门限限电压，单片机通过判断26脚的电平高低判别有无光照信息4。2.3.2温度度传感器器图8 温温度检测测采用低电电压供电电 SPPI总线线的数字字温度传传感器DDS188B200，该温温度传感感器最大绝对对误差小小于 22，满足足命题要要求。2.4信信号处理理2.4.1终端端：图9 终端信信号处理理电路终端电路路包括一一个单片片机最小小系统、显显示电路路、LEED指示示电路。单片机首先发出搜索信号去搜索探测节点，探测节点接收到信号后，发回一个应答信号给终端，然后再发数据。终端通过串口接收把数据接收进来进行处理，处理的信息包括光照信息和温度

21、信息，温度信息通过1602LCD显示出来，光照信息通过LED2、LED3的亮灭来指示。LED2亮表示探测节点A有光照信息，LED2不亮表示探测节点A没有光照信息。LED3亮表示探测节点B有光照信息，LED3不亮表示探测节点B没有光照信息6。2.4.2 探探测节点点图10 探测节节点信号号处理电电路探测节点点信号处处理电路路就是一一个单片片机最小小系统电电路，光光电传感感器电路路和温度度传感器器电路得得到光照照信息和和温度信信息后送送到单片片机处理理，光照照信号和和温度信信号在数数字编码码后通过过串行口口进行发发送。3系统软软件设计计系统软件件设计包包括两个个部分，一一个是软软件编解解码的码码型

22、设计计，一个个是无线线通信协协议的设设计。3.1.1码型设计计方案一、采采用高低低电平的的占空比比不同表表示“11”与“00”。设设置传输输一位码码元的周周期为固固定值，即即传输波波特率固固定。定定义“11”为8800uus高电电平与2200uus低电电平，占占空比为为4/55。定义义“0”为为2000us低低电平与与8000us高高电平，占占空比为为1/55。一帧帧数据以以“引导导码+数数据”的的方式发发送。此此方案在在大多数数有线通通信中被被采用，但但考虑到到无线通通信过程程中噪声声干扰的的不确定定性。长长时间的的高电平平或低电电平都很很容易产产生毛刺刺导致误误码。而而且编码码中有长长时间

23、的的低电平平或高电电平，硬硬件电路路的不易易实现整整形和解解调。所所以编码码不采用用此设计计方案。方案二、采采用占空空比相同同而周期期不同的的形式表表示“11”与“00”。一一个码元元用占空空比为11、2的的形式表表示。定定义数据据“1”表表示为周周期等于于1mss，数据据“0”表表示为周周期等于于2mss。引导导码为22个字节节的AAAH。种种编码方方式和数数据帧的的定义，可可以避免免长“11”或长长“0”时时出现长长时间的的高电平平或低电电平，增增加了码码元通信信的可靠靠性。同同时，这这种编码码方式可可以获得得有效的的同步信信号，即即使在传传输400 Biit（本本装置设设计发送送一帧数数

24、为5个个字节，即即40BBit）的的长串数数据的情情况下，仍仍能有效效的控制制通信过过程的同同步要求求。从软件编编程的思思路和降降低编解解码的误误码率的的角度考考虑，我我们采用用了方案案二，即即以1KKHz的的频率表表示数据据“1”，周周期为11ms。以以5000Hz的的频率表表示数据据“0”，周周期为22ms。占占空比均均为1/2。在在码型确确定下来来之后，又又确定以以两个字字节的AAAH作作为一帧帧数据的的同步头头。这种种编码方方式和数数据帧的的定义，可可以避免免长“11”或长长“0”时时出现长长时间的的高电平平或低电电平，增增加了码码元通信信的可靠靠性。同同时，这这种编码码方式可可以获得

25、得有效的的同步信信号，即即使在传传输400 Biit（本本装置设设计发送送一帧数数为5个个字节，即即40BBit）的的长串数数据的情情况下，仍仍能有效效的控制制通信过过程的同同步要求求。3.1.2通信协协议根据本无无线环境境监测系系统的功功能，设设计通信信协议为为：发送送一帧数数据包括括“引导导码+IID码+数据+命令”，共共5个字字节。其其中引导导码占用用两个字字节，地地址码11个字节节，数据据码和命命令码两两个字节节。8BBitIID码可可以识别别2566个不同同的探测测节点，能能够满足足系统需需要。数数据码用用来传输输8Biit的数数据，其其中b00-b66用来表表示温度度信息，bb7用

26、来来表示光光照的有有无。命命令码用用于实现现组网通通信的协协议要求求。规定定：Oxccc表示监监测终端端对所有有探测节节点的广广播侦寻寻。0xc00表示探探测节点点搜索监监测终端端。0xc11表示探探测节点点搜索探探测节点点。0xc22应答信信号0xddd答复00xccc的广播播，并带带回节点点信息先由监测测终端发发出广播播侦寻所所有范围围内的节节点，节节点收到到广播即即回复00xddd，并带带回节点点信息。每每个探测测节点发发出0xxc0搜搜索监测测终端，若若无应答答即表示示节点在在终端范范围以外外。每个个探测节节点亦可可发出侦侦寻信号号0xcc1并将将监测终终端侦寻寻不到的的探测节节点的信

27、信息带回回给监测测终端。3.2程程序流程程图图11 软件流流程4、测试试方法和和测试结结果：测试仪器器要用到到示波器器、函数数信号发发生器、扫扫频仪、高高低频信信号发生生器、稳稳压电源源 、数数字万用用表。经测试，装装置的部部分指标标如下接收最大大有效距距离误差率输入频率率示波器显显示电源30厘米米左右2%左右右12MHHz50mvv测试部分分显示结结果如下下：图12 ASKK调制5、结束束语： 本装置置采用单单片机、无无线传感感器网络络技术、结结合嵌入入式技术术实现了了一种通通用的无无线环境境监测系系统。本本系统能能随时对对待环境境内的温温度和光光的有无无信号进进行实时时监测，是是低功耗耗、

28、高可可靠性的的检测控控制系统统。每个个节点采采集到两两种数据据,是某某一段区区域的数数据。传传感器采采集到的的数据大大部分是是静态数数据,而而对环境境感知而而言,动动态数据据才是最最重要的的,这就就要求节节点自身身能对先先期采集集到的数数据进行行过滤筛筛选,分分离出有有用的数数据,再再与相邻邻节点共共享。单单片机进进行决策策需要融融合多传传感器、多多点的数数据，达达到最优优传输、最最远距离离。参考文献献1、高高吉祥、唐唐朝京.全国大大学生电电子设计计竞赛培培训系列列教材M.北京：电子工工业 出版版社，220077.5：1211-15522、孙孙俊人.新编电电子电路路大全M.北京：中国计计量出版

29、版社，220011.1:3255-40053、求求是科技技编著.单片机机电信模模块设计计实例导导航（第第二版）M.北京：人民邮电 出出版社出出版发行行.20008.7:887-11054、阳阳昌汗.高频电电子线路路M.哈尔尔滨:哈哈尔滨工工程大学学出版社社，20001.:1445-11635、孙孙利民,李建中中,陈渝渝,朱红红松.无无线传感感器网络络M.北京京:清华华大学出出版 社社,20005:96-12556、黄黄签名，李李艳.集成收收音机原原理与维维修MM.北北京:金金盾出版版社，220055:888-16677、(美) Vaadimm Maanasssewwitssch著著；何松松柏,

30、 宋亚梅梅, 鲍鲍景富等等译.频率合合成原理理M.北京京:电子子工业出出版社，220088.011:233-7998、刘刘长年.广播发发送技术术M.北京京:中央央广播电电视出版版社：663-779附录一、程序序：串口发送送、接收收：#inccludde#deffinee uccharr unnsiggnedd chhar voidd deelayy(vooid);voidd innit_txdd(vooid);voidd uaart(voiid);charr a,abccd;voidd deelayy1000ms(voiid) /误差差 0uus unssignned chaar aa,b,c

31、; forr(c=19;c00;c-) foor(bb=200;b0;bb-) ffor(a=1130;a00;a-);voidd innit_txdd(vooid) TMOOD|=0x220; SCOON=00x500; TH11=0xxfd; TL11=0xxfd; ES=1; TR11=1; ET11=1;voidd uaart(voiid) intterrruptt 4uccharr x;if(RRI) RI=0;/PP1=SSBUFF; /aadd youur ccodee heere.elsee TI=0;voidd deelayy(vooid)intt i,j; forr(i=0

32、;ii1000;ii+) ffor(j=00;j50;j+);voidd REEC(vvoidd) abbcd=SBUUF; P11=abbcd; RII=0;voidd innit_rxdd(vooid) SP=0x770; TMOOD=00x211; TL11=0xx0fdd; TH11=0xx0fdd; TR11= 11; SCOON=00x500; ES= 1; ET00=1; EA= 1; temmp1=0; WDII= WDDI; voidd reecieeve(voiid) EES=00; iif(RRI) EES=11; ellse temmp2=SBUUF; P1=temmp2; ES=1; WDII = WWDI ;二、电路路主机：探测节点点：