基于MSP430单片机的无线环境检测模拟装置的设计*

党智乾

(西安航空职业技术学院自动化工程学院　西安　710089)



基于MSP430单片机的无线环境检测模拟装置的设计*

党智乾

(西安航空职业技术学院自动化工程学院西安710089)

该装置以MSP430单片机为核心,结合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设计完成,可对周边环境的温度和光照信息进行检测和显示。经过测试证明,该系统实现了自动检测,无线收发,自动显示和节点转发功能,功耗较小,可以实现50cm的无线通信且耗时小于5s。

MSP430; 无线检测; 环境监控

Class NumberTP274

1　引言

在无线通信频段选择中,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,我们选用短波频段。调制方式择中,由于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,因此我们选择采用两级ASK 调制,解调部分利用包络检波器和低频锁相环完成,较一般ASK的包络检波解调更为灵敏。通信协议选择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。系统总体框图[1]如图1所示。

图1　系统总体方框图

2　系统硬件设计

2.1发射电路设计计算

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[2],然后经过选频滤波和功率放大由耦合线圈送出。发射电路[3]的主要电路图如图2所示。变容管1SV101的电容变化范围是从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。

2.2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。接收部分电路[4]图如图3所示。

图2　发射电路图

图3　接收电路图

2.3电源管理

经测量,1.5V干电池具有大约1Ω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,采用高效DC/DC 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DC/DC 升压芯片,可将1.1V～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%[5]。MX1674芯片的连接方式如图4所示。

图4　电源电路图

图5　温度与光电检测电路图

2.4温度与光电检测

温度检测采用德州仪器(TI)公司的TMP100数字型温度传感器[6],用光敏二极管配合信号调理电路完成光照信号的采集。TMP100的测量范围在-25℃～85℃时,精度在±2℃以内,I2C总线通信方式,可编程分辨率采用11-Bits,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。

3　系统软件设计

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6所示。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发来的环境信息,软件流程图如图7所示。

图6　探测节点流程图

图7　监控终端流程图

4　系统功能测试

4.1测试仪器

系统测试所使用的测试仪器,主要有数字示波器(Aglient 54622D)、高频信号源(QF1056B)、低频函数发生器(EE1641B)、三位半数字万用表(DT9025)、JB913气温计。

4.2测试方案结果及分析

1) 温度测量

温度传感器的测量范围-25℃～85℃,数据精度0.125℃,误差要求在±5%之内。每次温度测量在不同位置采集三组数据,三组数据平均值作为本次测量数据。实际温度值采用准确度较高的JB913气温计[7]采集,实验数据如表1所示。由温度测量结果可知,该系统误差最大值为1.3℃,误差率最大为3.8%,系统误差在合理区间范围内,满足设计要求。

表1　系统温度测量结果统计表

2) 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,将电路通断五次,用万用表测量每次的电流大小,然后去平均值[8]。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。监控节点的功率均小于1W。

3) 光照测量

采用遮光板遮住光敏二极管的方法进行,首先比较不同环境下探测节点收集到的光照信息与真实光照信息的差异[9],如表2所示。其次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光照信息,如表3所示。从测量结果可知,该系统当节点距离小于50cm时,测试信息准确,耗时较短。

表2　不同环境和间距系统测量结果统计表

表3　改变探测节点线圈与控制终端

5　结语

本系统介绍了以MSP430单片机为控制核心的无线环境监测系统。监测终端可以控制探测节点工作,探测节点对周边环境的温度、光照等信息进行采集后,通过无线传输给监测终端进行处理显示,可对环境的温度光照进行实时地监控,系统具有较低的功耗,在工农业生产中[10]或恶劣环境下的作业现场具有广阔的应用前景。

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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

西安航空职业技术学院教学改革项目(编号：16XHJG020)资助。

党智乾,男,硕士,研究方向：计算机测量与维护，电机控制。

TP274

10.3969/j.issn.1672-9722.2016.10.046