一、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求

　　設(shè)計(jì)并制作一個無線環(huán)境監(jiān)測模擬裝置，實(shí)現(xiàn)對周邊溫度和光照信息的探測。該裝置由1 個監(jiān)測終端和不多于255 個探測節(jié)點(diǎn)組成（實(shí)際制作2個）。監(jiān)測終端和探測節(jié)點(diǎn)均含一套無線收發(fā)電路，要求具有無線傳輸數(shù)據(jù)功能，收發(fā)共用一個天線。

　　1.基本要求

　?。?）制作2 個探測節(jié)點(diǎn)。探測節(jié)點(diǎn)有編號預(yù)置功能，編碼預(yù)置范圍為00000001B ~ 11111111B。

　　探測節(jié)點(diǎn)能夠探測其環(huán)境溫度和光照信息。溫度測量范圍為0℃~ 100℃，誤差小于2℃ ;光照信息僅要求測量光的有無。探測節(jié)點(diǎn)采用兩節(jié)1.5V 干電池串聯(lián)，單電源供電。

　　（2）制作1 個監(jiān)測終端，用外接單電源供電。

　　探測節(jié)點(diǎn)分布示意圖如圖1 所示。監(jiān)測終端可以分別與各探測節(jié)點(diǎn)直接通信，并能顯示當(dāng)前能夠通信的探測節(jié)點(diǎn)編號及其探測到的環(huán)境溫度和光照信息。

　　（3）無線環(huán)境監(jiān)測模擬裝置的探測時(shí)延不大于5s,監(jiān)測終端天線與探測節(jié)點(diǎn)天線的距離D 不小于10cm.在0 ~ 10cm 距離內(nèi)，各探測節(jié)點(diǎn)與監(jiān)測終端應(yīng)能正常通信。

　　2.發(fā)揮部分

　?。?）每個探測節(jié)點(diǎn)增加信息的轉(zhuǎn)發(fā)功能，節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)功能示意圖如圖2 所示。即探測節(jié)點(diǎn)B 的探測信息，能自動通過探測節(jié)點(diǎn)A 轉(zhuǎn)發(fā)，以增加監(jiān)測終端與節(jié)點(diǎn)B 之間的探測距離D+D1.該轉(zhuǎn)發(fā)功能應(yīng)自動識別完成，無需手動設(shè)置，且探測節(jié)點(diǎn)A、B可以互換位置。

　?。?）在監(jiān)測終端電源供給功率≤ 1W,無線環(huán)境監(jiān)測模擬裝置探測時(shí)延不大于5s 的條件下，使探測距離D+D1 達(dá)到50cm.

　?。?）盡量降低各探測節(jié)點(diǎn)的功耗，以延長干電池的供電時(shí)間。各探測節(jié)點(diǎn)應(yīng)預(yù)留干電池供電電流的測試端子。

　　（4）其他。

　　以ATmega16 單片機(jī)為，利用溫度傳感器、光敏電阻以及高速運(yùn)放等器件，結(jié)合ASK（幅移鍵控）調(diào)制技術(shù)，設(shè)計(jì)并制作了一套半雙工的無線環(huán)境監(jiān)測模擬裝置。該裝置由一個監(jiān)測終端和多個探測節(jié)點(diǎn)組成。其中，監(jiān)測終端具有數(shù)據(jù)通信、液晶顯示等功能；探測節(jié)點(diǎn)功能則包含編碼輸入、溫度檢測、光照檢測、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等。監(jiān)測終端能同時(shí)監(jiān)測各探測節(jié)點(diǎn)的溫度、光照、編碼等信息，并采用點(diǎn)陣式液晶屏顯示信息；探測節(jié)點(diǎn)之間能接收并自動轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)信息。該系統(tǒng)采用低功耗器件，具有造價(jià)低、工作穩(wěn)定可靠、速度快、數(shù)據(jù)傳輸率高等優(yōu)點(diǎn)，監(jiān)測端電源供給功率為625mW 時(shí)，探測距離D+D1 大于50cm.

　　二、方案比較與論證

　　本裝置由監(jiān)測終端監(jiān)測255 個探測節(jié)點(diǎn)，根據(jù)題目要求將系統(tǒng)分為兩大模塊，即監(jiān)測終端與探測節(jié)點(diǎn)，兩大模塊之間采用ASK（振幅鍵控）方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，以下對系統(tǒng)重要部分進(jìn)行方案論證。

　　1.調(diào)制方式選擇

　　方案一：采用ASK（振幅鍵控）電路。載波在數(shù)字信號1 或0 的控制下通或斷，在信號為1 的狀態(tài)波接通，此時(shí)傳輸通道上有載波出現(xiàn)；在信號為0 的狀態(tài)下，載波被關(guān)斷，此時(shí)傳輸信道上無載波傳送。那么接收端就可以根據(jù)載波的有無還原出數(shù)字信號的1 和0.對于二進(jìn)制幅度鍵控信號的頻帶寬度為二進(jìn)制基帶信號寬度的兩倍。ASK 波形如圖3 所示。

　　方案二：采用FSK（頻移鍵控）電路。頻移鍵控是利用兩個不同頻率f1 和f2 的振蕩源來代表信號1 和0,其波形如圖4 所示。用數(shù)字信號的1 和0 去控制兩個獨(dú)立的振蕩源交替輸出。

　　綜上所述，ASK（振幅鍵控）電路設(shè)計(jì)簡單，而FSK（頻移鍵控）電路需要可變的頻率信號，設(shè)計(jì)相對比較復(fù)雜，考慮到性價(jià)比等因素，選用方案一。

　　2.節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)功能選擇

　　方案一：采用TH71221可編程無線收發(fā)芯片。它可應(yīng)用于低功耗多通道或單通道半雙工數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，可工作在ISM 頻段（300 ~ 930M）。在可編程用戶模式下，通過使用一個外部壓控振蕩變?nèi)荻O管使它的工作頻率可低至27MHz。

　　方案二：采用小型繼電器控制發(fā)送與接收。當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，繼電器常開觸點(diǎn)閉合，數(shù)據(jù)通過圓形空芯線圈發(fā)送數(shù)據(jù)；當(dāng)節(jié)點(diǎn)不需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，繼電器常閉觸點(diǎn)導(dǎo)通，系統(tǒng)處在接收狀態(tài)。

　　綜上所述，采用方案一實(shí)現(xiàn)電路較為復(fù)雜，芯片價(jià)格昂貴，也不符合題意；采用方案二，不僅電路簡單，而且價(jià)格較低，考慮性價(jià)比等因素，選擇方案二。

　　3.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖

　　本裝置由一個監(jiān)測終端和多個探測節(jié)點(diǎn)組成，探測節(jié)點(diǎn)具有溫度、光照信息測量以及信息轉(zhuǎn)發(fā)等功能，而監(jiān)測終端則能接收各探測節(jié)點(diǎn)的環(huán)境溫度、光照等信息，并通過液晶屏顯示。探測節(jié)點(diǎn)上的溫度測量電路采用DS18B20 單總線數(shù)字溫度傳感器實(shí)現(xiàn)，其為 .光照探測采用單片機(jī)A/D 轉(zhuǎn)換器采集光敏電阻電壓實(shí)現(xiàn)。信號的處理以及接收部分采用高速運(yùn)放、小型繼電器等器件，結(jié)合LC 諧振電路實(shí)現(xiàn)。監(jiān)測終端與探測節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)框圖如圖5所示，信號處理電路的框圖如圖6 所示。

　　三、理論分析與計(jì)算

　　1.發(fā)射電路分析與計(jì)算

　　本裝置的發(fā)射電路主要由LC 諧振電路以及晶體振蕩器組成，采用的天線線圈為圓形空心線圈，兩線圈均為密繞線圈，匝數(shù)都為5 匝，線圈間的介質(zhì)為空氣。線圈直徑為3.4cm,用不大于1mm 的漆包線繞制。振蕩信號采用11.0952MHz 的有源晶振信號經(jīng)過放大后產(chǎn)生，根據(jù)LC 并聯(lián)諧振電路湯姆遜公式：

　　選取f=11.0952MHz 的頻率，實(shí)測電感線圈的容量為6μH,則計(jì)算出電容：C=3.3pF.

　　2.接收電路分析與計(jì)算

　　本裝置接收電路主要由放大電路、帶通濾波電路以及整形電路組成。放大電路采用高速運(yùn)放AD603 實(shí)現(xiàn)，圖7 所示為AD603 的典型應(yīng)用電路，該電路可以將信號放大30dB.

　　電感線圈接收到的編碼信號經(jīng)過放大電路放大后，通過LC 帶通濾波器將干擾信號濾除，然后再進(jìn)行放大以及整形及解調(diào)，將信號送至單片機(jī)RXD.LC 帶通濾波器的特征頻率f=11.0592MHz.

　　3.通信協(xié)議分析

　　由于要構(gòu)成監(jiān)測終端與探測節(jié)點(diǎn)的通信監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，通信接口與通信協(xié)議的選擇尤為重要。底層采用單片機(jī)的UART 串口通信協(xié)議進(jìn)行位同步和奇偶校驗(yàn)，高層采用幀校驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)錯誤幀則丟棄，以保證顯示數(shù)據(jù)正確。該通信協(xié)議由起始碼、站號、特征碼、命令碼、地址、數(shù)據(jù)、塊檢查碼以及結(jié)束碼等。圖8 所示為改通信協(xié)議格式。

　　四、電路與程序設(shè)計(jì)

　　1.硬件電路設(shè)計(jì)

　?。?）發(fā)射電路設(shè)計(jì)。

　　采用11.0952MHz 有源晶振作為振蕩器，其產(chǎn)生的信號與單片機(jī)的編碼信號送入電感線圈，電路圖如圖9 所示。

　?。?）接收電路設(shè)計(jì)。

　　信號前級采用高速運(yùn)放AD603 實(shí)現(xiàn)放大，該芯片具有寬頻帶、低噪聲、高增益度等特點(diǎn)，后級通過帶通濾波器濾除干擾信號，取出頻率為11.0952MHz 的頻率，然后再將信號放大、整形送至單片機(jī)RXD.圖10 為接收電路功能框圖，接收電路設(shè)計(jì)詳見圖14.

　?。?）電源電路設(shè)計(jì)。

　　探測節(jié)點(diǎn)采用兩節(jié)1.5V 電池串聯(lián)供電，由于高速運(yùn)放需正負(fù)電源，因此采用型號為A0505S 的DC-DC 逆變模塊，其輸出為5V.其連接電路圖詳見圖14 所示。

　　2. 總體電路設(shè)計(jì)

　　監(jiān)測終端與探測節(jié)點(diǎn)的收發(fā)電路結(jié)構(gòu)原理相同，其總體電路圖詳見圖14,圖15 為監(jiān)測終端與探測節(jié)點(diǎn)的單片機(jī)控制部分原理圖。

　　3.程序流程圖（見圖11、12、13）

　　五、測試方案與測試結(jié)果

　　1.調(diào)試方法儀器

　　用時(shí)序法作為本系統(tǒng)的測試方法，通過示波器測量各電路單元的頻率，并觀察其波形。測試所用儀器設(shè)備如表1 所示。

表1 測試使用的儀器設(shè)備。

　　2.基本要求測試

　?。?）溫度測量。

　　采用熱吹風(fēng)機(jī)吹溫度傳感器表面，并在傳感器旁邊放置一個水銀溫度計(jì)，監(jiān)測終端接收并顯示的溫度值逐漸上升，通過液晶顯示的數(shù)據(jù)與水銀溫度計(jì)的值逐一比較，得出其誤差范圍在0.5℃以內(nèi)。

　　根據(jù)DS18B20 的資料，該傳感器的的測量范圍為-55℃~ +125℃。該指標(biāo)優(yōu)于設(shè)計(jì)基本要求。

　?。?）其他項(xiàng)目測量，見表2.

　　3.發(fā)揮部分測試（見表3）

表3

　　4.結(jié)果分析

　　經(jīng)過詳細(xì)的理論計(jì)算，本系統(tǒng)各項(xiàng)測試指標(biāo)均達(dá)到要求，采用單片機(jī)USART 編/ 解碼程序結(jié)合ASK（振幅鍵控）調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，對增加傳輸距離和提高系統(tǒng)波形失真進(jìn)行了仔細(xì)的研究和實(shí)驗(yàn)，使該系統(tǒng)的指標(biāo)均滿足了設(shè)計(jì)要求。

　　六、主要元器件清單

　　1.監(jiān)測終端器件清單（見表4）。

　　2.探測節(jié)點(diǎn)器件清單（見表5）。