D題無線環(huán)境測模擬裝置

1、1無線環(huán)境監(jiān)測模擬裝置無線環(huán)境監(jiān)測模擬裝置作品介紹作品介紹 2010-7-202010-7-2020009 全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽高頻組高頻組 全體組員全體組員2賽題分析賽題分析設(shè)計方案介紹設(shè)計方案介紹 低功耗設(shè)計低功耗設(shè)計3設(shè)計任務(wù)：設(shè)計任務(wù)：設(shè)計并制作一個無線環(huán)境監(jiān)測模擬裝置，實現(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)點組成（實際制作2個）。監(jiān)測終端和探測節(jié)點均含一套無線收發(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。賽題分析賽題分析4基本要求基本要求基本要求：基本要求： 1、制作2個探測節(jié)點。探測節(jié)點有編號預(yù)置功能，碼預(yù)置范圍為

2、00000001b11111111b。探測節(jié)點能夠探測其環(huán)境溫度和光照信息。溫度測量范圍為0100，絕對誤差小于2；光照信息僅要求測量光的有無。探測節(jié)點采用兩節(jié)1.5v干電池串聯(lián)，單電源供電。（編碼開關(guān)，光敏電阻，溫度測量） 2、制作1個監(jiān)測終端，用外接單電源供電。探測節(jié)點分布示意圖如圖1所示。監(jiān)測終端可以分別與各探測節(jié)點直接通信，并能顯示當(dāng)前能夠通信的探測節(jié)點編號及其探測到的環(huán)境溫度和光照信息。（顯示節(jié)點環(huán)境信息） 3、無線環(huán)境監(jiān)測模擬裝置的探測時延不大于5s，監(jiān)測終端天線與探測節(jié)點天線的距離d不小于10cm。在010cm距離內(nèi)，各探測節(jié)點與監(jiān)測終端應(yīng)能正常通信。（10cm通訊）賽題分析賽題

3、分析5發(fā)揮部分：發(fā)揮部分： 1、每個探測節(jié)點增加信息的轉(zhuǎn)發(fā)功能，節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)功能示意圖如圖2所示。即探測節(jié)點b的探測信息，能自動通過探測節(jié)點a轉(zhuǎn)發(fā)，以增加監(jiān)測終端與節(jié)點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a、b可以互換位置。 2、在監(jiān)測終端電源供給功率1w，無線環(huán)境監(jiān)測模擬裝置探測時延不大于5s的條件下，使探測距離d+d1達到50cm。 3、盡量降低各探測節(jié)點的功耗，以延長干電池的供電時間。各探測節(jié)點應(yīng)預(yù)留干電池供電電流的測試端子。賽題分析賽題分析6說明：說明： 1、監(jiān)測終端和探測節(jié)點所用天線為圓形空芯線圈，用直徑不大于1mm的漆包線或有絕緣外皮的導(dǎo)線密繞5

4、圈制成。線圈直徑為(3.40.3)cm(可用一號電池作骨架) 2、無線傳輸載波頻率低于30mhz，調(diào)制方式自定。 3、監(jiān)測終端和探測節(jié)點不得使用除規(guī)定天線外的其他耦合方式。 4、無線收發(fā)電路需自制，不得采用無線收、發(fā)成品模塊。光照有無的變化，采用遮擋光電傳感器的方法實現(xiàn)。 賽題分析賽題分析7總體需求:終端：節(jié)點環(huán)境信息的顯示節(jié)點：電池供電，編碼開關(guān)-設(shè)定節(jié)點編號，溫度、光照。通信：線圈大小固定、基本要求10cm，發(fā)揮部分50cm。功耗：低功耗（無限制指標(biāo)）關(guān)鍵技術(shù)： 1、低電源電壓實現(xiàn)功率放大 2、收發(fā)共用天線實現(xiàn)雙工 3、涉及中繼的通信協(xié)議設(shè)計 4 4、低功耗設(shè)計、低功耗設(shè)計 賽題分析賽題分

5、析8系統(tǒng)整體框圖系統(tǒng)整體框圖節(jié)點和終端基本相同節(jié)點和終端基本相同終端顯示節(jié)點中繼通信節(jié)點中繼通信終端發(fā)出請求后終端發(fā)出請求后節(jié)點信息發(fā)送給終端節(jié)點信息發(fā)送給終端91011通信頻率、雙工方法選擇通信頻率、雙工方法選擇 調(diào)制方式采用調(diào)制方式采用ookook（2ask2ask），發(fā)射載波表示），發(fā)射載波表示1 1，不發(fā)射就是，不發(fā)射就是0 0。 終端及節(jié)點收發(fā)共用天線，系統(tǒng)通信方向只能采用半雙工。終端及節(jié)點收發(fā)共用天線，系統(tǒng)通信方向只能采用半雙工。 載波頻率要求小于載波頻率要求小于30m30m，實際選擇，實際選擇10.7m10.7m。 12 發(fā)射電路的選擇電源電壓：電源電壓：2.9-3v2.9-3v

6、；線圈電壓峰峰值：；線圈電壓峰峰值：60-70v60-70v并聯(lián)諧振：電壓源供電，線圈電壓小于激勵的電壓。并聯(lián)諧振：電壓源供電，線圈電壓小于激勵的電壓。串聯(lián)諧振：電流源供電，線圈電壓約為電源電壓串聯(lián)諧振：電流源供電，線圈電壓約為電源電壓q q倍。倍。為了提高線圈電壓為了提高線圈電壓只能采取其它方法只能采取其它方法13系統(tǒng)的發(fā)射電路系統(tǒng)是一個完整戊類放大器（系統(tǒng)是一個完整戊類放大器（e e類）類）14接收電路的選擇接收電路的選擇15振蕩器的設(shè)計振蕩器的設(shè)計發(fā)送發(fā)送0時振蕩器停振時振蕩器停振 一個與非門和一個晶振即可構(gòu)成振蕩器。振蕩器的啟停受msp430單片機控制。 16通信協(xié)議的設(shè)計通信協(xié)議的設(shè)

7、計 通信協(xié)議采用的是監(jiān)測終端發(fā)起同步傳輸，各個節(jié)點根據(jù)終端的同步信息同步自己的時鐘，然后在自己編號所分配的時隙內(nèi)依次傳輸。 信息的交換采用幀交換，每個幀由四個字節(jié)組成。 每一次發(fā)送或者接收都是以幀為單位。其中數(shù)據(jù)字節(jié)的低七位表示0-100度的溫度，最高位表示光照的有無，1為有，0為無。17通信協(xié)議的設(shè)計（續(xù)）通信協(xié)議的設(shè)計（續(xù)） 每個同步傳輸分為信息同步發(fā)送和中繼同步發(fā)送兩個階段。信息同步發(fā)送階段：收到終端同步信號的節(jié)點在分配給自己的時隙發(fā)送數(shù)據(jù)。 中繼同步發(fā)送階段：沒有收到終端同步信號的節(jié)點收到相鄰節(jié)點回復(fù)給終端的信息后，根據(jù)相鄰節(jié)點id計算本節(jié)點在中繼同步階段的時隙編號 ，并在中繼同步階段

8、自己的時隙內(nèi)發(fā)送中繼請求，目的id為監(jiān)聽到的節(jié)點中的任意一個，由選中的節(jié)點在下一個信息同步發(fā)送階段代替自己發(fā)送信息給終端。1819低功耗設(shè)計低功耗設(shè)計低功耗幾點建議：1、選擇單片機不能只看 靜態(tài)功耗。2、慎重選擇電源芯片。3、謹(jǐn)慎選擇傳感器4、 io口低功耗設(shè)計原因：單片機工作時的功耗要比休眠高出3個數(shù)量級。原因：電源芯片自身消耗了太多的能量原因：一些傳感器反應(yīng)慢，功耗大合理使用io口20低功耗低功耗mcu的選擇的選擇 以mirochip的pic24f16ka102為例，其超低休眠功耗為20na，是深度休眠功耗。睡眠時所有的寄存器數(shù)值都被復(fù)位，如要保存寄存器數(shù)據(jù)，需要存入內(nèi)部eeprom，即每

9、次喚醒都要重新初始化。 其它類似的問題很多，要完成低功耗設(shè)計不能只看待機功耗，還需綜合考慮。21低功耗低功耗mcumsp430系列單片機系列單片機msp430g2xx系列特性 0.1a ram 保持模式 0.4a 待機模式 (vlo) 0.7a 實時時鐘模式 220a/mips 工作模式 超快速地從待機模式喚醒 1 s22低功耗設(shè)計低功耗設(shè)計低功耗設(shè)計的幾點建議：1、選擇單片機不能只看 靜態(tài)功耗。2、慎重選擇電源芯片。3、謹(jǐn)慎選擇傳感器4、io口低功耗設(shè)計工作時的功耗要比休眠高出3個數(shù)量級。芯片自身消耗了太多的能量部分傳感器反應(yīng)慢、功耗大合理使用io口23低功耗低功耗不要使用普通電源芯片不要使

10、用普通電源芯片常用的1117-3.3的芯片，即使沒有負(fù)載，靜態(tài)電流就有1ma-10ma，是系統(tǒng)功耗的很多倍。電源芯片本身比單片機還要耗電！所以盡量不要選1117，7805.24低功耗設(shè)計低功耗設(shè)計低功耗設(shè)計的幾點建議：1、選擇單片機不能只看 靜態(tài)功耗。2、慎重選擇電源芯片。3、謹(jǐn)慎選擇傳感器4、 io口低功耗設(shè)計工作時的功耗要比休眠高出3個數(shù)量級。芯片自身消耗了太多的能量部分傳感器反應(yīng)慢、功耗大合理使用io口低功耗低功耗-溫度傳感器溫度傳感器ds18b20集成溫度傳感器 ds18b20傳感器本身工作電流就接近1ma，更重要的是，對其進行讀寫時，msp430需要很長的操作時間，不能休眠，功耗更大

11、。ds18b20成本低，可用于工業(yè)控制。但是速度慢功耗高，不適合低功耗應(yīng)用26低功耗低功耗-溫度傳感器（續(xù)）溫度傳感器（續(xù)）msp430f5438片內(nèi)傳感器：讀寫時間短、工作電流低溫度信息2秒更新一次，2秒時間內(nèi)只用工作30us。功耗幾乎可以忽略。是很好的選擇。 430內(nèi)部傳感器的資料：27低功耗低功耗-溫度傳感器溫度傳感器tmp溫度傳感器靜態(tài)電流50ua。也是很好的選擇28低功耗設(shè)計低功耗設(shè)計低功耗設(shè)計的幾點建議：1、選擇單片機不能只看 靜態(tài)功耗。2、慎重選擇電源芯片。3、謹(jǐn)慎選擇傳感器4、 io口低功耗設(shè)計工作時的功耗要比休眠高出3個數(shù)量級。芯片自身消耗了太多的能量部分傳感器反應(yīng)慢、功耗大

12、合理使用io口29低功耗低功耗-io口設(shè)計口設(shè)計上拉下拉電阻取值必須仔細(xì)考量。光敏電阻實測：無光時電阻800k-900k，有光時僅1k。有光照時讀到低電平。無光照時讀到高電平。如果有漏光，無光時光敏電阻值為100k，則可能出現(xiàn)誤讀。所以需要良好遮光。30其它實現(xiàn)方案其它實現(xiàn)方案獎 勵 等獎 勵 等級級學(xué)校學(xué)校功耗功耗通信通信距離距離方案方案主控主控發(fā)射發(fā)射接收接收測溫測溫國 家 一國 家 一等獎等獎西安電子科西安電子科技大學(xué)技大學(xué)6 0 mw1 7 0cm4308550,ask晶 體 管 級 聯(lián) 放晶 體 管 級 聯(lián) 放大大,lmc567ds18b20國 家 一國 家 一等獎等獎華中科技大華中

13、科技大學(xué)學(xué)9mw6 0 cm4302sc3355,ook晶 體 管 級 聯(lián) 放晶 體 管 級 聯(lián) 放大大,tlc372430片內(nèi)片內(nèi)國 家 一國 家 一等獎等獎西北工業(yè)大西北工業(yè)大學(xué)學(xué)450mw6 0 cmc80519018,ask晶 體 管 級 聯(lián) 放晶 體 管 級 聯(lián) 放大大,mc3458lm75國 家 一國 家 一等獎等獎成都信息工成都信息工程學(xué)院程學(xué)院9mw未見未見4309018,fskka8515,bb機機專用芯片專用芯片tmp275國 家 一國 家 一等獎等獎成都信息工成都信息工程學(xué)院程學(xué)院1 1 mw1 2 1cm4309018,fskan1184,bb機機專用芯片專用芯片tmp275國 家 二國 家 二等獎等獎西安電子科西安電子科技大學(xué)技大學(xué)1000mw1 0 cm430mc1648，9018 晶 體 管 級 聯(lián) 放晶 體 管 級 聯(lián) 放大大,lmc567tmp100國 家 二國 家 二