北台通讯微卫星实作与模拟实验.docx

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北台通讯微卫星实作与模拟实验

北台科學技術學院補助專題研究計畫成果報告□期中進度報告

北台通訊微衛星實作與模擬實驗

計畫類別：

實務型計畫□學術型計畫□改進教學型計畫

計畫編號：

NT－93－CCE－A01

執行期間：

　94年6月1日至　94年12月30日

計畫主持人：

林永燦

協同研究員蔡耀斌

NTISTsat-1communicationMicrosatellite

執行單位：

電腦與通訊工程系

摘要

微衛星通訊酬載是以89C51單晶片控制微衛星系統，監看微衛星系統是否

正常，包括電壓、溫度、電流等數據資料，以確保微衛星能不靠額外的人為因素，而能在偏遠的地區自給自足的利用太陽能充電，避免電力耗盡的情形發生，以達到持續監控、測量或記錄的目的，提供整個微衛星的正常運作，並能由電壓感測參數以維持電路運作。

衛星主體外圍是以十一片太陽能板包覆著，電源也由此太陽能板而產生，其作法係於有效吸收日照，以達太陽能板有效提供電源，在白天太陽隨著時間移

動時，能隨時保持充電狀態。

以供應夜晚功能得以正常運作。

而其收集的資料由89C51編碼後，由UBand（UHF430.88MHz）發送傳遞至地面站進行資料判讀以及儲存與分析。

中繼的部分提供下傳（UHF430.98MHz）以及上傳（VHF144.56MHz）。

NtistSAT為本校第二代微衛星，其版本非盡善盡美，因研究精神遠大於實質意義，期能夠充分了解到微衛星的運作情形，其主體內部的電路之複雜，包括系統規劃，軟體編寫，硬體電路，週圍系統偵測，RF發射模組（430.88MHZ）、主體規劃、地面站的接收、資料分析，各個細部所組合而成所完成的微衛星實驗，將這麼多複雜的部分，一一的組合起來。

完成一個微衛星並非一朝一夕所能達成的，大家的參與、集合及整合所有的設計理念是非常不易的。

雖然目前的功能跟原先所要求的目標有些許差異，但是許多功能，都可以完善的進行運作。

未來我們也會繼續朝著目標邁進，以實現我們的理想。

微衛星完成圖

系統功能

了解微衛星運轉工作，進而實現微衛星與地面站的通訊.監看微衛星系統是否正常，包括電池部份的電壓、溫度、充電電流、供電電流，太陽能板的表面溫度、電壓、電流，機構部份的模組溫度，利用太陽能來充電，以確保微衛星能不靠額外的人為因素，能在偏遠的地區自給自足，並且避免電池電力不足的情形，有了源源不絕的電力就可以將這些收集到的數據經由CPU處理後傳送到地面站，以達到監控、測量和記錄的目的，為了確保整個微衛星的正常運作，微衛星本身會自行監控電力，控制週邊裝置是否運作，避免電力消耗過度，微衛星停止運作。

透過模擬微衛星的專題研究，了解微衛星運轉工作，近而實現衛星與地面控制的通訊。

可以學習了解到以單晶片技術，完成自動控制的應用技術，以達到學術與理論的並行及驗證。

我們利用數個感測器來監測衛星主體目前狀態。

藉由這些感測電路並配合89C51的控制，持續的的監測電池部份的充電電壓/供電電壓/溫度/充電電流/輸出電流，太陽能板的表面溫度/電壓/電流，機構部份的模組溫度，將感測到的數值經單晶片的處裡後，其訊號經過編碼，再從射模組發送到地面站接收，並加以記錄及分析，如此即可隨時了解微衛星運作的情形。

微衛星本體會隨時監控週邊所消耗的電量，保持微衛星週而復始的運作。

我們還希望這顆衛星能夠對於所在的環境作一些偵測的工作，如:

偵測

氣溫的變化（相對濕度）、風速的變化、雨量的偵測……等等，將這些數據

傳到實驗室作為氣象偵測的參考，進而實現衛星與地面控制的通訊.監看

微衛星系統是否正常，送至微電腦作運算處理，以達到監控、測量或記錄

的目的。

還有能將微衛星的體積在縮小，重量再減輕，如此便可以更容易的送上太空，並且將機構的部分使用更好的材質，以對抗外太空的嚴酷環境的考驗。

微衛星系統架構方塊圖

圖（4）微衛星系統架構方塊圖

設計方法

（一）基本架構

微衛星主體

單晶片微控

編碼電路

太陽能及電源

感測系統

微衛星通訊酬載

微衛星

衛星主體結構

發射模組電路

地面接收站

遙測資料

分析軟體

資料收集記錄

微衛星基本架構圖

（二）單晶片腳位定義

P0_0~P0_7=ADC0809接收資料

P1_0=摩斯電碼發送腳位P1_1=RF模組電源控制

P1_2=電源控制P1_3=電源控制

P1_4=電源控制P1_5=溫度感測

P1_6=溫度感測P1_7=溫度感測

P2_0~P2_7=DTMF編碼傳送

P3_0=ADC0809控制P3_1=ADC0809控制

P3_2=ADC0809控制P3_3=ADC0809控制

P3_4=ADC0809控制

（三）電源系統方塊圖

電源系統方塊圖

穩壓方式可分為Switchregulator交換式降壓和Linearregulator線性降壓。

Switchregulator交換式降壓是利用不斷開關powerFET及電感電容充放電迴路來降壓穩壓性較差、成本高，但效率高散熱低特點是有線圈狀東西新的主機板都是用這種設計。

Linearregulator線性降壓是將input的5V以消耗熱能的方式降成3.3orother，電壓穩壓性佳、成本低，但效率差、散熱高，特點是有大大的散熱片。

由於Switchregulator交換式降壓電路雖然效率高，但是設計上，卻是很複雜，再加上對於我們在電路設計上沒有十足設計能力，所以我們使用了線性穩壓IC7805作為充電電路，可提供我們所需的輸出電壓5V，電流輸出1A。

（四）微衛星外觀

1.總結構

在結構主體上我們設計為長，寬，高皆20公分的正立方體，厚度0.1公分的不鏽鋼材質，而側翼長度為38.5公分，寬14.5公分。

其在內部使用了4根支柱，支柱長19.8公分，寬，高皆為3公分，利用可拆式支柱將正立方體的面與面結合，這樣的設計方式由於偏向開放式，所以在於內部系統的整合、配置、檢修，都較為方便。

以下按照圖示，依依解釋。

2.主體結構

為長，寬，高皆20公分的正立方體，厚度1mm的不鏽鋼材質（如圖14）

3.主體透視圖

藍色部份為支柱，一共使用了4根支柱，每個支柱上共有6個公牙孔。

首先先將4個支柱固定上，然後再將每個面依序鎖上，這樣的設計方法，省去了傳統支架佔位子，比較節省空間，對於內部空間的使用，可以更便利。

主體透視圖

4.衛星側翼

為長38.5公分，寬14.5公分，厚度0.1公分之不銹鋼板（圖16），我們將每片太陽能板固定在側翼上（圖17），其中使用高耐熱壓克力板做為太陽能板與金屬材質之間的絕緣體，而圖示中藍色部份為系統供電來源的太陽能板，然後我們利用不鏽鋼管將側翼與主體結構結合在一起（圖18）。

衛星側翼側面

衛星側翼俯視

衛星側翼連接

5.衛星側翼（背面）

其中利用不鏽鋼管支撐，使用了兩片U字型鐵片固定板面，由於起初概念為運用在地球上作為遙測用途，並非真正使用在太空中，所以在地面上可以配合緯度適當調整側翼傾斜角度，緯度越大，陽光越在南邊，為接受最大的陽光照射，太陽能板安裝應有傾斜角度，一般使用當地的緯度作為適當傾斜角度，為使光電板在冬天接受較大陽光，通常以緯度加上10~15度作為傾斜角度，例如在台灣緯度23度，則需傾斜33~38度左右。

操作實例

實際組裝及實地測試，我們在基本模擬測試方面花費了不少的時間，包含硬體再修改，軟體重新規劃製定還有我們的主體外觀上的加強。

太陽能板測試

我們將太陽能板短路測試，由早上6點~下午5點，每隔一小時測量一次，並且紀錄，由圖示中可得知，中午由於日照光強，所以電壓輸出高，那麼輸出電流相對也很大，對於充電時間更能快速充飽電力。

（如圖21）

太陽能板電壓變化圖

電路測試

測試微衛星內部電路是否可正確運作，這個部分花的時間最久，因為必須找出單晶片程式的錯誤，並且持續測試，修改單晶片程式，直到可以正常的運作。

由於單晶片的程式非常的多，所以我們分成很多的部分，一步一步的去做測試，最初先從基本的89C51的主板測試，再做電壓值、電流值、溫度值的測試，由於微衛星本身沒有可以監看的電路，所以我們另外做了一個七段顯示器的電路，與89C51連接，以便在測試的時候可以了解我們感測到的數值是否正確，這些測試完成之後，才是測試RF模組發送的情形，這個時候，就可以從電腦上收到微衛星電路板的資訊了。

內部規劃

完成各項測試後再來進行主體內部的擺放及規劃。

主體與電路板

地面接收站遙測資料分析

（一）系統功能

運用RF模組接收從衛星上所傳送回來的遙測資料，經由RS-232介面，將資料傳送到電腦，再利用VB程式軟體，撰寫接收資訊的介面，將所收集的資料，一項一項的陳列出來，並可以大量的紀錄從衛星上所收集到的資料。

我們所採用的的是DTMF的調變方式，DTMF編碼IC用於發射模式時，是將輸入的數位信號加以調變，也就是將數位信號調變成類比訊號再發送出去，以方便於無線電的傳輸，DTMF數據IC若為接收模式時，可以將所收到的類比訊號，解調恢復為原來的數位信號，所以透過DTMF的音頻調變方式將我們所接收到的遙測資料解碼為數位資料，再運用89c51單晶片將遙測資料透過RS-232介面傳送到電腦。

（二）硬體原理與說明

1.電路動作原理

a.MT8870DTMF解碼IC

MT8870是為一DTMF的專用解碼IC，它會將DTMF信號解成對應的BCD碼，作為數位式信號的輸出，其輸出端之位元衝值分別為Q1（LSB）、Q2、Q3、Q4（MSB）。

當MT8870有信號解碼輸出時，再通過STD信號腳，會送出一高態電位信號致能通知8051的P1.6，以使8051能即時的接收讀取被解碼的DTMF信號。

DTMF複頻解碼電路主要是將DTMF的信號解碼為─BCD碼的輸出。

由於DTMF是由二個不同的頻率複合而成，而所用的DTMFIC是為8870專用解碼IC，而將所解碼出來的信號，輸出到8951單晶片上。

本電路所採用之複頻解碼器的編號為MT8870，它是較被常用的一種方塊圖組合，是一個完整的DTMF接收器，當有按鍵之DTMF訊號進來時，高、低訊號分別經【高、低頻濾波器】，再由【數位檢知電路】檢測而加以解碼，解碼後所得到的相對【按鍵值】之二進值經由Q1、Q2、Q3、Q4輸出，因此CPU可經由Q1、Q2、Q3、Q4來接收此按鍵值資料；當MT8870輸出按鍵值的同時，其同步訊號線STD由【低電】升為【高電位】，當資料穩定後再降為【低電位】而產生【負緣訊號】，因STD接至CPU的INT0，所以此【負緣訊號】可使INT0產生中斷，而令CPU取按鍵值。

首先我們先了解8951單晶片功能特性，以及接腳輸入、輸出位置，研究指令集，和程式撰寫，並且查閱與8951相關之書藉以防止出現指令及電路上錯誤發生。

b.方法

首先我們先了解8951單晶片功能特性，以及接腳輸入、輸出位置，研究指令集，和程式撰寫，並且查閱與8951相關之書藉以防止出現指令及電路上錯誤發生。

c.步驟

c-1收集電路及程式資料。

c-2利用麵包板模擬電路、編寫程式指令。

c-3電路及程式除錯、測試電路。

c-4麵包板模擬成功後再將程式燒錄至8951單晶片。

c-5以VB程式撰寫主畫面。

本電路是利用8051來做程式的燒寫，以往所使用的8751IC在燒錄一次後，即不能再重覆燒寫，因此，可能在燒寫IC時因不小心造成的ERROR，使得燒寫程式不完全等等，而造成成本上的浪費