传感器网络节点设计.docx
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传感器网络节点设计
前言
随着电子科学技术迅猛发展，各种新型器件，智能化电器及产品在国民紧经济各个领域和人民生活各个方面得到了日益广泛的应用。
为了给费者提供更多的方便，我们设计了一款无线遥控节能灯，可以实现中远程控制。
当按下遥控A键时一盏灯亮，再按一次灯灭，当按下遥控B键时两盏灯亮，再按一次灯灭，以此类推。
本次设计的基于AT89C2051多路无线遥控节能灯控制器分别由电源部分，发射部分，接收部分，控制部分和驱动部分组成。
电路具有高保密度遥控距离员工性能稳定可靠和静态功耗低等特点，实现对多路等的开关进行控制，遥控价格低廉，工作稳定可靠，且空间体积小外形美观，共有四个按键。
通过本次的设计使学生能够全面的巩固和应用数字电路和模拟电路的基本理论知识，设计简单使用的电力电子控制器件，解决生活中的实际问题。
培养学生独立思考问题，解决问题和分析问题的能力。
根据提出的问题，探索不一样的设计方案。
优化并选择较好的方案，为个人今后探索问题界却问题起到启蒙作用。
通过查找资料使学生了解电子技术发展的动向，启迪思维，开拓视野。
此设计具有一定的实用性，广泛应用于日常生活中，有一定的节能功能.
无线传感器网络是由多个带有传感器、数据处理单元和通信模块的节点组织而成的网络，因为在军事、工业、医疗、农业等领域的巨大应用前景而成为近年来的研究热点。
由于无线传感器节点通常工作在人们难以触及的环境中，并且节点能量有限，难以补充，所以降低功耗、延长使用寿命成为无线传感器网络设计的核心问题。
因此，传感器网络的体系结构、通信协议、算法、电路和感知都必须满足能量有效性。
就降低单个无线传感器节点功耗而言，除在硬件设计时采用低功耗元件外，动态功率管理（DynamicPowerManagement，DPM）和动态电压调节（DynamicVoltageSupply，DVS）都能有效地降低系统功耗。
DPM的基本原理是传感器节点内部各个设备根据需求在不同工作状态下进行转换，减少节点不必要的开支，DPM能尽可能使系统各部分运行在节能模式下，从而降低系统功耗。
本文从低功耗设计的角度出发，介绍了无线传感器节点系统组成，分析了DPM原理及其算法，研究了混合自动控制并对其进行改进，最后通过在MSP430和nRF905
无线加速度传感器系统中介绍了改进的混合自动控制算法的应用。
第一章设计目的与任务
1.1设计目的
1）使学生能够全面的巩固和应用数字电路和模拟电路的基本理论知识，设计简单使用的电力电子控制器件，解决生活中的实际问题。
2）培养学生独立思考问题，解决问题和分析问题的能力。
根据提出的问题，探索不一样的设计方案。
优化并选择较好的方案，为个人今后探索问题界却问题起到启蒙作用。
1.2设计任务
本次设计应完成《多路无线遥控灯节能控制器》电路系统设计，主要包括无线遥控收发，编码，转换，驱动以及电源电路等，变传统的拉式，按键等开关用线，施工麻烦等缺点，可以方便使用者的控制。
为此要求：
1）充分论证的基础上，确定整机总体方案图；
2）设计单元电路,并在保证各单元电路的前提下,优化技术指标,减少成本;
3）绘制整机电路原理图,并叙述其工作原理过程;
4）关键元器件的虚悬则说明和计算,列出元器件目录;
5）根据个人情况,收发电路可使用F05,编辑电路使用
1.3使用说明
本设计由四个按键遥控器和四个继电器的接受组件两部分组成，电路采用高稳定无线电收发模块和遥控专用解码电路，不受方向限制，具有保密度高，遥控距离远，性能稳定可靠和静电功耗低等特点，实现里对四路灯的开关控制，遥控价格低廉，遥控器体积小，外观优美共有四个按键。
第二章总方案设计及论证
2.1系统构架总框图
我们将系统划分为四大系统：
单片机控制系统、遥控系统、驱动系统和电源系统模块，其总框图如图1所示。
为实现各模块的功能，分别做了几种不同的设计方案进行论证，以便选取较好方案来实现。
图1系统构架总框图
接受与发射单元
2.2遥控系统设计
遥控系统设计主要分为：
发射部分、接收部分设计。
在第一章课题分析中，我们已经决定采用无线电收发的方式来进行遥控，下面我们将针对无线电收发的方式来设计遥控系统。
发射部分：
（1）遥控系统设方框图：
（2）编码发射
编码发射部分电路原理图：
编码芯片采用CCS2520
芯片CCS2520发出的编码信号由：
地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字，解码芯片CCS2520接收到信号后，其地址码经过两次比较核对后，VT脚才输出高电平，与此同时相应的数据脚也输出高电平，如果发送端一直按住按键，编码芯片也会连续
发射。
当发射机没有按键按下时，CCS2520不接通电源，其17脚为低电平，所以315MHz的高频发射电路不工作，当有按键按下时，CCS2520得电工作，其第17脚输出经调制的串行数据信号，当17脚为高电平期间315MHz的高频发射电路起振并发射等幅高频信号，当17脚为低平期间315MHz的高频发射电路停止振荡，所以高频发射电路完全收控于CCS2520的17脚输出的数字信号。
编码芯片CCS2520特点:
∙CMOS工艺制造，低功耗
∙外部元器件少
∙RC振荡电阻
∙工作电压范围宽：
2.6-15v
∙数据最多可达6位
∙地址码最多可达531441种
编码器采用CCS2520振荡电阻取3.3M效果较好。
17脚无信号输出时，FO5B不工作发射电流为零；当14脚为低电平时，17脚输出已设定的编码脉冲对FO5B进行调制发射，通过测试F05B工作电流可大致判断F05B是否处于正常发射状态,空码时加天线时发射电流约6mA左右，调整R2可调整发射电流，在具体的应用中，外接振荡电阻可根据需要进行适当的调节，阻值越大振荡频率越慢，编码的宽度越大，发码一帧的时间越长.CCS2520是台湾普城公司生产的一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编解码电路，cc2520最多可有12位（A0-A11）三态地址端管脚（悬空,接高电平,接低电平）,任意组合可提供531441地址码,CCS2520最多可有6位（D0-D5）数据端管脚,设定的地址码和数据码从17脚串行输出，可用于无线遥控发射电路。
发射模块
发射部分电路主要由无线电数据发射模块F05B和编码芯片CCS2520组成.
发射模块采用F05B的理由：
在满足接收单元主要技术参数要求下有如下优点：
◆频率一致性较好，又免调试，
◆具有较宽的工作电压范围及低功耗特性
◆具有较好的发射效果，发射电流约5-8mA
发射模块F05B性能参数：
◆发射频率：
315M300M433M
◆工作电压：
3-12V
◆发射电流：
2-10mA
◆发射功率：
10mW
◆频率稳定度：
10-5 （声表稳频）
◆工作温度：
-40℃-+60℃
◆体积：
8×32×6mm（高×宽×厚）
应用发射模块F05B应注意事项：
FO5B是采用声表谐振器稳频，SMT树脂封装，频率一致性较好，免调试，一般的LC振荡器频率稳定度及一致性较差，即使采用高品质微调电容，温差变化及振动也很难保证已调好的频点不会发生偏移。
F05B具有较宽的工作电压范围及低功耗特性，当发射电压为3V时，发射电流约2mA，发射功率较小，12V为最佳工作电压，具有较好的发射效果，发射电流约5-8mA，大于l2V直流功耗增大，有效发射功率不再明显提高。
FO5B采用AM方式调制以降低功耗，数据信号停止，发射电流降为零，数据信号与FO5B用电阻而不能用电容耦合，否则FO5B将不能正常工作。
数据电平应接近F05B的实际工作电压以获得较高的调制效果，FO5B对过宽的调制信号易引起调制效率下降，收发距离变近。
当高电平脉冲宽度在0.08-1ms时发射效果较好，大于1ms后效率开始下降；当低电平区大于10ms，接收到的数据第一位极易被干扰（即零电平干扰）而引起不解码。
如采用CPU编译码可在数据识别位前加一些乱码以抑制零电平干扰，若是通用编解码器，可调整振荡电阻使每组码中间的低电平区小于10ms。
FO5B输入端平时应处于低电平状态，输入的数据信号应是正逻辑电平，幅度最高不应超过FO5的工作电压。
F05B天线长度可从0-250mm选用，也可无天线发射，但发射效率下降FO5B应垂直安装在印板边部，应离开周围器件5mm以上，以免受分布参数影晌而停振。
FO5B发射距离与调制信号頻率幅度，发射电压及电池容量，发射天线，接收机灵敏度及收发环境有关。
FO5B用PT2262编码器加240mm小拉杆天线在开阔区最大发射距离约250米，在障碍区相对要近，由于折射反射会形成一些死区及不稳定区域，不同的收发环境会有不同的收发距离。
如需更远的可靠距离，可在FO5的输出端增加一级射频功率放大器。
（3）接收解码
接收部分应由无线数据接收模块J05B和解码芯片mp430PT组成.这是因为接收模块J05B是和发射模块F05B配合使用，解码芯片mp430是和编码芯片cc2520配合使用的.
解码器mp430震荡器电阻取680K,编码器应为3.3M,17脚为解码有效指示端.解码时输出直流高电平,可驱动一支LED发光指示.8,10—13脚为五路数据输出,与cc2520对应.
2.3电源系统设计
电源系统主要分四部分：
降压、整流、滤波、稳压。
（1）降压电路
由于PT2272需要3~8V直流电压，因此需要50Hz,220V的交流电压降到所需要的电压,有为了使后级的三端温压器能正常工作,在本电路中选用变压器降压初级为220V,次级为9V.
（2）整流电路
利用二极管的单向导电性将交流电压变为脉动直流电压,本电路选用的是桥试整流电路.
它由四个二极管作为整流元件,连接成电桥形式,VD1和VD2的阳极连接在一起,该处输出直流电压正极,同时,VD3和VD4的阳极接在一起,该处输出直流电压的负极.电桥的另两端加入待整流的交流电压.电压的输出平均植是U0=0.9U2流过二极管,因为VD1,VD2,VD3和VD4的导通时间均为半个周期.故流过每个管子的负载电流的一半.
IVD=1/2I0=0.45U2/RL
（3）滤波电路
整流电路的输出电压是单向脉动电流,但因脉动较大,含有较多的交流成分,
不能给电子设备供电,为了输出较为平滑的支流电压,需在整流电路后设有滤波电路.这里采用的是电容滤波.
从电容特性来看,由于电容两端的电压不能突变,因此,若将一大容量的电容与负载并联,则负载两端的电压也不会突变,使得输出的电压得以平滑,从而实现滤波的目的.
滤波后不但脉动减小,且输出电压的平均值也有所提高,电容滤波简单波纹小,缺点是输出特性差,试于电流小的电路中.
（4）稳压电路
交流电经整流滤波能得到平滑的直流电压,但是的输出电网电压波动和负载变化时,输出的电压也随之变化.因此还需要一个稳压电路使输出电压的电网波动和负载变化基本稳定在某一值.这里选用三端稳压器.
电容C1在输入较长时抵消其电感效应,以防止产生自激震荡;C2是为了消除电路高频燥声,改善负载的瞬间响应.
注:
在选用三端稳压器时应注意以下事项：
◆最大输入电压是指稳压器安全工作时允许外加的最大电压值
◆最小输入输出电压差即保证稳压器正常工作所需要的最小输入输出电压差.
◆最大输入电流是指稳压器安全工作时允许的最大输出电流
◆为保证稳压器正常工作,最小输出的电压差至少为2~3V.
第三章整机原理
我们将整个设计划分为四大系统：
即单片机控制系统、遥控系统、驱动系统和电源系统，来实现三大功能:
即发射、接受和控制。
3.1整机原理图
3.2整机原理说明
（1）发射部分
首先，发射部分采用了编码器CCS2520和无线电发射模块F05B，无线电发射部分采用的是新型的12V干电池提供的工作电压。
当发射机没有按键按下时，PT2262不接通电源，其17脚为低电平，所以315MHz的高频发射电路不工作，当有按键按下时，CCS2520得电工作，其第17脚输出经调制的串行数据信号。
注意：
17脚为高电平期间315MHz的高频发射电路起振并发射等幅高频信号，当17脚为低平期间315MHz的高频发射电路停止振荡，所以高频发射电路完全收控于PT2262的17脚输出的数字信号
（2）接收部分
接收部分采用了与发射部分配套的译码器PT2272与接收模块J05B。
其电源由变压器220V转变为9V，通过整流桥整流，电容进行滤波，稳压管稳压得到直流的5V电压。
当J05B接收到发射的高频信号时，第二管脚输出信号并直接送入PT2272解码器的14脚进行解码。
若PT2272地址端的电平高低与发射机的地址码相同时，其解码输出有效端的17脚就输出与发射机按键时间同步的高平。
按下A时，PT2262得电，17为高电平输出数据并使F05B发射315MHZ的信号。
J05收到该信号2脚输出信号送入PT2272的14脚进行解码，得到该解码信号的高点平。
（3）控制部分：
芯片MP430的P1口是一个内部带上拉电阻的准双向I/O口，输入口为P1.0—P1.3，输出为P1.4—P1.7，PT2272的输出管脚13脚接在P1.0口上。
根据以下程序，P1.0=1，执行转移至L1，然后R1加1，若它=#01H，则向下执行，P1.4就会置1，P1.5P1.6P1.7就会置0，通过二极管，这时三极管饱和导通，继电器线圈带电，触点吸合，实现1个灯亮。
若再按下A时，此时，R1的值变为#02，≠01H，则执行MAIN，此时灯灭。
当按下B时，CCS2520得电，17脚为高电平输出数据并使F05B发出315MHZ的信号。
J05B收到该信号2脚输出信号送入PT2272的14脚进行解码，得到该解码信号为高点平，通过PT2272的12脚，根据程序，P1.1=1，执行转移至L2，然后R2加1，若它=#1H，则向下执行，P1.4P1.5就会置1，P1.6P1.7就会置0，通过二极管，这是三极管饱和导通，继电器线圈得电，触电吸合，实现2个灯亮。
若再按下B键时，此时，R2的值变为#02H。
≠01H，则执行MAIN，此时灯灭。
C键和D键依次类推。
第四章系统调试
经过了硬件和软件的设计后，在理论上已经达到了设计的要求，可是要确保遥控性能的稳定，实现大批量生产，就需要我们对遥控的开关量功能和遥控的稳定性进行测试。
4.1遥控输入输出对应关系表
按键序号
次数
对应发
光二极管
状态
对应控制灯
A
1
发光
开启
亮
2
灭
关闭
灭
B
1
发光
开启
亮
2
灭
关闭
灭
C
1
发光
开启
亮
2
灭
关闭
灭
D
1
发光
开启
亮
2
灭
关闭
灭
经过反复多轮测试，实际输入输出量与上表完全吻合，设计成功，可生产并投入使用。
第五章总结
时间的车轮滚滚向前，转眼间，三年的大学生活就要结束了。
在即将离开校园，踏上社会，搏击人生的最后一刻，我们将对自己做最后一次的考验。
本次毕业设计课题是《基于AT89C2051四路无线遥控节能灯控制器》。
经了一个多月的资料查询与反复论证，本设计终于顺利完成。
在本次设计过程中，给我最大的感言就是：
书到用时方恨少。
有些设计常识竟然不明白，看似很简单的原理电路，要动手把它给设计出来，也是不太容易的。
主要原因是我们平时没有动手设计过电路，还有在校期间没有为自己整理出一手详尽的电路资料，导致在设计初期忙乱而没有实质性的进展。
这就要求我们在以后的学习生活中，加强这一点，更重要的是我们要学会把从书本中学到的知识和实际的情况、环境都联系起来，解决现实存在的问题。
更切和实际的说，就是我们要在新的工作岗位上，处处留心，勤于思考，善于总结，给自己准备一手资料，以便自己在工作中能得心应手。
通过本次课程设计，巩固了我们学习过的专业知识，也使我们把理论与实践从真正意义上相结合了起来；考验了我们借助互联网络搜集、查阅相关文献资料，和组织材料的综合能力；通过使用Protel99se,让我重新温习了有关设计软件，也对电子设计软件有了新的认识。
经过本次设计使我对大学三年期间所学习到的知识有了更深刻的认识和理解，在一定程度上培养了自己独立思考、不畏困难、迎难而上的精神，坚定了人生的信念。
最后，衷心的感谢在本次设计中给予我们耐心指导的李老师，感谢在本次设计中各位组员的积极配合。
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