【正文】 700mv，此時相當(dāng)于輸出的PH值為7；，調(diào)節(jié)P2，使得電路輸出為1400mv，此時相對于輸出的PH值為14，然后PH信號調(diào)理電路板便可以正常工作了。 渾濁度調(diào)理電路設(shè)計 濁度檢測原理由物理學(xué)光學(xué)的知識，當(dāng)一束平行光由空氣垂直照射到被測的水中，在水的深度Y處，其光強可表示為： （） 其中：K0(這邊下標(biāo)有問題)表示入射角為0176。時光從空氣到水中的透射系數(shù)，K1為溶液對光的吸收系數(shù)。I0(這邊下標(biāo)有問題)為入射光強度，T為濁度[42]。當(dāng)溶液中微粒大小均勻時，某一區(qū)域的dy，在某方向的散射光也與濁度成正比： （） 其中：K2為溶液對光的散射系數(shù)，IY為Y處的光強。水下散射式濁度傳感器光學(xué)原理如圖311所示。圖 311 水下散射式濁度傳感器光學(xué)原理（好像不能將圖跟標(biāo)號分在兩頁）水平軸下面充滿水，有一光束強度為I0(這邊下標(biāo)有問題)入射到水面，一部分經(jīng)表面反射，另一部分進入水面?zhèn)鞑ィ瑒t在Y坐標(biāo)的小區(qū)域內(nèi)即dy，其X方向的散射光，可用（）和（）得到： （）因為X方向的散射光經(jīng)水的X方向吸收后過段距離后才能進入光電池，故實際到達(dá)光電池的散射光強為： （）式中X為散射光到達(dá)光電池的距離。因此從0到Y(jié)0(這邊下標(biāo)有問題)，X方向的總散射光強為： （） 對和進行泰勒展開，得式 （） （） 當(dāng)T較小且光電池和散射光的距離很短即X非常小的時候，則有1，其二次項更小，此時對其一次項和所有的二次項忽略不計，得式（） ≈ （） 即到達(dá)光電池的光強與入射光強I0(這邊下標(biāo)有問題)和濁度T成正比。水下散射式濁度傳感器如圖312所示。圖 312 水下散射式濁度傳感器信號調(diào)理電路主要是對濁度信號的前期轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后能夠輸入到cc2430單片機中，并進行處理。硅光電池將散射光信號轉(zhuǎn)換成電流信號，但電流信號非常微弱,0~10uA，需要經(jīng)過放大器放大，并最終輸出到控制芯片。根據(jù)測量原理設(shè)計的濁度調(diào)理電路，如圖313所示。圖 313 濁度調(diào)理電路該濁度調(diào)理電路是由美國INTERSIL公司的CA3140芯片和通用TL082芯片構(gòu)成的精密匹配電路。其中起放大作用的器件是運放CA3140，而TL082是電壓跟隨器，提高輸入電阻，降低輸出電阻，提高帶負(fù)載能力。它們使用的供電電源皆是177。12V。其中，標(biāo)有Au和Ag符號的為調(diào)理電路的信號輸入端，其中Au接光電池的正端，Ag接光電池的負(fù)端。因為光電池是一電流源，內(nèi)阻很大，電流很小，這么小的電流不足以驅(qū)動，需要將其疊加在一個直流信號上，來測量變化量。因此設(shè)計了圖中虛線框內(nèi)所示的直流信號電路產(chǎn)生電路。由電壓跟隨器TL082的3腳輸入端連接滑動變阻器P1，滑動變阻器P1和電容C電阻及三端穩(wěn)壓器LM336相并聯(lián)。通過調(diào)節(jié)滑動變阻器P1，使得滑動端將電壓穩(wěn)定在一定值Uo1，并使得其值稍微大于開啟電壓Uon=，后通過運放TL082，此時輸出電阻接近為零，使得輸出的電壓值穩(wěn)定在Uo1，為運放內(nèi)部的晶體管提供一個靜態(tài)工作點，使得晶體管工作在放大區(qū)，輸出信號不產(chǎn)生失真。圖中標(biāo)有Nout符號的為調(diào)理電路的信號輸出端，送入cc2430單片機。放大器CA3140的輸入和輸出端并聯(lián)反饋電阻R3和電容C2，在放大器CA3140的兩腳間連接一個可調(diào)電阻P2，放大器CA3140的另一端連接電阻R2后接地。放大倍數(shù)由外圍反饋電阻R3決定，其值約為820K(歐姆)，這樣由信號調(diào)理電路的輸出電壓 （）在進行濁度測量之前應(yīng)該對硬件電路進行調(diào)試，再對算放大器CA3140調(diào)零。 ZigBee無線通信模塊設(shè)計在進行ZigBee無線通信模塊的設(shè)計時，無線芯片的選擇是至關(guān)重要的，針對具體的應(yīng)用作出恰當(dāng)選擇不但有助于降低成本，還可以使設(shè)計周期縮短、提高產(chǎn)品性能。應(yīng)從兩個方面進行考慮：微處理器和無線射頻部分。微處理器要求有集成度高、功耗低支持休眠模式、成本低等；無線射頻部分須考慮發(fā)射功率、數(shù)據(jù)傳輸?shù)木幋a方式、抗干擾能力、接收靈敏度等[43]。基于上述考慮，本設(shè)計中無線芯片選擇TI公司的原廠芯片CC2430片上系統(tǒng),其集成了增強工業(yè)級的8051MCU、無線射頻收發(fā)器，并內(nèi)置了ZigBee協(xié)議棧，具體特點包括以下一些方面[44]：1) 高性能、低功耗的8051微控制器內(nèi)核， ；極高的接收靈敏度和抗干擾能力。2) 32KB/64KB/128KB的閃存，8KBSRAM，具備在各種供電方式下的數(shù)據(jù)保持能力；強大的DMA功能。3) 只需極少的外接元件，只需一個晶體(好像差字)即可滿足組網(wǎng)需求，電流消耗?。ó?dāng)微控制器內(nèi)核運行在32MHz時，RX為27mA，TX為25mA）。4) 掉電方式下，外部中斷或者實時時鐘（RTC）使能喚醒系統(tǒng)，電源電壓寬（~）。5) 硬件支持避免沖突的載波偵聽多路存取（CSMACA），帶有電池監(jiān)視器和溫度傳感器，支持硬件調(diào)試。6) 支持?jǐn)?shù)字化的接收強度信號指示器/鏈路質(zhì)量指示（RSSI/LQI）,具有高級加密標(biāo)準(zhǔn)（AES）協(xié)處理器。7) 具有8路輸入8位~14位ADC，2個支持多種串行通信協(xié)議的USART，1個通用的16位和2個8位定時器。8) 可編程看門狗，（MAC）定時器，21個通用I/O引腳其中2個具有20mA的電流吸收或電流供給能力。9) 支持硬件調(diào)試，提供強大、靈活的開發(fā)工具，小尺寸QLP48封裝（7mm7mm）共有48個引腳。CC2430芯片需要很少的外圍部件配合就能實現(xiàn)信號的收發(fā)功能。圖314為CC2430芯片的一種典型硬件應(yīng)用電路。電路使用一個非平衡天線，連接非平衡變壓器可使天線性能更好。電路中的非平衡變壓器由電容C341和電感L34L32L331以及一個PCB微波 傳輸線組成，整個結(jié)構(gòu)滿足RF輸入/輸出匹配電阻(50Ω)的要求。內(nèi)部T/R交換電路完成LNA和PA之問(間)的交換。R221和R261為偏置電阻，電阻 R221主要用來為32MHz的晶振提供一個合適的工作電流。用1個32MHz的石英諧振器(XTAL1)和2個電容(C191和C211)構(gòu)成一個32 MHz的晶振電路。 kHz的石英諧振器(XTAL2)和2個電容(CA41和CA31) kHz的晶振電路。 V電壓的引腳和內(nèi)部電源供電，C241和C421電容是去耦合電容，用來電源濾波，以提高芯片工作的穩(wěn)定性[45]。圖 314 CC2430外圍參考電路 串口通信模塊設(shè)計協(xié)調(diào)器收到采集節(jié)點發(fā)過來的數(shù)據(jù)后，一方面要在協(xié)調(diào)器節(jié)點的液晶模塊顯示，另一方面通過它的UART串行接口把數(shù)據(jù)送到GPRS模塊，以實現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸。但是CC2430單片機的的串口是標(biāo)準(zhǔn)TTL電平，而本系統(tǒng)設(shè)計所用GPRS模塊的串口是標(biāo)準(zhǔn)RS232C協(xié)議電平 (邏輯“1”是從3V到25V，通常為12V；邏輯“0”從3V到25V，通常為12V；而3V～+3V之間的任何電壓都處于未定義邏輯狀態(tài)[35]。電平不匹配，要實現(xiàn)協(xié)調(diào)器節(jié)點和GPRS模塊的通信須進行電平轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)采用MAX3232E作為電平轉(zhuǎn)換芯片。其電路圖如圖315所示。MAX232A為系統(tǒng)提供了電平轉(zhuǎn)換功能，使得系統(tǒng)能直接跟GPRS模塊的串口進行通信。連接口使用標(biāo)準(zhǔn)9針接口，連接線采用最簡單的3線連接。圖 315 CC2430與GPRS的接口電路 液晶顯示模塊設(shè)計為使得在水產(chǎn)養(yǎng)殖現(xiàn)場工作時也能了解水環(huán)境的各個參數(shù)，本文在協(xié)調(diào)器節(jié)點進行了液晶顯示模塊的設(shè)計。模塊采用金鵬電子公司的OCMJ4*8系列中文液晶顯示器實時顯示亞硝酸鹽、溶鹽度(有錯誤，溶氧和鹽度)等參數(shù)值。該液晶顯示器內(nèi)含GB2312 1616點陣國標(biāo)一級簡體漢字和ASCII88點陣英文字庫，可顯示字母、數(shù)字符號、中文字型及圖形，具有繪圖及文字畫面混合顯示功能。用戶硬件接口采用 ASK/ANSWER無時序握手協(xié)議，如圖316所示。ASK=1 表示OCMJ 忙于內(nèi)部處理，不能接收用戶命令；ASK=1 表示OCMJ 空閑，等待接收用戶命令。發(fā)送用戶命令到 OCMJ可在 ASK=0 后的任意時刻開始，先把用戶命令的當(dāng)前字節(jié)放到數(shù)據(jù)線上，接著發(fā)高電平ANSWER 脈沖把當(dāng)前用戶命令字節(jié)鎖存到 OCMJ 中。然后判斷OCMJ模塊是否在忙于內(nèi)部處理數(shù)據(jù)，如果ASK=1，那么把ANSWER拉低，等待下一次（ASK=0）再送下一個數(shù)據(jù)。圖 316 ASK/ANSWER無時序握手協(xié)議該模塊同時提供了2線串行、3線串行、4位并行、8位并行等多種接口方式以便于和多種微處理器進行接口設(shè)計。模塊內(nèi)置升壓電路，無需負(fù)壓配置LED背光，～。本文中CC2430和液晶模塊的接口選擇8位串行連接方式，具體電路連接如圖317所示。圖 317 濁度液晶顯示電路 GPRS模塊設(shè)計 GPRS模塊硬件設(shè)計GPRS模塊硬件設(shè)計主要有如下幾個方面:1) 電源和地的設(shè)計：，考慮到一些損耗等，為了模塊正常工作。電源要穩(wěn)定，且容量足夠。GPRS模塊在連上網(wǎng)的一瞬間電流比較大，設(shè)計時要考慮到這種情況。2) SIM卡接口的設(shè)計：SIM卡是帶微處理機的芯片卡，它由CPU、工作存儲器RAM、程序存儲器ROM、數(shù)據(jù)存儲器、E2PROM和串行通信單元五個模塊組成。SIM卡芯片有8個觸點，通常與移動設(shè)備連接需要6個觸點，SIM卡引腳功能的定義如表31所列。表 31 SIM卡引腳功能觸點號分配觸點號分配C1電源VCCC5接地端GNDC2復(fù)位RSTC6編程電壓VPPC3時鐘CLKC7數(shù)據(jù)I／O口3) 串口的設(shè)計：GPRS模塊與單片機間一般是通過串行口進行通信的。除了串口發(fā)送（TX）、串口接收（RX）之外，微控制器與GPRS模塊之間還有一些硬件握手信號，如DTR、CTS、DCD等。為了簡化微控制器的控制，硬件設(shè)計時可以不使用硬件握手信號。4) 與語音通話相關(guān)的引腳設(shè)計：如話筒、聽筒之類，若不需要用到語音通話功能，則可以不接。5) 開關(guān)引腳的設(shè)計：一般都會有控制模塊開關(guān)的引腳，通過給個低脈沖來進行開關(guān)機，跟手機開關(guān)機差不多。有的模塊還會開放復(fù)位腳，通過拉高或者拉低來對模塊進行復(fù)位。硬件設(shè)計時也可通過控制模塊的電源來達(dá)到控制模塊開關(guān)的目的。6) 狀態(tài)指示腳設(shè)計：一般都會有個GPRS模塊狀態(tài)指示腳，接上LED燈后就能知道模塊的工作情況。GPRS模塊及SIM卡接口電路如圖318所示。圖 318 GPRS模塊及SIM卡接口電路 GPRS模塊的選擇對GPRS模塊的選擇，要從尺寸和成本、應(yīng)用場合、是否自帶協(xié)議棧等角度考慮，鑒于此，經(jīng)過市場調(diào)查，本系統(tǒng)設(shè)計選擇深圳市科靈通科技有限公司提供的無線GPRS模塊DTR2000。DTR2000是一款內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧的GPRS Modem，該模塊采用工業(yè)級的WAVECOM PLUS。DTR2000為用戶提供一條高速、永遠(yuǎn)在線、透明數(shù)據(jù)傳輸通道，作為一種新的數(shù)據(jù)傳輸終端，幾乎所有中低速率的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)都可以使用，如城市配電網(wǎng)絡(luò)自動化、自來水、煤氣管道自動化、商業(yè)POS機、INTERNET接入等。該模塊的優(yōu)點包括以下幾個方面：* 標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)級產(chǎn)品，滿足工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可用于惡劣工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境；* 使用方便、靈活、可靠，多重技術(shù)保障產(chǎn)品高度穩(wěn)定； * 支持雙頻GSM/GPRS 900M 1800M； * 內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，支持TCP協(xié)議； * 完全透明數(shù)據(jù)傳輸模式； * 永遠(yuǎn)在線；* 可實現(xiàn)點對點，點對多點等靈活的組網(wǎng)方式； * 短信息的遠(yuǎn)程維護功能，可用短信息對產(chǎn)品進行遠(yuǎn)程復(fù)位； * 支持永遠(yuǎn)在線模式，斷線自動重?fù)埽?* 獨立的數(shù)據(jù)端口和命令端口，可接受遠(yuǎn)程AT命令； * 標(biāo)準(zhǔn)RS232/485/TTL（用戶指定）數(shù)據(jù)接口，用戶接口為標(biāo)準(zhǔn)DB9插座，可與PC等串口設(shè)備直接連接； * ~40V，700mA供電，具有節(jié)能模式，適合移動設(shè)備使用； * 內(nèi)置看門狗，隨時監(jiān)控運行狀態(tài)，保證產(chǎn)品穩(wěn)定可靠的運行； * 抗干擾設(shè)計，適合電磁環(huán)境惡劣的應(yīng)用需求； * 防潮外殼，適合室外應(yīng)用； 本章小結(jié)本章首先概括了系統(tǒng)硬件組成，然后分別設(shè)計了各參數(shù)調(diào)理電路，選取了單片機CC2430作為ZigBee無線通信模塊核心處理器，設(shè)計了其外圍接口電路，包括RS232串行接口電路、液晶顯示接口電路等，最后完成了GPRS模塊設(shè)計。第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 ZigBee協(xié)議棧ZigBee技術(shù)是一種面向自動化和無線控制的低速率、低功耗、低價格的無線網(wǎng)絡(luò)方案。它是一種介于無線標(biāo)識技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案。它此前被稱作“HomeRF Lite”或“FireFly”無線技術(shù)，主要用于近距離無線連接。它有自己的無線電標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以它們之間的通信效率非常高。最后，這些數(shù)據(jù)就可以進入計算機用于分析或是被另外一種無線技術(shù)（如WiMax）收集。ZigBee是一組基于IEEE 、安全和應(yīng)用軟件方面的通信技術(shù)。IEEE (此句有點不通順)的標(biāo)準(zhǔn)[46] [47][48][49]，這個標(biāo)準(zhǔn)定義了物理層（physical layer，PHY）和介質(zhì)訪問層（medium access control layer，MAC）。ZigBee 協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層API由ZigBee聯(lián)盟進行標(biāo)準(zhǔn)化[50]。ZigBee被業(yè)界認(rèn)