【正文】 700mv，此時(shí)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(shí)相對(duì)于輸出的PH值為14，然后PH信號(hào)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(jì) 濁度檢測(cè)原理由物理學(xué)光學(xué)的知識(shí)，當(dāng)一束平行光由空氣垂直照射到被測(cè)的水中，在水的深度Y處，其光強(qiáng)可表示為： （） 其中：K0(這邊下標(biāo)有問題)表示入射角為0176。時(shí)光從空氣到水中的透射系數(shù)，K1為溶液對(duì)光的吸收系數(shù)。I0(這邊下標(biāo)有問題)為入射光強(qiáng)度，T為濁度[42]。當(dāng)溶液中微粒大小均勻時(shí)，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(duì)光的散射系數(shù)，IY為Y處的光強(qiáng)。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(hào)分在兩頁(yè)）水平軸下面充滿水，有一光束強(qiáng)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(jìn)入水面?zhèn)鞑?，則在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?yàn)閄方向的散射光經(jīng)水的X方向吸收后過段距離后才能進(jìn)入光電池，故實(shí)際到達(dá)光電池的散射光強(qiáng)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(qiáng)為： （） 對(duì)和進(jìn)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(shí)候，則有1，其二次項(xiàng)更小，此時(shí)對(duì)其一次項(xiàng)和所有的二次項(xiàng)忽略不計(jì)，得式（） ≈ （） 即到達(dá)光電池的光強(qiáng)與入射光強(qiáng)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(hào)調(diào)理電路主要是對(duì)濁度信號(hào)的前期轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后能夠輸入到cc2430單片機(jī)中，并進(jìn)行處理。硅光電池將散射光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，但電流信號(hào)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(cè)量原理設(shè)計(jì)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(guó)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(yùn)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(hào)的為調(diào)理電路的信號(hào)輸入端，其中Au接光電池的正端，Ag接光電池的負(fù)端。因?yàn)楣怆姵厥且浑娏髟?，?nèi)阻很大，電流很小，這么小的電流不足以驅(qū)動(dòng)，需要將其疊加在一個(gè)直流信號(hào)上，來(lái)測(cè)量變化量。因此設(shè)計(jì)了圖中虛線框內(nèi)所示的直流信號(hào)電路產(chǎn)生電路。由電壓跟隨器TL082的3腳輸入端連接滑動(dòng)變阻器P1，滑動(dòng)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(dòng)變阻器P1，使得滑動(dòng)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(yùn)放TL082，此時(shí)輸出電阻接近為零，使得輸出的電壓值穩(wěn)定在Uo1，為運(yùn)放內(nèi)部的晶體管提供一個(gè)靜態(tài)工作點(diǎn)，使得晶體管工作在放大區(qū)，輸出信號(hào)不產(chǎn)生失真。圖中標(biāo)有Nout符號(hào)的為調(diào)理電路的信號(hào)輸出端，送入cc2430單片機(jī)。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(gè)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(hào)調(diào)理電路的輸出電壓 （）在進(jìn)行濁度測(cè)量之前應(yīng)該對(duì)硬件電路進(jìn)行調(diào)試，再對(duì)算放大器CA3140調(diào)零。 ZigBee無(wú)線通信模塊設(shè)計(jì)在進(jìn)行ZigBee無(wú)線通信模塊的設(shè)計(jì)時(shí)，無(wú)線芯片的選擇是至關(guān)重要的，針對(duì)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(jì)周期縮短、提高產(chǎn)品性能。應(yīng)從兩個(gè)方面進(jìn)行考慮：微處理器和無(wú)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(wú)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]?；谏鲜隹紤]，本設(shè)計(jì)中無(wú)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(qiáng)工業(yè)級(jí)的8051MCU、無(wú)線射頻收發(fā)器，并內(nèi)置了ZigBee協(xié)議棧，具體特點(diǎn)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(qiáng)大的DMA功能。3) 只需極少的外接元件，只需一個(gè)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(yùn)行在32MHz時(shí)，RX為27mA，TX為25mA）。4) 掉電方式下，外部中斷或者實(shí)時(shí)時(shí)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?。–SMACA），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(qiáng)度信號(hào)指示器/鏈路質(zhì)量指示（RSSI/LQI）,具有高級(jí)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(gè)支持多種串行通信協(xié)議的USART，1個(gè)通用的16位和2個(gè)8位定時(shí)器。8) 可編程看門狗，（MAC）定時(shí)器，21個(gè)通用I/O引腳其中2個(gè)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(qiáng)大、靈活的開發(fā)工具，小尺寸QLP48封裝（7mm7mm）共有48個(gè)引腳。CC2430芯片需要很少的外圍部件配合就能實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(gè)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(gè)PCB微波 傳輸線組成，整個(gè)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(lái)為32MHz的晶振提供一個(gè)合適的工作電流。用1個(gè)32MHz的石英諧振器(XTAL1)和2個(gè)電容(C191和C211)構(gòu)成一個(gè)32 MHz的晶振電路。 kHz的石英諧振器(XTAL2)和2個(gè)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(lái)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(jì)協(xié)調(diào)器收到采集節(jié)點(diǎn)發(fā)過來(lái)的數(shù)據(jù)后，一方面要在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸。但是CC2430單片機(jī)的的串口是標(biāo)準(zhǔn)TTL電平，而本系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和GPRS模塊的通信須進(jìn)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(jìn)行通信。連接口使用標(biāo)準(zhǔn)9針接口，連接線采用最簡(jiǎn)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(jì)為使得在水產(chǎn)養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)工作時(shí)也能了解水環(huán)境的各個(gè)參數(shù)，本文在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了液晶顯示模塊的設(shè)計(jì)。模塊采用金鵬電子公司的OCMJ4*8系列中文液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示亞硝酸鹽、溶鹽度(有錯(cuò)誤，溶氧和鹽度)等參數(shù)值。該液晶顯示器內(nèi)含GB2312 1616點(diǎn)陣國(guó)標(biāo)一級(jí)簡(jiǎn)體漢字和ASCII88點(diǎn)陣英文字庫(kù)，可顯示字母、數(shù)字符號(hào)、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(wú)時(shí)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(shí)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(gè)數(shù)據(jù)。圖 316 ASK/ANSWER無(wú)時(shí)序握手協(xié)議該模塊同時(shí)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(jìn)行接口設(shè)計(jì)。模塊內(nèi)置升壓電路，無(wú)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(jì) GPRS模塊硬件設(shè)計(jì)GPRS模塊硬件設(shè)計(jì)主要有如下幾個(gè)方面:1) 電源和地的設(shè)計(jì)：，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(jì)時(shí)要考慮到這種情況。2) SIM卡接口的設(shè)計(jì)：SIM卡是帶微處理機(jī)的芯片卡，它由CPU、工作存儲(chǔ)器RAM、程序存儲(chǔ)器ROM、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、E2PROM和串行通信單元五個(gè)模塊組成。SIM卡芯片有8個(gè)觸點(diǎn)，通常與移動(dòng)設(shè)備連接需要6個(gè)觸點(diǎn)，SIM卡引腳功能的定義如表31所列。表 31 SIM卡引腳功能觸點(diǎn)號(hào)分配觸點(diǎn)號(hào)分配C1電源VCCC5接地端GNDC2復(fù)位RSTC6編程電壓VPPC3時(shí)鐘CLKC7數(shù)據(jù)I／O口3) 串口的設(shè)計(jì)：GPRS模塊與單片機(jī)間一般是通過串行口進(jìn)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(hào)，如DTR、CTS、DCD等。為了簡(jiǎn)化微控制器的控制，硬件設(shè)計(jì)時(shí)可以不使用硬件握手信號(hào)。4) 與語(yǔ)音通話相關(guān)的引腳設(shè)計(jì)：如話筒、聽筒之類，若不需要用到語(yǔ)音通話功能，則可以不接。5) 開關(guān)引腳的設(shè)計(jì)：一般都會(huì)有控制模塊開關(guān)的引腳，通過給個(gè)低脈沖來(lái)進(jìn)行開關(guān)機(jī)，跟手機(jī)開關(guān)機(jī)差不多。有的模塊還會(huì)開放復(fù)位腳，通過拉高或者拉低來(lái)對(duì)模塊進(jìn)行復(fù)位。硬件設(shè)計(jì)時(shí)也可通過控制模塊的電源來(lái)達(dá)到控制模塊開關(guān)的目的。6) 狀態(tài)指示腳設(shè)計(jì)：一般都會(huì)有個(gè)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(duì)GPRS模塊的選擇，要從尺寸和成本、應(yīng)用場(chǎng)合、是否自帶協(xié)議棧等角度考慮，鑒于此，經(jīng)過市場(chǎng)調(diào)查，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇深圳市科靈通科技有限公司提供的無(wú)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(jí)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(dòng)化、自來(lái)水、煤氣管道自動(dòng)化、商業(yè)POS機(jī)、INTERNET接入等。該模塊的優(yōu)點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面：* 標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，滿足工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可用于惡劣工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)等靈活的組網(wǎng)方式； * 短信息的遠(yuǎn)程維護(hù)功能，可用短信息對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行遠(yuǎn)程復(fù)位； * 支持永遠(yuǎn)在線模式，斷線自動(dòng)重?fù)埽?* 獨(dú)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(dòng)設(shè)備使用； * 內(nèi)置看門狗，隨時(shí)監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)，保證產(chǎn)品穩(wěn)定可靠的運(yùn)行； * 抗干擾設(shè)計(jì)，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(jì)了各參數(shù)調(diào)理電路，選取了單片機(jī)CC2430作為ZigBee無(wú)線通信模塊核心處理器，設(shè)計(jì)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(jì)。第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) ZigBee協(xié)議棧ZigBee技術(shù)是一種面向自動(dòng)化和無(wú)線控制的低速率、低功耗、低價(jià)格的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)方案。它是一種介于無(wú)線標(biāo)識(shí)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(wú)線技術(shù)，主要用于近距離無(wú)線連接。它有自己的無(wú)線電標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)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(wú)線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)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(jìn)入計(jì)算機(jī)用于分析或是被另外一種無(wú)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(diǎn)不通順)的標(biāo)準(zhǔn)[46] [47][48][49]，這個(gè)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(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化[50]。ZigBee被業(yè)界認(rèn)