畢業設計說明書--無線遙控節水灌溉自動控制系統的設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 K 實現調制的方框圖如圖 2所示其中基帶信號形成器把數字序列 an 換成所需的單極性基帶矩 形脈沖序列 s t s t 與載波相乘后即把 s t 的頻譜搬移到177。 f0附近實現了 2ASK帶通濾波器濾出所需的己調信號防止帶外輻射影響鄰臺相乘器由各種型式的開關電路平衡調制器及環形調制器來實現 22FSK 的調制與解調 2FSK利用二進制數字基帶信號控制載波的頻率 2FSK調制器及其波形如圖 2 b 所示數字基帶信號 S t 控制開關的通斷 1 信號時開關 K 接在 f1 支路讓頻率為 f1 的載波通過對于 0 信號開關 K 接在 f2 支路讓頻率為 f2 的載波通過這樣 1和 0 信號用兩個不同頻率的載波來表征 2FSK 實現調制的方法有兩種 l 直接調 頻法用數字基帶矩形脈沖控制一個振蕩器的某些參數直接改變振蕩頻率輸出不同頻率的信號 2 頻率鍵控法又稱頻率轉換法是用數字矩形脈沖控制電子開關在兩個振蕩器之間進行轉換從而輸出不同頻率的信號 2FSK 信號的解調方法很多如鑒頻法過零檢測法差分檢測法包絡檢測法相干檢測法等鑒頻法的原理是把等幅調頻波變換成調幅調頻波再經振幅檢波器提取頻率變化的信息還原出原始的數字基帶信號 32PSK 的調制與解調 2PSK利用二進制數字基帶信號控制載波的相位 2PSK調制器及其波形如圖 2 c 所示載波信號通過移相電路產生π相移數字基帶信號 S t 控制開關的通斷基帶信號為 1信號時開關 K接通 0相支路基帶信號為 0信號時開關 K接通π相支路 2PSK信號的產生方法 1直接調相法用雙極性數字基帶信號與載波直接相乘 2相位選擇法數字基帶信號 s t 控制門電路選擇不同的相位的載波輸出 2PSK 信號的解調不能采用分路濾波包絡檢測的方法只能采用相干解調的方法又稱為極性比較法 在碼元速率相同的條件下 2ASK 的帶寬為 f2ASK 2fs2FSK 的帶寬為 f2FSK 2fsf1f22PSK 的帶寬為 f2PSK 2fs 由ρ 得 2FSK 占據的信道帶寬最寬頻帶利用率最低從對信道特性變化 的敏感性方面比較 2ASK 的判決原則與接收機輸入信號的幅度有關 2FSK直接比較兩路信號的大小 2PSK的最佳判決門限是 0與信號幅度無關因此 2ASK 對信道特性變化的敏感性最差從所需設備的復雜程度考慮這三種調制方式所使用的發送設備的復雜程度相差不多而接收設備的復雜程度則與所選用的調制和解調方式有關對于同一種調制方式相干解調的設備比非相干解調時復雜而采用非相干解調時 2PSK 系統的需要載波同步和定時再生設備最復雜2FSK 次之 2ASK 最簡單 圖 2所示為三種數字調制方式的誤碼率比較橫坐標為信噪比 EN0 縱座標為誤碼率 Pe 從圖中可以看出在信噪比相同的條件下誤碼率 2ASK 2FSK 2PSK 在誤碼率相同的條件下在信噪比要求上 2PSK 比 2FsK 小 2FSK 比 2ASK 小 圖 26 三種數字調制方式的誤碼率的比較 在節水灌溉系統中由于傳輸的數據量少無須考慮頻帶利用率數字傳輸的誤碼率應該重點考慮信道特性變化的敏感性以及調制解調設備的復雜程度等由以上分析并綜合各種因素可知 2FSK系統的抗噪性能及抗衰落性能比 2ASK強再加上實現比較容易電路不算復雜故該系統采用 FSK 的調制方法比較合適 在本系統的設計中選用 PTR8000芯片作為無線通 信模塊此芯片高抗干擾 FSK調制能使系統穩定可靠地運行第三章系統主站的硬件本系統通過主站向指定子站發送采集指令控制子站采集相應的作物生長的環境數據并將數據打包傳回主站再由主站對數據進行解包和簡單的數據處理后提供給主站的用戶界面其中上位機提供人機界面及數據處理通過 RS232接口向單片機傳送控制字以及接收單片機傳回的數據單片機通過 SPI接口直接對 PTR8000進行操作完成 PTR8000工作模式的配置將上位機的控制字傳送給 PTR8000 以及接收 PTR8000 傳來的數據主站的具體工作流程如圖 31 所示 31 單片機 模塊的設計 AT89S51 的簡介 AT89S51 是美國 ATMEL 公司生產的低功耗高性能 CMOS 8 位單片機片內含 4k Bytes ISP Insystem programmable 的可反復擦寫 1000 次的 Flash 只讀程序存儲器器件采用 ATMEL 公司的高密度非易失性存儲技術制造兼容標準MCS51 指令系統及 80C51 引腳結構芯片內集成了通用 8 位中央處理器和 ISP Flash 存儲單元該單片機高度兼容低功耗可以在接近零頻率下工作廣泛應用于各種計算機系統工業控制電信設備宇航設備及消類產品中 其引腳排序圖如圖 32 所示 圖 3289S51 引腳圖 AT89S51 的主要性能及管腳介紹 AT89S51 提供以下標準功能 4k 字節 Flash 閃速存儲器 128 字節內部 RAM32個 IO 口線看門狗 WDT 兩個數字指針兩個 16 位定時計數器一個 5 向量兩級中斷結構一個全雙工串行通信口片內振蕩器及時鐘電路同時 AT89S51可降至 0HZ的靜態邏輯操作并提供兩種軟件可選的節電工作模式空閑方式停止 CPU 工作但允許RAM定時計數器串行通信口及中斷系統繼續工作掉電方式保存 RAM內存中的內容但振蕩器停止工作并禁止其他所有部 件工作直到下一個硬件復位 1 主要性能參數 14k Bytes Flash 片內程序存儲器 2128 bytes 的隨機存取數據存儲器 RAM 332 個外部雙向輸入輸出 IO 口 45 個中斷優先級 2 層中斷嵌套中斷 56 個中斷源 62 個 16 位可編程定時器計數器 72 個全雙工串行通信口 8 看門狗 WDT 電路 9 片內振蕩器和時鐘電路 10 與 MCS51 兼容 11 全靜態工作 0Hz33MHz 12 三級程序存儲器保密鎖定 13 可編程串行通道 2 引腳說明 AT89S51 單片機共有 40 個管腳 P0P1P2P3是 4 組 IO 接口占 32 個管腳剩余的管腳分別為 VccGNDXTAL1XTAL2RSTEAVPPALEPROG 和 PSEN 其中VccGNDXTAL1XTAL2RST 和 EAVPP 這 6 個管腳出現在所有 51 單片機中換句話說他們是單片機工作必須的管腳下面分別介紹這些管腳的功能 1VCC 和 GND 電源電壓輸入端和接地端 AT89S51 的供電電壓范 4055V 一般取5V 2P0 口 P0 口是一組 8 位漏極開路雙向 IO 口也即地址數據總線復用口作為輸出口時每位能吸收電流的方式驅動 8個 TTL邏輯門電路對端口寫 1可作為高阻抗輸入端用在訪 問外部數據存儲器時這組口線分時轉換地址低 8 位和數據總線復用在訪問期間激活內部上拉電阻在 Flash 編程時 P0 口接收指令字節而在程序校驗時輸出指令字節校驗時需要外接上拉電阻 圖 33 P0 口作為輸入輸出端口時需要添加外部上拉電阻 3P1 口 P1 口是一個帶內部上拉電阻的 8 位雙向 IO口 P1 的輸出緩沖級動 吸收或輸出電流 4 個 TTL 邏輯門電路對端口寫 1 通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平此時可作輸入口作輸入口使用時因為內部上拉電阻某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流與 P0口相比 P1口由于內置上拉電阻所以不再需要添加外置 上拉電阻 表 31 P1 口的第二功能 P1 引腳號 第二功能描述 P15 MOSI 在線編程中的主計算機輸出從單片機輸入 P16 MISO 在線編程中的主計算機輸入從單片機輸出 P17 SCK 在線編程中的串行時鐘 4P2口 P2口是一個帶內部上拉電阻的 8位雙向 IO 口 P2 的輸出緩沖級可 吸收或輸出電流 4 個 TTL 邏輯門電路對端口寫 1 通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平此時可作輸入口作輸入口使用時因為內部上拉電阻某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流這是由于內部上拉的緣故 P2 口當用于外部程序存儲器或 16 位地址外 部數據存儲器進行存取時 P2 口輸出地址的高八位在給出地址 1 時它利用內部上拉優勢當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時 P2口輸出其特殊功能寄存器的內容 P2口在 FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號 P2 口和 P0 口一起作為 16 為的地址線 P2 口的另一個功能名稱 A8A15表示 P2口具有除一般 IO接口外的第二重功能作為高 8位地址線 5P3 口 P3 口是一組帶有內部上拉電阻的 8 位雙向陽口 P3 口輸出緩沖級驅動 吸收或輸出電流 4 個 TTL 邏輯門電路對 P3 口寫入 1 時 P3 的 8 個 位電平被內部上拉電阻拉高可作為輸入端口作輸入端口時作為輸入由于外部下拉為低電平 P3口將輸出電流這是由于上拉的緣故 P3口除了作為一般的 IO口線外更重要的用途是的第二功能如下表 3所示 表 32 AT8951 P3 口功能表 P3 口引腳 功能 P30 P30 RXD 串行輸入端口 P31 TXD 串行輸出端口 P32 INTO 外中斷 0 P33 INT1l 外中斷 l P34 T0 定時器0 外部輸入 P35 Tl 定時器 1 外部輸入 P36 WR 外部數據存儲器寫選通 P37 RD 外部 數據存儲器讀選通 6XTAL1 和 XTAL2 分別為片內振蕩器反相放大器的輸入端內部時鐘發生器的輸入端和片內振蕩器反相放大器的輸出端 XTAL1 和 XTAL2 之間連接一個晶體振蕩器加上兩個容量為 2040PF 的電容組成時鐘電路如圖 34 所示 這種使用晶振配合產生時鐘信號的方法稱為內部時鐘方式晶振的頻率決定了該系統的時鐘頻率如晶振選擇 12MHZ 那么單片機工作的頻率就是 12MHZ根據系統對速度的要求一般可以選擇 1212MHZ 的晶振有的單片機可以在需要時運行在更高的頻率下如 20MHZ那就可以使用 20MHZ的晶振 AT89S51單片機還可以工作在外部時鐘方式下這時可向單片機的 XTAL1 管腳輸入時鐘信號而將 XTAL2管腳懸空時鐘信號的頻率決定了單片機工作頻率這種方式稱為外部時鐘方式由于構成內部時鐘所需添加的器件通常少于外部時鐘因此單片機大多使用內部時鐘信號 圖 34 內部時鐘 7RST 復位輸入當振蕩器工作時 RST 引腳出現兩個機器周期以上高電平將使單片機復位最簡單的復位電路就是在 RST端與 Vcc之間連接一個 10μ F的電解電容 C3單片機上電瞬間電容 C3的正極電壓瞬間變為 Vcc電解電容對于這個瞬間的電壓突變相當于短路于是 Vcc相當于直接加在了 RST端上正是這個加在 RST 上的瞬間高電平使計算機復位很快電容 C3 充滿電在電路中相當于斷路于是 RST 端電平由高轉低單片機隨即開始執行程序 8ALEPROG 地址鎖存允許編程脈沖信號端當訪問外部存儲器時地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節在 FLASH 編程期間此引腳用于輸入編程脈沖在平時 ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號此頻率為振蕩器頻率的16 因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的然而要注意的是每當用作外部數據存儲器時將跳過一個 ALE 脈沖如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置0 此時 ALE 只有在執行 MOVXMOVC 指令是 ALE 才起作用另外該引腳被略微拉高如果微處理器在外部執行狀態 ALE 禁止置位無效 9PSEN 外部程序存儲器的選通信號低電平有效在由外部程序存儲器取指期間每個機器周期兩次 PSEN 有效但在訪問外部數據存儲器時這兩次有效的 PSEN信號將不出現 10EAVPP 外部程序存儲器訪問允許當 EA 保持低電平時則在此期間外部程序存儲器 0000HFFFFH 不管是否有內部程序存儲器注意加密方式 1 時 EA 將內部鎖定為 RESET 當 EA 端保持高電平時此間內部程序存儲器在 FLASH 編程期間此引腳也用于施加 12V 編程電源 VPP 32 單片機與計算機通信電路的設計 AT89S51 單片機有串行口 RXD 和 TXD 兩個端口單片機與單片機之間計算機與計算機之間都可以通過串口實現通信鏈路的硬件連接并進行數據交換 RS232 接口的簡介 計算機接口通常是 RS232接口 EIARS232C 對電器特性邏輯電平和各種信號線功能都作了規定 在 TxD 和 RxD 上 邏輯 1 MARK 3V～ 15V 邏輯 0 SPACE 3～ 15V 在 RTSCTSDSRDTR 和 DCD 等控制線上 信號有效接通 ON 狀態正電壓＝ 3V～ 15V 信號無效斷開 OFF 狀態負電壓 3V～ 15V 以上規定說明了 RS232C標準對邏輯電平的定義對于數據信息碼邏輯 1傳號的電平低于 3V 邏輯 0 空號的電平高于 3V 對于控制信號接通狀態 ON 即信號有效的電平高于 3V 斷開狀態 OFF 即信號無效的電平低于 3V 也就是當傳輸電平的絕對值大于 3V 時電路可以有效地檢查出來介于 3～ 3V 之間的電壓無意義低于15V 或高于 15V 的電壓也認為無意義因此實際工作時應保證電平在177。 3～ 15 V之間 EIA RS232C 與 TTL