【毕业设计】网络化智能太阳能杀虫设备的硬件设计毕业设计

湖南科技大学毕业设计（论文）题目网络化智能太阳能杀虫设备的硬件设计作者学院信息与电气工程学院专业通信工程学号指导教师二一四年月日湖南科技大学毕业设计（论文）任务书信息与电气工程院通信系（教研室）系（教研室）主任（签名）年月日学生姓名肖盛斌学号1004040109专业通信1设计（论文）题目及专题网络化智能太阳能杀虫设备的硬件设计2学生设计（论文）时间自2014年2月16日开始至6月5日3设计（论文）所用资源和参考资料（1）嵌入式系统开发与设计相关资料与教材；（2）微机原理及接口技术相关资料与教材；（3）电子线路设计（PROTEL的应用）；（4）各类网络化、智能、太阳能杀虫设备的硬件设计期刊、论文、应用。4设计（论文）完成的主要内容设计网络化智能太阳能杀虫设备，增强太阳能杀虫设备的可操作性。系统主要由嵌入式作为微处理器及其外围电路构成。通过无线传感器网络ZIGBEE作为网络化的通信协议，设计可交互的智能太阳能杀虫设备（1）网络化智能太阳能杀虫设备的需求分析；（2）网络化智能太阳能杀虫设备设计方案比较、选择；（3）以嵌入式微处理器的网络化智能太阳能杀虫设备处理核心；（4）整个系统硬设计正确，考虑相关应用；（5）能对的可以对系统进行必要扩展，如显示等。5提交设计（论文）形式（设计说明与图纸或论文等）及要求按湖南科技大学本科生毕业设计（论文）工作规范撰写论文，程序能够演示，提交网络化智能太阳能杀虫设备的硬件设计原理图、软件程序流程图。6发题时间2014年1月12日指导教师（签名）学生（签名）摘要随着人们生活质量的提高，迫切需要供应大量环保型绿色农产品，在化学农药防治病害虫污染农产品及能源短缺等矛盾下，促使了运用物理机制防治病害虫的太阳能杀虫装置发展。本设计在硬件方面，根据模块化的设计思路，完成了太阳能充放电模块、网络化控制模块、LED诱虫灯模块、高压杀虫模块的方式选择，并针对网络化控制模块进行了较详细的硬件设计，预留处理器芯片的I/O引脚以供扩展传感器接口，满足多种模拟数据处理的需求。对有线控制数据传输方式成本高、移动性差等缺陷，在目前短距离无线通信技术的基础上，设计并实现了一套基于CC2530的数据无线传输模块。模块以构建近距离、低功耗、高传输速率、低成本的无线通信网络为标准，将ZIGBEE技术与数据传输技术相结合。同时，通过对太阳能这一新能源的应用，使得其能够在不需要外部能源补充的情况下，实现其运行的自给自足，也加强了该系统的环境适应能力，使其在电力缺乏的地区也能正常运行。关键词CC2530；无线传输；数据采集；杀虫；太阳能ABSTRACTWITHTHEPEOPLESLIVINGSTANDARDIMPROVING,ENVIRONMENTALAGRICULTURALPRODUCTSARENEEDEDURGENTLYTHEAGRICULTURALPRODUCTSAREPOLLUTEDBYCHEMICALPESTICIDEANDENERGYISSHORTUNDERTHISBACKGROUND,SOLARINSECTICIDALLAMP,WHICHPREVENTSPESTSWITHPHYSICALMECHANISM,ISDEVELOPEDTHISDESIGNINTHEASPECTOFHARDWARE,ACCORDINGTOTHEDESIGNIDEAOFMODULARIZATION,COMPLETEDTHESOLARCHARGINGANDDISCHARGINGMODULE,NETWORKCONTROLMODULE,TRAPLAMPLEDMODULE,HIGHPRESSUREINSECTICIDALMODESELECTIONMODULE,ANDDESCRIBESINDETAILFORNETWORKEDCONTROLMODULEOFHARDWAREDESIGN,THERESERVEDPROCESSORCHIPI/OPINSFOREXPANDEDSENSORINTERFACES,MEETTHENEEDSOFAVARIETYOFSIMULATIONDATAPROCESSINGFORTHECABLEDATATRANSMISSIONWAYHIGHCOST,POORMOBILITYOFDEFECTS,ONTHEBASISOFTHESHORTDISTANCEWIRELESSCOMMUNICATIONTECHNOLOGY,DESIGNSANDREALIZESADATAWIRELESSTRANSMISSIONMODULEBASEDONCC2530MODULESTOBUILDCLOSEDISTANCE,LOWPOWERCONSUMPTION,HIGHTRANSMISSIONRATE,LOWCOSTOFWIRELESSCOMMUNICATIONNETWORK,COMBINESTHEZIGBEETECHNOLOGYANDDATATRANSMISSIONTECHNOLOGYATTHESAMETIME,THROUGHTHEAPPLICATIONOFSOLARENERGY,THENEWENERGY,MAKEITSINDONOTNEEDEXTERNALENERGYSUPPLEMENT,ACHIEVESELFSUFFICIENCYINITSOPERATIONHASSTRENGTHENEDTHEENVIRONMENTALADAPTABILITYOFTHESYSTEM,INTHELACKOFELECTRICITYAREAALSOCANNORMALOPERATIONKEYWORDCC2530WIRELESSTRANSMISSIONDATACOLLECTION；INSECTICIDESOLARENERGY目录第一章引言111设计的背景及意义112网络化智能太阳能杀虫设备的必要性113我国杀虫灯的发展214国内外杀虫灯的分类及相关性状3141杀虫灯按电源类型分类3142杀虫灯按杀虫方式分类4第二章方案的选择与设计521方案的模块化设计522方案的模块选择5221太阳能充放电模块的选择5222诱虫灯的选择6223杀虫方式的选择及电路设计7第三章网络化控制模块的硬件设计831网络化控制的优势832基于CC2530的网络化控制模块的功能分析833网络化控制模块整体设计思想934网络化控制模块的硬件电路设计11341设计模块的基本功能11342CC2530芯片介绍11343电源电路设计14344晶体振荡器电路设计16345复位电路设计17346仿真跳线设计18347串口设计20348外接模块设计22349LED指示灯设计243410RF天线电路设计243411硬件总体设计25第四章ZIGBEE软件的通信编写2741ZIGBEE技术概况和网路配置27411物理层（PHY）27412媒体访问控制层（MAC）规范28413ZIGBEE网络节点构成3142ZIGBEE相关仿真程序编写31第五章结束语33参考文献35致谢36附录37第一章引言11设计的背景及意义上世纪70年代以后，中国在农业生产中开始大量使用农药来防治病虫害，其中难免会有一部分农药直接或间接的残存于各种农畜产品、水产品以及土壤等周围环境中，造成农药的残留。食用高毒农药残留的农产品，会导致人、畜急性中毒；食用农药残留超标的农副产品，虽然不会马上出现急性中毒症状，但如果长期食用毒素在体内累积，同样会引起人和动物的慢性中毒，导致疾病的发生，更有甚影响到下一代；中国农副产品质量安全水平在这方面落后于发达国家，农产品的出口多次因农药残留及其它有毒有害物质超标问题遭禁运，农产品出口因农药残留超标等安全问题每年经济损失十多亿元。而且，化学农药防治耗费石化能源，同时也会造成了农村环境严重污染。在这样的环境下，使用环保，无害的方法来达到防治病虫害的目的变得刻不容缓。随着人民生活水平不断提高，人们不再满足于仅仅解决吃得饱的问题以后，吃得安全问题也变得倍受关注。农药残留的问题已成为，农产品、食品安全的主要问题。要实现农产品、食品质量安全，首先要做的是在农业生产环节不用或少用化学农药，可以采用更加环保无害的防治技术。包括农业防治、生物防治、物理防治等结合的综合防治技术；而在这其中，灯光诱虫无疑是成本最低、用工最少、效果最好、副作用最小的物理防治方法。12网络化智能太阳能杀虫设备的必要性长期以来，随着化学工业的高速发展，农药产品的产量和品种也随之增多，这极大地满足了广大农民防治病虫害的需求，也促进了农业生产的发展。但这也使农民对病害虫的防治，过分依赖化学农药，在这样的环境下对农药乱用、滥用现象变得更加普遍，导致农产品中的农药残留严重超标，影响了人体健康，造成环境污染破坏。探索农作物病虫害的无害化防治新技术变得刻不容缓，进一步减少农药的使用量，生产无公害农产品，是农牧业发展的重点。为此国内外从上世纪初始就已经开始了对采用物理机制进行病害虫防治的研究，即利用昆虫的趋光、色、味、性等特性吸引病害虫，再借助高压电、水淹、熏杀，毒杀等方式将其杀死。其中以利用昆虫的趋光性的杀虫灯诱杀术研究最早、技术也最为成熟、发展最快。杀虫灯主要工作原理就是利用昆虫的趋光性，灯具设定能为够吸引害虫所需的波长和强度，将害虫吸引到灯附近，发生复眼效应而眩目打灯，再利用高压，药物，水淹，毒杀等方式将吸引过来的害虫除掉，这其中又属高压电击效果最佳。利用昆虫趋光性研制的杀虫灯，高压电击是病害虫物理防治技术主要发展方向。基于野外、边远山区、广大农村等缺电地区，杀虫灯用电不能得到保证这一现实，人工的维护及控制的不方便以及远程控制的发展趋势，网络化太阳能杀虫设备的构想便应运而生。太阳能具有资源丰富、处处均可开发应用、取之不尽、用之不竭、无需开采和运输、不会污染环境和破坏生态平衡等特点，通过太阳能电池的光伏效应将太阳能转化为电能，为太阳能杀虫灯提供电源，有巨大市场前景，同时网络化的控制方法，使得人们对设备的监控和控制变得更加的简单和方便，这样不仅带来了良好的社会效益、环境效益，还具有明显的经济效益，主要表现在（1）电源清洁稳定、无噪声，不会污染环境同时不受地区限制。（2）无需铺设线路、同时可以通过网络进行远程监控和观察，使得人员看守及维护劳动强度得到降低等。（3）杀虫种类多、有效期长、控制效果好。杀虫灯一般有个峰值波和一个较宽的波段，可引诱的病害虫种类多，对鳞翅目、双翅目、鞘翅目、半翅目等夜出性昆虫均有良好的诱杀效果。（4）减少环境污染，避免对天敌的杀伤，维护生态安全，促进农业的可持续发展。（5）可兼做病虫测报工具。杀虫灯具是监测昆虫迁飞、扩散、发生期和发生量的重要工具，有利于对害虫全面了解，同时网络化的应用，使数据的传输变得更加方便和及时。并且杀虫灯具主要诱杀成虫，将病害虫消灭在幼虫期前，真正达到了预防的综合治理措施。太阳能杀虫装置也是许多电器厂家的新产品研究重点。目前国内外虽已见到相关太阳能杀虫装置的研究报道，但并没有哪家有较系统的将网络化控制加入其中，因此研究网络化太阳能杀虫装置对于有效防止农产品病害虫及提供无公害农产品具有重要的现实价值。13我国杀虫灯的发展影响昆虫行为的环境因素很多，按自然特征可分为气候因素，如温度、光照、降水等；与生物因素，性、天敌等两大类。其中光对昆虫行为活动的影响有着特殊意义，或间接上讲，光是昆虫不可缺少的条件，不同昆虫对光的需求各异，但昆虫趋光行为是其行为中最为重要和普遍的。国外最早采用石蜡和乙炔灯采集昆虫开创了应用昆虫趋光性的先河；从上世纪六十年代中期以来，国外开始在较大面积上使用用黑光灯或日光灯对美国棉铃虫等害虫进行诱集或驱避防治试验。国内也从1964年开始，在棉田和其他作物田中大面积用黑光灯防治多种害虫，已取得一定的效果。并且国内外从上世纪70年代开始加强了对昆虫趋光性的研究，为采用物理机制的方式防治病害虫提供了理论依据。国外关于杀虫灯具的文章比较少，通过美国专利数据库可以查到美国主要采用黑光灯和白炽灯作为病害虫的防治，而我国根据昆虫趋光性研制出的杀虫灯具，品种较多，如黑光灯，高压汞灯，双波系列灯，频振杀虫灯等。下面是我国主要使用的几种杀虫灯具（1）白炽灯通过电流来加热发光体至白炽状态来发光的电光源。因此很多能量作为热能散失，光效率低，能耗最高；白炽灯的光波只包括部分可见光段，诱虫种类少，因此现在基本不用。（2）汞灯在以汞作基本元素的同时充有适量其他金属或其他化合物的弧光放电灯；利用的汞蒸气在放电过程中会辐射紫外线，使荧光粉发出可见光；以汞蒸气压力又分为低压、高压、超高压三类。荧光灯、紫外灯、双波灯、频振灯、节能灯等均属于低压汞灯范畴。由于汞灯所消耗的电能大部分用于产生紫外线，因此，汞灯的发光效率远比白炽灯高，是目前比较节能的电光源，诱虫光源多使用此类；但各种汞灯之间节能效率还有差异。（1）紫外灯也叫黑光灯。辐射330400NM的长波紫外光，这种光是人类不敏感、看不见的光，所以紫外灯叫黑光灯。多种害虫对长波紫外光敏感，但普通直管紫外灯能耗较高。（2）双波灯根据该灯的具体情况，实际可以看做两种单色光波灯。这种诱虫灯光谱狭窄，诱虫种类少；其能耗受灯的基本类型决定。（3）频振灯所谓“频振灯”，其实就是直管紫外灯和直管荧光灯组合。这种组合光源诱虫种类多，效果好；但耗能较高，必须外加镇流器，安装和使用较麻烦。（4）节能灯节能灯的正式名称为“紧凑型单端荧光灯”。单端荧光灯用电量相比普通白炽灯节省80，可直接取代白炽灯；但其光谱只有可见光，诱虫种类少。（5）节能宽谱诱虫灯在普通节能灯的基础上，为杀虫灯研发的专用光源。在节能灯的灯头上，安装日光和紫外光两种发光灯管的诱虫光源。这种诱虫光源用电量比普通白炽灯节省80，光谱覆盖320680NM，诱虫种类多、效果好，而且安装使用方便。总之，我国杀虫灯具较齐全，能显著降低害虫虫口密度，减少用药次数，降低农药残留量，减少环境污染，维护生态平衡，提高农产品质量及市场竞争力。但是对于野外，边远山区，广大农村缺电交通不便地区，限制其应用推广。14国内外杀虫灯的分类及相关性状141杀虫灯按电源类型分类主要可分为三类（1）交流电杀虫灯适用于有交流电源的场地使用，是最传统的杀虫灯供能方式，可人工控制，也可实行全自动控制。但，仅仅为使用杀虫灯，而安装符合安全供电标准的交流供电线路，所需成本较高；并且在农田中使用交流电，安全隐患较大。（2）蓄电池杀虫灯适用于有交流供电条件的区域。以蓄电池为能源，实现半自动控制，使用安全性好于交流电杀虫灯；象电瓶车那样，蓄电池电量会用完，此时需及时充电。蓄电池杀虫灯价格比交流电杀虫灯高，使用过程中还需要支出电费，而且需专人充电、管理。（3）太阳能自动杀虫灯适用于有阳光的任何生产环境。由太阳能供电系统提供能源；白天太阳能电池对蓄电池充电，天黑蓄电池对杀虫灯供电；一般都有自动控制系统，能全自动安全高效工作，是节能、环保的新能源杀虫灯。太阳能杀虫灯售价较高，但一套杀虫灯有效范围一般30亩左右，太阳能电池板工作寿命20年以上，一次投资，20年受益，工作期间不再需要支付电费。其它部件工作寿命1、3、5年不等。142杀虫灯按杀虫方式分类同样主要可分为三类（1）高压杀虫网式适用于各种农业生产条件，高压杀虫网式杀虫灯售价较高。诱集来的害虫，通过高压电网击倒，由集虫器收集。高压杀虫网式杀虫灯杀虫效果较好，一般灯下虫害较少，或没有虫害；因为害虫都是被光引诱过来的，都是在灯周围1M直径范围内飞舞活动，只要碰到杀虫网，就会被击倒，最终绝大部分都会被击倒进入杀虫灯的集虫装置。（2）水杀式适用于水资源条件较好和实施种养结合的农业生产条件，杀虫效果不及高压杀虫网式杀虫灯，水杀式杀虫灯售价较低。把杀虫灯设置在自然水面或人工水池上，或在灯下设水盆；诱虫光源周围设档虫板，害虫围灯飞舞，撞击挡虫板就会跌落水中，杀虫效果较好；也可不设档虫板，倒影诱虫光源诱集害虫落入水中而溺死，或直接喂养食虫动物。水杀式杀虫灯杀虫效果较差，掉入水中的害虫有部分还可能重新起飞逃逸；特别是用水盆集虫，水盆面积较小，引诱来而未被溺死的害虫，就会聚集在灯下1M半径范围内，形成虫害，需要特别防治；但是，如果实施种养结合，就可以完全避免这个弊端，而且能变害为宝，提高效益。所以，水杀式杀虫灯最好用于水产养殖塘，或禽类、蛙类养殖场。（3）毒瓶式和其它一些方式毒瓶式必须用挥发性强，有嗅杀作用的化学农药，而且毒杀的害虫也不能作为高蛋白饲料，在生产中已不提倡采用；只有测报、研究单位，需要收集尸体完整的标本时采用。其它还有粘连式等一些方式，但使用比较麻烦，一般也不采用。第二章方案的选择与设计21方案的模块化设计网络化太阳能杀虫灯由以下几模块组成太阳能充放电模块、网络化控制模块、LED诱虫灯模块、高压杀虫模块等。本系统的工作模式是在控制模块的作用下，白天太阳能充放电模块吸收太阳能进行蓄能，并储存到蓄电池中。夜晚蓄电池提供电力给诱虫灯和高压电网。网络化的控制模块在不同的天气情况下，都将确保蓄电池不因过充或过放而损坏，同时具备环境监测，数据传输等功能。LED诱虫灯利用害虫的趋光性特点，辐射特定波长的光波以吸引害虫。同时，通过高压杀虫模块产生的脉冲高压将害虫消灭，以达到杀虫的母的。图1是本次设计的太阳能杀虫灯的基本模块以及他们之间的控制和供电关系。图1各模块间关系22方案的模块选择本课题以推广太阳能杀虫装置的应用及杀虫的绿色化无害化为主要出发点，基于太阳能杀虫装置发展现状中存在的不足，重点研究了太阳能杀虫设备的网络化控制，通过对现状的分析，可知太阳能杀虫灯在太阳能的运用，诱虫灯技术，和杀虫技术都已经有了较完善的发展。故本设计采用了现有的太阳能充放电技术，诱虫灯技术和高压杀虫技术，在这同时会加入了对整个系统的网络化控制，使得整个系统在控制和对环境的检测能力变得更快捷和及时。网络化控制模块LED诱虫灯模块太阳能充放电模块高压杀虫模块221太阳能充放电模块的选择太阳能充电是利用半导体材料制成的一种可以直接将太阳能量转化为电能的装置。在使用上不受地域和环境限制只要有阳光的地方就可以实现。同时太阳辐射到地球上的总能量充足，是取之不尽的自然资源，并且在使用中对环境没有污染。但是太阳能的能量密度低，光伏组件效率难以提高等，都为其推广普及带来了一定的困难。都是作为一种新型的具有多种优点的能源，光伏能源必将会更加广泛地被使用。本设计选用了一套能够完成智能化充电、用电管理的太阳能供电系统。能够独立完成光伏组件智能供电、蓄电池充电、并对负载进行供电、可以工作在浮充状态下。通过单片机实现智能化控制通过指示灯显示充电状态从而实现高效智能化的管理系统。本系统的核心控制器选用STC12C5A60S2单片机。该单片机内部集成了2路PWM，8路高速10位A/D转换器，完全满足本系统的需要。充电回路检测光伏组件输出电压、输出电流、蓄电池电压、蓄电池充电电流4个信号，分别通过P10P13输入到单片机的A/D转换端口，测得准确的电压值，并计算出相应的电流值，监测回路状态，防止蓄电池过放或者过充。回路中采用具有较低压降的肖特基二极管防止负载蓄电池向太阳能板反向充电。充电回路采用常开型固态继电器控制，当监测到蓄电池处于未充满的状态下，则闭合固态继电器，为蓄电池充电，当监测到电压到达蓄电池充电截止电压时，断开继电器，防止蓄电池过充，另一方面电压信号的检测还反映出蓄电池的使用情况，当蓄电池电压低至放点截止电压时，管理单元发出控制信号，断开用电回路，防止蓄电池过放，损坏电池。在系统中接入分别接入两个发光二极管，当继电器闭合时，点亮红色LED，表示正在充电，当蓄电池充满时，点亮绿色LED指示充电完成。222诱虫灯的选择诱虫灯头是通过三个U型灯管发出的不同波长光吸引虫子、飞峨等昆虫,本系统采用的是三波诱虫灯,其参数和应用特点如下（1）此灯可发出三种波长的光,365OA。与5400A。及436OA。与365OA。两两组合,优于黑光灯中单向365OA。光波。（2）发光的“U”形灯管为节能型。（3）可广泛用于农、林、果园、菜园、烟草、茶园、水产养殖业、学校、住宅小区等。可以诱杀各类害虫近千种,如水稻二化螟、三化螟、稻螟、叶蝉、大豆食心虫、谷子钻心虫、红头丽蝇、玉米螟、豆天蛾、麦蛾、高粱条螟、菜蛾、甜菜夜蛾、天蛾、斜纹夜蛾、菜螟、白飞虱、盲蜷象、金龟子、嶙蛤等、桃天蛾、苹果圈叶蛾、盗毒蛾、芡刺蛾、吸果夜蛾、斑红蜷、小灰蝶等。223杀虫方式的选择及电路设计诱虫灯将虫子吸引过来以后,本设计采用高压电击的方法将其杀死。因为部分害虫体积较大,所以高压杀虫电网的电压要在6000V以上才能达到较好的杀虫效果。设计的高压产生电路图如图2所示图2高压电网该升压电路由555定时器、大功率管3DD15、行输出变压器、自行绕制的高压电网及一些电阻、电容、二极管来组成的。555定时器及其附属电路共同组成了一个多谐振荡器,在该电路中充当产生高频率脉冲电路的功能。通过3管脚输出的高频率脉冲驱3DD15大功率管,使得大功率管3DD15能够导通。功率管的集电极和行输出变压器相连,在变压器的次级可感应出高压脉冲,然后经过内部硅整流二极管整流此电路可输出近万伏的直流电压。第三章网络化控制模块的硬件设计31网络化控制的优势现在采用最多的控制方法基本可以分为两类有线控制，无线网络化控制有线控制的应用很较广泛，在目前懂的消费市场上所接触的太阳能杀虫系统中占较大比重。有线控制的优势很明显信号传输十分稳定，适合大区域范围内的控制。但是缺陷也相对的更加突出，具体表现在（1）布线麻烦。特别是在基础设施不齐全的偏远地区，必须针对每个设备进行新的布线。（2）可拓展性差。一旦设备安装位置发生改变，必须对已布线进行大面积移动甚至重新布线。（3）造价高，工期长，资源浪费严重。不同于有线控制系统，无线网络化控制利用射频、载波等技术，将杀虫设备与控制端无线连接，以实现设备之间的智能化控制。无线网络化控制系统的优势明显（1）利用无线网络化控制系统控制杀虫设备，操作更加方便简洁，不用布线，一个区域网络的架设可以满足整个区域的要求。（2）设备安装后，只要是在区域网络的范围内，可以任意移动，不会影响设备的控制和操作，可拓展性高。（3）初次投资较高，但一次投资长期有效，同时无线网络化控制在传输过程中消耗能源较有线传输更少，有效的节约了资源。综上，在本设计，我采用了无线控制的方式对太阳能杀虫系统进行控制，在选取无线网络化控制的方式时，我选用了基于CC2530的数据无线传输模块。模块以构建近距离、低功耗、高传输速率、低成本的无线通信网络为标准，将ZIGBEE技术与数据传输技术相结合。32基于CC2530的网络化控制模块的功能分析基于CC2530的网络化控制模块应以发送数据、接收收据、处理数据为主，实现信息的A/D转换及收发。此模块需要设计信号I/V转换电路、A/D转换及相应的接口电路，才能把采集到的模拟信号转换成数字信号送到计算机去处理。利用微机原理及接口技术，实现先进、可靠、集成、低功率的无线数据传输模块，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息收集、A/D转换、发送、接收、处理等基本功能，并可根据需要支持实现无线区域覆盖、协同互动等高级功能，实现与相邻无线发射点互动的无线传送模块。该模块的多接口采集、多通道发送、高速率A/D转换、通讯功能互动于一体，集成度高，功能强大，经济可靠，具有很好的实用价值。33网络化控制模块整体设计思想网络化控制模块设计重点研究的关键的问题是以CC2530芯片为核心模块，设计一个可以完成多功能采集，传输的模块，整合市场现有的无线传输设备。解决思路可采用先进、可靠、集成、的开发板，以信息数字化、信息共享标准化为基本要求，利用微机原理及接口技术，进行本次毕业设计。网络化控制模块设计应遵循的主要原则（1）安全性原则充分评估各种新技术、新设备的应用风险，有计划、有步骤、采取由低端的CC2530开发板到多功能接口的无线数据传输开发板，逐步试点推广应用的风险控制措施，稳步推动CC2530无线数据传输模块的不断更新，以保障数据能安全稳定、精确高效地传输。（2）先进性原则跟踪无线数据传输技术的最新发展，依靠科技创新和技术进步，最终建成功能合理、技术先进，符合无线传输发展需求的基于CC2530的ZIGBEE开发板。（3）实用性原则充分注重系统的优化和整合，力求实现技术、经济、需求三方面的平衡性与合理性。系统的排版和设计采用统一的标准和规范，利于实现资源共享，提高效率和信息资源的综合开发利用。网络化控制模块结构方框图如图3所示。指示灯模块模块仿真跳线模块供电选择CC2530芯片模块外部供电接口系统复位模块MAX232串口接口仿真器驱动模块外部供电接口P2P3口图3网络化控制模块结构框图本设计的难点就在CC2530芯片的工作原理应用上。CC2530是ZIGBEE网络数据传输的其中一个核心芯片。它能够以非常低的总材料成本建立强大的网络节点。CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051CPU，系统内可编程闪存，8KBRAM和许多其他强大的功能。CC2530芯片有四种不同的闪存版本，具有32KB、64KB、128KB、256KB的闪存。CC2530芯片工作时具有不同的运行模式，使得它适应超低功耗要求的系统。核心芯片的优良性再加上外围电路的配合，可以实现多功能，高效率的无线数据传输。模块外围可以安装传感器模块，采集温度、湿度、高度、网口等数据传输模块。然后，对数据进行A/D转换，数字化后进行数据与PC间的串口数据传输，在计算机上进行数据深程度处理。那么CC2530所接收的信号不全是模拟信号，还可以接受其他无线设备所发送的数字信号。在接收到数据后，芯片对数据进行简单的分类后，再发送给其他接受终端，这需要软件的控制，芯片中所集成的增强型8051CPU完全可以处理这些逻辑问题。在数据传输的同时，由LED灯亮灯灭等去辨别模块工作的正常性，LED灯出现正常的闪烁，其模块工作正常。模块还设置了专门的供电线路和滤波电路，确保电压的正常。其次，还设置了仿真跳线电路和PC串口电路等。34网络化控制模块的硬件电路设计341设计模块的基本功能基于CC2530网络化控制模块包括数据处理模块、外接模块I/V转换电路、电源模块、串口通信模块和无线传输模块。从而实现模拟数据A/D转换、发送数据、两个或多个无线模块建立简单的无线连接和数据交换为一体的功能。数据采集一般是采样方式，即在一个采样周期对同一点数据重复采集。采集的数据大多是瞬时值，也可是某段时间内的一个特征值。准确的数据量测是数据采集的基础。数据量测方法有接触式和非接触式，检测元件多种多样。模拟数据A/D转换则起到多样性数据采集与整个无线数据传输模块相连的桥梁作用。由于采集数据的实际对象往往都是一些模拟量，根据无线传输局限性的需要，必须首先将这些模拟信号转换成数字信号，在无线传输中，处理这些信号，更容易、安全、可靠。发送数据则是在以上各项功能的基础上实现的数据包寻找终端进行数据交换的功能。数据包发送前首先要对数据包的格式进行配置，数据包的格式化配置主要包含对前导字节、同步词汇、数据包长度和CRC校验等信息的设置。发送模块与接收终端之间的地址配对，是软件初始化已经做好的工作。CC2530芯片具有地址配对的功能，只需要在写入程序时，设置配对终端的地址即可。两个或多个无线模块建立简单的无线连接和数据交换是实现点对点型、点对多点型和完全分布型最基本的条件，支持实现无线区域覆盖、协同互动等高级功能，实现与相邻无线发射点互动的最关键的功能。此功能多用于现代的无线网络，例如WIFI，蓝牙，这些短距离数据传输场合。在实现无线数据传输的条件下，基于CC2530的网络化控制模块实际上就是一个多接口采集、多功能数据收发的数据传送点，是整个无线区域覆盖的一个基本服务终端。它可以发送采集模块所采集到的任何数据和无线接收到的任何信息，也可将它所获得的信息和数据传送到移动终端或下多个基本服务终端。342CC2530芯片介绍CC2530是ZIGBEE无线数据传输其中的一个核心芯片，它能够以非常低的总材料成本建立强的网络节点。CC2530芯片有四种不同的闪存版本分别具有32/64/128/256KB的闪存。CC2530芯片工作实具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。在业界内，CC2530结合了德州仪器的业界领先的黄金单元ZIGBEE协议栈，提供了一个强大和完整的ZIGBEE解决方案。那么CC2530芯片的实物如图4所示。图4CC2530芯片CC2530芯片引脚CC2530芯片共包含了40个引脚，引脚的排布如图5所示。图5CC2530引脚图CC2530是集合型芯片，所以其本身就有40个引脚。那么CC2530芯片引脚功能描述表见附录A。CC2530芯片功能介绍CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051CPU，系统内可编程闪存，8KBRAM和许多其他强大的功能。（1）RF/布局功能适应24GHZIEEE802154的RF收发器；极高的接收灵敏度和抗干扰性能；可编程的输出功率高达45DBM；只需极少的外接元件；只需一个晶振，即可满足网状网络系统需要；6MM6MM的QFN40封装；适合系统配置符合世界范围的无线电频率法规。（2）具有低功耗优点主动模式RX（24MA）；主动模式TX在1DBM（CPU空闲）29MA；供电模式1（2MA）；供电模式21A；供电模式3（外部中断）04A；宽电源电压范围（2V36V）。（3）微控制器功能优良的性能和具有代码预取功能的低功耗8051（CPU）微控制器内核；32KB、64KB或128KB的系统内可编程闪存；8KBRAM，具备在各种供电方式下的数据保持能力；支持硬件调试。（4）外设部分强大的5通道DMA；IEEE80254MAC定时器，通用定时器（一个16位定时器，一个8位定时器）；IR发生电路；具有捕获功能的32KHZ睡眠定时器；硬件支持CSMA/CA；支持精确的数字化RSSI/LQI；电池监视器和温度传感器；具有8路输入和可配置分辨率的12位ADC；AES安全协处理器；2个支持多种串行通信协议的强大USART；21个通用I/O引脚（194MA，220MA）；看门狗定时器。CC2530芯片模块说明CC2530芯片模块大致可以分为三类CPU和内存相关的模块；外设、时钟和电源管理相关的模块以及无线电相关的模块。（1）CPU和内存CC253X芯片系列中使用的8051CPU内核是一个单周期的8051兼容内核。（2）调试接口执行一个专有的两线串行接口，用于内电路调试。（3）I/O控制器负责所有通用I/O引脚。（4）五通道DMA控制器系统可以使用一个多功能的五通道DMA控制器，使用XDATA存储空间访问存储器，因此能够访问所有物理存储器。（5）定时器1是一个16位定时器，具有定时器PWM功能。（6）内置MAC定时器是专门为支持IEEE802154，MAC或软件中其他时槽的协议设计。（7）定时器3和定时器4是8位定时器，具有定时器/计数器/PWM功能。（8）睡眠定时器是一个超低功耗的定时器，计算32KHZ晶振或32KHZRC振荡器的周期。（9）看门狗一个内置的看门狗，允许CC2530在固件挂起的情况下复位自身。其他除了上面所含的高级功能，CC2530内部还安置了RF无线收发器等，还有CC2530芯片的运行坏境温度和供电电压。（1）无线设备CC2530具有一个IEEE802154兼容无线收发器。RF内核控制模拟无线模块。另外，它提供了MCU和无线设备之间的一个接口，这使得可以发出命令，读取状态，自动操作和确定无线设备事件的顺序。无线设备还包括一个数据包过滤和地址识别模块。（2）运行条件CC2530在良好的环境中运行才能达到最好的效果，其环境参数如表1。表1CC2530运行环境最小值最大值单位运行环境温度40125运行供电电压236V343电源电路设计在模块设计中，CC2530芯片及部分外围器件需33V电源和18V电源供电，另外，部分器件需要5V电源、12V电源和24V电源，为简化模块电源电路的设计，要求整个模块的输入电压为24V直流稳压电源。为了得到可靠的稳定电压，此处选用美国国家半导体公司生产的三端可调正稳压器集成DCDC变换器LM317，它的输入电压范围是12V至37V，负载电流最大为15A。它的使用非常简单，仅需两个外接电阻来设置输出电压。此外它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。LM317内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。另外在用的时候要注意功耗问题和散热问题。24V转5V和12V电源电路，如图6所示。图624V转换电路LM317输出电压计算方法如公式（1）（1）2DJ125RIVAO因为控制在小于L00UA，这一项的误差在多数应用中可忽略。DJAI24V转8V、12V可以利用LM317芯片和外围电路顺利转换而来。那么18V和33V的转换电压也要利用芯片，在这里选用AS1117芯片。AS1117是一款低压差的线性稳压器，当输出1A电流时，输入输出的电压差典型值仅为12V。AS1117除了能提供多种固定电压版本外，还提供可调端输出版本，该版本能提供的输出电压范围为125V138V。AS1117本身功能已经很齐全，所以，外围应用电路非常简单，固定电压版本只需输入输出两个电容和负载即可工作。5V转18V和33V电源电路，如图7所示。图75V电源转换电路电路中存在的交流分量会影响到电路的稳定性，而经过电容滤波电路后，即可保留直流分量，又可滤掉一部分交流分量，改变了交直流分量的比例，减小了电路的脉动系数，改善了直流电压的质量。对于脉动直流电中的交流成分，旁路电容C相当于短路，交流量经过电容，而不经过负载，负载被电容短路。对于脉动直流电中的直流成分，旁路电容C相当于开路，直流量不能通过电容，而加在负载上，从而达到了滤除脉动直流电中交流成分的目的。滤波电路如图8所示。图8滤波电路344晶体振荡器电路设计该电路用于向CC2530芯片和其他电路RTC电路提供工作时钟。根据CC2530的最高工作频率及PLL电路的工作方式，选择25MHZ的无源晶体振荡器，其频率经过微处理器内部PLL电路倍频后，最高可达96MHZ。对于RTC电路，选择32768KHZ无源晶振。内部PLL电路兼有频率放大和信号提纯的功能，因此，系统可以以较低的外部时钟信号获得较高的工作频率。系统晶体振荡器电路如图9所示。图9系统晶体振荡电路实时时钟的基本功能是保持跟踪时间和日期等信息，但许多RTC还提供有多种附加功能，如看门狗定时器、系统复位、非易失存储器（NVRAM）、序列号、方波输出、涓流充电等。因此，在进行电路设计时，选择RTC芯片出了需要考虑其时间和日期跟踪功能外，通常还需要针对具体应用来对RTC的功能、成本、尺寸等要求进行综合考虑。实时时钟晶振振荡器电路如图10所示。图10实时时钟晶体振荡电路系统晶振电路和实时时钟震荡电路是置在CC2530芯片外围，所以需要对应的引脚连接。系统晶体震荡电路属于对称电路，两个引脚不过与区分，所以，芯片对应的引脚为引脚22（XOCS_Q1）、引脚23（XOCS_Q2）。实时时钟晶体振荡电路也属于对称电路，两个引脚不过与区分，所以，芯片对应的引脚为引脚32（P24/XOCS32K_Q1）、引脚33（P23/XOCS32K_Q2）。345复位电路设计该电路主要完成系统的上电复位和系统运行时用户的按键复位功能，有助于用户调试程序。复位电路的基本功能是系统上电时提供复位信号直至系统电源稳定后撤销复位信号为可靠起见电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号以防电源开关或电源插头分合过程中引起的抖动而影响复位。复位电路如图11所示。图11复位电路RESET_N脚在CC2530芯片上的引脚号为20，复位时活动到低电平。上电复位的情况通电瞬间电容可以当短路，所以RESET_LN脚为低电平。随着时间的飞逝（电容充电），稳定后33V的电压实际上是加在电容C12上的。电容上极板也就是RESET_LN脚最终为高电平。这样，引脚RESET_LN持续一段低电平后，最终稳定在高电平，低电平持续时间由RC时间常数决定。按键按下去就相当于上电那一瞬，让电容短路。346仿真跳线设计JTAG是一种国际标准测试协议，主要用于芯片内部测试及对系统进行仿真、调试。JTAG技术是一种嵌入式测试技术。通过JTAG接口可对芯片内部的所有部件进行访问，是开发调试嵌入式系统的一种简洁高效的手段。标准的JTAG接口是4线接口TIVIS、TCK、TDI以及TDO，分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出信号线。JTAG各引脚核心功能定义如表2。表2JTAG引脚功能描述表管脚名名称功能描述TDL测试数据输入管脚JTAG指令和测试编程数据的串行输入管脚，数据在TCK信号的上升沿时读入。TDO测试数据输出管脚JTAG指令和测试编程数据的串行输出管脚，数据在TCK信号的下降沿时读出，如果数据没有输出，则处于三态。TMS测试模式选择管脚该数据管脚是控制信号，它决定TTAP控制器的转换。TMS信号必须在TCK上升沿之前建立，在用户状态下TMS信号应是高电平。TCK测试时钟输入管脚JTAG链路的时钟信号，直接输入到边界扫描电路，所有操作都在其上升沿或下降沿时刻发生。TRST测试复位输入管脚用于异步初始化或复位JTAG边界扫描电路，低电平有效。JTAG最初是用来对芯片进行测试的，基本原理是在器件内部定义一个TAP端口，通过专用的JTAG测试工具对进行内部节点进行测试。此外，JTAG协议允许多个器件通过JTAG接口串联在一起，形成一个JTAG链，能实现对各个器件分别测试。此外，JTAG接口还常用于实现在线编程，对FLASH等器件进行编程。JTAG在线编程的特征也改变了传统生产流程，将以前先对芯片进行预编程再装到板上的工艺简化为先固定器件到电路板上，再用JTAG编程，从而大大加快工程进度。它有2种连接标准，即14针接口和20针接口。此处选择20针接口的标准。JTAG接口电路如图12所示。图12JTAG接口电路JTAG经过外围电路后，还需要七个引脚接入CC2530芯片中，除了RESET_LN复位有明确的引脚外，其余六个需要用编程指定相应的引脚。其余六个引脚的对应P0接口如表3所示。表3JTAG对应接口表JTAG（管脚）3（TRST）5（TDI）7（TMS）9（TCK）11（PTCK）13（TDO）CC253012（P0_7）13（P0_6）14（P0_5）15（P0_4）18（P0_1）19（P0_0）347串口设计RS232是个人计算机上的通讯接口之一，由电子工业协会所制定的异步传输标准接口。通常RS232接口以9个接脚或是25个接脚的型态出现，一般个人计算机上会有两组RS232接口，分别称为COM1和COM2。在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。RS232C标准规定的数据传输速率为每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。RS232C标准规定，驱动器允许有2500PF的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用150PF/M的通信电缆时，最大通信距离为15M；若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是RS232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20M以内的通信。串行通信接口标准经过使用和发展，目前已经有几种。但都是在RS232标准的基础上经过改进而形成的。所以，以RS232C为主来讨论。RS232C标准是美国EIA电子工业联合会与BELL等公司一起开发的1969年公布的通信协议。它适合于数据传输速率在020000B/S范围内的通信。这个标准对串行通信接口的有关问题，如信号线功能、电器特性都作了明确规定。由于通行设备厂商都生产与RS232C制式兼容的通信设备，因此，它作为一种标准，目前己在微机通信接口中广泛采用。RS232是单片机间，或单片机与上位机间通信联络用。MAX232作为RS232的电平转换芯片，完成TTL电平和RS232电平的转换。MAX232是一种双组驱动器/接收器，片内含有一个电容性电压发生器以便在单5V电源供电时提供EIA/TIA232E电平。典型的RS232信号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端驱动器输出正电平在515V，负电平在515V电平。当无数据传输时，线上为TTL，从开始传送数据到结束，线上电平从TTL电平到RS232电平再返回TTL电平。电容可以取01UF到10UF、左右的电容，有极性无极性均可，但是使用有极性的电容一定注意正负方向。MAX232主要特点有单5V电源工作、两个驱动器、两个接收器、30V输入电平、低电源电流（8MA）。MAX232的不足之处接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接；传输速率较低，在异步传输时，波特率最大为19200BPS；接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱；传输距离受限。图13为MAX232串口的连接电路图，用来与数据传输终端设备进行串行通信口实验和仿真调试下载程序的。图13MAX232串口的连接图MAX232是用来做电平转换的，标准RS232电平很高，达正负12V。常用的TTL电平最高5V。相互连接的话，必须进行电平转换，由于电脑串口输出电压高达12V，直接与单片机连接会烧坏芯片。所以用MAX232来进行电平转换。MAX232芯片采用单5V电源供电，仅需几个外接电容即可完成从TTL到RS232电平的转换，共两路。其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DP9插头；DP9插头的RS232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。图13是模块与PC间通信最有力的电路，是模块进行调试仿真唯一的接口。它通过COMPIM中的2（RXD）、3（TXD）与电脑相连，进行数据间的交换。而MAX232引脚中的11（T1IN）、12（R1OUT）与对应的CC2530芯片中的17（P0_2TXDD）、16（P0_3RXDD）通信。348外接模块设计外接模块（传感器模块）可以测量各种物理量和感知环境的，比如温度、湿度、光强、雨雪等。在设计外接模块时，首先要根据应用需求选择参数、性能合适的传感器，并设计相应的驱动电路及信号处理电路如放大、滤波、转换等。此次设计中所选用均为模拟输出信号类传感器，包括有输出电流信号、输出电压信号和输出开关量信号三种类型。由于大部分传感器是电流输出型，针对这个特点，设计了电流电压转换电路。电路采用型电路实现电流4MA20MA转换为04V2V电压，电路如图14所示。图14I/V转换电路在设计过程中要考虑信号的输入、输出特性，接触时对被测物体的影响，防滴滑、防爆、抗干扰、接地处理等。传感器按照其信号输出类型大致可分为模拟信号输出类、数字信号输出类。采用模拟信号输出的传感器一般采用模数转换ADC进行信号采集；采用的数字输出方式的传感器主要包括脉宽调制