【基于环境能量采集技术的系统设计案例5600字】

1基于环境能量采集技术的系统设计案例 1 1 1 2 2 3 5 7 7 1 在研究WSN节点的基础上，具体设计基于环境能量采集技术的WSN节点的硬件电路WSN节点的生存周期，其平均功率要尽量小，一般控制在微瓦级别。在满足此要求的基础2电磁能、振动能等等。在储能单元中，基于WSN节点的低功耗目标和尽可能长的工作寿命的要求，通常采用超级电容和充电的锂电池。1.3节点硬件总体方案设计无线传感器网络节点的硬件电路主要包括以下部分：电源模块、传感模块、处理器模块和无线通讯模块。一般情况下，传感模块是针对具体的应用场景而选择相应的传感器，比如光照、温湿度、压力、超声波传感器等种类，在本课题的系统设计中，系统采用了GY-30光模块BH1750FVI和数字温湿度模块BHT11;而处理器模块，系统选择性能高的CMOS8NRF24L01。设计的总体框架如图1.1所示。NRF24L01NRF24L01由图1.1所示的总体框图知，整个硬件电路可以分为发送和接收两个电路板。在发送的电路板上有主控单片机模块、NRF24L01、光照传感器和温湿度传感器；在接收的电路板上有单片机模块、NRF24L01、液晶显示模块和Wi-Fi模块。31.3.2单片机STC89C52RCSTC89C52单片机属于高性能的CMOS8位微控制器，是由STC公司生产的，具有高速率、低功耗、超强抗干扰的优势，与传统的8051单片机相比，两者的指令代码是完全兼容STC89C52RC的内部组成如图1.2所示。介RESETUnit锁存器定时器01定时器2允介B寄存器RAM地址寄存器由图1.2可以看出，单片机STC89C52RC中包含了许多部分，如CPU、PC、Flash、RAM地址寄存器、定时器/计数器、WDT、EE单片机包罗了实现数据采集和控制功能的全部模块，故而又可以说STC89C52单片机是一个完整的片上系统错误!未找到引用源。●抗干扰能力优越，抗静电能力强大；●8051单片机的加强版本，同时指令代码与8051兼容；●工作电压的范围为3.8～5.5V;●工作在0～35MHz的频率浮动空间，相当于8051单片机的0~70MHz;●片上集成1280字节或512字节RAM;●有EEPROM功能；4●共3个16位定时器/计数器，其中定时器0还可以当成2个8位定时器使用；P1.51RD/P3.7567892图1.3STC89C52单片机的管脚分布图●ALE:地址所存允许/编程脉冲；●P0.0～P0.7:P0□有两个常用功能，既可作输入/输出口使用，也可作地址/数据复用5路的状态，由于其内部没有上拉电阻，所以作I/O□使用时，须外接一个阻值在1.7K~10K范围内的电阻；而当作地址/数据复用总线使用时，等同于A0～A7的地址线，D0●P1.0～P1.7:P1□是双向的I/O□,内部存在上拉电阻。此外，P1.0还另有一个功能，就是可作为定时器/计数器2的外部计数输入使用(P1.0/T2),P1.1也是如此，可作为定时用源。.●P3.0～P3.7:同P1□一样，P3属于8位双向I/O□类型，具有内部上拉电阻。同时，P3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。表4-1为P3.0～P3.7引脚的第二功能。引脚引脚串行输入串行输出外部中断0外部中断1定时器0外部输入定时器1外部输入外部数据存储器写选通外部数据存储器写选通1.3.3射频通信芯片NRF24L01无线射频通信芯片NRF24L01的管脚分布如图1.4所示。 IRQVDDVSS其管脚的功能如表4-2所示。表4-2NRF24L01的引脚说明引脚名称说明引脚名称说明19晶体振荡器2脚2晶体振荡器1脚3SPI时钟功率放大器的电源4从SPI数据输入脚天线接□15从SPI数据输出脚天线接□26可屏蔽的中断引脚参考电流7电源供应(+3V直流)去耦电路电源正极端8无线射频通信芯片NRF24L01的实物图如1.5所示。7●发射模式●接收模式●空闲模式●掉电模式1.4各模块的设计作的首要条件。在本系统设计中选择了5V电池供电，同时在分析了其他模块工作时的电压情况以后，为传感器节点要设计相应的降压电路。压降电路的基本原理图如图1.6所示。T在图1.6所示的原理图中，为了杜绝电压倒置的现象发生，电路中增加了两个输入滤波电容，分别为电容C4和C5;同样地，另外两个电容C6和C7被称为来实现此功能要求。电压转换芯片AMS1117的版本有两个，即固定版本和可调版本，其中固定版本有多个固定的输出电压，其精度为1%。此外，在AMS1117芯片内部集成有两种电AMS1117的内部结构框图如图1.7所示。VN→带隙A为了实现节点能量的自供应功能，本课题设计了太阳能采集系统和射频能量采集系统为传感器节点供电。能量采集系统的结构框图如图1.8所示。能量转换电路1.太阳能采集系统本系统中，选择单晶硅类型的太阳能电池板，规格为115mm*51mm,其最大的电压输出值为5V,电流输出为600mA。供电系统基本框图如图1.9所示。锂电池图1.9供电系统的基本框图太阳能电池板采集到的太阳能转换为电能，该来源的电能有两个去处，一是为锂电池充电，二是直接为节点供电。充电管理电路的原理图如图1.10所示。太阳能电池板太阳能电池板22uf品电池D图1.10充电管理电路原理图放电保护电路的原理图如图1放电保护电路的原理图如图1.11所示。一CDR²图1.11放电保护电路原理图开关切换电路的原理图如图1.12所示。C230pf继电器R2m2.射频能采集系统射频能量采集系统的原理图如图1.13所示。NCG该系统的基本组成为能量转换、存储和稳压部分。其中，能量转换部分采用了RF-DC转换芯片P2110B,是Powercast公司生产制造的，采用了SMD的方式进行封装，芯片内部集成了RF-DC转换电路、电压检测电路、斩波电路等，其内部结构框图如图1.14所示。124567NDbaatNT98NCP698SQ30TIG四2319-9-08OC回Vour图1.14P2110B芯片内部框图器来监测数据，分别为GY-30光模块BH1750FVI和温湿度模块DHT11。的内部原理框图如图1.15所示。六图1.15光照传感器BH1750FVI的内部原理框图●ADC:用于获取16位数字数据的AD转换器；●Logic+I²CInterface:逻辑+I²C接口；●SDA:I²C数据线，其主要作用就是GY-30光模块BH1750FVI与STC89C52单片机的接线图连接示意图如图1.16所示。nn图YCC_5V 013134078DHT11属于复合类型的温湿度传感器，接□类型是标准的单总线接口，其输出信号是的连接示意图如图1.17所示。八Pull-up2431本设计中的传感器部分如图1.18所示。光照传感器●VCC:3.3V~5.5V的供电电压●DATA:串行数据，单总线●NC:空脚●GND:接地、电源负极STC89C52单片机的通信方式为全双工通信，有着支持两种软件可选省电状态的典型模式，当处于空闲模式时，就算CPU停止工作了，都不会对RAM、串□、定时器、计复位的情况。复位电路原理图如图1.19所示。三单片机复位三hoKhoK的电阻值为10K,C1的电容值为10uF,最后再将R1与GND脚相连，C1与VCC脚相连，形成一充放电回路，类型为RC型。STC89C52RC以高电平上电复回路的作用就是保证当处上电状态时，RESET脚上的高电平有足够长的时钟晶振电路是由电容值为30pF的两个电容C2、C3和振荡频率为11.0592MHz的石英晶体而构成的并联型谐振回路。通常，两个电容的取值范围为15pF~50pF,容值的大小会影响频率，起微调作用；晶体振荡频率的取值范围为1.2MHz～12MHz,一般取典型值时钟晶振电路L本系统设计中，STC89C52的最小系统如图1.21所示。三附江4江I¥Dg露LIP25P24P23单片机复位1234597867o11.1.4无线通信模块在传感器网络中，射频通信的应用尤为广泛，满足了要求的很多性能需求，如带宽高、通信距离长、误码率低，尤为重要的一点是，不需要发射机和接收机之间的视距路径。设计无线通信模块时，需要遵循的原则有：①稳定性好，可靠性高；②低能耗。传感器节点的四个主功能模块相比较而言，无线通信模块的能耗最大，其原对于延长节点的生命周期具有重要的意义；③所选芯片应该便于学习，开发周期短；④具有较远的通信距离。本设计选择了NRF24L01无线芯片，它工作的频率为2.4GHz～2.5GHz,隶属于ISM频段，具有外设少、功耗低的优点。该芯片如果发射时的功率值为-6dBm,则工作电流的值仅NRF24L01模块的原理图如图1.22所示。亭亭33nF豆NRF24L01三x22nfC22pF 只22pF235为了直观、更好地观察节点工作时数据的发送情况，本设计中采用了液晶显示模块LCD1602A和Wi-Fi模块ESP8266来显示通信情况。LCD1602A以点阵的形式展示需要呈现的内容，以16*2的形式，即分两行显示所需内容，每行16个字符，采纳的是16脚接口。液晶显示模块LCD1602A的实际展示图如图1.23所示。图1.23液晶显示器LCD1602A的实际展示图LCD1602A液晶显示器的RAM地址映射图如图1.24所示。图1.24RAM地址映射图Wi-Fi模块ESP8266属于串口模块，具有更佳的射频性能。其实物图如图1.25所示。图1.25无线设备ESP8266的实际展示图本设计中，NRF24L01模块及其外围电路如图1.26所示。P5PS09S护-4ggp*256tf54R2图1.26NRF24L01模块及其外围电路发送电路部分各个功能模块的分布图如图1.27所示。度传略器一NRY2LolE品p亭XP⁰2H需P第发送电路的连线图如图1.28所示。二9需K总PDC江AA2H理传感器P黄造渔v1NGc国6接收电路部分各个功能模块的分布图如图1.29所示。9oⅢ亚业业P13T器P06P07ALE事112P20学_亭接收电路的连线图如图1.30所示。6三P1(附?.件际期NRF24L01碧5678gL931.6硬件测试完成的硬件电路如图1.31所示。板。在发送部分的电路板上，有单片机模块、温湿度传感器、光照传感器、NRF24L01、继电器模块；在接收部分的电路板上，有NRF24L01、Wi-Fi模块、单片机、LCD1602A。其基本工作过程为两类传感器采集外界的三个环接收模块通过NRF24L01芯片接受来自发送模块的信息，在LCD1602A的显示屏上显示所监测到的数据信息，并且可以通过Wi-Fi模块将其上传到工业物联网平台，记录并储存。硬件电路所测得的数据信息上传到网页后的显示如图1.32所示。已连接更新时间：2021/05/2415:08:09早已连接更新时间：2021/05/2415:08:09已连接更新时间：2021/05/2415:08:09