【《水环境监测系统的硬件设计案例》7000字】

水环境监测系统的硬件设计案例

目录

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18986

水环境监测系统的硬件设计案例

1

6790

1.1网络节点硬件总体构架设计

2

26349

1.2控制模块设计

3

10616

1.2.1CC2530芯片原理

3

2564

1.2.2CPU和内存

8

20874

1.2.3时钟和电源管理

8

23145

1.2.4USB转串口电路设计

9

4261

1.2.5按键接口电路设计

10

28116

1.2.6电源模块电路设计

10

16208

1.3传感器模块

10

5553

1.1.1温度传感器

10

24637

1.1.2PH值传感器

12

19710

1.1.3电导率传感器

15

16701

1.1.4浊度传感器

18

5606

1.1.5溶解氧传感器

21

8429

1.4通信模块

23

19786

1.5电源模块

24

26253

1.6硬件实物展示

24

27556

1.7本章小结

25

此次的传感器节点为片上系统，该系统的核心部件为CC2530芯片。在组网过程中，协调器和终端节点模块网络构造相同，以便组成一体化的网络系统。网络构建和数据传输由协调器完成。数据的提取和输送由终端节点完善。网络程序的重点设计工作集中在终端节点和协调器的功能实现方面，借助电脑中的端口传输至上位机中。

1.1网络节点硬件总体构架设计

此次完成的传感网络节点在设计硬件时，共分为四个模块，分别是传感器、控制、电源和通信等。下图3-1代表设计的传感节点硬件构成。采用ZigBee的CC2530开发模块作为本次设计的基础模块，这一模块中包揽了8051微处理器和ZigBee协议，促使接下来的各个模块中硬件设计更为简约。传感器模块内部的构成为DS18B20温度传感器、E-201-C型PH复合电极传感器、EC10土壤电导率传感器、GS-TS型浊度传感器和RY952溶氧传感器和调理电路。电源部分的设计中，使用稳压芯片的型号为AMS1117，以便各个部分在通电时保持电压的稳定性，以便维持运转。



图3-1传感节点硬件总构架图

1.2控制模块设计

1.2.1CC2530芯片原理

本次选取的芯片型号为CC2530，主要是出于以下几个方面的考量，确保芯片花费低、不会产生大的功率消耗，将数据的传输能力最大化。

该芯片是一种新的片上系统，支持ZigBee协议，由TI公司开发的新一代芯片。它的工作频段为2.4千兆赫兹。CC2530有四种闪存空间的版本，分别有着32KB、64KB、12KB、256KB的闪存空间，在内部集成了8051MCU的内核、高性能的射频收发器、256KB的ROM和8KB的RAM，并且可以扩展其他的外接设备。

CC2530在运作过程中可以采用多种方式，当合理地进行设置后，可降低损耗，同时还能够实现在极短的时间内将芯片的工作方式进行转换，也可以降低一些芯片损耗[28]。在一些应用的设计中，这种芯片均可适用，在IEE802.15.4网络协议中可以快速构建，因此笔者决定使用CC2530芯片构成这一模块[29]。图3-2表示的是CCC2530设备在不同模块下的构造形式，图中重点描述了不同模块中的芯片具备的职能和外设中的作用。模块大体分为三类：第一类，作为处理器使用；作为计算之用、外设电路；进行信号收集和发出之用。

芯片CC2530的特点如下：在构成上，拥有高度敏锐的接受能力、可抵御外界的干扰，同时无需大量的连接原件，在进行系统配置过程中，可以随意设置无线电频率。其中最为突出的一个特点即为对能源的消耗较低；作为微控制器配件时，具有极低的内核消耗和较高的性能。可以预先保存和提取代码。可以预先调试硬件并运用IAR实施；芯片的外部设施方面，DMA具备五个通道实现大型数据块的运输工作，并配备12位的ADC。看门狗可作为定时器使用，以防出现程序出错，确保系统在运行中较为稳固。同时使用CC2530芯片时，外部电路的构造简洁，不需要较大的设计，芯片具备小体积、低功耗等特色，因此构建系统过程中，大部分应用在无线传感器方面，这种基础下，其使用范围非常广。

本系统中选取CC2530F256芯片作为节点模块，将这一芯片与网络企业出具的ZigBee协议栈加以综合运用，形成功能较强的ZigBee技术，向客户提供服务[30]。该系统的各个终端节点都配备了5类传感器与CC2530对接，一些传感器为了保证获取数据的精确性，需要借助AD的转换功能，并在进行数据传递时需在芯片的I/O口实现。图3-3指的是该芯片具备的引脚技能。

图3-4图形绘制的是基于CC2530特质的外部电路图。

图3-2内部结构图

3-3CC2530引脚图

图3-4CC2530外围电路图

1.2.2CPU和内存

此次选用的CPU为8051兼容内核[31]，单周期。配备三种访问总线，对SFR、DATA和主SRAM实施单周期的访问，为方便其调试功能，设置了单独的调试接口。不仅如此，还配置了十八个输入的扩展中断单元。

内部仲裁器被设置在系统的中心部位，通过总线SFR的串联作用，将各个构件如外部设施、控制器、中央处理器、存储器等连接为一个部分。内存仲裁器内部存在四个访问部位，并可以反映至三个物理储存期中的一个里面。物理储存期分别为8KBSRAM、闪存存储器和寄存器。其工作为进行裁决，为存储器在一个时间段的访问存储器行为制定访问的次序。8KBSRAM可以同时在XDATA存储空间和DATA存储空间进行映射。属于功耗极低的一类SRAM，即便是显示的数字部位没有电的连接，内容也可以被储存在供电模式2和供电模式3中。对于设计中需要低能耗这一需求来讲，该性能十分重要。不同存储量的内存卡为电路的编程提供保持作用，还可以在XDATA存储空间和CODE存储空间中进行保存。

1.2.3时钟和电源管理

时钟[32]：该系统中配备主时钟一枚，时钟的源可以选用32MHz晶体或者16MHzRC振荡器。控制时钟的是CLKCONCMDSFR寄存器。其中，CLKCONCMD寄存器、RC振荡器或晶体振荡器都可以作为32MHz的时钟源。在获取时钟的目前形态时，可以选取CLKCONSTA寄存器进行得知，这种寄存器需具备只读功能。

管理电源方面：电源在工作过程中，可以进行多种设置，为了降低电源的功率消耗，需选取恰当的电力运输模式。为了保证超低的功率消耗，需将电源进行关闭，防止出现静态的消耗。运用门控时钟、将振荡器停止，以便达成这一要求。电源的五种不同运行模式（供电模式）分别为PM1、PM2、PM3、空闲模式、主动模式。通常采用的模式为主动模式。能耗最低的模式为PM3。PM1模式下，需要将稳压器的一些数字显示出来。但是PM2、PM3模式运行时，则无需显示稳压器中的数字。主动模式下功能可以全部开启，稳压器中的数字内核被运行，同时振荡器也不断运作，两类振荡器可以同时工作。空闲模式与之相比，系统中的各个部位均停止工作。

1.2.4USB转串口电路设计

为了便于对系统进行调试，需要对配备USB转串口电路，确保协调器设备可以直接连接上位机，进行通信工作。实现了全方位地进行管理，针对网络中各个节点的工作状态进行全方位地监督。选取PL2303芯片使用，目的是确保USB和串口二者之间可以进行转变，这一工作属于转换电路的重点。该电路下，有三个部分组成，与CC2530进行对接的电路、可以安装USB的电路，确保PL2303芯片能够正常运转的外部电路设计。

图3-5代表此次规划的USB转串口电路图。

图3-5USB接口电路图

1.2.5按键接口电路设计

该系统中，按键方面的构造设计十分必要，人通过按键可以实现与电脑的互动。程序的运行在操作中，也需要通过按键开启。为了尽可能地少占用I/O资源，此次配备3个按键，电路图见3-6。

图3-6按键接口原理图

1.2.6电源模块电路设计

因为协调点的功率很小的弱电系统，故采用电池供电及USB低压供电两种方式。供电系统图如下3-7。

图3-7供电电源电路

1.3传感器模块

1.1.1温度传感器

针对温度传感器，笔者考虑后选择型号为DSI8B20的传感器，功能是测量水温。这种传感器具有以下几个特征：首先具有较强的适应能力，可在多种季节环境下正常工作；其次，该传感器在一条线连接的情况下，能够两个方向实现通信。外部无需安装另外的设施。使用过程中，与I/O主控板之间连接便可工作；第四具备网络功能，DSI8B20能够实现8个以上的传感器同时并联工作，满足多个监测点的温度传感检测。参考以上因素可知，DSI8B20传感器具备结构简单、适用性强、抗干扰[33]，等多重优点，是水环境温度检测的首选设备。

（1）DS18B20芯片封装结构

负责测量温度的传感器入水一端已做防水处理，因此测量过程中可以接触水，在另一部位将所测的信息以数字发送出去，通常信号为16位数据。接地线、电源线和信号输出线构成了输出端。详细构图为3-8所示。

图3-8DS18B20芯片封装结构

（2）DS18B20硬件电路设计：

通过观察硬件的线路发现其非常简洁，只需要设计可以广泛使用的I/O端口在主控制板中，便可以满足日常工作所需，进行地址的寻找、将数据向其他设备传输等。电路图为3-9

图3-9DS18B20电路图

1.1.2PH值传感器

PH值得测定最常用的方式就是电极法，通过计算正负电极之间的总电压（即电动势）来进行测定。电极的选定中，复合电极具备使用方便快捷的优点，单电极则具备测试时间段的优点。通过对比考虑，此设计首选E-201-C型的PH复合电极作为应用种类，它具有塑料外壳，是能够进行充电功能复合电极，有正负两极，是最为适合的PH检测设备。PH值测定主要是通过PH复合电极改变电位的方式为改变氢离子在水中的运动状态，同时计算电极正负极出现的电位差得出pH值[34]。这种类型的复合电极以电压的变化作为测量信息，电压级别属于Mv，PH值从0排列至14。

（1）传感器调理电路设计：

这种电路模块中，在电路中引入该传感器的两个电极，接着运用TLC4502双运算放大器法转化作用，将弱化的传感器电压变大，电压由毫伏级改变为0至三伏，下图代表的是该传感器的电路工作模式。

图3-10PH模块电路图

（2）PH值与电压值对应关系

在实验过程中，需要勾兑一些pH值不等的溶液，确保其值为4、7和9，为了得出符合要求的PH值，使用苯二甲酸氢钾、混合磷酸盐和硼酸混合后的出符合要求的溶液。勾兑方式为，将这三种化学品根据不同比例放入3个烧杯中，在杯子中加入250毫升25摄氏度的水，均匀地进行搅拌；然后将需要监测的传感器一端没入溶液中，另一端与万用电表相连，便能得到电压数据，将数据进行记载，表为3-1。

表3-1pH值与采集电压

PH标准溶液

信号值（V）

4.00

6.86

9.18

1.678

1.180

0.845

（3）PH值传感器的校正:

通过以上方式进行大量反复试验后取得的数据为在pH值为4的溶液中，传感器对应的电压值为1.678V，在PH值为6.86的溶液中，得出的电压值为1.180V，在对应的PH值为9.18的溶液中得出的设备电压值为0.845V，以下是根据数据绘制的PH值走势图。二者之间的关系表现为以下函数图形。

图3-11PH拟合曲线

借助得出的拟合直线为基础，进而完成纠正PH值传感器工作，保证在测量中得出准确的水参数，进而将两个变量采集电压和PH值的关系以函数公式表示如下：

Y=-6.182X+14.31；R2=0.999（Y为PH值，X为电压值）

1.1.3电导率传感器

此次笔者采用的电导率传感器型号为EC10，专门对土壤进行测试，其优点在于高度敏捷，同时EC10在检测土壤时，可以在多种环境下应用，如草原、试验田、大棚中，被广泛应用在农业、工业等多个行业。

（1）该传感器特征具体被详细列举在下表3-2中[35]。

表3-2土壤水分电导率传感器特点

序号

内容

1

2

3

4

5

较为精密的密封性，即使在酸碱度较高的环境下，也有一定的防腐蚀性，可以长期放置在土壤、水中工作。

在各种液体和土壤中，经过测试可以将电导率得出。

精确度极高，响应非常及时，可以实现较好的互换，设计了插入式的探针，目的是保证测量的特性比较准确。

选用的电极材料为特色材质，不易被破坏，可以在较大的外力下保持稳固性。

设计的保护电路非常完美，信号输出的接口较多。

（2

）图3-12表示土壤水分电导率传感器接线。

图3-12电导率传感器接线图

（3

）该传感器需要的各类技术参数，具体被列举在表3-3。

表3-3电导率传感器相关参数表

表3-4电导率与电压对应关系表

1.1.4浊度传感器

当前可以采用两类方式对浊度传感器进行度量，依次为散射式传感器和透射式传感器。对水样的浑浊程度进行检测的方式为，将与散射器发出的光照角度相垂直的光进行收集后，得出其强度值，并计算水浊度。这种散射光属于强度较高的单色光，波长890纳米，产生于光发生器，在照射水体时，在水中悬浮物的反射下出现光。

散射式浊度传感器在相关领域中，进行研究时有着大量的应用记录，在实际检测水环境时，也得到了广泛的使用。这种传感器灵敏度高，尤其在低浓度水中检测效果较好。在一些地区的湖水、水坑等低浓度水中，浑浊度较低时采取这种散射式GS-TS型传感器[36]。可以实现0到5000NTU的测试范围，可以输出4到20毫安的模拟电。

表格3-5代表浊度传感器的参数值。

表3-5浊度传感器相关参数

（2）浊度传感器实物接线

用于测试水浑浊度的传感器与水接触的一段，进行了防水处理，因此不再害怕工作中会被水进入出现损坏，上端为三条电线构成，一条接地线，一条为电压接触线，另一条将检测的信号发射出去，具体见图3-13。

图3-13浊度传感器

（3）采集信号调理模块

这一设备的作用是进行电路的转换，将弱电流经过处理变为强的电压，选取的芯片为MCP602I，可进行双运算和放大之用，其构造图为3-14。

图3-14浊度传感器电路板

（4

）浊度值与采集电压对应关系，见表

3-6。

表3-6浊度值与采集电压

图3-15浊度曲线

多次进行实验后将获取的数据加以整理，并进行拟合处理，得出以上曲线，具体见上图3-15，并计算得出两种变量二者的函数关系式：

Y=-1.37X+4.6（Y为浊度，X为采集电压）

由于：10-6=1ppm=1mg/l=0.13NTU;1.5%=35000ppm=35000mg/l=4550NTU推出：Y=5980-1781x（Y为浊度值单位NTU，X为采集电压单位V）

1.1.5溶解氧传感器

（1）RY952溶氧传感器属于一种电化学原电池式高稳性传感器。内部的透气膜和电解液均不需要定期更换[37]。缺点在于需要防止直接硬物接触，防止透气膜被破坏。为了保持其完整性，可为其配置保护套，并在使用保护套时轻拿慢取，按照准确的方向取下，不能使用蛮力一把扯下，目的是防止透气膜被划破，保持其完整性。

（2）表3-7指的是传感器对应的有关参数。

表3-7溶解氧传感器相关参数表

（2

）传感器的校正，见表3-8。

表3-8不同温度溶氧量与对应输出电

表3-9相同温度溶液与溶氧量关系

表3-9列举的数据为笔者翻阅大量专业书籍后得出的，对这些数据拟合处理后，便可将两种变量溶解氧含量和采集电压二者的函数关系以公式形式加以表示为Y=-5.4x+0.3（Y为溶解氧含量，X为采集电压）

（4）传感器放大模块：

放大后的传感器电路见下图。

图3-16传感器放大电路

（5）传感器实物：

图3-17为传感器实物照片。

图3-17传感器实物图

1.4通信模块

这一模块下，收发器的选取采用UART，并在异步数据中应用。收发器的功能是负责通信作用，与控制器和终端进行信息联系。

UART收发器属于异步串口通信协议的一类，在进行数据的运输时，以字符为单位进行传递，通常采用