基于无线传感器节点的光伏能量供电系统设计-学位论文.doc

基于无线传感器节点的光伏能量供电系统设计 摘要针对无线传感器网络能量供应瓶颈问题，设计实现了一种基于无线传感器节点的光伏能量供电系统。设计主要分为五个部分：第一部分为绪论，它是设计的保障，介绍了课题研究背景与意义、学习无线传感网络历史、了解微能源技术与能量管理系统、设计内容与工作； 第二部为无线传感器节点设计，它是设计的基础，介绍了无线传感器节点的组成，射频电路设计中注意的问题与无线传感器设计原则；第三部分为光伏能量供电系统，它是设计的“血液”，介绍了光伏发电原理与工作特性、超级电容器锂离子电池混合储能系统的设计（锂离子电池的学习、超级电容器的学习、锂离子电池与超级电容器混合储能系统分析）； 第四部分为基于无线传感器节点的单一光伏能量管理系统，它是设计的“大脑”，介绍了能量管理系统的研究意义、光伏能量管理系统的设计思路、光伏能量管理系统的原理及结构设计、能量管理系统的软件设计；第五部为结束语，它是设计的未来，介绍了设计工作总结、展望。整个系统可以为无线传感器节点提供安全、持续、高效的电源，特别适用于沙漠、近赤道等日照时间长、光照充足地区。关键词：无线传感器节点，光伏电池，能量管理DESIGN OF SOLAR ENERGY POWER SUPPLY SYSTEM BASED ON WIRELESS SENSOR NODESABSTRACT Energy supply for wireless sensor networks bottlenecks , designed and implemented based on wireless sensor nodes powered photovoltaic energy systems . Design is divided into five parts: The first part is an introduction , which is designed to protect , introduces the research background and significance , learning the history of wireless sensor networks , understanding micro energy technology and energy management systems, content and design work ; second Ministry of wireless sensor node design, which is the basis for the design , introduce a wireless sensor nodes , RF circuit design and attention to the problem of wireless sensor design principles ; third part of photovoltaic power supply system, which is designed for blood , introduced the principle and operating characteristics of photovoltaic design supercapacitor hybrid lithium-ion battery energy storage system ( lithium-ion battery learning , learning supercapacitors , lithium ion batteries and super capacitor hybrid energy storage system analysis ) ; fourth part photovoltaic energy management system based on a single wireless sensor nodes , it is designed brain , describes the significance of energy management systems , photovoltaic energy management system design ideas , principles and structural design of photovoltaic energy management systems , energy management systems software design ; fifth is the conclusion that it is the future of design , introduces the design work summary , outlook . The entire system can provide security for the wireless sensor nodes , continuous , efficient power , especially for long desert , near the equator , such as hours of sunshine , adequate light areas.Key words：Wireless sensor node,Photovoltaic cells,Energy management目录目 录1 绪论11.1 课题研究背景与意义11.2 无线传感器网络发展历史21.3 无线传感器节点的微能源技术研究现状21.3.1 微能源技术在国外的研究现状31.3.2 微能源技术在国内的研究现状31.4 能量管理系统的研究现状41.5 设计研究的内容及主要工作52 无线传感器节点的设计72.1 模块的选择设计72.1.1 射频模块72.1.2 微处理器82.1.3 传感器与A/D转换器102.1.4 无线传感器模块控制电路的设计122.2 射频电路设计中注意的问题142.3 传感器节点设计原则152.4 小结153 光伏能量供电系统的设计173.1 光伏发电原理和工作特性分析173.1.1 太阳能光伏电池发电的原理173.1.2 光伏电源系统183.1.3 太阳能光伏电池数学模型193.1.4 太阳能光伏电池的工作特性203.1.5太阳能光伏电池的温度效应213.2 超级电容器锂离子电池混合储能系统的设计223.2.1 锂离子电池的学习223.2.2 超级电容器的学习273.2.3 锂离子电池与超级电容器混合储能系统设计283.3 小结294 基于无线传感器节点的单一光伏能量管理系统设计314.1 能量管理系统的研究意义31I化工学院化工机械系青海大学本科毕业设计：基于无线传感器节点的光伏能量供电系统设计4.2 光伏能量管理系统的设计思路314.3 光伏能量管理系统的结构设计与原理324.3.1光伏能量管理系统工作原理324.3.2硬件选型324.4 能量管理系统的软件设计355 结束语395.1设计工作总结395.2 展望39参考文献41致 谢43 1化工学院化工机械系1 绪论1 绪论 1.1 课题研究背景与意义 无线传感器网络（WSN，wireless sensor networks）是由大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息，并最终把这些信息发送给网络的所有者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素1。 无线传感器网络是近年来信息科学研究的一个热点，融合了现代传感器技术，微电子技术，通信技术，嵌入式计算机技术和分布式信息处理技术等多个学科，是一个新兴的交叉研究领域。 WSN具有十分广阔的应用前景，在军事、国防、工农业、环境监测、城市交通、医疗卫生、智能家居、空间探索、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程检测等许多领域都有重要的研究意义和巨大的实用价值，已经引起世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的极大关注，被认为是将对二十一世纪产生巨大影响的技术之一。 WSN是由一个基站，以及大量集成了传感和无线通信能力的传感器节点所组成的分布式系统。传感器节点一般由传感模块、通信模块、处理模块和供能模块组成，此外还有可能带有定位模块和运动模块等。 WSN一般具有以下基本特征：（1）体积小，价格低，集成度高；（2）自组织能力；（3）短距离广播通信和多跳路由；（4）无线传感节点布置稠密，相互协作进行事件感知；（5）根据节点能量减少和实效，频繁改变布局。相对而言WSN又有自身限制：A电源受限；B处理能量受限；C存储能力受限；D通信距离有限。 供电电源数据获取单元传感器A/D DAU数据处理单元 应用 存储器 MCU DPU数据传输单元网络MAC无线收发器 DSRU 应用图1-1WSN中节点的总体结构示意图 1化工学院化工机械系 1化工学院化工机械系青海大学本科毕业设计：基于无线传感器节点的光伏能量供电系统设计 从结构示意图中我们可以清楚看到：WSN主要由DAU、DPU、DSRU和电源模块四部分组成。然而四部分中前三部分都没有独立的电源，需要电源模块来对他们进行供能。故WSN能量消耗包括三部分：数据获取产生的能耗，数据传输产生的能耗，以及数据计算处理产生的能耗。然而，由于WSN的运行环境通常在人们无法接近的恶劣甚至危险的远程环境中，如沙漠、海洋、野外等，因此无法直接通过电网供电，而大部分传感器节点又是可移动的，这就使得采用电池供电方式会带来更换不便且成本高昂的困难。从而如何设计有效的策略延长网络的生命周期成为WSN的核心问题。综上所述，限制无线传感器网络发展的关键因素是能源，如果靠自身携带的能量工作和节能的方式只能延长无线传感器网络的寿命，并不能使其长寿命的工作。采用从环境中获取能量的方法将是实现无线传感器网络长寿命的关键，合理收集、管理和利用从环境中获取的能量将是本设计的主要内容。 1.2 无线传感器网络发展历史中国物联网校企联盟认为，传感器网络的发展历程分为以下三个阶段：传感器无线传感器无线传感器网络（大量微型、低成本、低功耗的传感器节点组成的多跳无线网络）2。第一阶段：最早可以追溯至越战时期使用的传统的传感器系统。当年美越双方在密林覆盖的“胡志明小道”进行了一场血腥较量，“胡志明小道”是胡志明部队向南方游击队输送物资的秘密通道，美军对其进行了狂轰滥炸，但效果不大。后来，美军投放了2万多个“热带树”传感器。“热带树”实际上是由震动和声响传感器组成的系统，它由飞机投放，落地后插入泥土中，只露出伪装成树枝的无线电天线，因而被称为“热带树”。只要对方车队经过，传感器探测出目标产生的震动和声响信息，自动发送到指挥中心，美机立即展开追杀，总共炸毁或炸坏4.6万辆卡车。第二阶段：二十世纪80年代至90年代之间。主要是美军研制的分布式传感器网络系统、海军协同交战能力系统、远程战场传感器系统等。这种现代微型化的传感器具备感知能力、计算能力和通信能力。 因此在1999年，商业周刊将传感器网络列为21世纪最具影响的21项技术之一 。第三阶段：21世纪开始至今，也就是911事件之后。这个阶段的传感器网络技术特点在于网络传输自组织、节点设计低功耗。除了应用于反恐活动以外，在其它领域更是获得了很好的应用，所以2002年美国国家重点实验室橡树岭实验室提出了“网络就是传感器”的论断。由于无线传感网在国际上被认为是继互联网之后的第二大网络，2003年美国技术评论杂志评出对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术，传感器网络被列为第一 。在现代意义上的无线传感网研究及其应用方面，我国与发达国家几乎同步启动，它已经成为我国信息领域位居世界前列的少数方向之一。在2006年我国发布的国家中长期科学与技术发展规划纲要中，为信息技术确定了三个前沿方向，其中有两项就与传感器网络直接相关，这就是智能感知和自组网技术。当然，传感器网络的发展也是符合计算设备的演化规律。 1 化工学院化工机械系1 绪论 1.3 无线传感器节点的微能源技术研究现状1.3.1 微能源技术在国外的研究现状 无线传感器网络的研究工作始于20世纪90年代的美国，并首先在军方得到应用和推广。1995年，美国交通部提出了“国家智能交通系统项目规划”，预计到2025年全面投入使用。该计划试图把先进的信息技术、数据通信技术、传感器技术、控制技术及计算机处理技术有效地集成运用于整个地面交通管理，建立一个在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合交通运输管理系统。 2001年美国陆军提出了“灵巧传感器网络通信”计划，已被批准为2001财政年度的一项科学技术研究计划，并在2001-2005财政年度期间实施。灵巧传感器网络通信的目标是建设一个通用通信基础设施，支援前方部署，将无人值守式弹药、传感器和未来战斗系统所用的机器人系统连成网络，成倍地提高单一传感器的能力，使作战指挥员能更好、更快地作出决策，从而改进未来战斗系统的生存能力。 2002年5月，美国Sandia国家实验室与美国能源部合作，共同研究能够尽早发现以地铁、车站等场所为目标的生化武器袭击，并及时采取防范对策的系统。该研究属于美国能源部恐怖对策项目的重要一环。该系统融检测有毒气体的化学传感器和网络技术于一体。安装在车站的传感器一旦检测到某种有害物质，就会自动向管理中心通报，自动进行引导旅客避难的广播，并封锁有关入口等。该系统除了能够在专用管理中心进行监视之外，还可以通过Internet远程监视3。 2003年，加利福尼亚大学采用太阳能电池和压电器件作为能量转换器件，利用电容器作为储能器件为频率为1.9GHz的无线传感器节点提供能量，压电器件产生的功率为180W。由于压电器件的输出功率随震源频率的变化而变化，而且压电器件输出的功率较小，增加了系统的复杂程度。 2005年，美国自然科学基金委员会制定了无线传感器网络研究计划，投资支持相关基础理论的研究，美国国防部和各军事部门都对无线传感器网络给予了高度重视，己把无线传感器网络作为一个重要研究领域，设立了一系列的军事传感器网络研究项目。 2006年，波兰鸟兹科技大学采用振动能作为能量来源，为无线传感器节点供电。当震动等级为lms时，所产生的能量足够供传感器节点工作，其平均功耗为几个mW。但在实际设计和存储过程中，考虑到一些不可避免的能量损失，平均功耗应该限制在5mW左右4。目前，无线传感器网络通常采用较大的外带电源或容量有限的电池等方式提供能量，这极大地限制了无线传感器网络技术在不易维护、复杂环境中的应用。因此，微能源技术的研究己经远远落后于无线传感器网络的研究。国外的一些研究机构和学者们己开展了将微能源应用于无线传感器网络的研究工作。1.3.2 微能源技术在国内的研究现状 在中国对于微能源技术领域的研究起步相对较晚。近年来，在中国国家自然科学基金、国家863计划基金的支持下，中国的一些科研机构和知名院校也开始开展无线传感器网络领域的研究。 2009年，苏波等对基于无线传感器节点的能量管理系统进行了分析讨论。研制了光伏-温差混合能源与无线传感器节点集成的能量管理系统。该能量管理系统采用了低功耗的能量策略和智能化的控制方法，并运用了超低压升压技术实现了能量的充分利用5。 2010年，王恩等对独立光伏发电系统中蓄电池充电方法进行了探究。蓄电池是独立光伏发电系统中必不可少的储能环节，研究其充电方法具有特殊的意义 文章在介绍几种充电方法的基础上，提出一种基于UC3909的四阶段充电方式，并搭建实验电路，对样机进行充电实验实验结果表明该方法简单有效，充电器工作稳定可靠，能够保证系统的稳定运行6。 2011年，胡奇勋等对无线传感器网络节点太阳能电源系统设计进行了研究。对于无线传感器网络节点而言,电源是系统的关键部分之一。在此 提出一 种收集 环境中 太阳能为 传感器 节点供能的电源系统。该系统采用了高效安全的充电控制技术,独特的电池电压监测电路,以及低功耗的 DC-DC 转换电路。通过实验验证,基于此太阳能电源的传感器节点功耗动态调整节性能好,生存周期显著增加。该系统可应用于各种户外 监测的节点,如环境监测,精细农业,森林防火等7。 2012年，侯林洁发表的无线传感器自然能量供电设计及实验分析。在对无线传感器供电设计上实现了其自然能量供电，探索了高效安全的充电控制方法。实验证明，这种以自然能量供电的无线传感器功耗较小，调整性能较好，生存周期较长，能适用于多种户外环境、森林防火以及精细农业等行业领域。这种无线传感器的供电设计为类似无线传感器自然能量的供电设计提供了可供参考的设计经验8。 2013年，王战备发表的基于太阳能的无线传感器网络节点供电系统设计。针对无线传感器网络能量供应瓶颈问题，设计实现了一种基于太阳能的无线传感器网络节点供电系统。该系统在实现基于太阳能的电池充电电池保护等功能的同时，能够自动检测分析太阳电池板输出电压值，并可在其值达到设定值时，将系统供电源由充电电池切换为太阳能电池板，通过降压稳压处理后为节点提供所需的工作电源9。 综上所述，无线传感器网络系统技术的研究在我国方兴未艾，它舍弃了传统有线传感器网络安装不方便的缺点，特别是对于军事上或一些人员无法到达的地区目标监测，有着重要的应用价值，如何在小小的传感器网络节点上收集储存能源，是近年来国内外许多科学家努力研究的焦点问题之一，目前也取得了一定的进展。本设计的主要目的是：为了使传感器节点能够长期、稳定、可靠地工作，采用了单一太阳能光伏电池从环境中吸取能量为传感器节点供电，采用铿离子电池和超级电容器储存多余能量为传感器节点源源不断地供应能量，从根本上解决传感器网络节点的能量供应问题。 1.4 能量管理系统的研究现状 无线传感器节点的能量管理有两种，一种是自身携带能量的无线传感器节点的能量管理，另一种主要强调的是从环境中获取能量，并对此能量进行合理的管理,即：不仅能够保证能量的充分收集，而且能使无线传感器节点正常可靠的工作。 WSN的能量管理主要体现着传感器节点电源管理上和有效节能通信协议上。Sinhua等人提出了动态电源管理机制(Dynamic Power Management)，其主要思想就是当不需要的时候就关掉设备电源;当有需要时再将其打开。尽管关掉一些组件可以节省相当的能量，但是事实上在很多情况下，节点之前并不知道何时打开或关闭某个特定的设备。因此，有必要需要一个能够支持DPM(电源管理)机制的嵌入式操作系统。该方法将整个节点分为5种工作状态(包括发射激活状态、睡眠状态、关闭状态和空闲状态)，根据微控制器的状态组合的有效性，在嵌入式操作系统的支持下进行工作状态的模式切换，既满足了功能的需要，又节省了能耗。然而，这种模式切换也涉及到一定的电源和延迟开销。对于从环境中获取能量的无线传感器节点的能量管理系统在强调采用动态功率管理方式的前提下，着重考虑如何获得最大能量以及如何合理的将这些能量进行存储和利用。本设计是针对太阳能光伏电池新型发电器件以及锂离子电池和超级电容器组成的新型储能器件进行高效的能量管理，使来自环境中的能量能够被充分利用，实现无线传感器节点稳定且长时间工作。 1.5 设计研究的内容及主要工作随着无线传感器在环境监控、运输交通、智能家居以及精细农业等领域的广泛应用，受到了人们的高度重视，其相关技术的研究也逐步成为热点。特别是在广域恶劣环境应用中，无线传感器节点能量获取形成了无线传感器网络技术发展的瓶颈。因此，将自然界能量进行采集、存储并利用来延长无线传感器寿命，既有显著的节能环保意义，又有实际工程应用价值。“基于无线传感器节点的光伏能量供电系统设计”选题是围绕自动化检测技术所开展的研究，能够考核和检验学生对专业知识的运用程度和实践能力。设计主要工作为无线传感器节点供电的光伏能量采集系统的分析和研究。 1、硬件设计包括：（1）硬件结构形式；（2）设备选用和设计；（3）电路设计（包括供电、传感器节点两部分）。 2、软件设计要求给出程序设计思想和构架，主要程序应包含主程序和各子模块程序； 3、最终结果应给出完整准确的硬件电路和软件程序；4、要求设计过程和计算数据真实可靠。 43化工学院化工机械系2 无线传感器节点的设计 2 无线传感器节点的设计 随着无线传感器网络技术的出现和发展，无线传感器网络在战场环境监视、家庭安全及智能空间等领域有着广泛的应用前景, 越来越多的受到研究人员的重视。无线传感器网络节点是组成网络的基本单元，无线传感器网络的迅速发展，给无线传感器网络节点的设计和能量管理提出了许多挑战。无线传感器网络主要特点有：节点数量大、密度高、易损耗,并且在电池能量、计算能力和存储容量等方面有限制,根据这些特点需要对节点的系统设计设定一些指标,以指导进行电路设计、硬件选型等工作。 传感器节点是无线传感器网络的基本单元, 由微功耗微处理器、微功耗短距离射频收发模块和信号采集部分(各种传感器) 组成。设计中传感器节点结构示意图如图 2-1所示。 微 处 射频模块 理 A/D转换器 照度传感器 器图2-1传感器节点结构 2.1 模块的选择设计2.1.1 射频模块 射频通信模块是无线传感器节点间通信的主要方式，它是WSN中最重要的模块之一。通过查阅资料与分析比较，射频芯片选择的是北欧集成电路公司的NRF401，它是一个为433MHz ISM频段设计的真正单片UHF无线收发芯片。NRF401最高工作速率可以达到20K，发射功率可以调整，最大发射功率是+10dBm，为短距离无线数传应用提供了较好的解决办法，因为采用了低发射功率和高接收灵敏度的设计，所以可满足无线管制要求，是目前低功率无线数传的理想选择。NRF401主要功能：真正的单片FSK收发芯片，非常少的外围元件，无需进行初始化和配置，不需要对数据进行曼彻斯特编码，2个工作频道，低功耗，宽工作电压范围，待机模式。表2-1NRF401主要性能指标参数数值单位频率，频道1/频道2433.92/434.33MHZ调制方式FSK调制度（-15，+15）KHZ最大输出发射功率10dBm灵敏度-105dBm最大速率20kbit/s工作电压（2.7，5.25）V接收电流250uA发射电流8mA待机电流8uA 选择NRF401的主要原因是：NRF401有三种工作模式，收模式（RX）、发模式（TX）和等待模式（Std.by）。其工作模式可由三个引脚设定，分别是TXEN、CS和PWR-UP。因此我们可以通过单片机控制NRF401的工作模式，使其处于接收、发射和等待任一种状态，实现半双工通信。当PWR=0，TXEN和CS任意时，系统则为待机状态；当TXEN=1时，系统则为发送状态；当TXEN=0时，系统则为接收状态。CS为信道的选通道，当CS=0时，选通信道则为433.92MHz；当CS=1时，选通信道则为434.33MHz10。 图2-2 NRF401与AT89C2051相连电路原理图数据传输模块负责与其他节点进行无线通信,交换控制消息和收发采集数据。无线通信消耗的能量占了整个无线传感器网络能耗的绝大部分,因此对这一模块的选取和设计事关低功耗设计的全局。除了考虑功耗因素外,还应兼顾数据传输模块的灵敏度、误帧率以及传输距离等综合性能。2.1.2 微处理器 AT89C2051是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含2kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-5l指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大。AT89C2051单片机可为您提供许多高性价比的应用场合。 (1)AT89C2051主要性能参数：与MCS-51产品指令系统完全兼容，2k字节可重擦写闪速存储器，1000次擦写周期，2.7V6V的工作电压范围，全静态操作：0Hz24MHz，两级加密程序存储器，1288字节内部RAM，15个可编程IO口线，2个l6位定时计数器，6个中断源，可编程串行UART通道，可直接驱动LED的输出端口，内置一个模拟比较器，低功耗空闲和掉电模式11。 (2)AT89C2051功能特性概述： AT89C2051提供以下标准功能：2k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，15个IO口线，两个16位定时计数器，个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，内置个精密比较器，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C2051可降至0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。图2-3 AT89C2051的引脚分布图2.1.3 传感器与A/D转换器什么叫传感器？从广义上讲，传感器就是能感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置；简单说传感器是将外界信号转换为电信号的装置。设计中无线传感器节点上携带的是照度传感器，其型号为GL4548，它的敏感元件为硅光电池，对暗弱光线的反应非常灵敏，是目前性能最好的测光元件（光敏电阻光敏电阻（简称CdS）是一种特殊的电阻，简称光电阻，又名光导管。它的电阻和光线的强弱有直接关系。光强度增加，则电阻减小；光强度减小，则电阻增大。）。因为微处理器所加工和处理的信息是数字量，而被测或被控对象的有关参量往往是一些连续变化的模拟量，如温度、流量、速度等。所以必须将模拟量转换成数字量，以便处理器进行处理。设计所用的A/D转换器是TLC548,它是美国德州仪器公司生产的8位串行A/D转换器芯片，可与通用微处理器、控制器通过I/0 CLOCK、CS、DATA OUT三条口线进行串行接口。具有4MHz片内系统时钟和软、硬件控制电路，转换时间最长17s, TLC 548允许的最高转换速率为45 500次/s。总失调误差最大为士0.5LSB，典型功耗值为6mW。采用差分参考电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围，VREF一接地，VREF+一VREF一1V，可用于较小信号的采样。 (1)TLC548的极限参数如下：电源电压：6.5V，输入电压范围：0.3V-Vcc + 0.3V ，输出电压范围：0.3V- Vcc + 0.3V ，峰值输入电流(任一输入端)：士lOmA，总峰值输入电流(所有输入端)：士30mA，工作温度：TLC548C、TLC549C ： 0一70， TLC548I、TLC549I：一40一85，TLC548M、TLC 549M：一55一12512。下图为A/D转换电路 图2-4 A/D转换电路 TLC548的内部框图如图2-5所示，引脚图如图2-6所示。 图2-5TLC548的内部框图 图2-6 TLC548引脚图 (2)TLC548各管脚功能分别为：REF+：正基准电压输入 2.5VREF+Vcc+0.1，REF：负基准电压输入端，-0.1VREF-2.5V。且要求：（REF+）（REF-）1V，VCC：系统电源3VVcc6V，GND：接地端，CS：芯片选择输入端，要求输入高电平 VIN2V，输入低电平 VIN0.8V，DATA OUT：转换结果数据串行输出端，与 TTL 电平兼容，输出时高位在前，低位在后，ANALOGIN：模拟信号输入端，0ANALOGINVcc，当 ANALOGINREF+电压时，转换结果为全“1”(0FFH)，ANALOGINREF-电压时，转换结果为全“0”(00H)，I/O CLOCK：外接输入/输出时钟输入端，同于同步芯片的输入输出操作，无需与芯片内部系统时钟同步。 2.1.4 无线传感器模块控制电路的设计要使无线传感器模块正常工作，其上的NRF401射频芯片必须满足一定的时序条件，此时序的获得是靠控制电路上的单片机供给的。控制电路是以单片机AT89C2051为核心，外围配有TLC548 A/D转换器、GL4548照度传感器，另外，控制电路上还配有为无线传感器模块提供时序的接口。单片机AT89C2051和TLC548 A/D转换器都是可以在3-5V电压下工作的器件，能够满足太阳能光伏电池供电的需求，电路上设计有三个LED指示灯，分别为红、绿、蓝，分别代表控制电路的工作状态、信号发送/接收状态以及故障状态。A/D转换器从照度传感器与电阻的中间获取电压信号，然后将电压信号转变为温度信号，通过单片机AT89C2051上的串口经射频天线发射到空中，最后由汇聚节点接收信号，再通过串口传输到PC机。整个控制电路的图原理如图2-7所示。 图2-7无线传感器模块控制电路原理图 电平转换：RS一232串行接口是微机系统中常用的外接总线标准接口，它以串行方式传送数据，是用于数据通讯设备(DCE)和数据终端设备(DTE)之间的串行接口总线。例如，调制解调器(MODEM)与微机之间的连接就是通过RS一232标准接口实现的。RS一232采用负逻辑，即“1”和“O”分别为一5V、一15V和+5V+ 、15V。由于TTL电平的逻辑“1”和“0分别为2. 4V和0. 4V，因此，RS一232与TTL电路接口时需要电平转换13。所以汇聚节点和电脑进行数据通信时必须使用电平转换芯片，这就需要在双方的接口部分增加RS-232电气转换接口。能够实现RS-232电平转换的专用芯片有很多，例如MAX3232、MP232、MC1488、MC1489等。设计选用的是MAX232芯片,他是美信（MAXIM）公司专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5v单电源供电。MAX220MAX249系列线驱动器/接收器，专为EIA/TIA-232E以及V.28/V.24通信接口设计，尤其是无法提供12V电源的应用。这些器件特别适合电池供电系统，这是由于其低功耗关断模式可以将功耗减小到5uW以内。MAX225、MAXX233、MAX235以及MAX245/MAX246/MAX247不需要外部元件，推荐用于印刷电路板面积有限的应用。MAX232引脚图如图2-8所示 图2-8 MAX232引脚图 (1) MAX232各个引脚功能介绍：第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。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11引脚（T1IN）、10引脚（T2IN）输入转换成RS-232数据从14脚（T1OUT）、7脚（T2OUT）送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从13引脚（R1IN）、8引脚（R2IN）输入转换成TTL/CMOS数据后从12引脚（R1OUT）、9引脚（R2OUT）输出。第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC（+5v）。(2)MAX232其主要特点：符合所有的RS-232C技术标准，只需要单一 +5V电源供电，片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V和-10V电压V+、V-，功耗低，典型供电电流5mA，内部集成2个RS-232C驱动器，高集成度，片外最低只需4个电容即可工作14。单片机和计算机RS-232接口电路如下图2-9所示，图中的C1、C2、C3、C4是电荷泵升压及电压反转部分电路，产生V+、V-电源供EIA电平转换使用。 图2-9接口电平转换电路原理图 2.2 射频电路设计中注意的问题 PCB布局:PCB布局的好坏直接关系到射频性能，为了获得较好的RF性能，PCB设计至少需要两层板来实现，PCB分成射频电路和控制电路两部分布置。为了减