基于MSP430的多功能電子助釣器

1、2011-2012德州儀器C2000及MCU創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽項(xiàng)目報(bào)告題 目： 基于MSP430的多功能電子助釣器 學(xué)校： 指導(dǎo)教師： 組別： 本科組 應(yīng)用類別： 本科組控制系統(tǒng)類 平臺(tái)： MSP430 參賽隊(duì)成員名單：視頻文件觀看地址（若未拍攝，請(qǐng)注明）： 沒(méi)有拍攝郵寄地址和收件人聯(lián)系方式 基于MSP430的多功能電子助釣器 1摘要 (摘要字?jǐn)?shù)要求100到150之間，我們做了一些修改）本文設(shè)計(jì)了一套針對(duì)釣魚(yú)愛(ài)好者的體積小、價(jià)格低的多功能電子助釣器。設(shè)計(jì)包括水下濕端和水上接收端兩部分。水下濕端的主要功能是發(fā)射探測(cè)信號(hào)、接收回波信號(hào)、提取回波信息以及傳輸分析結(jié)果。水上接收端的主要功能是發(fā)出控制指令和顯

2、示接收到的分析結(jié)果。Abstract The design is about a multi-function electronic fish finder for fishing,which is cheap and small.It includes two parts :the underwater part and the overwater part. On the one hand ,the underwater part is transmitting detection signal,receiving echo signal,extracting information fr

3、om echo signal and transmitting results of analysis. On the other hand,the overwater part is sending out control instructions and displaying results of analysis.2引言現(xiàn)代社會(huì)隨著人們生活水平的不斷提高，各種戶外運(yùn)動(dòng)日益豐富，釣魚(yú)逐漸成為旅游度假、休閑娛樂(lè)、體育健身、陶冶情操的極佳運(yùn)動(dòng)方式。但是由于對(duì)垂釣漁場(chǎng)魚(yú)情信息不了解，特別是到達(dá)一個(gè)陌生的漁場(chǎng)時(shí)，時(shí)?？嗫啻贯灹艘徽靺s一無(wú)所獲。這讓人十分郁悶、心情不爽，卻又無(wú)可奈何。為此，各種助釣

4、、探魚(yú)器具應(yīng)運(yùn)而生，但是以往市場(chǎng)上此類產(chǎn)品存在功耗大、體積較大、分辨能力差、使用不直觀等諸多問(wèn)題，效果不甚理想。本設(shè)計(jì)基于新穎的魚(yú)群回波模型，采用TI公司的高性能低功耗器件，通過(guò)無(wú)線通信的方式實(shí)現(xiàn)水下濕端與岸上接收端的信息傳輸，將傳統(tǒng)的水體測(cè)深和探魚(yú)器緊密結(jié)合實(shí)現(xiàn)多功能一體化設(shè)計(jì)。系統(tǒng)通過(guò)超聲波的反射回波來(lái)確定垂釣地點(diǎn)水下深度、是否有魚(yú)存在、魚(yú)的數(shù)量多寡等信息。釣魚(yú)愛(ài)好者可以通過(guò)屏幕和指示燈實(shí)時(shí)了解水下魚(yú)情信息。3系統(tǒng)方案3.1系統(tǒng)組成基于MSP430的多功能電子助釣器按照功能模塊劃分，主要由超聲傳感器、水下電子模塊、水上電子模塊、無(wú)線通信模塊、電源模塊、應(yīng)用軟件等六大部分組成。其中超聲傳感器

5、、水下電子模塊、水下無(wú)線模塊、水下應(yīng)用軟件構(gòu)成水下濕端，水下濕端負(fù)責(zé)探測(cè)水下魚(yú)情，并將魚(yú)情信息發(fā)送到水上接收端。而水上電子模塊、水上通信模塊、水上應(yīng)用軟件構(gòu)成水上接收端，水上接收端負(fù)責(zé)控制水下濕端的工作，以及顯示探測(cè)結(jié)果。圖1是系統(tǒng)組成總體框圖。轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)信號(hào)接收超聲傳感器模塊處理器2MSP430 信號(hào)發(fā)生 水下電子模塊無(wú)線模塊1無(wú)線模塊2音頻提示輸入部分信息顯示處理器1MSP430 水上電子模塊 無(wú)線模塊系統(tǒng)軟件（水上部分）系統(tǒng)軟件（水下部分） 系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖（圖1）3.2功能說(shuō)明3.2.1水下濕端功能說(shuō)明1. 超聲傳感器 系統(tǒng)選擇壓電陶瓷換能器作為超聲傳感器。壓電陶瓷換能器是用雙壓電陶瓷晶片組成

6、，在壓電陶瓷晶片上施加大小和方向不斷變化的電壓時(shí)，壓電陶瓷產(chǎn)生機(jī)械形變，產(chǎn)生機(jī)械波，機(jī)械波的大小和方向與外加電壓的大小和方向成正比。反之，在壓電陶瓷晶片上有機(jī)械波作用時(shí)，將產(chǎn)生大小和方向變化的電壓信號(hào)。常用的壓電陶瓷的轉(zhuǎn)換效率為50%70%。壓電換能器的主要參數(shù)有共振方式、品質(zhì)因數(shù)、波束寬度、發(fā)射和接收靈敏度。系統(tǒng)應(yīng)用的換能器為直徑1cm、波束開(kāi)角60度、中心頻率為350KHz的圓片形壓電陶瓷換能器。 圖2 2. 水下電子模塊（1） 處理器水下電子模塊的主要任務(wù)是控制信號(hào)發(fā)射電路發(fā)射水下超聲波信號(hào)，接收水下超聲波信號(hào)的反射回波，在對(duì)回波進(jìn)行包絡(luò)檢波之后，利用單片機(jī)內(nèi)部AD采集檢波之后的信號(hào)，利

7、用魚(yú)群回波的模型，分析出魚(yú)情信息，最后將魚(yú)情信息通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)送到水上接收端。水下電子模塊的處理器功能有四個(gè)：產(chǎn)生控制信號(hào)發(fā)射電路的信號(hào)，檢測(cè)信號(hào)接收電路的信號(hào)，分析和處理回波信號(hào)，通過(guò)控制無(wú)線模塊上傳分析結(jié)果并接收控制信息?？梢?jiàn)，水下電子模塊中處理器需要具有定時(shí)，運(yùn)算，數(shù)據(jù)傳輸，接口控制等能力?？紤]到系統(tǒng)的電池供電情況，采用MSP430系列低功耗單片機(jī)。MSP430系列單片機(jī)擁有豐富的內(nèi)部模塊和接口的，性價(jià)比較高，技術(shù)較成熟，同時(shí)16位單片機(jī)具有很高的運(yùn)算速度，能夠完成水下濕端處理器所需的定時(shí)，控制，運(yùn)算，數(shù)據(jù)傳輸?shù)热蝿?wù)。（2） 信號(hào)發(fā)射電路在此系統(tǒng)中，利用CW脈沖信號(hào)對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，判

8、斷魚(yú)類的有無(wú)。信號(hào)發(fā)射模塊的任務(wù)，一是產(chǎn)生CW脈沖信號(hào)，二是對(duì)此信號(hào)進(jìn)行功率放大，三是將信號(hào)功率盡可發(fā)送到水中。產(chǎn)生CW脈沖信號(hào)利用單片機(jī)中的定時(shí)器模塊即可，根據(jù)探測(cè)距離20m以內(nèi)，選定CW脈沖載波頻率為350KHz ，設(shè)定0.01ms、0.05ms、0.1ms、0.5ms四種檔位，根據(jù)信號(hào)的形式，以及設(shè)備的便攜性，低電壓，低功耗等要求，我們選擇效率較高的D類功放對(duì)信號(hào)功率進(jìn)行放大。最后，利用變壓器和電感器件對(duì)功率放大和超聲傳感器之間進(jìn)行阻抗匹配，保證功率盡可能發(fā)送到水中。功率放大CW脈沖信號(hào)阻抗匹配 圖3（3） 信號(hào)接收電路信號(hào)接收模塊，處理的是CW脈沖探測(cè)信號(hào)的回波。接收到的回波極其微弱，

9、而且含有噪聲，所以在信號(hào)的檢測(cè)之前要進(jìn)行放大和提高信噪比的處理。放大共分為三級(jí)，分別實(shí)現(xiàn)20dB放大，在前級(jí)放大之后進(jìn)行窄帶濾波，濾出以350KHz為中心的窄帶信號(hào)。然后將此信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)檢波，并利用模數(shù)轉(zhuǎn)換，形成單片機(jī)可以處理的數(shù)字信號(hào)。AD檢波放大兩級(jí)阻抗匹配放大 圖4窄帶濾波（4） 收發(fā)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)由于發(fā)射電路和接收電路共用一個(gè)超聲波傳感器，而發(fā)射電路發(fā)射的是大功率信號(hào)，接收電路接收的是微弱信號(hào)，因此收發(fā)轉(zhuǎn)換的裝置是必不可少的。利用二極管對(duì)大信號(hào)短路，對(duì)小信號(hào)呈線性的特點(diǎn)，我們選擇了一對(duì)二極管接在接收電路與參考電位之間，這樣通過(guò)程序中的控制就能夠分辨出回聲信號(hào)。（5） 水下無(wú)線模塊 一般情況下

10、，用戶攜帶漁具去垂釣，需要將水下濕端拋入水中后使用，如果利用導(dǎo)線的方式實(shí)現(xiàn)水下和岸上部分的通信，一是拋入水中時(shí)極其不方便，二是體積龐大，容易驚嚇到魚(yú)。為方便釣魚(yú)者的使用，水下濕端和岸上接收端通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行通信，省去了很長(zhǎng)的連接線。TI公司的CC系列射頻芯片在性能，功耗，可靠性，性價(jià)比等方面都能滿足設(shè)計(jì)要求。 3.2.2水上接收端功能說(shuō)明1. 水上電子模塊（1）處理器水上電子模塊的任務(wù)是控制水上無(wú)線通信模塊，接收水下通信模塊上傳的魚(yú)情信息，然后將魚(yú)情信息通過(guò)液晶、聲音和指示燈的方式顯示出來(lái)，同時(shí)將用戶通過(guò)按鍵輸入的控制信息，利用水上無(wú)線模塊傳輸給水下無(wú)線模塊。因此，水上電子模塊中處理器的

11、功能主要有：控制水上無(wú)線模塊與水下無(wú)線模塊交換信息，控制和協(xié)同語(yǔ)音提示電路、信息顯示電路對(duì)魚(yú)情信息的表現(xiàn)，檢測(cè)按鍵輸入將輸入信息編碼傳遞給水下無(wú)線模塊。（2）信息顯示電路信息顯示分成兩種方式，一種是通過(guò)三個(gè)燈的閃爍指示，紅燈代表大魚(yú)，黃燈代表小魚(yú)，綠燈代表無(wú)魚(yú)，黃燈和紅燈會(huì)根據(jù)魚(yú)的多少進(jìn)行閃爍，如果閃爍頻率較低，則魚(yú)少，如果閃爍急促則魚(yú)較多。另一種是通過(guò)12864液晶屏幕顯示魚(yú)情，屏幕上方顯示水體深度，屏幕右側(cè)將深度劃分成16等份，上方顯示出每個(gè)深度刻度的精度，魚(yú)所在深度的等份會(huì)被涂滿，利用不同的圖形標(biāo)志在屏幕中央部分指示魚(yú)的大小。顯示界面如下所示 圖5圖中，無(wú)魚(yú)情況沒(méi)有指示，小魚(yú)用三角表示，

12、大魚(yú)用正方形表示，圖中下方為水底情況，分為沙子，石子，水草三種情況。屏幕會(huì)每5秒刷新一次，舊的記錄信息會(huì)向左移動(dòng)一列。（3） 聲音提示電路考慮到垂釣者在釣魚(yú)時(shí)有時(shí)會(huì)不方便看顯示部分，因此利用聲音提示模塊進(jìn)行補(bǔ)充。聲音提示電路會(huì)提示四種魚(yú)情信息，無(wú)魚(yú)時(shí)沒(méi)有聲音，小魚(yú)時(shí)會(huì)發(fā)出間隔較長(zhǎng)的短促聲音，大魚(yú)時(shí)會(huì)發(fā)出間隔較短但持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的聲音，魚(yú)多時(shí)會(huì)發(fā)出連續(xù)不斷的聲音，音量大小可調(diào)，使用者根據(jù)具體情況也可以選擇關(guān)閉語(yǔ)音提示功能。（4） 輸入控制電路屏幕上方有三個(gè)按鍵，分別是菜單鍵，開(kāi)始鍵，停止鍵，如圖所示。 圖6 在菜單界面下水下濕端不工作，按開(kāi)始鍵水上接收端將啟動(dòng)命令發(fā)送給水下濕端，水下濕端完成初始化

13、，將信息反饋到水上接收端，此時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入工作界面，即探魚(yú)界面。此時(shí)屏幕上可以顯示水下魚(yú)情。在此界面之下，按菜單鍵可以回到菜單界面，同時(shí)水下濕端接到控制信息，停止探測(cè)，進(jìn)入低功耗模式。如果按停止鍵則界面停止刷新，水下濕端停止探測(cè)，按開(kāi)始鍵系統(tǒng)繼續(xù)工作。2. 水上無(wú)線模塊水上無(wú)線模塊除接收水下濕端上傳的魚(yú)情信息外，還負(fù)責(zé)將按鍵輸入的控制信息編碼后發(fā)送到水下濕端。水上無(wú)線模塊采用與水下濕端相同的無(wú)線模塊，配置一個(gè)拉桿天線，保證信號(hào)的發(fā)送。3.2.3電源模塊設(shè)計(jì)由于本系統(tǒng)的便攜性，系統(tǒng)中所用到的器件盡可能選用低功耗器件，但探魚(yú)脈沖需要一定的功率，所以我們選擇3.6V的鋰電池作為電源。大功率鋰電池在保證充

14、足的電流輸出的同時(shí)，其容量完全能夠滿足使用者的正常使用而和少更換電池。3.4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多功能電子助釣器主體為柱體(3)，截面為橢圓形 ，上端的兩個(gè)突起分別：電池槽(1)，天線槽(2)。儀器底部有超聲傳感器（4），小孔（5）用來(lái)綁定在魚(yú)線上。使用時(shí)，將水下濕端固定在魚(yú)線上，然后拋入水中，即可開(kāi)始工作，用戶可以隨時(shí)打開(kāi)電池槽蓋更換電池。岸上接收裝置如圖，其中有天線（7），液晶屏（8），按鍵（9）。根據(jù)稱量，整個(gè)水下部分的質(zhì)量為，根據(jù)公式 ； 要使水下部分浮在水面上所需體積大至少要為，因此再結(jié)合實(shí)際制作時(shí)的需要設(shè)計(jì)通體高度大約5cm,橢圓長(zhǎng)軸長(zhǎng)8cm,短軸長(zhǎng)6cm ,這樣體積為，可以滿足要求。通體高度

15、大約5cm,橢圓長(zhǎng)軸長(zhǎng)8cm,短軸長(zhǎng)6cm ,電池槽的直徑大約為3cm,天線槽直徑1cm,底部圓孔直徑1mm。岸上接收機(jī)長(zhǎng)15cm,寬8cm。 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖（圖7） 水下部分正視圖 水下部分俯視圖 岸上接收裝置 3.5系統(tǒng)參數(shù)的確定 為了確定助釣器所需功率的大小，必須先確定所使用的超聲傳感器的各個(gè)參數(shù)包括直徑、半波束角、使用頻率以及聲源級(jí)。3.5.1超聲傳感器尺寸參數(shù)的確定 為了讓助釣器便于攜帶，應(yīng)盡量減小助釣器的體積，所以在設(shè)計(jì)超聲傳感器的尺寸時(shí)，直徑選為，半波束角為。根據(jù)下面的公式（1），可以得到所需換能器的頻率。 （1） 3.5.2聲源級(jí)超聲傳感器探測(cè)目標(biāo)的主動(dòng)聲納方程為： （2） 其中為

16、聲源級(jí),為傳播損失，為目標(biāo)強(qiáng)度或發(fā)射損失,為噪聲譜級(jí)，為接收機(jī)帶寬，為接收指向性系數(shù),為檢測(cè)閾。為了確定所需傳感器的聲源級(jí)，我們需分別對(duì)水底和魚(yú)列出主動(dòng)聲納方程a.水底的主動(dòng)聲納方程 （3） 水底目標(biāo)強(qiáng)度（） 其中為聲波照射面積： （4） 為水深，為半波束角，為水底反射損失。 （5）將公式（3）和（4）帶入（2）最后得到化簡(jiǎn)后的探測(cè)水底聲納方程為b.探測(cè)魚(yú)的主動(dòng)聲納方程單體魚(yú)目標(biāo)強(qiáng)度為: （6） 將（6）帶入（2）得到單體魚(yú)回波而言主動(dòng)聲納方程為： （7）從而得到水底和單體魚(yú)的主動(dòng)聲納方程（5）和（7）。 3.5.3聲納方程計(jì)算Ø 傳播損失() （8） 其中(較大)，擴(kuò)展損失按球面波

17、計(jì)算。在的頻率下，若設(shè)定探測(cè)距離為，則，。 （9）Ø 指向性指數(shù)： 其中為水中聲波的波長(zhǎng)，為傳感器的直徑。將參數(shù)帶入得：。 （10）Ø 檢測(cè)閾（） 其中為檢測(cè)指數(shù),可通過(guò)接收及特性曲線查得,為接收機(jī)帶寬，為脈寬。如果選擇檢測(cè)指數(shù)為，脈寬選擇，為，帶入方程得到.Ø 噪聲譜級(jí)：Ø 魚(yú)的目標(biāo)強(qiáng)度如果可探測(cè)到的最小魚(yú)長(zhǎng)按照計(jì)算，則魚(yú)的目標(biāo)強(qiáng)度為：將以上參數(shù)帶入公式（5）和（7）分別得到:,.所以最后聲源級(jí)為兩者的最大值：根據(jù)聲納的聲源級(jí)與功率的公式： （11） 其中為聲源級(jí)的功率，由此得到所需的聲源級(jí)的功率為：按照轉(zhuǎn)化率為計(jì)算則所需電功率為.3.6 助釣器探魚(yú)算

18、法3.6.1算法基本原理： 聲納探測(cè)的原理是，超聲傳感器發(fā)射脈沖信號(hào)，當(dāng)脈沖遇到不同物體后，會(huì)產(chǎn)生不同的回波信號(hào)。傳感器接收這些回波信號(hào)，通過(guò)檢測(cè)其中的差別，來(lái)確定探測(cè)到的信息。 由MSP430控制超聲傳感器周期性的發(fā)射CW脈沖，脈沖在水中遇到物體后產(chǎn)生回波，利用MSP430內(nèi)部的AD對(duì)濾波后的回波信號(hào)進(jìn)行采樣，利用定時(shí)器對(duì)回波包絡(luò)進(jìn)行檢波，對(duì)時(shí)間進(jìn)行記錄，根據(jù)記錄的回波信號(hào)結(jié)合魚(yú)的回波模型作出相應(yīng)的判斷后，將結(jié)果發(fā)送到岸上接收設(shè)備。3.6.2探魚(yú)算法介紹（1）有無(wú)魚(yú)分析 CW脈沖被魚(yú)反射后，被傳感器接收到的脈沖波形如圖5所示，相同的CW脈沖照射到不同的物體時(shí)，發(fā)射的信號(hào)強(qiáng)度即回波的最大電壓不

19、同，因此可以設(shè)置一個(gè)門限電壓。對(duì)接收到的回波進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)接收到的回波電壓先超過(guò)門限值，后下降到門限值，則認(rèn)為檢測(cè)到了魚(yú)。 復(fù)雜魚(yú)的回波圖（圖9） 簡(jiǎn)單魚(yú)的回波圖（圖8） 不過(guò)，由于魚(yú)在水中分層分布，接收到的回波可能是不同層上的魚(yú)的回波的疊加如圖9 ,此時(shí)通過(guò)上述檢測(cè)只能檢測(cè)出有魚(yú)，不能檢測(cè)出魚(yú)的多少。因此，在接收回波的同時(shí)，記錄剛打到門限值和剛下降到門限值的兩個(gè)時(shí)刻和，記錄和之間的時(shí)間差，并與一條魚(yú)的回波的時(shí)間差和和做比較，將比較結(jié)果分為，四種檔位，從而完成對(duì)一個(gè)回波的判斷。（2）魚(yú)大小的分析 首先將與魚(yú)大小對(duì)應(yīng)的電壓分為大/中/小三個(gè)檔位，利用AD采樣，記錄每?jī)蓚€(gè)門限值之間的最大電壓值，并與

20、這三個(gè)檔位進(jìn)行比較，最終確定魚(yú)的大小在哪個(gè)檔位。 （10）（3）魚(yú)深度的分析 其中S表示讓聲波發(fā)生發(fā)射的物體與聲納的距離，表示聲音在水中傳播速度，為接收到的回波與發(fā)出的聲波的時(shí)間間隔。根據(jù)公式（10）可以知道，為了探測(cè)魚(yú)所在深度即，可以通過(guò)檢測(cè)接收到回波的時(shí)刻與脈沖發(fā)射時(shí)刻的時(shí)間間隔，從而確定探測(cè)的魚(yú)所在的位置。（4）水底的探測(cè) 在助釣器的探測(cè)范圍內(nèi)，每個(gè)CW脈沖的所有回波當(dāng)中，由于水底的距離最遠(yuǎn)，而且反射強(qiáng)度最大，所以回波的時(shí)間間隔最長(zhǎng)，電壓最大值最大。根據(jù)這些特點(diǎn)可以探測(cè)出水底的位置。4系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.1水下濕端硬件實(shí)現(xiàn)1.超聲傳感器阻抗匹配發(fā)射換能器的有效激勵(lì)，應(yīng)在信號(hào)源和換能器之間設(shè)置

21、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，阻抗匹配的一般原理包括兩個(gè)方面：第一，諧振，換能器存在電抗，造成在工作頻率上輸出電壓和電流之間存在一定相位差，使得輸出功率達(dá)不到期望最大值，需要在信號(hào)源輸出端并聯(lián)或串聯(lián)一個(gè)反向電抗使得信號(hào)源的負(fù)載變?yōu)榧冸娮?。第二，阻抗變換，根據(jù)最大功率傳遞定理，當(dāng)負(fù)載阻抗和電源阻抗互為共軛復(fù)數(shù)時(shí)，即負(fù)載阻抗和電源內(nèi)阻抗為最大功率匹配。這時(shí)負(fù)載能夠得到額定功率。變壓器可以改變初次級(jí)電壓，電流的大小，因此還可以改變電阻值的大小，從而實(shí)現(xiàn)阻抗變換。通過(guò)在信號(hào)源和負(fù)載之間加入變壓器的方法將換能器的阻值變成與信號(hào)源內(nèi)阻相等，故信號(hào)源與換能器之間達(dá)到阻抗匹配。 選擇的超聲傳感器為壓電陶瓷換能器，這是一種容性

22、負(fù)載，阻抗函數(shù)很難用數(shù)學(xué)表達(dá)式精確描述，需要知道的是在選定頻率上阻抗函數(shù)實(shí)部和虛部的具體數(shù)值。換能器可以表示成一個(gè)由電阻，電容，電感組成的阻抗網(wǎng)絡(luò)。 圖10 圖中，C0為換能器靜態(tài)電容，C1為動(dòng)態(tài)電容，R1為動(dòng)態(tài)電阻，L1為動(dòng)態(tài)電感。在換能器諧振點(diǎn)上，C1，L1相抵消，換能器等效成C0和R1并聯(lián)的形式，呈容性，所以需要加入一個(gè)感性器件，選擇串聯(lián)接入的方式，如圖所示。 圖11所需串聯(lián)電感大小由下式得出： 變壓器設(shè)計(jì)匝數(shù)比：根據(jù)換能器的電導(dǎo)曲線圖，電容曲線圖，可以得出在頻率點(diǎn)處的電阻R和電容大小C。結(jié)合發(fā)射功率根據(jù)公式，將，和帶入，得有效值，換算成半峰值U2原線圈供電電壓，功放管壓降，匝數(shù)比為U2

23、/(3.6-U0)。初級(jí)線圈： 一般來(lái)說(shuō)，初級(jí)線圈的阻抗要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于功率管的等效導(dǎo)通阻抗才能使能量傳遞到換能器上而不是消耗在功率管自身上，大功率的場(chǎng)合一般都取1015倍。選定比值選10，根據(jù)功率管特性阻抗得，。使用GU-36型鎳鋅鐵氧體磁罐。其有效磁通面積，飽和磁通密度，選工作磁通密度，則初級(jí)線圈匝數(shù)為： 。2.水下電子模塊（1） 處理器選型選擇MSP430F149單片機(jī)，選擇此型號(hào)的原因除了該單片機(jī)具有超低功耗，可以進(jìn)入低功耗模式之外。還因?yàn)榇丝顔纹瑱C(jī)內(nèi)部集成有本系統(tǒng)所必須的A/D模塊，定時(shí)器，串行接口，硬件乘法器，這在提升系統(tǒng)性能的同時(shí)，也節(jié)約了成本和功耗，減小了系統(tǒng)尺寸。（2） 信號(hào)發(fā)射電

24、路實(shí)現(xiàn) 圖12PWM功率放大阻抗匹配在信號(hào)接收電路中，用到單極性的12位AD而在信號(hào)發(fā)射電路中，PWM由單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器B控制，利用兩路相位相反的方波信號(hào)驅(qū)動(dòng)D類功放產(chǎn)生一個(gè)從VCC到-VCC的方波信號(hào)，去驅(qū)動(dòng)超聲換能器，產(chǎn)生探測(cè)聲波。功率放大器 選擇效率較高的MOS管D類推挽放大電路作為主回路。電路形式如圖13所示： 圖13 發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu) 當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)Q2截止，電流從VCC 流入變壓器，經(jīng)過(guò)初級(jí)線圈上半部分，通過(guò)Q1 流入大地。變壓器的初級(jí)線圈中有從下向上的電流，次級(jí)線圈中感應(yīng)出從下向上的電流。同樣，當(dāng)Q2 導(dǎo)通時(shí)Q1 截止，次級(jí)線圈中感應(yīng)出從上向下的電流。這樣兩個(gè)半周期的信號(hào)拼成完整的信號(hào)

25、，經(jīng)過(guò)諧振負(fù)載發(fā)射出去。將單片機(jī)的兩個(gè)引腳分別接到Q1，Q2輸入端，實(shí)現(xiàn)波形如下。 圖14 功放管選擇常見(jiàn)的D類功率放大器多采用場(chǎng)效應(yīng)管作為功率管。場(chǎng)效應(yīng)管為電壓驅(qū)動(dòng)方式，與負(fù)載電流和安全工作區(qū)域無(wú)關(guān)，電路設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單。但是在本設(shè)計(jì)中，為了簡(jiǎn)化電路，功率管的驅(qū)動(dòng)直接采用單片機(jī)提供的3.3V方波信號(hào).本設(shè)計(jì)中的發(fā)射機(jī)功率要求為0.9W。考慮到變壓器損耗，功率管輸出的功率應(yīng)該是1W，由于電源電壓3.6V，所以功率管的最大電流0.27A。選擇N溝道MOS管2SK1482，具體參數(shù)如下。n最大漏源電壓： =30Vn最大漏極電流： 1.5An最大脈沖電流： 3An開(kāi)啟時(shí)間： =50nsn關(guān)段時(shí)間： =4

26、20nsn導(dǎo)通電阻： 0.4O （3）信號(hào)接收電路實(shí)現(xiàn) 運(yùn)算放大器選擇 超聲傳感器接收到的信號(hào)是極其微弱的，因此信號(hào)接收電路中的前置放大部分要求有較高的增益和較低的噪聲。由于我們的系統(tǒng)在便攜性上的要求，運(yùn)放采用TI公司的低電壓，低功耗，單電源運(yùn)放。我們的系統(tǒng)對(duì)于增益為60dB就能夠?qū)崿F(xiàn)功能，因此在信號(hào)接收電路中，我們?cè)鲆娣峙渲恍枞?jí)20dB放大即可。由于系統(tǒng)使用的是鋰電池供電，因此必須選用單電源，低功耗的放大器件。前兩級(jí)選用TI公司的單電源，低功耗運(yùn)放OPA340，其靜態(tài)功耗為2.7mW，其具體參數(shù)如下。增益帶寬積：5M，擺率: 5V/us，諧波失真：0.0007%，靜態(tài)電流：70uA。在前兩

27、級(jí)小信號(hào)時(shí)能夠滿足要求，但是第三級(jí)時(shí)要求有較高的擺率，選擇擺率較高的運(yùn)放OPA350，參數(shù)如下：增益帶寬積：38M，擺率:22V/us，諧波失真：0.0006%，靜態(tài)電流：5.2mA。 濾波器設(shè)計(jì)濾波器具有兩個(gè)作用，一是AD轉(zhuǎn)換之前需要將高頻的噪音濾除，二是CW脈沖回波需要進(jìn)一步提高信噪比，保證能夠更好地檢測(cè)回波信號(hào)。選擇了二階巴特沃茲帶通濾波器，中心頻率為350KHz，帶寬為10KHz。 檢波電路實(shí)現(xiàn) 脈沖的回波信號(hào)是極其微弱的，進(jìn)行了多次放大之后還需要進(jìn)行平滑處理。具體的檢波電路如下。圖 15 二極管需要選擇導(dǎo)通電阻小的鍺材料。在設(shè)計(jì)中t的選擇很關(guān)鍵，它能夠決定檢波調(diào)節(jié)的時(shí)間。RC很小，則

28、電路具有很好的跟蹤特性，但是RC電路放電時(shí)間短，容易形成鋸齒波。RC很大，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不能很好的跟蹤信號(hào)幅度變化，容易形成拖尾。在滿足RC<T的前提下，根據(jù)實(shí)際所需選擇合適的電容及電阻。檢波二極管選用鍺點(diǎn)接觸型普通二極管，2AP1參數(shù)如下：最大整流電流：16mA；反向擊穿電壓：20V；截止頻率f=150MHz經(jīng)過(guò)檢波后的信后利用AD采樣即可。（4）收發(fā)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)我們選擇的轉(zhuǎn)換方式如圖所示。 圖16當(dāng)系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)時(shí)，收發(fā)轉(zhuǎn)換裝置把超聲傳感器和信號(hào)發(fā)射電路接通，使電功率絕大多數(shù)加到超聲傳感器上，同時(shí)將信號(hào)接收電路兩端短路，防止燒壞電路。系統(tǒng)接收信號(hào)時(shí)，利用二極管在低電壓范圍內(nèi)的特性，

29、可以在信號(hào)接收電路上得到一定的電壓信號(hào)。此裝置的第二的功能是防止阻塞現(xiàn)象。由于電路信號(hào)頻率為350KHz，所以一般二極管難以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的開(kāi)關(guān)作用，因此選用反向恢復(fù)時(shí)間極短的肖特基二極管SR102，參數(shù)如下：整流電流：1A ,反向截止電壓：20V , 導(dǎo)通電壓：0.55V（5）水下無(wú)線收發(fā)模塊 無(wú)線通信模塊的選擇要考慮功耗，接收靈敏度，傳輸速率和芯片成本等因素，系統(tǒng)采用了TI公司的無(wú)線射頻收發(fā)芯片CC2500作為無(wú)線通信模塊。CC2500是TI公司的一款低成本，低功耗，體積小的2.4GHz無(wú)線通信收發(fā)器。工作頻率波段為24002483.5MHz。集成了一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)500kbps，可配置的調(diào)制

30、解調(diào)器和一個(gè)64位傳輸接收FIFO（先入先出堆棧）。CC2500的外圍器件比較簡(jiǎn)單，和MCU之間通過(guò)SPI接口連接，MCU通過(guò)SPI接口向CC2500發(fā)送操作命令，配置其調(diào)制方式，工作頻率。通過(guò)命令可配置其為接收狀態(tài)，發(fā)送狀態(tài)，空閑狀態(tài)或休眠狀態(tài)。CC2500的引腳GDO0和GDO2輸出狀態(tài)，當(dāng)其接收到或發(fā)送完一個(gè)數(shù)據(jù)，都會(huì)在引腳上輸出一個(gè)脈沖，MCU利用這個(gè)脈沖來(lái)判斷CC2500的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)MCU對(duì)CC2500的一切操作。先利用Smart RF軟件，根據(jù)傳輸性能的要求，可以得出各個(gè)寄存器的最佳配置，然后利用SPI接口更改寄存器配置。 4.2水上接收端硬件實(shí)現(xiàn)水上接收端包括水上電路模塊，水

31、上通信模塊，水上電路模塊中的控制器選擇與水下濕端相同的MSP430F149，水上通信模塊選擇與水下通信模塊相同的CC2500。以下為水上接收端水上電路模塊的信息顯示電路，語(yǔ)音提示電路，按鍵控制電路的硬件實(shí)現(xiàn)。（1） 信息顯示電路實(shí)現(xiàn)信息顯示電路利用12864液晶模塊通過(guò)圖形的方式顯示魚(yú)情，深度等信息，控制器通過(guò)并口的方式與液晶模塊通信，12864與單片機(jī)的接口如下所示。先利用取模軟件將所需的圖形以點(diǎn)陣的形式存入數(shù)組中，然后利用12864模塊的繪圖功能在相應(yīng)的位置繪制所需的圖形等。所需圖形點(diǎn)陣數(shù)組有，0-9的數(shù)字?jǐn)?shù)組，4*4的三角形與四邊形數(shù)組，水草、石子、沙子地面的數(shù)組，整體顯示界面的數(shù)組。與

32、紅黃綠三個(gè)發(fā)光二極管的接口分別是P1.0，P1.1，P1.2三個(gè)端口。 圖17（2） 聲音提示電路實(shí)現(xiàn)聲音提示電路利用單片機(jī)接口的電流驅(qū)動(dòng)NPN三級(jí)管，然后利用三極管產(chǎn)生的大電流驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，控制器與三極管的接口為P6.7，原理圖如圖所示。片內(nèi)通過(guò)編程和對(duì)水下魚(yú)情信息的判斷產(chǎn)生四種聲音提示信息，分別是：無(wú)魚(yú)時(shí)沒(méi)有聲音，小魚(yú)時(shí)會(huì)發(fā)出間隔較長(zhǎng)的短促聲音，大魚(yú)時(shí)會(huì)發(fā)出間隔較短但持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的聲音，魚(yú)多時(shí)會(huì)發(fā)出連續(xù)不斷的聲音。通過(guò)調(diào)節(jié)揚(yáng)聲器上方的滑動(dòng)變阻器可以調(diào)節(jié)音量大小，電阻調(diào)節(jié)到一定的范圍即可關(guān)閉聲音提示功能。 圖19 圖18（3） 按鍵控制電路實(shí)現(xiàn) 由于系統(tǒng)所需的按鍵鍵僅為三個(gè)，所以采用三個(gè)單鍵輸

33、入式的按鍵，每個(gè)單鍵輸入式按鍵單獨(dú)占用一根I/O線，每根I/O線上的按鍵工作狀態(tài)不會(huì)影響其他I/O線的工作狀態(tài)。系統(tǒng)的單鍵輸入式按鍵電路較為簡(jiǎn)單，分別利用了P2.1，P2.2，P2.3接口，利用了中斷方式實(shí)現(xiàn)。電路如圖19：5系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)軟件采用自頂向下、結(jié)構(gòu)化、模塊化的程序設(shè)計(jì)，結(jié)合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和軟件工程的思想，遵循實(shí)時(shí)任務(wù)驅(qū)動(dòng)機(jī)制。首先，建立整個(gè)系統(tǒng)軟件的框架結(jié)構(gòu)，將其劃分為多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的大模塊，設(shè)計(jì)每個(gè)模塊的總體功能，構(gòu)建與模塊先關(guān)的任務(wù)調(diào)度幾只，待見(jiàn)模塊間和人物間的關(guān)聯(lián)紐帶。其次，對(duì)每個(gè)模塊采用不求精的方法進(jìn)行細(xì)化，對(duì)各個(gè)任務(wù)的程序結(jié)構(gòu)進(jìn)完善，直到完成整個(gè)軟件的程序編制。終端軟件設(shè)計(jì)

34、分為水下軟件部分和水上軟件部分。1. 水下軟件部分： 水下軟件部分包括脈沖發(fā)生、AD數(shù)據(jù)采樣、數(shù)據(jù)處理和通信四部分。水下部分主程序流程圖（圖20）如下：開(kāi)始終端硬件初始化產(chǎn)生PWM波將傳感器設(shè)置為發(fā)射模式傳感器設(shè)置為接收模式AD對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行采樣計(jì)算時(shí)間間隔對(duì)采樣結(jié)果和時(shí)間間隔進(jìn)行判斷將判斷結(jié)果傳遞給CC2500，發(fā)送給岸上接收設(shè)備 圖 20（1） 脈沖發(fā)生程序 CW脈沖的發(fā)射由超聲傳感器后的D類功放來(lái)控制，而D類功放的開(kāi)關(guān)控制由兩路相位相反的PWM波來(lái)控制，而MSP430的定時(shí)器B可以產(chǎn)生滿足要求的脈 沖。MSP430的定時(shí)器B模塊有一個(gè)16位定時(shí)器和多路比較/捕獲通道組成，此外還具有鎖

35、存功能，以達(dá)到同步更新比較數(shù)據(jù)的目的。每一個(gè)比較/捕獲通道都可以以16位定時(shí)器的定時(shí)功能為核心進(jìn)行單獨(dú)的控制。定時(shí)器具有如下特點(diǎn)：輸入時(shí)鐘可以有多種選擇，產(chǎn)生的PWM信號(hào)沒(méi)有軟件帶來(lái)的誤差，完善的中斷服務(wù)功能，4種計(jì)數(shù)功能選擇，8中輸出方式的選擇，支持多時(shí)序控制。 為了同時(shí)產(chǎn)生兩路相位相反的PWM波，通過(guò)寄存器TACTL的MCx，來(lái)選擇增計(jì)數(shù)模式，通過(guò)對(duì)TACCRO、TBCCR1和TBCCR2設(shè)置脈沖寬度。把兩個(gè)輸出模式分別設(shè)定為011（置位/復(fù)位）和111（復(fù)位/置位）。將TBCLGRP設(shè)置為01保證兩路脈沖同時(shí)發(fā)射脈沖的有4.1和4.2兩個(gè)管腳發(fā)射。從而控制D類功放的開(kāi)啟和關(guān)閉。（2） A

36、D數(shù)據(jù)采集程序 助釣器需要對(duì)接換能器接收到的回波信號(hào)進(jìn)行判斷，從而確定探測(cè)范圍內(nèi)是否有魚(yú)。因此，需要對(duì)利用AD將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，這樣模擬量才能被MSP430處理和控制。MSP430內(nèi)部的ADC12主要有一下特點(diǎn)：12位轉(zhuǎn)換精度有多種時(shí)鐘源可以供ADC12模塊選擇，而且模塊本身內(nèi)部也具有內(nèi)置時(shí)鐘發(fā)生器；配置有8路外部通道和4路內(nèi)部通道；內(nèi)置才考電源，并且有6種選擇；模數(shù)轉(zhuǎn)換具有4種選擇；16字轉(zhuǎn)換緩存；模塊內(nèi)部可關(guān)斷內(nèi)核支持超低功耗應(yīng)用；采樣速度快，最高可達(dá)200Ksps。在本應(yīng)用中對(duì)ADC12CTL1的CONSEQ 進(jìn)行設(shè)置，選用單通道單次采樣模式，設(shè)置ADC12CTL0的SHT0x，

37、決定一次的采樣和轉(zhuǎn)換時(shí)間。具體的轉(zhuǎn)換圖如 （圖21）（3） 數(shù)據(jù)處理程序 這個(gè)模塊是算法的軟件實(shí)現(xiàn)，利用軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終得出對(duì)水下魚(yú)的情況的判斷結(jié)果。首先根據(jù)AD采集的數(shù)據(jù)，將到達(dá)門限電壓時(shí)的時(shí)刻存儲(chǔ)在同一個(gè)數(shù)組中。在這個(gè)數(shù)組中，第2n-1個(gè)數(shù)據(jù)代表的是剛超過(guò)門限電壓的時(shí)刻；第2n個(gè)數(shù)據(jù)代表的是電壓剛下降到門限電壓的時(shí)刻。通過(guò)計(jì)算第2n-1個(gè)時(shí)刻與初始CW脈沖發(fā)出的時(shí)刻進(jìn)行計(jì)算，得到回波的時(shí)間間隔，從而得出魚(yú)的深度。計(jì)算存儲(chǔ)的采樣電壓的數(shù)組中，每相鄰的上升門限和下降門限之間的電壓的最大值，跟標(biāo)準(zhǔn)比較確定魚(yú)的大小。計(jì)算第2n-1和2n個(gè)時(shí)刻之間的時(shí)間差，與一條魚(yú)對(duì)應(yīng)的時(shí)間差比較，從

38、而確定一個(gè)回波所代表的魚(yú)的個(gè)數(shù)。如圖 （圖22）（4） 通信模塊程序初始化開(kāi)階段，水下濕端先探測(cè)水體深度，并將深度數(shù)值用一個(gè)八位二進(jìn)制數(shù)發(fā)送到水上接收端，進(jìn)而判定水底深度。工作魚(yú)情信息，包括魚(yú)多少，魚(yú)大小，魚(yú)深度，對(duì)岸上操作的回饋，分別存入一個(gè)八位二進(jìn)制數(shù)，共32位，然后以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送到岸上接收端。岸上接收端發(fā)送控制命令，控制水下濕端開(kāi)始工作，實(shí)時(shí)傳輸水下信息。開(kāi)始按照時(shí)間間隔的大小將魚(yú)的多少分成1/2/3/more，四個(gè)檔位，將存儲(chǔ)的時(shí)間間隔與之比較，確定魚(yú)的魚(yú)的數(shù)量YESNO根據(jù)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間段內(nèi)的最大電壓，判斷魚(yú)的，三個(gè)檔位（大/中/?。⒌?n-1個(gè)時(shí)間點(diǎn)到初始時(shí)刻的時(shí)間間隔按照公式

39、，計(jì)算出魚(yú)的位置是否所有時(shí)間段比較完成是否所有時(shí)間段比較完成NOYES是否所有時(shí)間段比較完成NOYES結(jié)束計(jì)數(shù)存儲(chǔ)的采樣數(shù)據(jù)中的最大值；計(jì)算第2n-1與2n兩個(gè)時(shí)刻的時(shí)間間隔，和第2n-1哥時(shí)刻與脈沖發(fā)出時(shí)刻的時(shí)間間隔，并將這些結(jié)果分別存儲(chǔ)本次采樣超過(guò)門限，上一次沒(méi)有超過(guò)；或者本次采樣沒(méi)有超過(guò)門限，上次采樣超過(guò)YES記錄本次采樣時(shí)刻，和對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的編號(hào)將采樣結(jié)果存儲(chǔ)在數(shù)組A中AD轉(zhuǎn)換打開(kāi)采樣中斷采樣是否完成結(jié)束NO AD采樣流程圖（圖21） 算法軟件流程圖（圖22）2.水上軟件部分 水上軟件部分主要包括接收器的程序和無(wú)線模塊的程序。無(wú)線程序部分與水下部分大致相同，下面主要說(shuō)明接收器程序。 接收器

40、主要負(fù)責(zé)對(duì)水下部分發(fā)射指令和接收水下部分傳遞來(lái)的數(shù)據(jù)。程序流程圖如下：開(kāi)始系統(tǒng)初始化向水下部分發(fā)射指令經(jīng)過(guò)無(wú)限模塊發(fā)射到水下結(jié)束水上部分程序流程圖(圖23)無(wú)線模塊接收水下部分的數(shù)據(jù)交給MSP430處理顯示部分進(jìn)行結(jié)果顯示結(jié)束6系統(tǒng)創(chuàng)新（總結(jié)系統(tǒng)的創(chuàng)新之處）超聲波魚(yú)探儀是一種廣泛應(yīng)用于捕魚(yú)業(yè)的聲納探魚(yú)設(shè)備，但因其體積大，價(jià)格高難以在一般人群中普及。本系統(tǒng)為釣魚(yú)愛(ài)好者而設(shè)計(jì)，體積小，價(jià)格低，兼具探魚(yú)和測(cè)深功能，并且配備有無(wú)線模塊，方便使用。具體的創(chuàng)新點(diǎn)如下：（1）采用的MSP430單片機(jī)控制，1M頻率，2.2V電壓下電流消耗僅為280uA，具有低功耗的優(yōu)點(diǎn)。（2）適應(yīng)不同水域的魚(yú)群，擴(kuò)大了使用范

41、圍，定位更加準(zhǔn)確，可以實(shí)現(xiàn)單探頭測(cè)深、探魚(yú)雙功能。（3）現(xiàn)在市場(chǎng)上相類似的產(chǎn)品的分辨距離為70cm,本設(shè)計(jì)將其提升到37.5cm。（4）具有測(cè)深和探魚(yú)功能，而且能夠判斷魚(yú)體大小，魚(yú)數(shù)量多少，魚(yú)的深度等信息。（5）整體外觀設(shè)計(jì)小巧靈便，并就有無(wú)線遙控功能，方便釣魚(yú)者的使用。（6）與傳統(tǒng)產(chǎn)品相比成本低廉，更符合廣大釣魚(yú)愛(ài)好者的需求。7評(píng)測(cè)與結(jié)論系統(tǒng)的測(cè)試方法如下：搭建一個(gè)深的水池，制作兩條與實(shí)際魚(yú)相似的模型長(zhǎng)度分別為和。首先，不放入模型，用助釣器對(duì)池底深度進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)結(jié)果通過(guò)接收設(shè)備觀測(cè)。然后，將兩個(gè)模型固定在水池中，再用助釣器進(jìn)行探測(cè)，再接收設(shè)備觀察結(jié)果。改變兩條魚(yú)的深度再進(jìn)行探測(cè)，如果探測(cè)結(jié)

42、果與時(shí)間相符，則設(shè)計(jì)能夠滿足預(yù)期預(yù)期要求。本參賽報(bào)告主要基于TI公司數(shù)字與模擬器件設(shè)計(jì)一個(gè)多功能電子助釣器，目前正在進(jìn)行緊張的硬件和軟件的調(diào)試工作，相信經(jīng)過(guò)全體隊(duì)員的齊心努力，設(shè)計(jì)任務(wù)一定會(huì)圓滿完成。8參考文獻(xiàn)：1 伭煒.便攜式淺水多波束測(cè)深系統(tǒng)及其模擬電路設(shè)計(jì).哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文,20062 陳嵩銳.便攜式多波束測(cè)深儀多通道數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng).哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文,20053 劉伯勝,雷家煜編.水聲學(xué)原理.哈爾濱船舶工程學(xué)院出版社,19934 惠俊英.水下聲信道.國(guó)防工業(yè)出版社.19925 田坦,劉國(guó)枝,孫大軍編著.聲吶技術(shù).哈爾濱工程大學(xué)出版社.19996 李清泉,黃昌寧.集成運(yùn)算放大器原理與應(yīng)用.北京科學(xué)出版，19807 童詩(shī)白,