1、2011-2012德州儀器C2000及MCU創新設計大賽項目報告題 目： 基于MSP430的多功能電子助釣器 學校： 指導教師： 組別： 本科組 應用類別： 本科組控制系統類 平臺： MSP430 參賽隊成員名單：視頻文件觀看地址（若未拍攝，請注明）： 沒有拍攝郵寄地址和收件人聯系方式 基于MSP430的多功能電子助釣器 1摘要 (摘要字數要求100到150之間，我們做了一些修改）本文設計了一套針對釣魚愛好者的體積小、價格低的多功能電子助釣器。設計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射探測信號、接收回波信號、提取回波信息以及傳輸分析結果。水上接收端的主要功能是發出控制指令和顯

2、示接收到的分析結果。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引言現代社會隨著人們生活水平的不斷提高，各種戶外運動日益豐富，釣魚逐漸成為旅游度假、休閑娛樂、體育健身、陶冶情操的極佳運動方式。但是由于對垂釣漁場魚情信息不了解，特別是到達一個陌生的漁場時，時常苦苦垂釣了一整天卻一無所獲。這讓人十分郁悶、心情不爽，卻又無可奈何。為此，各種助釣

4、、探魚器具應運而生，但是以往市場上此類產品存在功耗大、體積較大、分辨能力差、使用不直觀等諸多問題，效果不甚理想。本設計基于新穎的魚群回波模型，采用TI公司的高性能低功耗器件，通過無線通信的方式實現水下濕端與岸上接收端的信息傳輸，將傳統的水體測深和探魚器緊密結合實現多功能一體化設計。系統通過超聲波的反射回波來確定垂釣地點水下深度、是否有魚存在、魚的數量多寡等信息。釣魚愛好者可以通過屏幕和指示燈實時了解水下魚情信息。3系統方案3.1系統組成基于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、無線通信模塊、電源模塊、應用軟件等六大部分組成。其中超聲傳感器

5、、水下電子模塊、水下無線模塊、水下應用軟件構成水下濕端，水下濕端負責探測水下魚情，并將魚情信息發送到水上接收端。而水上電子模塊、水上通信模塊、水上應用軟件構成水上接收端，水上接收端負責控制水下濕端的工作，以及顯示探測結果。圖1是系統組成總體框圖。轉換開關信號接收超聲傳感器模塊處理器2MSP430 信號發生 水下電子模塊無線模塊1無線模塊2音頻提示輸入部分信息顯示處理器1MSP430 水上電子模塊 無線模塊系統軟件（水上部分）系統軟件（水下部分） 系統設計圖（圖1）3.2功能說明3.2.1水下濕端功能說明1. 超聲傳感器 系統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，壓電陶瓷產生機械形變，產生機械波，機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械波作用時，將產生大小和方向變化的電壓信號。常用的壓電陶瓷的轉換效率為50%70%。壓電換能器的主要參數有共振方式、品質因數、波束寬度、發射和接收靈敏度。系統應用的換能器為直徑1cm、波束開角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是控制信號發射電路發射水下超聲波信號，接收水下超聲波信號的反射回波，在對回波進行包絡檢波之后，利用單片機內部AD采集檢波之后的信號，利

7、用魚群回波的模型，分析出魚情信息，最后將魚情信息通過無線模塊發送到水上接收端。水下電子模塊的處理器功能有四個：產生控制信號發射電路的信號，檢測信號接收電路的信號，分析和處理回波信號，通過控制無線模塊上傳分析結果并接收控制信息。可見，水下電子模塊中處理器需要具有定時，運算，數據傳輸，接口控制等能力。考慮到系統的電池供電情況，采用MSP430系列低功耗單片機。MSP430系列單片機擁有豐富的內部模塊和接口的，性價比較高，技術較成熟，同時16位單片機具有很高的運算速度，能夠完成水下濕端處理器所需的定時，控制，運算，數據傳輸等任務。（2） 信號發射電路在此系統中，利用CW脈沖信號對水下目標進行探測，判

8、斷魚類的有無。信號發射模塊的任務，一是產生CW脈沖信號，二是對此信號進行功率放大，三是將信號功率盡可發送到水中。產生CW脈沖信號利用單片機中的定時器模塊即可，根據探測距離20m以內，選定CW脈沖載波頻率為350KHz ，設定0.01ms、0.05ms、0.1ms、0.5ms四種檔位，根據信號的形式，以及設備的便攜性，低電壓，低功耗等要求，我們選擇效率較高的D類功放對信號功率進行放大。最后，利用變壓器和電感器件對功率放大和超聲傳感器之間進行阻抗匹配，保證功率盡可能發送到水中。功率放大CW脈沖信號阻抗匹配 圖3（3） 信號接收電路信號接收模塊，處理的是CW脈沖探測信號的回波。接收到的回波極其微弱，

9、而且含有噪聲，所以在信號的檢測之前要進行放大和提高信噪比的處理。放大共分為三級，分別實現20dB放大，在前級放大之后進行窄帶濾波，濾出以350KHz為中心的窄帶信號。然后將此信號進行包絡檢波，并利用模數轉換，形成單片機可以處理的數字信號。AD檢波放大兩級阻抗匹配放大 圖4窄帶濾波（4） 收發轉換開關由于發射電路和接收電路共用一個超聲波傳感器，而發射電路發射的是大功率信號，接收電路接收的是微弱信號，因此收發轉換的裝置是必不可少的。利用二極管對大信號短路，對小信號呈線性的特點，我們選擇了一對二極管接在接收電路與參考電位之間，這樣通過程序中的控制就能夠分辨出回聲信號。（5） 水下無線模塊 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，如果利用導線的方式實現水下和岸上部分的通信，一是拋入水中時極其不方便，二是體積龐大，容易驚嚇到魚。為方便釣魚者的使用，水下濕端和岸上接收端通過無線傳輸的方式進行通信，省去了很長的連接線。TI公司的CC系列射頻芯片在性能，功耗，可靠性，性價比等方面都能滿足設計要求。 3.2.2水上接收端功能說明1. 水上電子模塊（1）處理器水上電子模塊的任務是控制水上無線通信模塊，接收水下通信模塊上傳的魚情信息，然后將魚情信息通過液晶、聲音和指示燈的方式顯示出來，同時將用戶通過按鍵輸入的控制信息，利用水上無線模塊傳輸給水下無線模塊。因此，水上電子模塊中處理器的

11、功能主要有：控制水上無線模塊與水下無線模塊交換信息，控制和協同語音提示電路、信息顯示電路對魚情信息的表現，檢測按鍵輸入將輸入信息編碼傳遞給水下無線模塊。（2）信息顯示電路信息顯示分成兩種方式，一種是通過三個燈的閃爍指示，紅燈代表大魚，黃燈代表小魚，綠燈代表無魚，黃燈和紅燈會根據魚的多少進行閃爍，如果閃爍頻率較低，則魚少，如果閃爍急促則魚較多。另一種是通過12864液晶屏幕顯示魚情，屏幕上方顯示水體深度，屏幕右側將深度劃分成16等份，上方顯示出每個深度刻度的精度，魚所在深度的等份會被涂滿，利用不同的圖形標志在屏幕中央部分指示魚的大小。顯示界面如下所示 圖5圖中，無魚情況沒有指示，小魚用三角表示，

12、大魚用正方形表示，圖中下方為水底情況，分為沙子，石子，水草三種情況。屏幕會每5秒刷新一次，舊的記錄信息會向左移動一列。（3） 聲音提示電路考慮到垂釣者在釣魚時有時會不方便看顯示部分，因此利用聲音提示模塊進行補充。聲音提示電路會提示四種魚情信息，無魚時沒有聲音，小魚時會發出間隔較長的短促聲音，大魚時會發出間隔較短但持續時間較長的聲音，魚多時會發出連續不斷的聲音，音量大小可調，使用者根據具體情況也可以選擇關閉語音提示功能。（4） 輸入控制電路屏幕上方有三個按鍵，分別是菜單鍵，開始鍵，停止鍵，如圖所示。 圖6 在菜單界面下水下濕端不工作，按開始鍵水上接收端將啟動命令發送給水下濕端，水下濕端完成初始化

13、，將信息反饋到水上接收端，此時系統進入工作界面，即探魚界面。此時屏幕上可以顯示水下魚情。在此界面之下，按菜單鍵可以回到菜單界面，同時水下濕端接到控制信息，停止探測，進入低功耗模式。如果按停止鍵則界面停止刷新，水下濕端停止探測，按開始鍵系統繼續工作。2. 水上無線模塊水上無線模塊除接收水下濕端上傳的魚情信息外，還負責將按鍵輸入的控制信息編碼后發送到水下濕端。水上無線模塊采用與水下濕端相同的無線模塊，配置一個拉桿天線，保證信號的發送。3.2.3電源模塊設計由于本系統的便攜性，系統中所用到的器件盡可能選用低功耗器件，但探魚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，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結構設計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）用來綁定在魚線上。使用時，將水下濕端固定在魚線上，然后拋入水中，即可開始工作，用戶可以隨時打開電池槽蓋更換電池。岸上接收裝置如圖，其中有天線（7），液晶屏（8），按鍵（9）。根據稱量，整個水下部分的質量為，根據公式 ； 要使水下部分浮在水面上所需體積大至少要為，因此再結合實際制作時的需要設計通體高度大約5cm,橢圓長軸長8cm,短軸長6cm ,這樣體積為，可以滿足要求。通體高度

15、大約5cm,橢圓長軸長8cm,短軸長6cm ,電池槽的直徑大約為3cm,天線槽直徑1cm,底部圓孔直徑1mm。岸上接收機長15cm,寬8cm。 結構設計圖（圖7） 水下部分正視圖 水下部分俯視圖 岸上接收裝置 3.5系統參數的確定 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參數包括直徑、半波束角、使用頻率以及聲源級。3.5.1超聲傳感器尺寸參數的確定 為了讓助釣器便于攜帶，應盡量減小助釣器的體積，所以在設計超聲傳感器的尺寸時，直徑選為，半波束角為。根據下面的公式（1），可以得到所需換能器的頻率。 （1） 3.5.2聲源級超聲傳感器探測目標的主動聲納方程為： （2） 其中為

16、聲源級,為傳播損失，為目標強度或發射損失,為噪聲譜級，為接收機帶寬，為接收指向性系數,為檢測閾。為了確定所需傳感器的聲源級，我們需分別對水底和魚列出主動聲納方程a.水底的主動聲納方程 （3） 水底目標強度（） 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）最后得到化簡后的探測水底聲納方程為b.探測魚的主動聲納方程單體魚目標強度為: （6） 將（6）帶入（2）得到單體魚回波而言主動聲納方程為： （7）從而得到水底和單體魚的主動聲納方程（5）和（7）。 3.5.3聲納方程計算Ø 傳播損失() （8） 其中(較大)，擴展損失按球面波

17、計算。在的頻率下，若設定探測距離為，則，。 （9）Ø 指向性指數： 其中為水中聲波的波長，為傳感器的直徑。將參數帶入得：。 （10）Ø 檢測閾（） 其中為檢測指數,可通過接收及特性曲線查得,為接收機帶寬，為脈寬。如果選擇檢測指數為，脈寬選擇，為，帶入方程得到.Ø 噪聲譜級：Ø 魚的目標強度如果可探測到的最小魚長按照計算，則魚的目標強度為：將以上參數帶入公式（5）和（7）分別得到:,.所以最后聲源級為兩者的最大值：根據聲納的聲源級與功率的公式： （11） 其中為聲源級的功率，由此得到所需的聲源級的功率為：按照轉化率為計算則所需電功率為.3.6 助釣器探魚算

18、法3.6.1算法基本原理： 聲納探測的原理是，超聲傳感器發射脈沖信號，當脈沖遇到不同物體后，會產生不同的回波信號。傳感器接收這些回波信號，通過檢測其中的差別，來確定探測到的信息。 由MSP430控制超聲傳感器周期性的發射CW脈沖，脈沖在水中遇到物體后產生回波，利用MSP430內部的AD對濾波后的回波信號進行采樣，利用定時器對回波包絡進行檢波，對時間進行記錄，根據記錄的回波信號結合魚的回波模型作出相應的判斷后，將結果發送到岸上接收設備。3.6.2探魚算法介紹（1）有無魚分析 CW脈沖被魚反射后，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，發射的信號強度即回波的最大電壓不

19、同，因此可以設置一個門限電壓。對接收到的回波進行檢測，當接收到的回波電壓先超過門限值，后下降到門限值，則認為檢測到了魚。 復雜魚的回波圖（圖9） 簡單魚的回波圖（圖8） 不過，由于魚在水中分層分布，接收到的回波可能是不同層上的魚的回波的疊加如圖9 ,此時通過上述檢測只能檢測出有魚，不能檢測出魚的多少。因此，在接收回波的同時，記錄剛打到門限值和剛下降到門限值的兩個時刻和，記錄和之間的時間差，并與一條魚的回波的時間差和和做比較，將比較結果分為，四種檔位，從而完成對一個回波的判斷。（2）魚大小的分析 首先將與魚大小對應的電壓分為大/中/小三個檔位，利用AD采樣，記錄每兩個門限值之間的最大電壓值，并與

20、這三個檔位進行比較，最終確定魚的大小在哪個檔位。 （10）（3）魚深度的分析 其中S表示讓聲波發生發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出的聲波的時間間隔。根據公式（10）可以知道，為了探測魚所在深度即，可以通過檢測接收到回波的時刻與脈沖發射時刻的時間間隔，從而確定探測的魚所在的位置。（4）水底的探測 在助釣器的探測范圍內，每個CW脈沖的所有回波當中，由于水底的距離最遠，而且反射強度最大，所以回波的時間間隔最長，電壓最大值最大。根據這些特點可以探測出水底的位置。4系統硬件設計4.1水下濕端硬件實現1.超聲傳感器阻抗匹配發射換能器的有效激勵，應在信號源和換能器之間設置

21、阻抗匹配網絡，阻抗匹配的一般原理包括兩個方面：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，使得輸出功率達不到期望最大值，需要在信號源輸出端并聯或串聯一個反向電抗使得信號源的負載變為純電阻。第二，阻抗變換，根據最大功率傳遞定理，當負載阻抗和電源阻抗互為共軛復數時，即負載阻抗和電源內阻抗為最大功率匹配。這時負載能夠得到額定功率。變壓器可以改變初次級電壓，電流的大小，因此還可以改變電阻值的大小，從而實現阻抗變換。通過在信號源和負載之間加入變壓器的方法將換能器的阻值變成與信號源內阻相等，故信號源與換能器之間達到阻抗匹配。 選擇的超聲傳感器為壓電陶瓷換能器，這是一種容性

22、負載，阻抗函數很難用數學表達式精確描述，需要知道的是在選定頻率上阻抗函數實部和虛部的具體數值。換能器可以表示成一個由電阻，電容，電感組成的阻抗網絡。 圖10 圖中，C0為換能器靜態電容，C1為動態電容，R1為動態電阻，L1為動態電感。在換能器諧振點上，C1，L1相抵消，換能器等效成C0和R1并聯的形式，呈容性，所以需要加入一個感性器件，選擇串聯接入的方式，如圖所示。 圖11所需串聯電感大小由下式得出： 變壓器設計匝數比：根據換能器的電導曲線圖，電容曲線圖，可以得出在頻率點處的電阻R和電容大小C。結合發射功率根據公式，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，匝數比為U2

23、/(3.6-U0)。初級線圈： 一般來說，初級線圈的阻抗要遠遠大于功率管的等效導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，大功率的場合一般都取1015倍。選定比值選10，根據功率管特性阻抗得，。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，則初級線圈匝數為： 。2.水下電子模塊（1） 處理器選型選擇MSP430F149單片機，選擇此型號的原因除了該單片機具有超低功耗，可以進入低功耗模式之外。還因為此款單片機內部集成有本系統所必須的A/D模塊，定時器，串行接口，硬件乘法器，這在提升系統性能的同時，也節約了成本和功耗，減小了系統尺寸。（2） 信號發射電

24、路實現 圖12PWM功率放大阻抗匹配在信號接收電路中，用到單極性的12位AD而在信號發射電路中，PWM由單片機內部的定時器B控制，利用兩路相位相反的方波信號驅動D類功放產生一個從VCC到-VCC的方波信號，去驅動超聲換能器，產生探測聲波。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 發射機結構 當Q1導通時Q2截止，電流從VCC 流入變壓器，經過初級線圈上半部分，通過Q1 流入大地。變壓器的初級線圈中有從下向上的電流，次級線圈中感應出從下向上的電流。同樣，當Q2 導通時Q1 截止，次級線圈中感應出從上向下的電流。這樣兩個半周期的信號拼成完整的信號

25、，經過諧振負載發射出去。將單片機的兩個引腳分別接到Q1，Q2輸入端，實現波形如下。 圖14 功放管選擇常見的D類功率放大器多采用場效應管作為功率管。場效應管為電壓驅動方式，與負載電流和安全工作區域無關，電路設計較為簡單。但是在本設計中，為了簡化電路，功率管的驅動直接采用單片機提供的3.3V方波信號.本設計中的發射機功率要求為0.9W。考慮到變壓器損耗，功率管輸出的功率應該是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開啟時間： =50nsn關段時間： =4

26、20nsn導通電阻： 0.4O （3）信號接收電路實現 運算放大器選擇 超聲傳感器接收到的信號是極其微弱的，因此信號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。由于我們的系統在便攜性上的要求，運放采用TI公司的低電壓，低功耗，單電源運放。我們的系統對于增益為60dB就能夠實現功能，因此在信號接收電路中，我們增益分配只需三級20dB放大即可。由于系統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。前兩級選用TI公司的單電源，低功耗運放OPA340，其靜態功耗為2.7mW，其具體參數如下。增益帶寬積：5M，擺率: 5V/us，諧波失真：0.0007%，靜態電流：70uA。在前兩

27、級小信號時能夠滿足要求，但是第三級時要求有較高的擺率，選擇擺率較高的運放OPA350，參數如下：增益帶寬積：38M，擺率:22V/us，諧波失真：0.0006%，靜態電流：5.2mA。 濾波器設計濾波器具有兩個作用，一是AD轉換之前需要將高頻的噪音濾除，二是CW脈沖回波需要進一步提高信噪比，保證能夠更好地檢測回波信號。選擇了二階巴特沃茲帶通濾波器，中心頻率為350KHz，帶寬為10KHz。 檢波電路實現 脈沖的回波信號是極其微弱的，進行了多次放大之后還需要進行平滑處理。具體的檢波電路如下。圖 15 二極管需要選擇導通電阻小的鍺材料。在設計中t的選擇很關鍵，它能夠決定檢波調節的時間。RC很小，則

28、電路具有很好的跟蹤特性，但是RC電路放電時間短，容易形成鋸齒波。RC很大，系統響應時間過長，不能很好的跟蹤信號幅度變化，容易形成拖尾。在滿足RC<T的前提下，根據實際所需選擇合適的電容及電阻。檢波二極管選用鍺點接觸型普通二極管，2AP1參數如下：最大整流電流：16mA；反向擊穿電壓：20V；截止頻率f=150MHz經過檢波后的信后利用AD采樣即可。（4）收發轉換開關實現我們選擇的轉換方式如圖所示。 圖16當系統發送信號時，收發轉換裝置把超聲傳感器和信號發射電路接通，使電功率絕大多數加到超聲傳感器上，同時將信號接收電路兩端短路，防止燒壞電路。系統接收信號時，利用二極管在低電壓范圍內的特性，

29、可以在信號接收電路上得到一定的電壓信號。此裝置的第二的功能是防止阻塞現象。由于電路信號頻率為350KHz，所以一般二極管難以實現對信號的開關作用，因此選用反向恢復時間極短的肖特基二極管SR102，參數如下：整流電流：1A ,反向截止電壓：20V , 導通電壓：0.55V（5）水下無線收發模塊 無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，系統采用了TI公司的無線射頻收發芯片CC2500作為無線通信模塊。CC2500是TI公司的一款低成本，低功耗，體積小的2.4GHz無線通信收發器。工作頻率波段為24002483.5MHz。集成了一個數據傳輸率達500kbps，可配置的調制

30、解調器和一個64位傳輸接收FIFO（先入先出堆棧）。CC2500的外圍器件比較簡單，和MCU之間通過SPI接口連接，MCU通過SPI接口向CC2500發送操作命令，配置其調制方式，工作頻率。通過命令可配置其為接收狀態，發送狀態，空閑狀態或休眠狀態。CC2500的引腳GDO0和GDO2輸出狀態，當其接收到或發送完一個數據，都會在引腳上輸出一個脈沖，MCU利用這個脈沖來判斷CC2500的狀態，從而實現MCU對CC2500的一切操作。先利用Smart RF軟件，根據傳輸性能的要求，可以得出各個寄存器的最佳配置，然后利用SPI接口更改寄存器配置。 4.2水上接收端硬件實現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，語音提示電路，按鍵控制電路的硬件實現。（1） 信息顯示電路實現信息顯示電路利用12864液晶模塊通過圖形的方式顯示魚情，深度等信息，控制器通過并口的方式與液晶模塊通信，12864與單片機的接口如下所示。先利用取模軟件將所需的圖形以點陣的形式存入數組中，然后利用12864模塊的繪圖功能在相應的位置繪制所需的圖形等。所需圖形點陣數組有，0-9的數字數組，4*4的三角形與四邊形數組，水草、石子、沙子地面的數組，整體顯示界面的數組。與

32、紅黃綠三個發光二極管的接口分別是P1.0，P1.1，P1.2三個端口。 圖17（2） 聲音提示電路實現聲音提示電路利用單片機接口的電流驅動NPN三級管，然后利用三極管產生的大電流驅動揚聲器，控制器與三極管的接口為P6.7，原理圖如圖所示。片內通過編程和對水下魚情信息的判斷產生四種聲音提示信息，分別是：無魚時沒有聲音，小魚時會發出間隔較長的短促聲音，大魚時會發出間隔較短但持續時間較長的聲音，魚多時會發出連續不斷的聲音。通過調節揚聲器上方的滑動變阻器可以調節音量大小，電阻調節到一定的范圍即可關閉聲音提示功能。 圖19 圖18（3） 按鍵控制電路實現 由于系統所需的按鍵鍵僅為三個，所以采用三個單鍵輸

33、入式的按鍵，每個單鍵輸入式按鍵單獨占用一根I/O線，每根I/O線上的按鍵工作狀態不會影響其他I/O線的工作狀態。系統的單鍵輸入式按鍵電路較為簡單，分別利用了P2.1，P2.2，P2.3接口，利用了中斷方式實現。電路如圖19：5系統軟件設計本系統軟件采用自頂向下、結構化、模塊化的程序設計，結合數據結構和軟件工程的思想，遵循實時任務驅動機制。首先，建立整個系統軟件的框架結構，將其劃分為多個相對獨立的大模塊，設計每個模塊的總體功能，構建與模塊先關的任務調度幾只，待見模塊間和人物間的關聯紐帶。其次，對每個模塊采用不求精的方法進行細化，對各個任務的程序結構進完善，直到完成整個軟件的程序編制。終端軟件設計

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生、AD數據采樣、數據處理和通信四部分。水下部分主程序流程圖（圖20）如下：開始終端硬件初始化產生PWM波將傳感器設置為發射模式傳感器設置為接收模式AD對接收到的信號進行采樣計算時間間隔對采樣結果和時間間隔進行判斷將判斷結果傳遞給CC2500，發送給岸上接收設備 圖 20（1） 脈沖發生程序 CW脈沖的發射由超聲傳感器后的D類功放來控制，而D類功放的開關控制由兩路相位相反的PWM波來控制，而MSP430的定時器B可以產生滿足要求的脈 沖。MSP430的定時器B模塊有一個16位定時器和多路比較/捕獲通道組成，此外還具有鎖

35、存功能，以達到同步更新比較數據的目的。每一個比較/捕獲通道都可以以16位定時器的定時功能為核心進行單獨的控制。定時器具有如下特點：輸入時鐘可以有多種選擇，產生的PWM信號沒有軟件帶來的誤差，完善的中斷服務功能，4種計數功能選擇，8中輸出方式的選擇，支持多時序控制。 為了同時產生兩路相位相反的PWM波，通過寄存器TACTL的MCx，來選擇增計數模式，通過對TACCRO、TBCCR1和TBCCR2設置脈沖寬度。把兩個輸出模式分別設定為011（置位/復位）和111（復位/置位）。將TBCLGRP設置為01保證兩路脈沖同時發射脈沖的有4.1和4.2兩個管腳發射。從而控制D類功放的開啟和關閉。（2） A

36、D數據采集程序 助釣器需要對接換能器接收到的回波信號進行判斷，從而確定探測范圍內是否有魚。因此，需要對利用AD將模擬信號轉換為數字信號，這樣模擬量才能被MSP430處理和控制。MSP430內部的ADC12主要有一下特點：12位轉換精度有多種時鐘源可以供ADC12模塊選擇，而且模塊本身內部也具有內置時鐘發生器；配置有8路外部通道和4路內部通道；內置才考電源，并且有6種選擇；模數轉換具有4種選擇；16字轉換緩存；模塊內部可關斷內核支持超低功耗應用；采樣速度快，最高可達200Ksps。在本應用中對ADC12CTL1的CONSEQ 進行設置，選用單通道單次采樣模式，設置ADC12CTL0的SHT0x，

37、決定一次的采樣和轉換時間。具體的轉換圖如 （圖21）（3） 數據處理程序 這個模塊是算法的軟件實現，利用軟件對采集的數據進行處理，最終得出對水下魚的情況的判斷結果。首先根據AD采集的數據，將到達門限電壓時的時刻存儲在同一個數組中。在這個數組中，第2n-1個數據代表的是剛超過門限電壓的時刻；第2n個數據代表的是電壓剛下降到門限電壓的時刻。通過計算第2n-1個時刻與初始CW脈沖發出的時刻進行計算，得到回波的時間間隔，從而得出魚的深度。計算存儲的采樣電壓的數組中，每相鄰的上升門限和下降門限之間的電壓的最大值，跟標準比較確定魚的大小。計算第2n-1和2n個時刻之間的時間差，與一條魚對應的時間差比較，從

38、而確定一個回波所代表的魚的個數。如圖 （圖22）（4） 通信模塊程序初始化開階段，水下濕端先探測水體深度，并將深度數值用一個八位二進制數發送到水上接收端，進而判定水底深度。工作魚情信息，包括魚多少，魚大小，魚深度，對岸上操作的回饋，分別存入一個八位二進制數，共32位，然后以數據包的形式發送到岸上接收端。岸上接收端發送控制命令，控制水下濕端開始工作，實時傳輸水下信息。開始按照時間間隔的大小將魚的多少分成1/2/3/more，四個檔位，將存儲的時間間隔與之比較，確定魚的魚的數量YESNO根據所對應的時間段內的最大電壓，判斷魚的，三個檔位（大/中/小）將第2n-1個時間點到初始時刻的時間間隔按照公式

39、，計算出魚的位置是否所有時間段比較完成是否所有時間段比較完成NOYES是否所有時間段比較完成NOYES結束計數存儲的采樣數據中的最大值；計算第2n-1與2n兩個時刻的時間間隔，和第2n-1哥時刻與脈沖發出時刻的時間間隔，并將這些結果分別存儲本次采樣超過門限，上一次沒有超過；或者本次采樣沒有超過門限，上次采樣超過YES記錄本次采樣時刻，和對應數據的編號將采樣結果存儲在數組A中AD轉換打開采樣中斷采樣是否完成結束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線模塊的程序。無線程序部分與水下部分大致相同，下面主要說明接收器程序。 接收器

40、主要負責對水下部分發射指令和接收水下部分傳遞來的數據。程序流程圖如下：開始系統初始化向水下部分發射指令經過無限模塊發射到水下結束水上部分程序流程圖(圖23)無線模塊接收水下部分的數據交給MSP430處理顯示部分進行結果顯示結束6系統創新（總結系統的創新之處）超聲波魚探儀是一種廣泛應用于捕魚業的聲納探魚設備，但因其體積大，價格高難以在一般人群中普及。本系統為釣魚愛好者而設計，體積小，價格低，兼具探魚和測深功能，并且配備有無線模塊，方便使用。具體的創新點如下：（1）采用的MSP430單片機控制，1M頻率，2.2V電壓下電流消耗僅為280uA，具有低功耗的優點。（2）適應不同水域的魚群，擴大了使用范

41、圍，定位更加準確，可以實現單探頭測深、探魚雙功能。（3）現在市場上相類似的產品的分辨距離為70cm,本設計將其提升到37.5cm。（4）具有測深和探魚功能，而且能夠判斷魚體大小，魚數量多少，魚的深度等信息。（5）整體外觀設計小巧靈便，并就有無線遙控功能，方便釣魚者的使用。（6）與傳統產品相比成本低廉，更符合廣大釣魚愛好者的需求。7評測與結論系統的測試方法如下：搭建一個深的水池，制作兩條與實際魚相似的模型長度分別為和。首先，不放入模型，用助釣器對池底深度進行探測，探測結果通過接收設備觀測。然后，將兩個模型固定在水池中，再用助釣器進行探測，再接收設備觀察結果。改變兩條魚的深度再進行探測，如果探測結

42、果與時間相符，則設計能夠滿足預期預期要求。本參賽報告主要基于TI公司數字與模擬器件設計一個多功能電子助釣器，目前正在進行緊張的硬件和軟件的調試工作，相信經過全體隊員的齊心努力，設計任務一定會圓滿完成。8參考文獻：1 伭煒.便攜式淺水多波束測深系統及其模擬電路設計.哈爾濱工程大學碩士學位論文,20062 陳嵩銳.便攜式多波束測深儀多通道數據采集與處理系統.哈爾濱工程大學碩士學位論文,20053 劉伯勝,雷家煜編.水聲學原理.哈爾濱船舶工程學院出版社,19934 惠俊英.水下聲信道.國防工業出版社.19925 田坦,劉國枝,孫大軍編著.聲吶技術.哈爾濱工程大學出版社.19996 李清泉,黃昌寧.集成運算放大器原理與應用.北京科學出版，19807 童詩白,