系統概述
本設計方案基于TI 公司 MSP430 系列超低功耗單片機與 Nordic Semiconductor 生產的 nRF905 低功耗無線收發模塊，旨在實現塔吊的遠程無線遙控，具備可靠的長距離通信、實時的狀態反饋以及優異的抗干擾能力。本系統分為兩大部分：遙控手持終端與塔吊載荷終端。遙控手持終端負責發送控制指令、顯示設備狀態、并通過按鍵或旋鈕實現操作；塔吊載荷終端接收指令后驅動舵機、電機，并通過無線模塊將載荷高度、傾角、工作電流等狀態實時回傳，確保操作者隨時掌握關鍵參數。

硬件設計——主控單元
MSP430F149（封裝：LQFP64）
MSP430F149 內核主頻最高可達25MHz，片內集成有 2KB RAM、60KB Flash，具有豐富的定時器、UART、SPI、I2C 等外設接口，且功耗極低（待機電流僅 1μA）。

• 器件作用：作為整個系統的主控核心，負責指令解析、狀態采集、無線通信控制、功耗管理等；

• 選擇理由：MSP430F149 具備出色的低功耗特性，適合長時間現場供電需求；豐富的外設接口可靈活擴展多種傳感器；成熟的開發環境（Code Composer Studio）與豐富的用戶案例有助于縮短開發周期；

• 功能：提供系統時鐘及重置管理，驅動按鍵掃描、舵機控制、ADC 采樣、OLED 顯示更新，以及通過 SPI 驅動 nRF905 無線模塊。

硬件設計——無線通信模塊
nRF905 射頻收發模塊（433MHz）
nRF905 支持 100kbps（最高 50kbps/100kbps/250kbps）多種數據速率，內置 50kHz 帶寬濾波器、20dBm 發射功率，可實現最大 1000m 空曠地帶傳輸；

• 器件作用：實現手持終端與塔吊終端間的雙向無線數據鏈路，傳輸控制指令與狀態反饋；

• 選擇理由：工作頻段 433MHz 抗穿透能力強，適合鋼筋混凝土環境；內置多信道支持可避讓同頻干擾；SPI 接口與 MSP430 易于對接；

• 功能：發送 8 字節控制幀，包括升降/回轉/變幅命令；接收 16 字節狀態幀，包括高度、傾角、電壓、電流等。

硬件設計——電源管理
TPS61020 DC-DC 升壓模塊
輸入電壓范圍寬（0.3V–5.5V），可將單節鋰電池（3.7V）升至 5V 或更高，為無線模塊與舵機提供穩定電源；

• 器件作用：保證系統在電量不足時仍能維持穩定工作；

• 選擇理由：高效率（最高 96%）、支持瞬間 1.2A 峰值輸出，適用于功率波動較大的舵機驅動；封裝小巧，便于板上布局；

• 功能：自動切換升壓模式與旁路模式，降低待機能耗。

AMS1117-3.3 線性穩壓器

• 器件作用：為 MSP430F149、nRF905 及 OLED 等器件提供 3.3V 穩定電源；

• 選擇理由：低噪聲、輸出穩定、成本低；

• 功能：對輸入電壓進行濾波與穩壓，保護核心器件免受電壓波動影響。

硬件設計——人機交互界面
0.96 英寸 OLED 顯示屏（分辨率：128×64）

• 器件作用：實時顯示遙控器電量、信號強度、載荷高度、傾角等關鍵數據；

• 選擇理由：對比 LCD，OLED 對比度高、可視角度大、待機功耗低；與 MSP430 的 SPI 接口兼容；

• 功能：顯示圖形化界面與文字，支持自定義字體，按照操作需求高刷新。

旋轉編碼器 + 矩陣按鍵

• 器件作用：旋鈕實現精細調節載荷位置，矩陣按鍵提供模式切換、急停等操作；

• 選擇理由：旋轉編碼器定位準確，響應靈敏；矩陣按鍵抗干擾能力強，壽命高；

• 功能：通過 MSP430 定時器捕獲旋轉脈沖，實現脈沖計數；通過 IO 掃描實現按鍵識別。

蜂鳴器 & LED 指示燈

• 器件作用：提供操作反饋與報警提示；

• 選擇理由：有源蜂鳴器驅動簡單；LED 發光強，功耗低；

• 功能：蜂鳴器用于按鍵確認、緊急報警；LED 指示無線連接狀態、電池電量警告。

塔吊端執行單元
舵機驅動：DRV8833 雙路直流電機驅動芯片

• 器件作用：驅動塔吊回轉、變幅與升降電機；

• 選擇理由：集成 H 橋、過流保護、欠壓鎖定；支持±1.5A 連續電流，峰值3A；

• 功能：接受 PWM 信號驅動電機速度與方向；通過 MOSFET 實現高效驅動。

傾角傳感器：ADIS16209 MEMS 傾角傳感器

• 器件作用：測量塔吊臂傾斜角度；

• 選擇理由：高精度（±0.1°）、低漂移；SPI 接口簡潔；

• 功能：實時測量并傳回主控 MCU，通過無線模塊反饋給遙控終端。

高度測量：超聲波測距模塊 HC-SR04

• 器件作用：檢測載荷吊鉤與地面或預定高度的距離；

• 選擇理由：成本低、測距遠（2cm–450cm）、精度可達 3mm；

• 功能：MCU 觸發超聲波并測量回波時間，計算高度。

電壓電流檢測：INA219 高精度電流/電壓監測芯片

• 器件作用：監控驅動電源電壓與電機電流；

• 選擇理由：分辨率高（16-bit ADC）、I2C 接口；內置過流報警功能；

• 功能：定時采樣，并在異常時通過無線報警。

軟件設計
系統采用 TI 提供的 CCE（Code Composer Essentials）進行開發，代碼結構分層清晰：

1. 驅動層：封裝 MSP430 外設（GPIO、SPI、UART、ADC、Timer）；

2. 協議層：實現自定義的無線通信幀格式，包括幀頭、命令碼、數據區及 CRC 校驗；

3. 應用層：實現按鍵掃描、OLED 更新、控制算法、狀態采集與報警邏輯。

無線通信協議：

• 幀格式：1B 幀頭 + 1B 幀類型 + N×1B 數據 + 2B CRC；

• 重發機制：發送后 50ms 超時重發，最多 3 次；

• 鏈路檢測：定時發送心跳幀，若連續 5 次無響應則斷線報警。

功耗管理策略：

• 在待機狀態下，關閉無關外設，進入 LPM3 模式；

• 按鍵/旋鈕操作時喚醒，并在 5s 無操作后自動回到待機；

• OLED 屏幕可根據亮度環境自動調節對比度并定時息屏。

安全與可靠性

• 全橋過流保護：DRV8833 內置；

• 電源過壓/欠壓檢測：INA219 上報并切換至安全模式；

• 急停功能：專用按鍵觸發后立即切斷驅動電路并發送緊急停機幀；

• 抗干擾設計：RF 模塊外部加裝 10nF 陶瓷與 4.7μH 鐵氧體，高頻地線單點接地；

• 軟件 Watchdog：啟用 MSP430 Watchdog Timer，定時喂狗，避免死機。

小結
本方案緊緊圍繞“低功耗、高可靠、遠距離抗干擾”三大設計原則，選用 MSP430F149、nRF905、DRV8833、ADIS16209 等型號優良器件；通過分層的軟件架構與完善的通信協議，實現塔吊無線遙控的高效、安全與穩定。未來可擴展 GPS 模塊、環境監測傳感器等，以滿足更復雜的施工現場需求。