基于ZigBee技术的无线压力传感器设计.doc

编号 字 号 本科生毕业设计 题目 姓名 学号 班级 二 一四年六月 基于 ZigBee 技术的无线压力传感器设计 2 43 中 国 矿 业 大 学 本科生毕业设计 姓 名 学 号 学 院 信息与电气工程学院信息与电气工程学院 专 业 信息工程信息工程 设计题目 基于基于 ZigBeeZigBee 技术的无线压力传感器设计技术的无线压力传感器设计 指导教师 职 称 二二 一四年一四年 六月六月 徐州徐州 3 43 中国矿业大学毕业设计任务书 学院 信电学院 专业年级 2010 学生姓名 任任务务下下达达日日期期 2013 年年 12 月月 30 日日 毕业设计日期 毕业设计日期 2013 年年 12 月月 30 日至日至 2014 年年 6 月月 10 日日 毕业设计题目 毕业设计题目 基于 ZigBee 技术的无线压力传感器设计 毕业设计专题题目 毕业设计专题题目 毕业设计主要内容和要求 毕业设计主要内容和要求 1 了解 CC2530 单片机基本原理 软件设计方法及相关理论知识 2 对无线压力检测系统项目进行可行性论证 3 掌握汇编语言 C 语言编程方法 编写下位机程序 4 使用 protel 软件 并进行硬件电路设计 5 编写上位机数据处理程序 6 根据所完成任务 撰写毕业设计论文 7 翻译一篇与本课题相关的英文文献 字数不少于 3000 字 院长签字 指导教师签字 年 月 日 4 43 中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书 指导教师评语 基础理论及基本技能的掌握 独立解决实际问题的能力 研究内容的理论依据和技术方法 取得的主要成果及创新点 工作态度 及工作量 总体评价及建议成绩 存在问题 是否同意答辩等 成 绩 指导教师签字 年 月 日 5 43 中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书 评阅教师评语 选题的意义 基础理论及基本技能的掌握 综合运用 所学知识解决实际问题的能力 工作量的大小 取得的主要成果及创新点 写作的规范程度 总体评价及建议成绩 存在问题 是否同意答辩等 成 绩 评阅教师签字 年 月 日 6 43 中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩 答 辩 情 况 回 答 问 题 提 出 问 题 正 确 基本 正确 有一 般性 错误 有原 则性 错误 没有 回答 答辩委员会评语及建议成绩 答辩委员会主任签字 年 月 日 学院领导小组综合评定成绩 学院领导小组负责人 年 月 日 7 43 摘摘 要要 ZigBee 是一种低速率 低功耗的无线通信技术 该技术广泛应用于无线传 感器网络 WSN 中 压力是工业生产过程中的重要参数之一 压力的检测或 控制是保证生产和设备安全运行的必不可少的条件 无线传输可以使系统摆脱 传输电缆的困扰 实现无线压力检测系统对工业过程的控制具有非常重要的意 义 本设计主要通过 CC2530 及专用芯片组成的传感器节点 对压力传感器所 测得的模拟信号进行处理 通过 Z Stark 协议栈传送至计算机上 通过计算机程 序准确快捷 方便高效地对其进行实时采集和储存 并实时显示在程序上 以 CC2530 的核心处理器的硬件设计与串口通信处理程序的软件设计相结合 采用 IAR Embedded Workbench 开发工具进行程序开发 通过 CC2530 多功能仿真器 进行嵌入式的编译与移植来处理压力传感器所采集的信息 再通过 VS2010 进 行口通信处理程序软件的设计 用 C 窗体设计串口通信处理程序 关键词 关键词 压力传感器 CC2530 C 串口通信 ZigBee 数据采集 8 43 Abstract ZigBee is a low rate low power wireless communication technology that is widely used in wireless sensor networks WSN Pressure is an important parameter in the process of industrial production detection or control pressure is essential production conditions and ensure safe operation of equipment Wireless transmission allows the system to get rid of troubled transmission cable wireless pressure monitoring system has a very important significance for control of industrial processes This design of sensor nodes by dedicated chips and CC2530 and the analog signal measured by the pressure sensor is processed the contact pressure on the measured pressure values to a computer by a computer program fast and accurate convenient and efficient way to Its real time capture and storage and real time display on the program Emphasis in software design CC2530 core processor hardware design and serial communication handler combined Using IAR Embedded Workbench development tools for program development Embedded compiler and porting to deal with the pressure sensor information collected through the CC2530 multi function emulator Then port communication software design process through VS2010 C form design using serial communication process Keywords pressure sensors CC2530 C serial communication ZigBee 9 43 目 录 第一章第一章 绪绪 论论 1 1 1 前言 1 1 2 无线传感器网络的应用 1 1 3 国内外研究现状 2 1 4 论文的主要内容及结构安排 2 第二章第二章 ZIGBEE 技术简介技术简介 4 2 1 ZIGBEE简介 4 2 2 ZIGBEE的技术规范 4 2 2 1 IEEE 802 15 4 标准 4 2 2 2 ZigBee 网络协议的规范及特点 5 2 2 3 无线网络数据传输协议对比 5 2 3 ZIGBEE的网络拓扑模型 6 2 4 ZIGBEE的应用范围 7 第三章第三章 系统分析与概要设计系统分析与概要设计 8 3 1 系统可行性分析 8 3 1 1 技术可行性分析 8 3 1 2 经济可行性分析 8 3 1 3 系统需求分析 8 3 2 系统架构设计 8 第四章第四章 基于基于 CC2530 的硬件平台设计的硬件平台设计 11 4 1 压力传感器的设计 11 4 1 1 压力传感器的选择 11 4 1 2 压阻式压力传感器结构与原理 11 4 1 3 电阻应变片的测量电路 13 4 1 4 温度补偿 15 4 2 信号放大电路 16 4 2 1 放大器的选择 16 4 2 2 三运放放大电路 16 4 3 主控制器 17 4 4 天线发送部分与晶振时钟电路 18 4 5 串行接口与串口通信 19 4 6 PL2303 芯片介绍 20 10 43 4 7 电源模块设计 21 第五章第五章 通信系统及上位机软件设计通信系统及上位机软件设计 22 5 1 开发环境简介 22 5 2 下位机程序框图及核心代码 23 5 2 1 Z Stack 体系架构及工作流程 23 5 2 2 压力测量程序流程图 23 5 3 上位机程序框图及运行结果 25 5 3 1 初始界面及串口初始化 26 5 3 2 通过串口接收数据 27 5 3 3 数据存储及计数清零 27 第六章第六章 总结与展望总结与展望 29 参考文献参考文献 30 翻译原文翻译原文 31 中文译文中文译文 40 致致 谢谢 47 1 43 第一章 绪 论 1 1 前言 随着嵌入式技术的发展 基于它的智能传感器检测系统在人们日常生活中得到了越来越 普遍的应用 同时在工业控制中也扮演着一个不可或缺的角色 但随着工作中的要求越来越 高 单一的传感器已经不能满足人们工作的需求 传感器网络便应运而生 而进一步为了摆 脱电缆 数据传输线的束缚 无线传感器网络便成为了当今最为火热的研究方向之一 如今对工业控制自动化程度的要求越来越高 传统工业系统中监测点和控制点的安装都 是采用有线连接方式 而有线方式会受到布线 供电 安装场所和维修等的限制 造成安装 和维护的困难 将无线传感器网络 WSN 技术广泛应用于各种工业控制中 可以很好的解决 这些问题 并具有诸多优势 合理的运用这种技术将大力推动工业的发展 传感器网络实现了数据的采集 处理和传输三种功能 它与通信技术和计算机技术共 同构成信息技术的三大支柱 而无线传感器网络 Wireless Sensor Network WSN 则是指由 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 并发送给观察者 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 压力测量对实时监测和安全生产具有重要的意义 在工业生产中 为了高效 安全生产 必须有效控制生产过程中的诸如压力 流量 温度等主要参数 由于压力控制在生产过程中 起着决定性的安全作用 因此有必要准确测量压力 2 如今压力参数的检测 报警与控制 已深入到国民经济和人们生活的各个领域 目前工业过程控制领域中应用力学量传感器最多 的是压力传感器 压力传感器是工业过程控制领域中的关键组成部分 也是本课题所研究的 压力检测系统中的重要组成部分 由各种压力敏感元件将被测压力信号转换成容易测量的电 信号做输出 给显示仪表显示压力值 或供控制和报警使用 所以本文以测量压力为代表 研究并设计了基于 CC2530 的传感器网络来进行数据的检测 传输与处理 1 2 无线传感器网络的应用 无线传感器网络的兴起和发展 使它逐渐应用在各个领域 刚开始由于无线传感器网络 的价格比较昂贵 只应用到军事项目中 随着科技的发展和传感器的成本降低 无线传感器 网络逐渐应用到其他项目中 它的常见应用如下所述 军事领域 军事领域的应用需求是无线传感器网络产生和发展的推动力 利用一些飞行器将或导弹 发射等方式 可以将传感器布散在敌军阵地 通过无线传感器采集周围的环境信息并通过卫 星把信息传回基地 通过分析传达的信息可以判断敌方的军事行动 智能农业 农民种植庄稼时需要各种信息 首先把大量传感器节点分布到需要监控的区域 通过各 2 43 种传感器采集环境信息 以帮助农民及时发现问题和解决问题 这样使用智能化的远程控制 设备可以提高农业的生产效率 医疗健康 医生将特定用途的传感器安装在病人的身上 例如 血压 心率 监控设备 利用传感 器网络 以及时了解监护病人的病情并进行处理 从而保障病人的命安全 智能家居 人们可以将传感器布置到各个房问 获取每个房问的温度 并通过无线传感器网络控制 平衡的居室温度 当屋内的燃气泄漏时或者屋内烟雾浓度过高时 传感器向窗户驱动器发出 信号 使窗户自动打开 无线传感器网络给人们提供了更加舒适和智能的家居环境 1 3 国内外研究现状 无线传感器网络研究开始于 20 世纪 90 年代 在国防安全 反恐抗灾 环境监控 医疗 卫生 交通管理 工业控制等方而有着巨大的应用前景下 国际上 许多著名高校和大公司 纷纷加入无线传感器技术的研究之中 这也加快了无线传感器网络的发展 1978 年 在卡耐基 梅隆大学 DARPA Department of Advanced Research Project Agency 成立了分布式传感器网络工作组 它的主要工作就是研究传感器网络中的通信来满 足军方对侦查系统的需求 此后 DARPA 又联合美国国家自然科学基金设立了多项有关无 线传感器网络的研究项目 由此拉开了无线传感器网络研究的序幕 其他发达国家和许多大 公司也相继启动了关于无线传感器网络的研究 其中代表性的研究包括以下两种 1996 年的 WINS 计划 由 DARPT 资助 加州洛杉矶分校和罗克韦尔研究中心合作展 开 WINS 计划 其研究的目标是结合 MEMS 技术 信号处理技术 嵌入式计算和无线通信 技术 构成大规模 复杂的集成传感器系统 实现物理世界与网络世界的链接 2003 年 因特尔公司伯克利研究实验室和加州大学伯克利分校合作 将安有 D 型电 池的第二代传感器网络 设在缅因州大鸭岛上 实现对敏感野生动物及其栖息地的环境监测 在国内 无线传感器网络的研究也被十分重视 2006 年发布的 国家中长期科学和技 术发展纲要 确定了信息技术发展的三个前沿方向 其中的智能感知网络和自组织网络就与 无线传感器网络有关 近年来我国许多高校也对无线传感器网络进行了研究 它们都在无线 传感器网络的研究上都取得了一定的成果 无线传感器网络作为新一代网络 它发挥着关键 性的作用 不仅推动着科技的发展和社会的进歩 而且已经成为国际竞争的焦点和制高点 目前无线传感器网络还处在发展阶段 我国的理论研究和工程实践都和国外还存在着一定的 差距 理论成果难以应用到实际工程中 实现的成本和可靠性还不能满足实际需求 所以无 线传感器网络在实际工程中的应用还有待进一步研究 1 4 论文的主要内容及结构安排 本论文主要研究 基于 ZigBee 技术的无线压力传感器设计 包括节点的硬件设计 无 线传感器网络的组建 对压力数据的测量与处理 本文共分为六章 第一章为绪论 阐述了 ZigBee 无线传感技术和压力监测系统的研究背景及意义 第二章简单介绍了 ZigBee 技术概况 3 43 第三章对整个无线压力传感器系统进行系统分析与概要设计 第四章主要阐述了如何进行基于 CC2530 芯片传感器节点的硬件设计 第五章对设计采用的软件开发环境进行简单介绍 介绍 Z Stack 协议栈工作流程 编写 数据检测部分程序和上位机软件程序 第六章为总结与展望 对整个设计进行回顾和总结 并提出进一步展望 4 43 第二章 ZigBee 技术简介 2 1 ZigBee 简介 近年来 随着无线接入技术的日益发展 无线通信和无线网络均呈现出爆炸增加的趋势 这有力的地推动无线通信向着高速通信方向的发展 工业 农业 车载电子系统 智能家居 网络 和医用传感器等都是无线通信的重要领域 3 此外 物联网 The Internet of things 也是 ZigBee 应用的主要战场 物联网利用局部网络或互联网等通信技术把传感器 计算机 人员等节点联在一起 完成人与物 物与物的相互连接 实现信息化 智能化的网络 而这 些领域对数据吞吐量的要求很低 但对功率消耗的要求比现有标准更高 4 为了促进简单方便 随意使用的无线装置的大力发展 需要在的个人活动空间内布置大 量密集的无线接入点 因此价格是否低廉将显得尤为重要 为了降低元器件价格 便于批量 生产 一个标准的解决方案是非常必要的 这个方案需要考虑的核心问题是低功耗和低成本 这也决定了其为低带宽低速率的数据传输方式 ZigBee 标准就是专为低数据速率 短距离无线网络通信设立的一系列通信协议标准 基于 ZigBee 工作的无线设备工作在固定的频段 分别是 2 4GHz 868MHz 欧洲 和 915MHz 美国 其最大数据传输速率是 250Kbps ZigBee 主要应用在一些以电池为电源的场景中 对功耗的有较高的要求 因此在一些 应用中 无线设备并不是持续开启的 大部分时间都是处于等待唤醒的休眠模式 因此 ZigBee 设备常常能够工作数年而不用更换电池 2 2 ZigBee 的技术规范 2 2 12 2 1 IEEEIEEE 802 15 4802 15 4 标准标准 近年来 随着通信技术的迅速发展 人们意识到了在附近几米范围内短距离通信的需求 个人区域网络 personal area network PAN 和无线个人区域网络 wireless personal area network WPAN 的概念就随之出现 5 WPAN 网络指的是在短距离小范围内建立设备之间 的无线连接 使之可以互相通信甚至接入互联网 1998 年 3 月成立的 IEEE 802 15 工作组 致力于 WPAN 网络的物理层 PHY 和媒体访问层 MAC 的标准化工作 目标是为了在 短距离范围内相互通信的无线通信设备提供通信标准 IEEE 802 15 工作组内有四个任务组来制定在传输速率 功耗和支持的服务等方面都存 在差异的不同标准使其应用在不同的场合 第一任务组即制定 IEEE 802 15 1 标准 也就是 人们熟知的蓝牙 Bluetooth 技术 其全称为蓝牙无线个人区域网络标准 是一个通常用于 手机 无线耳机等移动设备的中等速率 短距离的 WPAN 网络标准 第四任务组所制定的 就是 IEEE 802 15 4 标准 该标准把低能量消耗 低速率传输 低成本作为首要目标 旨在 为个人或者家庭等小范围内不同设备之间的低速互连提供统一完善的标准 即低速无线个人 区域网络 low rate wireless personal area network LR WPAN LR WPAN 的技术要求与传 5 43 感器网络有很多共通之处 所以很多研究机构都把 IEEE 802 15 4 作为传感器的通信标准 2 2 22 2 2 ZigBeeZigBee 网络协议的规范及特点网络协议的规范及特点 ZigBee 采用 IEEE 802 15 4 标准作为其物理层 PHY 和媒体访问层 MAC 协议 即 遵循 ZigBee 的设备也同样遵循 IEEE 802 15 4 标准 但由于 IEEE 802 15 4 标准只定义了物 理层协 MAC 层协议 2011 年 8 月由美国 HONEYWELL 等公司发起并成立了 ZigBee 联盟 并对其网络层协议和 API 进行标准化 新开发了安全层 经过 ZigBee 联盟对 IEEE 802 15 4 标准的改进后才真正的形成了真正意义上的 ZigBee 协议栈 ZigBee 技术的超低数据传输速率意味着它并不适应全部场景的应用 例如连接无线互 联网或者 CD 音质的无线耳机 Zigbee 都无能为力 因为这些应用的数据传输速率都需要达 到 1Mbps 以上 但是如果无线通信的目的仅仅只是发送或接收简单的信息或控制命令 如 从传感器收集信息 温度 湿度 压力传感器等 或传送对某些芯片的控制信息 那么 ZigBee 将会提供比蓝牙和 IEEE 802 11b 更有性价比 更为高效的解决方案 ZigBee 技术具有数据传输速率低的特点 只有 10KB 秒 250KB 秒 专注于低传输速率 应用 由于数据传输速率低 协议简单 使得 ZigBee 同时具备了功耗小 成本低 网络容 量大的特点 一个 ZigBee 网络最多可容纳 65 000 个设备 同时也兼顾了安全性和工作频段 灵活的特点 ZigBee 提供了数据完整性检查和鉴权功能 采用 AES 128 加密算法 ZigBee 使用频段为 2 4GHz 868MHz 欧洲 和 915MHz 美国 均为免执照 免费 的频段 2 2 32 2 3 无线网络数据传输协议对比无线网络数据传输协议对比 如今 无线通信技术在信息通信领域得到了快速发展 它使随时随地地接入网络获取信 息变成了可能 使通信摆脱了物理连接上的束缚 目前无线通信按照通信距离范围可以划分 成广域和局域两种 广域的通常指我们手机使用的移动通信网 目前已经由第三代发展到了 LTE 技术 正在向第四代过度 而局域是指短距离小范围的无线通信 其技术标准比较多 其中应用最为广泛分别是无 线宽带 Wi Fi 蓝牙 Bluetooth 和 ZigBee 技术三种 Wi Fi Wireless Fidelity 即无线保真技术 这种技术基于 IEEE802 11a IEEE802 11b IEEE802 11g 和 IEEE802 11n 使用 2 4GHz 附近的频段 它的 特点是传输距离长 速率快可以达到数百兆 蓝牙 Bluetooth 是由爱立信 IBM Intel 和诺基亚等公司于 1998 年提出的一种近距 离无线数据通讯技术标准 能在 10 米的半径范围内实现单点对多点的无线数据传输 传输 带宽最高可达 1Mbps 使用在 2 402GHz 到 2 480GHz 之间的频段 表 2 1 各种无线网络数据传输协议对比 市场名 标准 GPRS GSM 1xRTT CDMA Wi FiTM 802 11b BluetoothTM 802 15 1 ZigBeeTM 802 15 4 应用重点广阔范围 声音基底 覆盖层起定位和保护电阻丝的作用 并保证电阻丝和被测试 件之间绝缘 引出线用以连接测量导线以便后续操作 图 4 1 电阻应变片的基本结构 电阻应变片的阻值可以根据不同的用途来设计 但应该控制电阻阻值的取值范围 如果 引线 覆盖层 基底 敏感器 12 43 所取电阻阻值太小 需要的驱动电流就太大 与此同时应变片的发热会导致自身的温度过高 在不同的环境中使用 应变片的阻值会有很大变化 输出时的零点漂移明显 使得调零电路 过于复杂 而电阻太大 阻抗太高 抵抗外界的电磁干扰能力就会随之变差 所以一般应变 片的阻值都取为几十欧至几十千欧 如图 4 2 所示 一段圆截面的金属丝导线 设其长为 L 截面积为 A 直径为 D 原始电 阻为 R 金属导体的电阻值可用下式表示 R L A 4 1 式中 金属导体的电阻率 cm2 m A 导体的截面积 cm2 L 导体的长度 m 图 4 2 金属电阻丝应变效应 当金属丝受到轴向力 F 而被拉伸或压缩产生形变 其电阻值会随之变化 通过对 4 1 式 两边取对数后再取全微分得 4 2 d A dA R dR L dL 式中为材料轴向线应变 且 跟据材料力学 在金属丝单向受力状态下 L dL D dD A dA 2 有 4 3 L dL D dD 式中 为导体材料的泊松比 因此 有 4 4 d L dLd 21 试验发现 金属材料电阻率的相对变化与其体的相对变化间的关系为 4 5 V dV c d 式中 c 为常数 由特定的材料和加工方式决定 21 A dA L dL V dV 将式 4 5 代入 4 4 且当 R R 时 可得 13 43 4 6 Kc R R 21 21 式中 k 1 2 c 1 2 为金属丝材料的应变灵敏系数 上式表明 金属材料电阻的相对变化与其线应变成正比 这就是金属材料的应变电阻效 应 当金属丝受外力作用时 其长度和截面积都会发生变化 从 4 1 式中可很容易看出 其电阻值即会发生改变 假如金属丝受外力作用而伸长时 其长度增加 而截面积减少 电 阻值便会增大 当金属丝受外力作用而压缩时 长度减小而截面增加 电阻值则会减小 只 要测出加在电阻的变化 通常是测量电阻两端的电压 即可获得应变金属丝的应变情况 4 1 34 1 3 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路 在使用应变片测量被测件压力变化时 最为重要的步骤就是采取适当的方法对其电阻值 的微小变化进行测量 在实践中 一般采取的方法是把应变片接入某种特殊电路 让其电阻 值的变化控制这个特殊电路的某些输出 通常为电压或电流 然后对这个电信号进行相应 的处理即可 因为这个电路输出的信号能完全反应出电阻值的变化 图 4 3 测量电桥电路 惠斯通电桥就是一种非常常用的可以精确测量电阻变化的电路 它是以应变片作为其部 分桥臂或全部桥臂的四臂电桥 它能把应变片电阻值的微小变化转化成输出电压的变化 典 型结构如图 4 3 所示 从前面的讨论可知 应变片的作用是将构件表面的压力应变转变为电阻的变化 其关系 式为 一般 R 120 K 2 0 2 4 若取 K 2 0 10 6 10 3 则 R KR 0 0024 0 24 显然 R 太小了 这非常不便于测量 为了达到所需目的 首先要将电阻应变片的电阻 变化转换成电压 电流 信号的变化 之后再将该信号放大送入处理器进行数据处理 电桥的输出电压 设电桥中四个桥臂的电阻阻值分别为 R1 R2 R3 R4 这其中任意一个电阻都可以由 电阻应变片担任 AC 两端作为直流电源输入端 用 UAC表示 从 ABC 半个桥看 流经 R1的电流 14 43 4 7 1 1 2 R1两端压降 4 8 1 1 1 1 2 R3两端压降 4 9 3 3 3 3 4 电桥输出电压 4 10 1 4 2 3 1 2 3 4 由上式可知 当时 电桥输出电压 此时称该电桥处于平衡状态 设 1 4 2 3 0 处于平衡状态的电桥在受到形变后 各桥臂的电阻增量分别为 R1 R2 R3 R4 则此时电桥的输出电压为 4 11 1 1 4 4 2 2 3 3 1 1 2 2 3 3 4 4 若将平衡条件带入上式 并考虑 略去高阶微量 则电桥的输出电 1 4 2 3 压为 4 12 1 2 1 2 2 1 1 2 2 3 3 4 4 若四个桥臂都为电阻应变片 且每个应变片的灵敏度 K 值均相同 代入公式 4 6 则整个电桥的输出电压为 15 43 4 13 0 4 1 2 3 4 电桥的平衡 图 4 4 设置预调平衡电路 测量前 必须先使电桥处于平衡状态 即电桥无输出 但由于应变片电阻值总有偏差 另外由于接触电阻 导线电阻等的存在 往往电桥不能平衡 因此需设置预调平衡电路 为 此在电桥中增加电阻和电位器 如图 4 4 所示 5 6 电桥的连接方法 半桥接线法 在测量电桥的桥臂 AB BC 上连接应变片 另外两桥臂 AD CD 上连接应变仪内部固 定电阻 R 则称半桥接线法 由于下半个桥接的固定电阻不感受应变 由公式可得应变仪的 读数应变为 4 14 1 2 实际测量时 可分为两种情况 a 半桥测量 电桥的 AB BC 桥臂连接应变片 b 半臂测量 电桥的 AB BC 桥臂 任一桥臂上接工作应变片 而另一桥臂接温度补偿 片 全桥接线法 在测量电桥的四个桥臂上都接上应变片 对于等臂电桥 此时应变仪的读数应由公式 4 13 可得出 4 15 1 2 3 4 实际测量时 可分两种情况 a 全桥测量 四个桥臂上都接工作应变片 b 相对两臂测量 电桥相对两臂接工作应变片 另相对两臂接温度补偿片 4 1 44 1 4 温度补偿温度补偿 由于温度的变化 压力传感器经常会发生零点漂移 造成测量上的误差 这时就需进行 温度补偿 常用的温度补偿方法有两种 补偿块补偿法与工作片补偿法 补偿块补偿法 16 43 图 4 5 设置温度补偿方式 如图 4 5 所示 在被测基体上粘贴应变片作为工作片 连接至 AB 桥臂上 在补偿块 1 上粘贴应变片作为补偿片 连接至 BC 桥臂上 AD 和 CD 桥臂接固定电阻组成等臂电桥 2 当 R1 R2 阻值因温度的变化是相同的 利用桥路特性即消除影响 工作片补偿法 在被测件上粘贴多个相同的工作应变片后将它们接入电桥中 这样当被测件受到压力作 用形变时 每个应变片都受到外力和温度共同作用引起的形变 根据桥路基本特性可消除 减 少温度的影响 4 2 信号放大电路 4 2 14 2 1 放大器的选择放大器的选择 被测的非电量经传感器得到的电信号幅度很小 无法进行 A D 转换 必须对这些模拟 电信号进行放大处理 为使电路简单便于调试 本设计采用三运算放大器电路 因为在具有 较大共模电压的条件下 仪表放大器能够对很微弱的差分电压信号进行放大 并且具有很高 的输入阻抗 这些特性使其受到众多应用的欢迎 广泛用于测量压力和温度的应变仪电桥接 口 热电耦温度检测和各种低边 高边电流检测 4 2 24 2 2 三运放放大电路三运放放大电路 本次设计的放大器采用了三运放放大电路 因为它具有高共模抑制比的特点 输出级 17 43 图 4 6 三运放放大电路 它由三个集成运算放大器组成 如图 4 6 所示 其中 A1 和 A2 为两个性能一致 主要指 输入阻抗 共模抑制比和增益 的同相输入通用集成运算放大器 构成平衡对称差动放大输 入级 A3 构成双端输入单端输出的输出级 用来进一步抑制 A1 和 A2 的共模信号 并适应 接地负载的需要 由于每个放大器求和点的电压等于施加在各自正输入端的电压 因此 整 个差分输入电压现在都呈现在 RG 两端 因为输入电压经过放大后 在 A1 和 A2 的输出端 的差分电压呈现在 R5 RG 和 R6 这三只电阻上 所以差分增益可以通过仅改变 RG 进行调 整 这种连接有另外一个优点 一旦这个减法器电路的增益用比率匹配的电阻器设定后 在 改变增益时不再对电阻匹配有任何要求 如果 R5 R6 R1 R3 和 R2 R4 则 VOUT VIN2 VIN1 1 2R5 RG R2 R1 由于 RG 两端的电压等于 VIN 所以流过 RG 的电流等于 VIN RG 因此输入信号将通 过 A1 和 A2 获得增益并得到放大 然而须注意的是对加到放大器输入端的共模电压在 RG 两端具有相同的电位 从而不会在 RG 上产生电流 由于没有电流流过 RG 也就无电流流 过 R5 和 R6 放大器 A1 和 A2 将作为单位增益跟随器而工作 因此 共模信号将以单位 增益通过输入缓冲器 而差分电压将按 1 2 RF RG 的增益系数被放大 这也就意味 着该电路的共模抑制比相比与原来的差分电路增大了 1 2 RF RG 倍 在理论上表明 得到所要求的前端增益 由 RG 来决定 而不增加共模增益和误差 即差分信号将按增益 成比例增加 而共模误差则不然 所以比率 增益 差分输入电压 共模误差电压 将 增大 因此 CMR 理论上直接与增益成比例增加 这是一个非常有用的特性 最后 由于结 构上的对称性 输入放大器的共模误差 如果它们跟踪 将被输出级的减法器消除 这包括 诸如共模抑制随频率变换的误差 4 3 主控制器 CC2530 是德州仪器 Texas Instruments 简称 TI 所开发的用于 2 4 GHz 遵循 IEEE 802 15 4 ZigBee 标准和 RF4CE 技术的片上系统 SOC 解决方案 该方案以低廉的 成本 简单的硬件需求 就可建成功能强大的网络节点 CC2530 芯片结合了领先的 RF 收 发器的优良性能 其管脚图如图 4 7 所示 18 43 图 4 7 CC2530 管脚图 CC2530 内设有一增强型 8051 单片机 使用标准的 8051 指令集 8051 内核的对象代码 兼容业界标准的 8051 微控制器 他们在功能上是等同的 但却比标准的 8051 快的多 因为 它的每个指令周期是一个时钟 而标准的 8051 每个指令周期是 12 个时钟 由于因为一个指 令周期与可能的内存存取是一致的 大多数单字节指令在一个时钟周期内执行 这样消除了 总线状态的浪费 除了速度提高之外 增强型 8051 还包括结构上的改善 例如第二个数据 指针和一个扩展的 18 源中断单元等 系统内置可编程闪存 8 KB RAM 和许多其它强大的功能 CC2530 有四种不同的闪存 版本 CC2530F32 64 128 256 分别具有 32 64 128 256KB 的闪存 CC2530 内部还具有强 大的 5 通道 DMA IEEE 802 5 4 MAC 定时器 通用定时器 一个 16 位定时器 一个 8 位 定时器 具有 8 路输入的 1 个可配置分辨率的 12 位 ADC 2 个支持多种串行通信协议的强 大 USART 21 个通用 I O 引脚 19 4 mA 2 20 mA CC2530 具有不同的运行模式 使得它尤其适应超低功耗要求的系统 运行模式之间的 转换时间短 进一步确保了低能源消耗 还具有适应 2 4 GHz IEEE 802 15 4 标准的 RF 收 发器 其拥有极高的接收灵敏度和抗干扰性能 输出功率高达 4 5dBm 只需极少的外接元 件 即可满足网状网络系统的要求 此外 CC2530F256 结合了德州仪器的业界领先的黄金单元 ZigBee 协议栈 Z Stack 提供了一个强大和完整的 ZigBee 解决方案 4 4 天线发送部分与晶振时钟电路 天线是无线通信不可缺少的一部分 其基本功能是发射和接收无线电波 在发射信号时 天线把发送端的高频电流转换为电磁波发射出去 在接收信号时 天线把电滋波转换为高频 电流输入到电路中 图 4 8 为 RF 射频天线安装的电路图 19 43 图 4 8 RF 射频天线 震荡电路用于向 CC2530 芯片和 RTC 电路提供工作时钟 根据 CC2530 的最高工作频率 及 PLL 锁相环电路 的工作方式 选择 32MHz 的无源晶体振荡器 对于 RTC 电路 选择 32 768KHz 无源晶振 内部 PLL 电路兼有频率放大和信号提纯的功能 因此 系统可以通 过较低频率的外部时钟信号获得较高的工作频率 系统晶振电路和实时时钟震荡电路配置在 CC2530 芯片外围 由于系统晶体震荡电路 图中 Y1 所属电路 属于对称电路 两个引脚不过与区分 所以 震荡电路对应引脚应连 接为引脚 22 XOCS Q1 引脚 23 XOCS Q2 实时时钟晶体振荡电路 图中 Y2 也属 于对称电路 所以震荡电路对应引脚应连接为引脚 32 P2 4 引脚 33 P2 31 图 4 6 晶振电路连接示意图 4 5 串行接口与串口通信 串行接口 Serial Interface 也称串行通信接口 通常指 COM 接口 是指采用串行通 信方式的扩展接口 数据位的传送按照位顺序以位 bit 为单位发送和接收信息 虽然传输 速度比并行通信 按照字节传输 慢 但是通信线路要求简单 可以直接使用电话线作为传 输线 使用一根线发送数据的同时还可以用另外的一根线来接收数据 例如在串口用于 ASCII 码字符的传输时 使用 3 根线就可以完成整个通信过程 1 发送 2 接收 3 地线 从而大大降低了成本 特别适用于远距离通信 其缺点是传送速度较慢 根据传送信息 的工作方式不同 可将串行通信分为三种模式 单工 半双工和全双工 而如果按照串行数据的时钟控制方式又可以将串行通信分为两种 同步串行通信 20 43 SPI 和异步串行通信 UART 同步串行通信 Serial Peripheral interface 是指数据传输 的单位是以一组字符计算 字符与字符 字符内部位与位之间都是同步的 异步串行通信 Universal Asynchronous Receiver Transmitter 是指通用异步接收 发送 数据传输单位是以 字符计算 并且在传输一个字符时 也总是以 起始位 开始 以 停止位 结束 字符同 字符之间的是异步的 位同位之间有所差别但大致上是同步的 串口通信最重要的参数是波特率 数据位 停止位和奇偶校验 这些参数的匹配是两个 的端口进行通信的必要条件 波特率 Baud rate 是一个用来衡量通信速率的参数 即每秒传送 bit 的个数 例如每秒 钟可以发送 150 个 bit 即表示为 150 波特 常用的波特率有 4800 9600 56000 19200 115200 等 波特率越大意味着数据传输的越快 但波特率与 传输距离成反比关系 高波特率只能用于距离很近的设备之间的通信 数据位这个参数是用来衡量通信中的实际数据位的参数 当计算机发送的信息是标准的 ASCII 码 0 127 那么数据位就是 7 位 如发送的是扩展 ASCII 码 0 255 数据位就为 8 位 假设传输数据使用的是标准 ASCII 码 那么每个数据包使用 7 位数据 其中不包括停 止位和奇偶校验位 停止位是指一个数据包的最后一位用来标识传输的结束 常用的值包括 1 1 5 和 2 数 据在传输线上传输是定时的 而且不同的设备都有自己的时钟 在通信过程中很可能出现轻 微的不同步现象 这样停止位也给计算机提供了矫正时钟的机会 奇偶校验位 Parity 是指在通信过程中的一种校验传输正确性的方式 被传输的一组二 进制代码中 1 的个数是这种校验的根据 故采用 1 的位数为奇数的称为奇校验 反之 则称为偶校验 例如 如果传输数据是 101 那么对于偶校验 为了确保逻辑高位的个数是 偶数 校验位应设为 0 同理在奇校验时 校验位就应设为 1 以达到 3 个逻辑高位 如果在数据传输过程中有奇数个数据位发生变化 那么这种校验方法就会检查到错误发生 但是由其检验原理可以 只能判断数据传输出错却没有办法判断具体是哪一位发生变化 因 此在错误发生时 只能抛弃全部的数据再重新传输 4 6 PL2303 芯片介绍 PL2303 是 Prolific 公司生产的一种高度集成的 RS232 USB 接口转换器 可提供一个 RS232 全双工异步串行通信装置与 USB 功能接口便利连接的解决方案 该器件内置 USB 功 能控制器 USB 收发器 振荡器和带有全部调制解调器控制信号的 UART 只需外接几只 电容就可实现 USB 信号与 RS232 信号的转换 能够方便嵌入到各种设备 该器件作为 USB RS232 双向转换器 一方面从主机接收 USB 数据并将其转换为 RS232 信息流格式发 送给外设 另一方面从 RS232 外设接收数据转换为 USB 数据格式传送回主机 这些工作全 部由器件自动完成 开发者无需考虑固件设计 图 4 7 pl2303 芯片示意图 21 43 PL2303 的高兼容驱动可在大多操作系统 Windows98 Windows2000 WindowsXP Windows Vista Windows7 上模拟成传统 COM 端口 并允许基于 COM 端口应用可方便地转换成 USB 接口应用 通讯波特率高达 6 Mb s 完全符合 USB 规 范 2 0 全速兼容 在工作模式和休眠模都具有功耗低的特点 是嵌入式系统手持设备的理 想选择 管脚连接图如图 4 8 所示 其中 2 3 分别为 USB 输入端的正负数据输入端 图 4 8 pl2303 芯片示意图 4 7 电源模块设计 AMS1117 是一个正向低压降稳压器 在 1A 电流下压降为 1 2V 内部集成过热保护和 限流电路 是电池供电和便携式计算机的最佳选择 AMS1117 有两个版本 固定输出版本 和可调版本 在 40 C 125 C 的温度范围内 固定输出电压为 1 5V 1 8V 2 5V 2 85V 3 0V 3 3V 5 0V 具有 1 的精度 固定输出电压为 1 2 的精 度为 在这里我们选用 AMS117 3 3 来为 PL2303 提供稳定的直流 3 3V 电压 电路图如图 4 9 所示 其中 VDD5V 高压输入端与 USB 接口的 VDD 端相连 用来获得稳压电源的输入 其 中 1 管脚接地 2 管脚为 3 3V 低压输出 3 管脚为高压输入 22 43 图 4 9 AMS1117 电路连接图 23 43 第五章第五章 通信系统及上位机软件设计通信系统及上位机软件设计 5 1 开发环境简介 1 操作系统 Windows XP Windows7 32 位 2 IAR Embedded Workbench 简称 EW IAR Embedded Workbench 是一套完整的集成开发工具集合 包括高度优化的 IAR AVR C C 编译器 AVR IAR 汇编器 通用 IAR XLINK Linker IAR XAR 库创建器和 IAR XLIB Librarian 一个强大的编辑器 一个工程管理器 IAR C SPYTM 调试器和一个具有世 界先进水平的高级语言调试器 它和各种仿真器 调试器紧密结合 使用户在开发和调试过 程中 仅仅使用一种开发环境界面 就可以完成多种微控制的开发工作 IAR Systems 的 C C 编译器可以生成高效可靠的可执行代码 并且应用程序规模越大 效果明显 IAR Embedded Workbench 被认为是一款稳定可靠的开发工具 它提供连续的工 作流 使开发者可以专心于项目的开发 提高开发效率 嵌入式 IAR Embedded Workbench 适用于大量 8 位 16 位以及 32 位的微处理器和微控 制器 使用户在开发新的项目时也能在所熟悉的开发环境中进行 它为用户提供一个易学和 具有最大量代码集成能力的开发环境 以及对大多数和特殊目标的支持 嵌入式 IAR Embedded Workbench 有效提高用户的工作效率 通过 IAR 工具 用户可以大大节省工作时 间 3 Microsoft Visual Studio 2008 Visual Studio 是微软公司推出的开发环境 Visual Studio 可以用来创建 Windows 平台 下的 Windows 应用程序和网络应用程序 也可以用来创建网络服务 智能设备应用程序和 Office 插件 Microsoft Visual Studio 2008 于 2007 年 11 月发布 是第一款用于 Windows Presentation Foundation WPF 的拥有可视化设计器的应用程序 它带有对齐线和事件选项卡 允许进行 RAD 风格的程序开发 它还通过用于 Outlook 和 Fluent 菜单的设计器来支持开 发人员在 2007 Microsoft Office System 中进行程序开发 对于多专业团队 Visual Studio Team System 提高了可伸缩性 包括支持连续集成 Visual Studio 2008 提供了代码分析工具 包括可在代码中识别低效或其他问题区域的 代码度量 集成的构建系统还具有对构建和调试的多线程支持功能 4 C C Sharp C C Sharp 是微软 Microsoft 为 NET Framework 量身订做的程序语言 微软公司在 2000 年 6 月发布的一种新的编程语言 C 拥有 C C 的强大功能以及 Visual Basic 简易使用 的特性 是第一个组件导向 Component oriented 的程序语言 和 C 与 Java 一样亦为对象 导向 object oriented 程序语言 24 43 5 2 下位机程序框图及核心代码 5 2 15 2 1 Z S