基于ZigBee技术的无线压力传感器设计

1、 编号：（ ）字 号本科生毕业设计基于ZigBee技术的无线压力传感器设计 题目： 姓名： 学号： 班级： 二一四年六月中 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 专 业： 信息工程 设计题目： 基于ZigBee技术的无线压力传感器设计 指导教师： 职 称： 二一四年 六月 徐州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 任务下达日期： 2013年12月30日毕业设计日期： 2013年12月30日至2014年6月10日毕业设计题目：基于ZigBee技术的无线压力传感器设计毕业设计专题题目： 毕业设计主要内容和要求：1.了解C

2、C2530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

3、 月 日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 日中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩答 辩 情 况提 出 问 题回 答 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 日摘 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）

4、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

5、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：压力传感器，CC2530，C#，串口通信 ,ZigBee，数据采集AbstractZigBee 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, detec

6、tion 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 desig

7、n 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

8、-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 thro

9、ugh 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目 录第一章 绪 论11.1前言11.2无线传感器网络的应用11.3国内外研究现状21.4论文的主要内容及结构安排2第二章 ZIGBEE技术简介42.1

10、 ZigBee简介42.2 ZigBee的技术规范42.2.1 IEEE 802.15.4标准42.2.2 ZigBee网络协议的规范及特点52.2.3无线网络数据传输协议对比52.3 ZigBee的网络拓扑模型62.4 ZigBee的应用范围7第三章 系统分析与概要设计83.1系统可行性分析83.1.1技术可行性分析83.1.2经济可行性分析83.1.3系统需求分析83.2 系统架构设计8第四章 基于CC2530的硬件平台设计114.1 压力传感器的设计114.1.1压力传感器的选择114.1.2压阻式压力传感器结构与原理114.1.3电阻应变片的测量电路134.1.4 温度补偿154.2

11、信号放大电路164.2.1 放大器的选择164.2.2 三运放放大电路164.3 主控制器174.4 天线发送部分与晶振时钟电路184.5 串行接口与串口通信194.6 PL2303芯片介绍204.7 电源模块设计21第五章 通信系统及上位机软件设计225.1开发环境简介225.2下位机程序框图及核心代码235.2.1 Z-Stack体系架构及工作流程235.2.2 压力测量程序流程图235.3上位机程序框图及运行结果255.3.1 初始界面及串口初始化265.3.2 通过串口接收数据275.3.3 数据存储及计数清零27第六章 总结与展望29参考文献30翻译原文31中文译文40致 谢47第一

12、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

13、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

14、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

15、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

16、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

17、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

18、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

19、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；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

20、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。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

21、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

22、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2.2.1 IEEE 802.15.4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

23、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

24、 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。 2.2.2 ZigBee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

25、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

26、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。2.2.3无线网络数据传输协议对

27、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

28、.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/GSM1xRTT/CDMAWi-FiTM802.11bBluetoothTM802.15.1ZigBeeTM802.15.4应用重点广阔范围声音&数据Web、Email、图像电缆替代品监测&控制系统资源16

29、MB+1MB+250KB+4KB-32KB电池寿命（天）170.55171001000+网络大小1327255/65000带宽（KB/s）64-128+11000+72020-250传输距离（米）1000+1100110+1100+技术优势覆盖面大、质量高速度/灵活性价格便宜、方便可靠、低功耗、价格便宜2.3 ZigBee的网络拓扑模型 在IEEE802.15.4标准的无线网络中共有两类设备，全功能设备（FFD）和半功能设备（RFD）。其中全功能设备（FFD）可以执行IEEE 802.15.4标准中的全部功能，同时可以作为网络中的所有角色。而半功能设备（RFD）只能执行IEEE 802.15.

30、4标准中的部分功能，且只能和全功能设备通信。所以半功能设备（RFD）都用来执行一些简单的应用，相应的，它的数据处理能力和内存配置都较全功能设备（FFD）有一定差距6。ZigBee的网络拓扑结构主要分为星型网络、网状网络和簇状网络三种。网络的拓扑结构不同，网络中的配置也不同。所有网络节点共分为三种类型：协调器co-ordinator、路由器（route）和终端节点（end device）6。其拓扑结构的示意图见图-2.1所示。其中end device具有最小的内存配置和最弱的处理能力和特性，end device通常是一个网络中最便宜的设备。在本设计中使用连接压力传感器的CC2530芯片作为end

31、 device。连接PC的CC2530芯片作为coordinator。星型/网状型簇状型网络协调器器全功能设备，FFD精简功能设备，RFD图-2.1 Zigbee的网络拓扑结构2.4 ZigBee的应用范围 ZigBee 在日常生活、军事和许多其他方面都有大量的应用。例如智能家居、智能建筑、自动化控制、数字化医疗等领域。应用于农业上，可以对土地、水和空气等环境资源的温度实行实时监控，保障农业生产的顺利进行；应用于军事上，可以对战场人员的体温等健康状况进行监控，以保障战场人员的人身安全；应用于城市中，可以有效的在公共场所对火灾等安全问题实施预防和报警；应用于医疗领域，可以对患者的体温等参数信息进

32、行实时监控，最大限度保障患者的安全。利用ZigBee技术来完成以上的任务是一个非常明智的选择，因为这样可以避免庞大的布线，不需要高功耗和高昂的硬件成本， 而是能以最低的成本获得最大的收益。Zigbee的应用范围见图-2.2所示。 图-2.2 Zigbee的应用范围第三章 系统分析与概要设计3.1系统可行性分析可行性分析是指通过对项目的主要内容和配套条件，如市场需求、资源供应、建设规模、工艺路线、设备选型、环境影响、资金筹措、盈利能力等，从技术、经济、工程等方面进行调查研究和分析比较，并对项目建成以后可能取得的财务、经济效益及社会环境影响进行预测，从而提出该项目是否值得投资和如何进行建

33、设的咨询意见，为项目决策提供依据的一种综合性的系统分析方法。可行性分析应具有预见性、公正性、可靠性、科学性的特点。3.1.1技术可行性分析技术可行性分析是指，以现有的技术水平完成设计工作的可行性。其中包括软件、硬件能否实现所要求的功能，国内外相关研究的进展情况等。本设计所应用技术主要有：嵌入式技术、CC2530芯片仿真、编译、调试等。C#串口通信编程等，都是早以成熟的技术，并且有许多优秀的解决方案可以参考。为了实现压力传感器对数据的采集与处理的设计工作，首先要做的工作就是查阅、搜集有关传感器网络、ZigBee技术、CC2530芯片等等的资料，了解国内外其研究进展，理解技术特点、掌握芯片功能和相

34、关技术。熟悉所应用到的整体硬件架构（如以CC2530为核心的硬件电路）和软件开发环境，(如IAR和Visual Studio 2010)，以模块化的方式逐步完成系统的设计仿真与实现。3.1.2经济可行性分析 经济可行性分析是指分析整个设计项目所需成本和预期效益。在技术可行的前提下选择最可靠、最经济的解决方案。本设计采用的基于CC2530芯片的ZigBee无线通信解决方案，其具有硬件节点低成本、制作容易、对功耗要求低的特点。本设计在经济上完全可行并且应用前景良好。3.1.3系统需求分析本设计的主要目的是采集压力传感器的实时数据并传送至计算机上进行处理。主要包括：通过压力传感器测量被测件的压力得到

35、实时压力数据，对数据进行处理后按照zigbee技术标准利用无线通信传输到计算机上，在串口显示程序上实时显示，用户可以对采集的数据进行绘图、统计、存储等功能。通过检测、处理分析关键位置的实时压力情况，来确保工业生产的正常进行或发现日常生活中的潜在的安全问题。这要求所测数据的准确性，同时要求该系统应具有较强的抗干扰能力。3.2 系统架构设计可以把整个系统的软件和硬件划分成不同的模块，分别进行设计和调试，最后再把他们组装起来进行总体调试，达到系统需求。模块化的设计易于编程和调试，可以减小故障率，提高系统的可靠性。以CC2530为核心的硬件发送电路，发送端Zigbee标Z-Stack协议无线传输计算机

36、数据接收程序数据处理程序压力采集程序压力采集电路以CC2530为核心的硬件接收电路，接收端串行口通信图-3.1 系统组成框图本设计中的硬件电路包括：以CC2530为核心的主控制电路和RF无线发送电路，压力采集电路，信号处理电路，电源供给电路和接口电路。以上部分共同构成了一个基本的无线传感器网络的节点设备。如图-3.1所示，将整个系统分为如下模块，首先通过设计压力采集电路，把待测点的压力数据采集并进行初步处理。通过运行在CC2530内部的增强型8051单片机的下位机程序来执行，以CC2530为核心的硬件电路，通过Z-Stack协议栈（集成在CC2530内部的基于Zigbee技术的协议栈）进行无线

37、数据的发送与接收。最后，在计算机端，通过软件程序对接收到的数据进行处理。整个设计的硬件电路如图-3.2所示。共分为如下几个部分。压力数据采集电路。信号放大电路，主控制器及其外围电路（如晶振电路、天线发送电路）、串口转USB电路以及电源供给电路。主控模块中包括A/D转换模块，因为从传感器采集到的数据都是连续的模拟量，而计算机只能处理数字量，这就需要一个A/D模块来进行模数转换。还包括一个编程接口，用来接入JTAG仿真器或者烧入程序。MCU CC2530是本系统的核心处理器，也是2.4GHz射频无线收发器。处理器外部配有32MHz和32.768KHz两个频率的两个的外部晶振，分别作为系统晶振电路和

38、实时时钟震荡电路；整个核心部分通过DC 3.3V进行供电。主控制器电路外围电路电源供给电路信号放大电路压力数据采集电路串口转USB电路 图-3.2 硬件电路示意图本设计的压力传感器选用压阻式压力传感器。通过三运放放大电路对压力信号进行放大，再通过CC2530内部的AD进行数据采集与转换。CC2530使用P0_7接口进行数据采集。软件部分主要包括下位机和上位机两部分，在硬件设备与电脑连接后，通过CC2530仿真器把下位机采集压力数据的程序烧进芯片中；一部分是通过Microsoft Visual Studio 2010进行开发编写的串口通信数据处理程序。第四章 基于CC2530的硬件平台设计4.1

39、 压力传感器的设计4.1.1压力传感器的选择压力传感器是工业实践中最为常用的传感器之一，由各种对压力敏感元件将容易测量的被测压力信号转换成容易传输和处理的电信号，供压力显示仪表或控制、报警使用。其广泛应用于各种自控环境，涉及智能建筑、生产自控、水利、交通、航天、军工、石化、电力、船舶、管道等众多行业。按照其工作原理，可将压力传感器分为压阻式压力传感器、压电式压力传感器、电容式压力传感器、电感式压力传感器等等，其中由于压阻式压力传感器具有结构简单、灵敏度高、测量范围大、速度快、价格便宜、工艺成熟、便于选择和使用的优点，在多种领城都有很广泛的应用。但同时也具有输出信号微弱，抗干扰能力较差的缺点，因

40、此信号线有时需要采取屏蔽措施。4.1.2压阻式压力传感器结构与原理压阻式压力传感器中最重要的部分是电阻应变片，电阻应变片是一种压力敏感器件。通过特殊的粘和剂将电阻应变片紧密的粘合到弹性敏感元件上后，就可以将元件上机械应力变化转换成与其相关的电阻值的变化，再设法将这种电阻值的变化转换成为容易处理的电压或电流的变化，从而完成对被测件压力大小的测量。电阻应变片中应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又可分为丝状应变片和金属箔状应变片。一般电阻应变片都会组成应变电桥，并通过后续的信号处理电路进行放大、滤波之后，再传输给控制电路（通常是 A/D 转换器和

41、0;CPU ）显示或进行控制操作。  电阻应变片主要由电阻丝敏感器、基底、覆盖层、引出线四部分构成，如图-4.1所示。电阻丝是压力敏感元件;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。覆盖层基底敏感器引线图-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

42、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=LA (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）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有 (4-3)式中为导体材料的泊松比。因此,有 (4-4)试验发现,金属材料电阻率

43、的相对变化与其体的相对变化间的关系为 (4-5)式中，c为常数(由特定的材料和加工方式决定)，将式 (4-5)代入 (4-4) ，且当R=R时，可得 (4-6)式中，k=(1+2µ)+c(1-2µ)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

44、阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情况。 4.1.3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

45、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RR=K一般 R=120 K= 2.02.4。若取 K=2.0 =10-610-3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I1= UACR1+R2 （4-7）R1两端压降：UAB=I1 R1=R1R1+

46、R2UAC （4-8）R3两端压降：UAD=I3 R3=R3R3+R4UAC （4-9）电桥输出电压：Uo=UAB-UAD=R1R4 -R2R3(R1+R2 )(R3+R4) （4-10）由上式可知，当R1R4=R2R3时，电桥输出电压Uo=0,此时称该电桥处于平衡状态。设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：Uo=(R1+R1)(R4+R4) -R2+R2R3+R3(R1+R1+R2+R2 )(R3+R3+R4+R4)UAC （4-11）若将平衡条件R1R4=R2R3带入上式，并考虑RiRi，略去高阶微量，则电桥的输出电压为：

47、 Uo=UACR1R2R1+R22(R1R1-R2R2-R3R3+R4R4) （4-12）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 U0=UACK41-2-3+4 （4-13）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R5电阻和R6电位器，如图-4.4所示。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

48、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： d=1-2 （4-14）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：d=1-2-3+4 （4-15）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。4.1.4 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

49、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 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R1作为工作片，连接至AB桥臂上。在补偿块上粘贴应变片R2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。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t ,减少温度的影响。 4.2 信号放大电路4.2.1 放大器的选择被测的非电量经传

50、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。4.2.2 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

51、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R5R6，R1R3和R2R4，则VOUT=(VIN2VIN1)(12R5/RG)(R2/R1)。由于RG两端的电压等于V

52、IN，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