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 标题： 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 设计标题： 基于ZigBee技术的无线压力传感器设计 指点教师： 职 称： 二一四年 六月 徐州中国矿业大学毕业设计义务书学院 信电学院 专业年级 学生姓名 义务下达日期： 年月日毕业设计日期： 年月日至年月日毕业设计标题：基于ZigBee技术的无线压力传感器设计毕业设计专题标题： 毕业设计主要内容和要求：.了解CC单片机根本原理、软件设计方法及相关实际知识；.对无线

2、压力检测系统工程进展可行性论证。.掌握汇编言语、C言语编程方法；编写下位机程序。.运用protel软件,并进展硬件电路设计。.编写上位机数据处置程序。.根据所完成义务，撰写毕业设计论文。.翻译一篇与本课题相关的英文文献，字数不少于字。院长签字： 指点教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业设计指点教师评阅书指点教师评语根底实际及根本技艺的掌握；独立处理实践问题的才干；研讨内容的实际根据和技术方法；获得的主要成果及创新点；任务态度及任务量；总体评价及建议成果；存在问题；能否赞同争辩等：成 绩： 指点教师签字： 年 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；根底实际及根本技艺的

3、掌握；综合运用所学知识处理实践问题的才干；任务量的大小；获得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成果；存在问题；能否赞同争辩等：成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业设计争辩及综合成果答 辩 情 况提 出 问 题回 答 问 题正 确根本正确有普通性错误有原那么性错误没有回答争辩委员会评语及建议成果：争辩委员会主任签字： 年 月 日学院指点小组综合评定成果：学院指点小组担任人： 年 月 日摘 要ZigBee是一种低速率，低功耗的无线通讯技术，该技术广泛运用于无线传感器网络WSN中。压力是工业消费过程中的重要参数之一，压力的检测或控制是保证消费和设备平安运转的必不可少的

4、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。本设计主要经过CC及公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展处置，经过Z-Stark协议栈传送至计算机上，经过计算机程序准确快捷、方便高效地对其进展实时采集和储存，并实时显示在程序上。以CC的中心处置器的硬件设计与串口通讯处置程序的软件设计相结合。采用IAR Embedded Workbench开发工具进展程序开发。经过CC多功能仿真器进展嵌入式的编译与移植来处置压力传感器所采集的信息。再经过VS进展口通讯处置程序软件的设计，用C#窗体设计串口通讯处置程序。 关键词：压力传感器

5、，CC，C#，串口通讯 ,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, detection or control pressure is essential production conditions and en

6、sure 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. that design of sensor nodes by dedicated chips and CC, and the analog signal

7、 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 CC core proc

8、essor 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 CC multi-function emulator. Then port communication software desig

9、n process through VS, C # form design using serial communication process.Keywords: pressure sensors, CC, C #, serial communication, ZigBee目 录 TOC o - h z u HYPERLINK l _Toc 第一章 绪 论 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .前言 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .无线传感器网络的运用 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .国内外研讨现

10、状 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .论文的主要内容及构造安排 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc 第二章 ZigBee技术简介 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . ZigBee简介 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . ZigBee的技术规范 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . IEEE .规范 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . ZigBee网络协议的规范及特点 PAGEREF _Toc h HYPERLI

11、NK l _Toc .无线网络数据传输协议对比 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . ZigBee的网络拓扑模型 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . ZigBee的运用范围 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc 第三章 系统分析与概要设计 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .系统可行性分析 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .技术可行性分析 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .经济可行性分析 PAGEREF _Toc

12、h HYPERLINK l _Toc .系统需求分析 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 系统架构设计 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc 第四章 基于CC的硬件平台设计 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 压力传感器的设计 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .压力传感器的选择 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .压阻式压力传感器构造与原理 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .电阻应变片的丈量电路 PAGEREF

13、_Toc h HYPERLINK l _Toc . 温度补偿 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 信号放大电路 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 放大器的选择 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 三运放放大电路 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 主控制器 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 天线发送部分与晶振时钟电路 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 串行接口与串口通讯 PAGEREF _Toc h

14、 HYPERLINK l _Toc . PL芯片引见 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 电源模块设计 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc 第五章 通讯系统及上位机软件设计 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .开发环境简介 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .下位机程序框图及中心代码 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . Z-Stack体系架构及任务流程 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 压力丈量程序流程图 PA

15、GEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .上位机程序框图及运转结果 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 初始界面及串口初始化 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 经过串口接纳数据 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 数据存储及计数清零 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc 第六章 总结与展望 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc 参考文献 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc 翻译原文 PAGEREF

16、_Toc h HYPERLINK l _Toc 中文译文 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc 致 谢 PAGEREF _Toc h 中国矿业大学届本科生毕业设计 第页第一章 绪 论.前言随着嵌入式技术的开展，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运用。同时在工业控制中也扮演着一个不可或缺的角色。但随着任务中的要求越来越高，单一的传感器曾经不能满足人们任务的需求，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炽热的研讨方向之一。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

17、都是采用有线衔接方式，而有线方式会遭到布线，供电，安装场所和维修等的限制，呵斥安装和维护的困难，将无线传感器网络(WSN)技术广泛运用于各种工业控制中，可以很好的处理这些问题，并具有诸多优势，合理的运用这种技术将大力推开工业的开展。“传感器网络实现了数据的采集、处置和传输三种功能。它与 HYPERLINK baike.baidu/view/.htm t _blank 通讯技术和 HYPERLINK baike.baidu/view/.htm t _blank 计算机技术共同构成 HYPERLINK baike.baidu/view/.htm t _blank 信息技术的三大 HYPERLINK

18、 baike.baidu/view/.htm t _blank 支柱。而无线传感器网络Wireless Sensor Network, WSN那么是指由大量的静止或挪动的 HYPERLINK baike.baidu/view/.htm t _blank 传感器以 HYPERLINK baike.baidu/view/.htm t _blank 自组织和 HYPERLINK baike.baidu/view/.htm t _blank 多跳的方式构成的 HYPERLINK baike.baidu/view/.htm t _blank 无线网络，以协作地感知、采集、处置和传输网络覆盖地理区域内被感

19、知对象的信息，并发送给察看者。传感器、感知对象和察看者构成了无线传感器网络的三个要素。压力丈量对实时监测和平安消费具有重要的意义。在工业消费中，为了高效、平安消费，必需有效控制消费过程中的诸如压力、流量、温度等主要参数。由于压力控制在消费过程中起着决议性的平安作用，因此有必要准确丈量压力。如今压力参数的检测、报警与控制，已深化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运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，也是本课题所研讨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丈量的电信号做输出，给显示仪表显示压力值，或供

20、控制和报警运用。所以本文以丈量压力为代表，研讨并设计了基于CC的传感器网络来进展数据的检测、传输与处置。.无线传感器网络的运用无线传感器网络的兴起和开展，使它逐渐运用在各个领域。刚开场由于无线传感器网络的价钱比较昂贵，只运用到军事工程中。随着科技的开展和传感器的本钱降低，无线传感器网络逐渐运用到其他工程中，它的常见运用如下所述： = * GB 军事领域军事领域的运用需求是无线传感器网络产生和开展的推进力，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，经过无线传感器采集周围的环境信息并经过卫星把信息传回基地，经过分析传达的信息可以判别敌方的军事行动。 = * GB 智能农业农民种

21、植庄稼时需求各种信息，首先把大量传感器节点分布到需求监控的区域，经过各种传感器采集环境信息，以协助 农民及时发现问题和处理问题。这样运用智能化的远程控制设备可以提高农业的消费效率。 = * GB 医疗安康 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展处置，从而保证病人的命平安。 = * GB 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，并经过无线传感器网络控制平衡的居室温度。当屋内的燃气走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，使窗户自动翻开。无线传感器网络给人们提供了更加温馨和智能的家居环境

22、。.国内外研讨现状无线传感器网络研讨开场于世纪年代，在国防平安、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宏大的运用前景下,国际上，许多著名高校和大公司纷纷参与无线传感器技术的研讨之中，这也加快了无线传感器网络的开展。年，在卡耐基-梅隆大学，DARPADepartment of Advanced Research Project Agency)成立了分布式传感器网络任务组，它的主要任务就是研讨传感器网络中的通讯来满足军方对侦查系统的需求。以后，DARPA又结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讨工程，由此拉开了无线传感器网络研讨的序幕。其他兴隆国家和许多大公司

23、也相继启动了关于无线传感器网络的研讨，其中代表性的研讨包括以下两种： = * GB 年的WINS方案，由DARPT资助。加州洛杉矶分校和罗克韦尔研讨中心协作展开WINS方案，其研讨的目的是结合MEMS技术、信号处置技术、嵌入式计算和无线通讯技术，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。 = * GB 年，因特尔公司伯克利研讨实验室和加州大学伯克利分校协作，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讨也被非常注重。年发布的确定了信息技术开展的三个前沿方向，其中的智能感知网络和自组织网络就与无线传

24、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展了研讨，它们都在无线传感器网络的研讨上都获得了一定的成果。无线传感器网络作为新一代网络，它发扬着关键性的作用。不仅推进着科技的开展和社会的进歩，而且曾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开展阶段，我国的实际研讨和工程实际都和国外还存在着一定的差距，实际成果难以运用到实践工程中，实现的本钱和可靠性还不能满足实践需求，所以无线传感器网络在实践工程中的运用还有待进一步研讨。.论文的主要内容及构造安排本论文主要研讨“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、对压力数据的丈量与处置。本文共分

25、为六章：第一章为绪论，论述了ZigBee无线传感技术和压力监测系统的研讨背景及意义； 第二章简单引见了ZigBee技术概略；第三章对整个无线压力传感器系统进展系统分析与概要设计；第四章主要论述了如何进展基于CC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展简单引见，引见Z-Stack协议栈任务流程，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，对整个设计进展回想和总结，并提出进一步展望。第二章 ZigBee技术简介. ZigBee简介近年来，随着无线接入技术的日益开展，无线通讯和无线网络均呈现出爆炸添加的趋势。这有力的地推进无线通讯向着高速通讯方向的开展。工业、农业、

26、车载电子系统、智能家居网络、和医用传感器等都是无线通讯的重要领域。此外，物联网The Internet of things也是 ZigBee 运用的主要战场，物联网利用部分网络或互联网等通讯技术把传感器、计算机、人员等节点联在一同，完成人与物、物与物的相互衔接，实现 HYPERLINK baike.baidu/view/.htm t _blank 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，但对功率耗费的要求比现有规范更高。 为了促进简一方便、随意运用的无线安装的大力开展，需求在的个人活动空间内布置大量密集的无线接入点，因此价钱能否低廉将显得尤为重要，为了降低元器件价钱，便于批量消

27、费，一个规范的处理方案是非常必要的。这个方案需求思索的中心问题是低功耗和低本钱。这也决议了其为低带宽低速率的数据传输方式。ZigBee规范就是专为低数据速率、短间隔 无线网络通讯设立的一系列通讯协议规范。基于ZigBee任务的无线设备任务在固定的频段，分别是 .GHz、MHz欧洲和 MHz美国，其最大数据传输速率是Kbps。ZigBee主要运用在一些以电池为电源的场景中，对功耗的有较高的要求。因此在一些运用中，无线设备并不是继续开启的，大部分时间都是处于等待唤醒的休眠方式。因此，ZigBee设备经常可以任务数年而不用改换电池。 . ZigBee的技术规范. IEEE .规范近年来，随着通讯技术

28、的迅速开展，人们认识到了在附近几米范围内短间隔 通讯的需求，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。WPAN网络指的是在短间隔 小范围内建立设备之间的无线衔接，使之可以相互通讯甚至接入互联网。年月成立的IEEE .任务组，努力于WPAN网络的物理层PHY和媒体访问层MAC的规范化任务，目的是为了在短间隔 范围内相互通讯的无线通讯设备提供通讯规范。 IEEE .任务组内有四个义务组来制定在传输速率、功耗和支持的效力等方面都存在差别的不同规范使其运用在不同的场所。第一

29、义务组即制定IEEE .规范，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规范，是一个通常用于手机、 HYPERLINK baike.baidu/view/.htm t _blank 无线耳机等挪动设备的中等速率、短间隔 的WPAN网络规范。第四义务组所制定的就是IEEE .规范。该规范把低能量耗费、低速率传输、低本钱作为首要目的，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一致完善的规范。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

30、处，所以很多研讨机构都把IEEE .作为传感器的通讯规范。 . ZigBee网络协议的规范及特点ZigBee采用IEEE .规范作为其物理层PHY和媒体访问层MAC协议。即遵照ZigBee的设备也同样遵照IEEE .规范。但由于IEEE .规范只定义了物理层协MAC层协议，年月由美国HONEYWELL等公司发起并成立了ZigBee联盟，并对其网络层协议和API进展规范化，新开发了平安层。经过ZigBee联盟对IEEE .规范的改良后才真正的构成了真正意义上的ZigBee协议栈。 ZigBee技术的超低数据传输速率意味着它并不顺应全部场景的运用。例如衔接无线互联网或者CD音质的无线耳机，Zigb

31、ee都无能为力。由于这些运用的数据传输速率都需求到达Mbps以上。但是假设无线通讯的目的仅仅只是发送或接纳简单的信息或控制命令，如从传感器搜集信息，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 .b更有性价比、更为高效的处理方案。ZigBee技术具有数据传输速率低的特点，只需KB/秒KB /秒，专注于低传输速率运用，由于数据传输速率低、协议简单，使得ZigBee同时具备了功耗小、本钱低、网络容量大的特点，一个ZigBee网络最多可包容 ,个设备。同时也兼顾了平安性和任务频段灵敏的特点，ZigBee 提供了数据完好性检查和鉴权功能，采用AES-加密

32、算法。ZigBee运用频段为.GHz、MHz欧洲和MHz美国，均为免执照免费的频段。.无线网络数据传输协议对比 如今，无线通讯技术在信息通讯领域得到了快速开展，它使随时随地地接入网络获取信息变成了能够，使通讯摆脱了物理衔接上的束缚。目前无线通讯按照通讯间隔 范围可以划分成广域和局域两种，广域的通常指他们手机运用的挪动通讯网，目前曾经由第三代开展到了LTE技术，正在向第四代过度。 而局域是指短间隔 小范围的无线通讯，其技术规范比较多，其中运用最为广泛分别是无线宽带(Wi-Fi)、蓝牙Bluetooth、和ZigBee技术三种。Wi-FiWireless Fidelity即无线保真技术，这种技术基

33、于IEEE.a、IEEE.b、IEEE.g和IEEE.n，运用.GHz附近的频段，它的特点是传输间隔 长、速率快可以到达数百兆。蓝牙Bluetooth是由爱立信、IBM、Intel和诺基亚等公司于年提出的一种近间隔 无线数据通讯技术规范。能在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Mbps。运用在.GHz到.GHz之间的频段。表-. 各种无线网络数据传输协议对比市场名规范GPRS/GSMxRTT/CDMAWi-FiTM.bBluetoothTM.ZigBeeTM.运用重点宽广范围声音&数据Web、图像电缆替代品监测&控制系统资源MB+MB+KB+KB-KB电池寿命天.+网络

34、大小/带宽KB/s-+-传输间隔 米+技术优势覆盖面大、质量高速度/灵敏性价钱廉价、方便可靠、低功耗、价钱廉价. ZigBee的网络拓扑模型 在IEEE.规范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 .规范中的全部功能，同时可以作为网络中的一切角色。而半功能设备RFD只能执行IEEE .规范中的部分功能，且只能和全功能设备通讯。所以半功能设备RFD都用来执行一些简单的运用，相应的，它的数据处置才干和内存配置都较全功能设备FFD有一定差距。ZigBee的网络拓扑构造主要分为星型网络、网状网络和簇状网络三种。网络的拓扑构造不同，网络中的配置

35、也不同。一切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。其拓扑构造的表示图见图-.所示。其中end device具有最小的内存配置和最弱的处置才干和特性，end device通常是一个网络中最廉价的设备。在本设计中运用衔接压力传感器的CC芯片作为end device。衔接PC的CC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-. Zigbee的网络拓扑构造. ZigBee的运用范围 ZigBee 在日常生活、军事和许多其他方面都有大量的运用。例如智能家居、智能建筑、自动化控制、

36、数字化医疗等领域。运用于农业上，可以对土地、水和空气等环境资源的温度实行实时监控，保证农业消费的顺利进展；运用于军事上，可以对战场人员的体温等安康情况进展监控，以保证战场人员的人身平安；运用于城市中，可以有效的在公共场所对火灾等平安问题实施预防和报警；运用于医疗领域，可以对患者的体温等参数信息进展实时监控，最大限制保证患者的平安。利用ZigBee技术来完成以上的义务是一个非常明智的选择，由于这样可以防止庞大的布线，不需求高功耗和高昂的硬件本钱，而是能以最低的本钱获得最大的收益。Zigbee的运用范围见图-.所示。 图-. Zigbee的运用范围第三章 系统分析与概要设计.系统可行性分析可行性分

37、析是指经过对 HYPERLINK baike.baidu/view/.htm t _blank 工程的主要内容和配套条件，如市场需求、资源供应、建立规模、工艺道路、设备选型、环境影响、资金筹措、盈利才干等，从技术、经济、工程等方面进展调查研讨和分析比较，并对工程建成以后能够获得的财务、 HYPERLINK baike.baidu/view/.htm t _blank 经济效益及社会环境影响进展预测，从而提出该工程能否值得投资和如何进展建立的咨询意见，为 HYPERLINK baike.baidu/view/.htm t _blank 工程决策提供根据的一种综合性的 HYPERLINK baik

38、e.baidu/view/.htm t _blank 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。.技术可行性分析技术可行性分析是指，以现有的技术程度完成设计任务的可行性。其中包括软件、硬件能否实现所要求的功能，国内外相关研讨的进展情况等。本设计所运用技术主要有：嵌入式技术、CC芯片仿真、编译、调试等。C#串口通讯编程等，都是早以成熟的技术，并且有许多优秀的处理方案可以参考。为了实现压力传感器对数据的采集与处置的设计任务，首先要做的任务就是查阅、搜集有关传感器网络、ZigBee技术、CC芯片等等的资料，了解国内外其研讨进展，了解技术特点、掌握芯片功能和相关技术。熟习所运

39、用到的整体硬件架构如以CC为中心的硬件电路和软件开发环境，(如IAR和Visual Studio )，以模块化的方式逐渐完成系统的设计仿真与实现。.经济可行性分析 经济可行性分析是指分析整个设计工程所需本钱和预期效益。在技术可行的前提下选择最可靠、最经济的处理方案。本设计采用的基于CC芯片的ZigBee无线通讯处理方案，其具有硬件节点低本钱、制造容易、对功耗要求低的特点。本设计在经济上完全可行并且运用前景良好。.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展处置。主要包括：经过压力传感器丈量被测件的压力得到实时压力数据，对数据进展处置后按照zigbee技术规范利用无

40、线通讯传输到计算机上，在串口显示程序上实时显示，用户可以对采集的数据进展绘图、统计、存储等功能。经过检测、处置分析关键位置的实时压力情况，来确保工业消费的正常进展或发现日常生活中的潜在的平安问题。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才干。. 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，分别进展设计和调试，最后再把他们组装起来进展总体调试，到达系统需求。模块化的设计易于编程和调试，可以减小缺点率，提高系统的可靠性。以CC为中心的硬件发送电路，发送端Zigbee标Z-Stack协议无线传输计算机数据接纳程序数据处置程序压力采集程序压力采集电路以CC为中心的硬件接纳电

41、路，接纳端串行口通讯图-. 系统组成框图本设计中的硬件电路包括：以CC为中心的主控制电路和RF无线发送电路，压力采集电路，信号处置电路，电源供应电路和接口电路。以上部分共同构成了一个根本的无线传感器网络的节点设备。如图-.所示，将整个系统分为如下模块，首先经过设计压力采集电路，把待测点的压力数据采集并进展初步处置。经过运转在CC内部的加强型单片机的下位机程序来执行，以CC为中心的硬件电路，经过Z-Stack协议栈集成在CC内部的基于Zigbee技术的协议栈进展无线数据的发送与接纳。最后，在计算机端，经过软件程序对接纳到的数据进展处置。整个设计的硬件电路如图-.所示。共分为如下几个部分。压力数据

42、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电路以及电源供应电路。主控模块中包括A/D转换模块，由于从传感器采集到的数据都是延续的模拟量，而计算机只能处置数字量，这就需求一个A/D模块来进展模数转换。还包括一个编程接口，用来接入JTAG仿真器或者烧入程序。MCU CC是本系统的中心处置器，也是.GHz射频无线收发器。处置器外部配有MHz和.KHz两个频率的两个的外部晶振，分别作为系统晶振电路和实时时钟震荡电路；整个中心部分经过DC .V进展供电。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-. 硬件电路表示图本设计的压力

43、传感器选用压阻式压力传感器。经过三运放放大电路对压力信号进展放大，再经过CC内部的AD进展数据采集与转换。CC运用P_接口进展数据采集。软件部分主要包括下位机和上位机两部分，在硬件设备与电脑衔接后，经过CC仿真器把下位机采集压力数据的程序烧进芯片中；一部分是经过Microsoft Visual Studio 进展开发编写的串口通讯数据处置程序。第四章 基于CC的硬件平台设计. 压力传感器的设计.压力传感器的选择压力传感器是工业实际中最为常用的传感器之一，由各种对压力敏感元件将容易丈量的被测压力信号转换成容易传输和处置的电信号，供压力显示仪表或控制、报警运用。其广泛运用于各种自控环境，涉及智能建

44、筑、消费自控、水利、交通、航天、军工、石化、电力、船舶、管道等众多行业。按照其任务原理，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构造简单、灵敏度高、丈量范围大、速度快、价钱廉价、工艺成熟、便于选择和运用的优点，在多种领城都有很广泛的运用。但同时也具有输出信号微弱，抗干扰才干较差的缺陷，因此信号线有时需求采取屏蔽措施。.压阻式压力传感器构造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。经过特殊的粘和剂将电阻应变片严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

45、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置的电压或电流的变化，从而完成对被测件压力大小的丈量。电阻应变片中运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。普通电阻应变片都会组成应变电桥，并经过后续的信号处置电路进展放大、滤波之后，再传输给控制电路通常是A/D转换器和CPU显示或进展控制操作。 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-.所示。电阻丝是压力敏感元件;基底、覆盖层起定位和维护电阻丝的作用；并保证电阻丝和被测试件之间绝缘;引出线用以衔接丈量导线以便后续操作。覆盖层基底敏感器引线图-.电阻应变片的根

46、本构造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：假设所取电阻阻值太小，需求的驱动电流就太大，与此同时应变片的发热会导致本身的温度过高。在不同的环境中运用，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才干就会随之变差。所以普通应变片的阻值都取为几十欧至几十千欧。如图-.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 HYPERLINK dianzu.gkzhan t _blank o 电阻 电阻值可用下式表示： R=LA (-)式中：金属导体的 HYPERLIN

47、K dianzu.gkzhan t _blank o 电阻 电阻率cm/m A导体的截面积cm L导体的长度m 图-. 金属电阻丝应变效应当金属丝遭到轴向力F而被拉伸或紧缩产生形变,其电阻值会随之变化,经过对.式两边取对数后再取全微分得 -式中为资料轴向线应变 ,且，跟据资料力学,在金属丝单向受力形状下有 (-)式中为导体资料的泊松比。因此,有 (-)实验发现,金属资料电阻率的相对变化与其体的相对变化间的关系为 (-)式中，c为常数(由特定的资料和加工方式决议)，将式 (-)代入 (-) ，且当R=R时，可得 (-)式中，k=(+)+c(-)为金属丝资料的应变灵敏系数。上式阐明，金属资料电阻的

48、相对变化与其线应变成正比。这就是金属资料的应变电阻效应。当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从-式中可很容易看出，其 HYPERLINK dianzu.gkzhan t _blank o 电阻 电阻值即会发生改动。假设金属丝受外力作用而伸长时，其长度添加，而截面积减少， HYPERLINK dianzu.gkzhan t _blank o 电阻 电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而紧缩时，长度减小而截面添加， HYPERLINK dianzu.gkzhan t _blank o 电阻 电阻值那么会减小。只需测出加在 HYPERLINK dianzu.gkzhan t _blank

49、 o 电阻 电阻的变化通常是丈量 HYPERLINK dianzu.gkzhan t _blank o 电阻 电阻两端的电压，即可获得应变金属丝的应变情况。 .电阻应变片的丈量电路在运用应变片丈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展丈量。在实际中，普通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展相应的处置即可。由于这个电路输出的信号能完全反响出电阻值的变化。 图-. 丈量电桥电路惠斯通电桥就是一种非经常用的可以准确丈量电阻变化的电路。它是以应变片作为其部分桥臂或全部桥臂的四臂电桥。它

50、能把应变片电阻值的微小变化转化成输出电压的变化。典型构造如图-.所示。从前面的讨论可知，应变片的作用是将构件外表的压力应变转变为电阻的变化。其关系式为RR=K普通 R= K= .。假设取 K=. =-那么 R=KR= . .显然R太小了，这非常不便于丈量，为了到达所需目的，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置器进展数据处置。 = * GB 电桥的输出电压设电桥中四个桥臂的电阻阻值分别为R、R、R、R。这其中恣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R的电流I1= UACR1+R2 -R两端压降

51、：UAB=I1 R1=R1R1+R2UAC -R两端压降：UAD=I3 R3=R3R3+R4UAC -电桥输出电压：Uo=UAB-UAD=R1R4 -R2R3(R1+R2 )(R3+R4) -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形状。设处于平衡形状的电桥在遭到形变后，各桥臂的电阻增量分别为R、R、R、R 。那么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 -假设将平衡条件R1R4=R2R3带入上式，并思索RiRi，略去高阶微量，那么电桥的输出电压为： Uo=

52、UACR1R2R1+R22(R1R1-R2R2-R3R3+R4R4) -假设四个桥臂都为电阻应变片，且每个应变片的灵敏度K值均一样，代入公式 -。那么整个电桥的输出电压为 U0=UACK41-2-3+4 - = * GB 电桥的平衡图-.设置预调平衡电路丈量前，必需先使电桥处于平衡形状，即电桥无输出。但由于应变片电阻值总有偏向，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，为此在电桥中添加R5电阻和R6电位器，如图-.所示。 = * GB 电桥的衔接方法 = * GB 半桥接线法在丈量电桥的桥臂AB、BC上衔接应变片，另外两桥臂AD、CD上衔接应变仪内部固定电阻

53、R，那么称半桥接线法。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： d=1-2 -实践丈量时，可分为两种情况 = * alphabetic a半桥丈量：电桥的AB、BC桥臂衔接应变片。 = * alphabetic b半臂丈量：电桥的AB、BC桥臂，任一桥臂上接任务应变片，而另一桥臂接温度补偿片。 = * GB 全桥接线法在丈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-可得出：d=1-2-3+4 -实践丈量时，可分两种情况： = * alphabetic a全桥丈量：四个桥臂上都接任务应变片； = * alphabetic b相对两臂丈量：电桥

54、相对两臂接任务应变片，另相对两臂接温度补偿片。. 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，呵斥丈量上的误差，这时就需进展温度补偿。常用的温度补偿方法有两种，补偿块补偿法与任务片补偿法。 = * GB 补偿块补偿法 图-.设置温度补偿方式如图-.所示，在被测基体上粘贴应变片R1作为任务片，衔接至AB桥臂上。在补偿块上粘贴应变片R2作为补偿片，衔接至BC桥臂上，AD和CD桥臂接固定电阻组成等臂电桥。当R、R阻值因温度的变化是一样的，利用桥路特性即消除影响。 = * GB 任务片补偿法在被测件上粘贴多个一样的任务应变片后将它们接入电桥中。这样当被测件遭到压力作用形变时，每个应变片都遭到

55、外力和温度共同作用引起的形变，根据桥路根本特性可消除t ,减少温度的影响。 . 信号放大电路. 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，无法进展A/D转换，必需对这些模拟电信号进展放大处置。为使电路简单便于调试，本设计采用三运算放大器电路，由于在具有较大共模电压的条件下，仪表放大器可以对很微弱的差分电压信号进展放大，并且具有很高的输入阻抗。这些特性使其遭到众多运用的欢迎，广泛用于丈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。. 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，由于它具有高共模抑制比的特点。输出级图-. 三运放放大电路它由三个集成运算放

56、大器组成，如图-.所示。其中A和A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，A构成双端输入单端输出的输出级，用来进一步抑制A和A的共模信号，并顺应接地负载的需求。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，整个差分输入电压如今都呈如今RG两端。由于输入电压经过放大后在A 和A的输出端的差分电压呈如今R，RG和R这三只电阻上，所以差分增益可以经过仅改动RG进展调整。这种衔接有另外一个优点：一旦这个减法器电路的增益用比率匹配的电阻器设定后，在改动增益时不再对电阻匹配有任何要求。假设RR，RR和RR，那么VOUT=(

57、VINVIN)(R/RG)(R/R)。由于RG两端的电压等于VIN，所以流过RG的电流等于VIN/RG，因此输入信号将经过A 和A 获得增益并得到放大。然而须留意的是对加到放大器输入端的共模电压在RG两端具有一样的电位，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R和R，放大器A 和A 将作为单位增益跟随器而任务。因此，共模信号将以单位增益经过输入缓冲器，而差分电压将按 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 RF/RG倍。在实际上阐明，得到所要求的前端增益由RG来决议，而不添加共模增益和误差，即差分信号将按增益成比例添加，而共模误

58、差那么不然，所以比率增益差分输入电压/共模误差电压将增大。因此CMR实际上直接与增益成比例添加，这是一个非常有用的特性。最后，由于构造上的对称性，输入放大器的共模误差，假设它们跟踪，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。. 主控制器CC 是德州仪器Texas Instruments，简称：TI所开发的用于.-GHz、遵照 HYPERLINK baike.baidu/view/.htm IEEE .、ZigBee规范和RFCE技术的 HYPERLINK baike.baidu/view/.htm 片上系统SOC处理方案。该方案以低廉的本钱、简单的硬件需求，就可建胜利能强大的

59、网络节点。CC芯片结合了领先的RF 收发器的优良性能。其管脚图如图-.所示。图-. CC管脚图CC内设有一加强型单片机，运用规范的指令集，内核的对象代码兼容业界规范的微控制器，他们在功能上是等同的，但却比规范的快的多，由于它的每个指令周期是一个时钟，而规范的每个指令周期是个时钟，由于由于一个指令周期与能够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，这样消除了总线形状的浪费。除了速度提高之外，加强型还包括构造上的改善，例如第二个数据指针和一个扩展的源中断单元等。系统内置可编程闪存，-KB RAM 和许多其它强大的功能。CC 有四种不同的闪存版本：CCF/，分别具有/KB 的闪存。C

60、C内部还具有强大的 通道DMA、IEEE . MAC HYPERLINK baike.baidu/view/.htm 定时器，通用定时器一个 位定时器，一个 位定时器、具有 路输入的个可配置分辨率的 位ADC、个支持多种 HYPERLINK baike.baidu/view/.htm 串行通讯协议的强大USART、个通用I/O HYPERLINK baike.baidu/view/.htm 引脚 mA， mA。CC 具有不同的运转方式，使得它尤其顺应超低功耗要求的系统。运转方式之间的转换时间短，进一步确保了低能源耗费。还具有顺应.-GHz、IEEE .规范的RF 收发器，其拥有极高的接纳灵敏度