1、.：.； 編號： 字 號本科生畢業設計基于ZigBee技術的無線壓力傳感器設計 標題： 姓名： 學號： 班級： 二一四年六月中 國 礦 業 大 學本科生畢業設計姓 名： 學 號： 學 院： 信息與電氣工程學院 專 業： 信息工程 設計標題： 基于ZigBee技術的無線壓力傳感器設計 指點教師： 職 稱： 二一四年 六月 徐州中國礦業大學畢業設計義務書學院 信電學院 專業年級 學生姓名 義務下達日期： 年月日畢業設計日期： 年月日至年月日畢業設計標題：基于ZigBee技術的無線壓力傳感器設計畢業設計專題標題： 畢業設計主要內容和要求：.了解CC單片機根本原理、軟件設計方法及相關實際知識；.對無線

2、壓力檢測系統工程進展可行性論證。.掌握匯編言語、C言語編程方法；編寫下位機程序。.運用protel軟件,并進展硬件電路設計。.編寫上位機數據處置程序。.根據所完成義務，撰寫畢業設計論文。.翻譯一篇與本課題相關的英文文獻，字數不少于字。院長簽字： 指點教師簽字： 年 月 日中國礦業大學畢業設計指點教師評閱書指點教師評語根底實際及根本技藝的掌握；獨立處理實踐問題的才干；研討內容的實際根據和技術方法；獲得的主要成果及創新點；任務態度及任務量；總體評價及建議成果；存在問題；能否贊同爭辯等：成 績： 指點教師簽字： 年 月 日中國礦業大學畢業設計評閱教師評閱書評閱教師評語選題的意義；根底實際及根本技藝的

3、掌握；綜合運用所學知識處理實踐問題的才干；任務量的大小；獲得的主要成果及創新點；寫作的規范程度；總體評價及建議成果；存在問題；能否贊同爭辯等：成 績： 評閱教師簽字： 年 月 日中國礦業大學畢業設計爭辯及綜合成果答 辯 情 況提 出 問 題回 答 問 題正 確根本正確有普通性錯誤有原那么性錯誤沒有回答爭辯委員會評語及建議成果：爭辯委員會主任簽字： 年 月 日學院指點小組綜合評定成果：學院指點小組擔任人： 年 月 日摘 要ZigBee是一種低速率，低功耗的無線通訊技術，該技術廣泛運用于無線傳感器網絡WSN中。壓力是工業消費過程中的重要參數之一，壓力的檢測或控制是保證消費和設備平安運轉的必不可少的

4、條件。無線傳輸可以使系統擺脫傳輸電纜的困擾，實現無線壓力檢測系統對工業過程的控制具有非常重要的意義。本設計主要經過CC及公用芯片組成的傳感器節點，對壓力傳感器所測得的模擬信號進展處置，經過Z-Stark協議棧傳送至計算機上，經過計算機程序準確快捷、方便高效地對其進展實時采集和儲存，并實時顯示在程序上。以CC的中心處置器的硬件設計與串口通訊處置程序的軟件設計相結合。采用IAR Embedded Workbench開發工具進展程序開發。經過CC多功能仿真器進展嵌入式的編譯與移植來處置壓力傳感器所采集的信息。再經過VS進展口通訊處置程序軟件的設計，用C#窗體設計串口通訊處置程序。 關鍵詞：壓力傳感器

5、，CC，C#，串口通訊 ,ZigBee，數據采集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 錄 TOC o - h z u HYPERLINK l _Toc 第一章 緒 論 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .前言 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .無線傳感器網絡的運用 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .國內外研討現

10、狀 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .論文的主要內容及構造安排 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc 第二章 ZigBee技術簡介 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . ZigBee簡介 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . ZigBee的技術規范 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . IEEE .規范 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . ZigBee網絡協議的規范及特點 PAGEREF _Toc h HYPERLI

11、NK l _Toc .無線網絡數據傳輸協議對比 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . ZigBee的網絡拓撲模型 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . ZigBee的運用范圍 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc 第三章 系統分析與概要設計 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .系統可行性分析 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .技術可行性分析 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .經濟可行性分析 PAGEREF _Toc

12、h HYPERLINK l _Toc .系統需求分析 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 系統架構設計 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc 第四章 基于CC的硬件平臺設計 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 壓力傳感器的設計 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .壓力傳感器的選擇 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .壓阻式壓力傳感器構造與原理 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .電阻應變片的丈量電路 PAGEREF

13、_Toc h HYPERLINK l _Toc . 溫度補償 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 信號放大電路 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 放大器的選擇 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 三運放放大電路 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 主控制器 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 天線發送部分與晶振時鐘電路 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 串行接口與串口通訊 PAGEREF _Toc h

14、 HYPERLINK l _Toc . PL芯片引見 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 電源模塊設計 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc 第五章 通訊系統及上位機軟件設計 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .開發環境簡介 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .下位機程序框圖及中心代碼 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . Z-Stack體系架構及任務流程 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 壓力丈量程序流程圖 PA

15、GEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .上位機程序框圖及運轉結果 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 初始界面及串口初始化 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 經過串口接納數據 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 數據存儲及計數清零 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc 第六章 總結與展望 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc 參考文獻 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc 翻譯原文 PAGEREF

16、_Toc h HYPERLINK l _Toc 中文譯文 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc 致 謝 PAGEREF _Toc h 中國礦業大學屆本科生畢業設計 第頁第一章 緒 論.前言隨著嵌入式技術的開展，基于它的智能傳感器檢測系統在人們日常生活中得到了越來越普遍的運用。同時在工業控制中也扮演著一個不可或缺的角色。但隨著任務中的要求越來越高，單一的傳感器曾經不能滿足人們任務的需求，傳感器網絡便應運而生。而進一步為了擺脫電纜、數據傳輸線的束縛，無線傳感器網絡便成為了當今最為熾熱的研討方向之一。如今對工業控制自動化程度的要求越來越高,傳統工業系統中監測點和控制點的安裝

17、都是采用有線銜接方式，而有線方式會遭到布線，供電，安裝場所和維修等的限制，呵斥安裝和維護的困難，將無線傳感器網絡(WSN)技術廣泛運用于各種工業控制中，可以很好的處理這些問題，并具有諸多優勢，合理的運用這種技術將大力推開工業的開展。“傳感器網絡實現了數據的采集、處置和傳輸三種功能。它與 HYPERLINK baike.baidu/view/.htm t _blank 通訊技術和 HYPERLINK baike.baidu/view/.htm t _blank 計算機技術共同構成 HYPERLINK baike.baidu/view/.htm t _blank 信息技術的三大 HYPERLINK

18、 baike.baidu/view/.htm t _blank 支柱。而無線傳感器網絡Wireless Sensor Network, WSN那么是指由大量的靜止或挪動的 HYPERLINK baike.baidu/view/.htm t _blank 傳感器以 HYPERLINK baike.baidu/view/.htm t _blank 自組織和 HYPERLINK baike.baidu/view/.htm t _blank 多跳的方式構成的 HYPERLINK baike.baidu/view/.htm t _blank 無線網絡，以協作地感知、采集、處置和傳輸網絡覆蓋地理區域內被感

19、知對象的信息，并發送給察看者。傳感器、感知對象和察看者構成了無線傳感器網絡的三個要素。壓力丈量對實時監測和平安消費具有重要的意義。在工業消費中，為了高效、平安消費，必需有效控制消費過程中的諸如壓力、流量、溫度等主要參數。由于壓力控制在消費過程中起著決議性的平安作用，因此有必要準確丈量壓力。如今壓力參數的檢測、報警與控制，已深化到國民經濟和人們生活的各個領域。目前工業過程控制領域中運用力學量傳感器最多的是壓力傳感器。壓力傳感器是工業過程控制領域中的關鍵組成部分，也是本課題所研討的壓力檢測系統中的重要組成部分，由各種壓力敏感元件將被測壓力信號轉換成容易丈量的電信號做輸出，給顯示儀表顯示壓力值，或供

20、控制和報警運用。所以本文以丈量壓力為代表，研討并設計了基于CC的傳感器網絡來進展數據的檢測、傳輸與處置。.無線傳感器網絡的運用無線傳感器網絡的興起和開展，使它逐漸運用在各個領域。剛開場由于無線傳感器網絡的價錢比較昂貴，只運用到軍事工程中。隨著科技的開展和傳感器的本錢降低，無線傳感器網絡逐漸運用到其他工程中，它的常見運用如下所述： = * GB 軍事領域軍事領域的運用需求是無線傳感器網絡產生和開展的推進力，利用一些飛行器將或導彈發射等方式，可以將傳感器布散在敵軍陣地，經過無線傳感器采集周圍的環境信息并經過衛星把信息傳回基地，經過分析傳達的信息可以判別敵方的軍事行動。 = * GB 智能農業農民種

21、植莊稼時需求各種信息，首先把大量傳感器節點分布到需求監控的區域，經過各種傳感器采集環境信息，以協助 農民及時發現問題和處理問題。這樣運用智能化的遠程控制設備可以提高農業的消費效率。 = * GB 醫療安康 醫生將特定用途的傳感器安裝在病人的身上，例如(血壓、心率)監控設備，利用傳感器網絡，以及時了解監護病人的病情并進展處置，從而保證病人的命平安。 = * GB 智能家居人們可以將傳感器布置到各個房問，獲取每個房問的溫度，并經過無線傳感器網絡控制平衡的居室溫度。當屋內的燃氣走漏時或者屋內煙霧濃度過高時，傳感器向窗戶驅動器發出信號，使窗戶自動翻開。無線傳感器網絡給人們提供了更加溫馨和智能的家居環境

22、。.國內外研討現狀無線傳感器網絡研討開場于世紀年代，在國防平安、反恐抗災、環境監控、醫療衛生、交通管理、工業控制等方而有著宏大的運用前景下,國際上，許多著名高校和大公司紛紛參與無線傳感器技術的研討之中，這也加快了無線傳感器網絡的開展。年，在卡耐基-梅隆大學，DARPADepartment of Advanced Research Project Agency)成立了分布式傳感器網絡任務組，它的主要任務就是研討傳感器網絡中的通訊來滿足軍方對偵查系統的需求。以后，DARPA又結合美國國家自然科學基金設立了多項有關無線傳感器網絡的研討工程，由此拉開了無線傳感器網絡研討的序幕。其他興隆國家和許多大公司

23、也相繼啟動了關于無線傳感器網絡的研討，其中代表性的研討包括以下兩種： = * GB 年的WINS方案，由DARPT資助。加州洛杉磯分校和羅克韋爾研討中心協作展開WINS方案，其研討的目的是結合MEMS技術、信號處置技術、嵌入式計算和無線通訊技術，構成大規模、復雜的集成傳感器系統，實現物理世界與網絡世界的鏈接。 = * GB 年，因特爾公司伯克利研討實驗室和加州大學伯克利分校協作，將安有D型電池的第二代傳感器網絡，設在緬因州大鴨島上，實現對敏感野生動物及其棲息地的環境監測。在國內，無線傳感器網絡的研討也被非常注重。年發布的確定了信息技術開展的三個前沿方向，其中的智能感知網絡和自組織網絡就與無線傳

24、感器網絡有關。近年來我國許多高校也對無線傳感器網絡進展了研討，它們都在無線傳感器網絡的研討上都獲得了一定的成果。無線傳感器網絡作為新一代網絡，它發揚著關鍵性的作用。不僅推進著科技的開展和社會的進歩，而且曾經成為國際競爭的焦點和制高點。目前無線傳感器網絡還處在開展階段，我國的實際研討和工程實際都和國外還存在著一定的差距，實際成果難以運用到實踐工程中，實現的本錢和可靠性還不能滿足實踐需求，所以無線傳感器網絡在實踐工程中的運用還有待進一步研討。.論文的主要內容及構造安排本論文主要研討“基于ZigBee技術的無線壓力傳感器設計，包括節點的硬件設計、無線傳感器網絡的組建、對壓力數據的丈量與處置。本文共分

25、為六章：第一章為緒論，論述了ZigBee無線傳感技術和壓力監測系統的研討背景及意義； 第二章簡單引見了ZigBee技術概略；第三章對整個無線壓力傳感器系統進展系統分析與概要設計；第四章主要論述了如何進展基于CC芯片傳感器節點的硬件設計；第五章對設計采用的軟件開發環境進展簡單引見，引見Z-Stack協議棧任務流程，編寫數據檢測部分程序和上位機軟件程序；第六章為總結與展望，對整個設計進展回想和總結，并提出進一步展望。第二章 ZigBee技術簡介. ZigBee簡介近年來，隨著無線接入技術的日益開展，無線通訊和無線網絡均呈現出爆炸添加的趨勢。這有力的地推進無線通訊向著高速通訊方向的開展。工業、農業、

26、車載電子系統、智能家居網絡、和醫用傳感器等都是無線通訊的重要領域。此外，物聯網The Internet of things也是 ZigBee 運用的主要戰場，物聯網利用部分網絡或互聯網等通訊技術把傳感器、計算機、人員等節點聯在一同，完成人與物、物與物的相互銜接，實現 HYPERLINK baike.baidu/view/.htm t _blank 信息化、智能化的網絡。而這些領域對數據吞吐量的要求很低，但對功率耗費的要求比現有規范更高。 為了促進簡一方便、隨意運用的無線安裝的大力開展，需求在的個人活動空間內布置大量密集的無線接入點，因此價錢能否低廉將顯得尤為重要，為了降低元器件價錢，便于批量消

27、費，一個規范的處理方案是非常必要的。這個方案需求思索的中心問題是低功耗和低本錢。這也決議了其為低帶寬低速率的數據傳輸方式。ZigBee規范就是專為低數據速率、短間隔 無線網絡通訊設立的一系列通訊協議規范。基于ZigBee任務的無線設備任務在固定的頻段，分別是 .GHz、MHz歐洲和 MHz美國，其最大數據傳輸速率是Kbps。ZigBee主要運用在一些以電池為電源的場景中，對功耗的有較高的要求。因此在一些運用中，無線設備并不是繼續開啟的，大部分時間都是處于等待喚醒的休眠方式。因此，ZigBee設備經常可以任務數年而不用改換電池。 . ZigBee的技術規范. IEEE .規范近年來，隨著通訊技術

28、的迅速開展，人們認識到了在附近幾米范圍內短間隔 通訊的需求，個人區域網絡personal area network, PAN和無線個人區域網絡wireless personal area network, WPAN的概念就隨之出現。WPAN網絡指的是在短間隔 小范圍內建立設備之間的無線銜接，使之可以相互通訊甚至接入互聯網。年月成立的IEEE .任務組，努力于WPAN網絡的物理層PHY和媒體訪問層MAC的規范化任務，目的是為了在短間隔 范圍內相互通訊的無線通訊設備提供通訊規范。 IEEE .任務組內有四個義務組來制定在傳輸速率、功耗和支持的效力等方面都存在差別的不同規范使其運用在不同的場所。第一

29、義務組即制定IEEE .規范，也就是人們熟知的藍牙Bluetooth技術，其全稱為藍牙無線個人區域網絡規范，是一個通常用于手機、 HYPERLINK baike.baidu/view/.htm t _blank 無線耳機等挪動設備的中等速率、短間隔 的WPAN網絡規范。第四義務組所制定的就是IEEE .規范。該規范把低能量耗費、低速率傳輸、低本錢作為首要目的，旨在為個人或者家庭等小范圍內不同設備之間的低速互連提供一致完善的規范。即低速無線個人區域網絡low-rate wireless personal area network, LR-WPAN，LR-WPAN的技術要求與傳感器網絡有很多共通之

30、處，所以很多研討機構都把IEEE .作為傳感器的通訊規范。 . ZigBee網絡協議的規范及特點ZigBee采用IEEE .規范作為其物理層PHY和媒體訪問層MAC協議。即遵照ZigBee的設備也同樣遵照IEEE .規范。但由于IEEE .規范只定義了物理層協MAC層協議，年月由美國HONEYWELL等公司發起并成立了ZigBee聯盟，并對其網絡層協議和API進展規范化，新開發了平安層。經過ZigBee聯盟對IEEE .規范的改良后才真正的構成了真正意義上的ZigBee協議棧。 ZigBee技術的超低數據傳輸速率意味著它并不順應全部場景的運用。例如銜接無線互聯網或者CD音質的無線耳機，Zigb

31、ee都無能為力。由于這些運用的數據傳輸速率都需求到達Mbps以上。但是假設無線通訊的目的僅僅只是發送或接納簡單的信息或控制命令，如從傳感器搜集信息，溫度、濕度、壓力傳感器等或傳送對某些芯片的控制信息，那么ZigBee將會提供比藍牙和IEEE .b更有性價比、更為高效的處理方案。ZigBee技術具有數據傳輸速率低的特點，只需KB/秒KB /秒，專注于低傳輸速率運用，由于數據傳輸速率低、協議簡單，使得ZigBee同時具備了功耗小、本錢低、網絡容量大的特點，一個ZigBee網絡最多可包容 ,個設備。同時也兼顧了平安性和任務頻段靈敏的特點，ZigBee 提供了數據完好性檢查和鑒權功能，采用AES-加密

32、算法。ZigBee運用頻段為.GHz、MHz歐洲和MHz美國，均為免執照免費的頻段。.無線網絡數據傳輸協議對比 如今，無線通訊技術在信息通訊領域得到了快速開展，它使隨時隨地地接入網絡獲取信息變成了能夠，使通訊擺脫了物理銜接上的束縛。目前無線通訊按照通訊間隔 范圍可以劃分成廣域和局域兩種，廣域的通常指他們手機運用的挪動通訊網，目前曾經由第三代開展到了LTE技術，正在向第四代過度。 而局域是指短間隔 小范圍的無線通訊，其技術規范比較多，其中運用最為廣泛分別是無線寬帶(Wi-Fi)、藍牙Bluetooth、和ZigBee技術三種。Wi-FiWireless Fidelity即無線保真技術，這種技術基

33、于IEEE.a、IEEE.b、IEEE.g和IEEE.n，運用.GHz附近的頻段，它的特點是傳輸間隔 長、速率快可以到達數百兆。藍牙Bluetooth是由愛立信、IBM、Intel和諾基亞等公司于年提出的一種近間隔 無線數據通訊技術規范。能在米的半徑范圍內實現單點對多點的無線數據傳輸，傳輸帶寬最高可達Mbps。運用在.GHz到.GHz之間的頻段。表-. 各種無線網絡數據傳輸協議對比市場名規范GPRS/GSMxRTT/CDMAWi-FiTM.bBluetoothTM.ZigBeeTM.運用重點寬廣范圍聲音&數據Web、圖像電纜替代品監測&控制系統資源MB+MB+KB+KB-KB電池壽命天.+網絡

34、大小/帶寬KB/s-+-傳輸間隔 米+技術優勢覆蓋面大、質量高速度/靈敏性價錢廉價、方便可靠、低功耗、價錢廉價. ZigBee的網絡拓撲模型 在IEEE.規范的無線網絡中共有兩類設備，全功能設備FFD和半功能設備RFD。其中全功能設備FFD可以執行IEEE .規范中的全部功能，同時可以作為網絡中的一切角色。而半功能設備RFD只能執行IEEE .規范中的部分功能，且只能和全功能設備通訊。所以半功能設備RFD都用來執行一些簡單的運用，相應的，它的數據處置才干和內存配置都較全功能設備FFD有一定差距。ZigBee的網絡拓撲構造主要分為星型網絡、網狀網絡和簇狀網絡三種。網絡的拓撲構造不同，網絡中的配置

35、也不同。一切網絡節點共分為三種類型：協調器co-ordinator、路由器route和終端節點end device。其拓撲構造的表示圖見圖-.所示。其中end device具有最小的內存配置和最弱的處置才干和特性，end device通常是一個網絡中最廉價的設備。在本設計中運用銜接壓力傳感器的CC芯片作為end device。銜接PC的CC芯片作為coordinator。星型/網狀型簇狀型網絡協調器器全功能設備，FFD精簡功能設備，RFD圖-. Zigbee的網絡拓撲構造. ZigBee的運用范圍 ZigBee 在日常生活、軍事和許多其他方面都有大量的運用。例如智能家居、智能建筑、自動化控制、

36、數字化醫療等領域。運用于農業上，可以對土地、水和空氣等環境資源的溫度實行實時監控，保證農業消費的順利進展；運用于軍事上，可以對戰場人員的體溫等安康情況進展監控，以保證戰場人員的人身平安；運用于城市中，可以有效的在公共場所對火災等平安問題實施預防和報警；運用于醫療領域，可以對患者的體溫等參數信息進展實時監控，最大限制保證患者的平安。利用ZigBee技術來完成以上的義務是一個非常明智的選擇，由于這樣可以防止龐大的布線，不需求高功耗和高昂的硬件本錢，而是能以最低的本錢獲得最大的收益。Zigbee的運用范圍見圖-.所示。 圖-. Zigbee的運用范圍第三章 系統分析與概要設計.系統可行性分析可行性分

37、析是指經過對 HYPERLINK baike.baidu/view/.htm t _blank 工程的主要內容和配套條件，如市場需求、資源供應、建立規模、工藝道路、設備選型、環境影響、資金籌措、盈利才干等，從技術、經濟、工程等方面進展調查研討和分析比較，并對工程建成以后能夠獲得的財務、 HYPERLINK baike.baidu/view/.htm t _blank 經濟效益及社會環境影響進展預測，從而提出該工程能否值得投資和如何進展建立的咨詢意見，為 HYPERLINK baike.baidu/view/.htm t _blank 工程決策提供根據的一種綜合性的 HYPERLINK baik

38、e.baidu/view/.htm t _blank 系統分析方法。可行性分析應具有預見性、公正性、可靠性、科學性的特點。.技術可行性分析技術可行性分析是指，以現有的技術程度完成設計任務的可行性。其中包括軟件、硬件能否實現所要求的功能，國內外相關研討的進展情況等。本設計所運用技術主要有：嵌入式技術、CC芯片仿真、編譯、調試等。C#串口通訊編程等，都是早以成熟的技術，并且有許多優秀的處理方案可以參考。為了實現壓力傳感器對數據的采集與處置的設計任務，首先要做的任務就是查閱、搜集有關傳感器網絡、ZigBee技術、CC芯片等等的資料，了解國內外其研討進展，了解技術特點、掌握芯片功能和相關技術。熟習所運

39、用到的整體硬件架構如以CC為中心的硬件電路和軟件開發環境，(如IAR和Visual Studio )，以模塊化的方式逐漸完成系統的設計仿真與實現。.經濟可行性分析 經濟可行性分析是指分析整個設計工程所需本錢和預期效益。在技術可行的前提下選擇最可靠、最經濟的處理方案。本設計采用的基于CC芯片的ZigBee無線通訊處理方案，其具有硬件節點低本錢、制造容易、對功耗要求低的特點。本設計在經濟上完全可行并且運用前景良好。.系統需求分析本設計的主要目的是采集壓力傳感器的實時數據并傳送至計算機上進展處置。主要包括：經過壓力傳感器丈量被測件的壓力得到實時壓力數據，對數據進展處置后按照zigbee技術規范利用無

40、線通訊傳輸到計算機上，在串口顯示程序上實時顯示，用戶可以對采集的數據進展繪圖、統計、存儲等功能。經過檢測、處置分析關鍵位置的實時壓力情況，來確保工業消費的正常進展或發現日常生活中的潛在的平安問題。這要求所測數據的準確性，同時要求該系統應具有較強的抗干擾才干。. 系統架構設計可以把整個系統的軟件和硬件劃分成不同的模塊，分別進展設計和調試，最后再把他們組裝起來進展總體調試，到達系統需求。模塊化的設計易于編程和調試，可以減小缺點率，提高系統的可靠性。以CC為中心的硬件發送電路，發送端Zigbee標Z-Stack協議無線傳輸計算機數據接納程序數據處置程序壓力采集程序壓力采集電路以CC為中心的硬件接納電

41、路，接納端串行口通訊圖-. 系統組成框圖本設計中的硬件電路包括：以CC為中心的主控制電路和RF無線發送電路，壓力采集電路，信號處置電路，電源供應電路和接口電路。以上部分共同構成了一個根本的無線傳感器網絡的節點設備。如圖-.所示，將整個系統分為如下模塊，首先經過設計壓力采集電路，把待測點的壓力數據采集并進展初步處置。經過運轉在CC內部的加強型單片機的下位機程序來執行，以CC為中心的硬件電路，經過Z-Stack協議棧集成在CC內部的基于Zigbee技術的協議棧進展無線數據的發送與接納。最后，在計算機端，經過軟件程序對接納到的數據進展處置。整個設計的硬件電路如圖-.所示。共分為如下幾個部分。壓力數據

42、采集電路。信號放大電路，主控制器及其外圍電路如晶振電路、天線發送電路、串口轉USB電路以及電源供應電路。主控模塊中包括A/D轉換模塊，由于從傳感器采集到的數據都是延續的模擬量，而計算機只能處置數字量，這就需求一個A/D模塊來進展模數轉換。還包括一個編程接口，用來接入JTAG仿真器或者燒入程序。MCU CC是本系統的中心處置器，也是.GHz射頻無線收發器。處置器外部配有MHz和.KHz兩個頻率的兩個的外部晶振，分別作為系統晶振電路和實時時鐘震蕩電路；整個中心部分經過DC .V進展供電。主控制器電路外圍電路電源供給電路信號放大電路壓力數據采集電路串口轉USB電路 圖-. 硬件電路表示圖本設計的壓力

43、傳感器選用壓阻式壓力傳感器。經過三運放放大電路對壓力信號進展放大，再經過CC內部的AD進展數據采集與轉換。CC運用P_接口進展數據采集。軟件部分主要包括下位機和上位機兩部分，在硬件設備與電腦銜接后，經過CC仿真器把下位機采集壓力數據的程序燒進芯片中；一部分是經過Microsoft Visual Studio 進展開發編寫的串口通訊數據處置程序。第四章 基于CC的硬件平臺設計. 壓力傳感器的設計.壓力傳感器的選擇壓力傳感器是工業實際中最為常用的傳感器之一，由各種對壓力敏感元件將容易丈量的被測壓力信號轉換成容易傳輸和處置的電信號，供壓力顯示儀表或控制、報警運用。其廣泛運用于各種自控環境，涉及智能建

44、筑、消費自控、水利、交通、航天、軍工、石化、電力、船舶、管道等眾多行業。按照其任務原理，可將壓力傳感器分為壓阻式壓力傳感器、壓電式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、電感式壓力傳感器等等，其中由于壓阻式壓力傳感器具有構造簡單、靈敏度高、丈量范圍大、速度快、價錢廉價、工藝成熟、便于選擇和運用的優點，在多種領城都有很廣泛的運用。但同時也具有輸出信號微弱，抗干擾才干較差的缺陷，因此信號線有時需求采取屏蔽措施。.壓阻式壓力傳感器構造與原理壓阻式壓力傳感器中最重要的部分是電阻應變片，電阻應變片是一種壓力敏感器件。經過特殊的粘和劑將電阻應變片嚴密的粘合到彈性敏感元件上后，就可以將元件上機械應力變化轉換成與其相關

45、的電阻值的變化，再設法將這種電阻值的變化轉換成為容易處置的電壓或電流的變化，從而完成對被測件壓力大小的丈量。電阻應變片中運用最多的是金屬電阻應變片和半導體應變片兩種。金屬電阻應變片又可分為絲狀應變片和金屬箔狀應變片。普通電阻應變片都會組成應變電橋，并經過后續的信號處置電路進展放大、濾波之后，再傳輸給控制電路通常是A/D轉換器和CPU顯示或進展控制操作。 電阻應變片主要由電阻絲敏感器、基底、覆蓋層、引出線四部分構成，如圖-.所示。電阻絲是壓力敏感元件;基底、覆蓋層起定位和維護電阻絲的作用；并保證電阻絲和被測試件之間絕緣;引出線用以銜接丈量導線以便后續操作。覆蓋層基底敏感器引線圖-.電阻應變片的根

46、本構造電阻應變片的阻值可以根據不同的用途來設計，但應該控制電阻阻值的取值范圍：假設所取電阻阻值太小，需求的驅動電流就太大，與此同時應變片的發熱會導致本身的溫度過高。在不同的環境中運用，應變片的阻值會有很大變化，輸出時的零點漂移明顯，使得調零電路過于復雜。而電阻太大，阻抗太高，抵抗外界的電磁干擾才干就會隨之變差。所以普通應變片的阻值都取為幾十歐至幾十千歐。如圖-.所示，一段圓截面的金屬絲導線,設其長為L,截面積為A直徑為D,原始電阻為R，金屬導體的 HYPERLINK dianzu.gkzhan t _blank o 電阻 電阻值可用下式表示： R=LA (-)式中：金屬導體的 HYPERLIN

47、K dianzu.gkzhan t _blank o 電阻 電阻率cm/m A導體的截面積cm L導體的長度m 圖-. 金屬電阻絲應變效應當金屬絲遭到軸向力F而被拉伸或緊縮產生形變,其電阻值會隨之變化,經過對.式兩邊取對數后再取全微分得 -式中為資料軸向線應變 ,且，跟據資料力學,在金屬絲單向受力形狀下有 (-)式中為導體資料的泊松比。因此,有 (-)實驗發現,金屬資料電阻率的相對變化與其體的相對變化間的關系為 (-)式中，c為常數(由特定的資料和加工方式決議)，將式 (-)代入 (-) ，且當R=R時，可得 (-)式中，k=(+)+c(-)為金屬絲資料的應變靈敏系數。上式闡明，金屬資料電阻的

48、相對變化與其線應變成正比。這就是金屬資料的應變電阻效應。當金屬絲受外力作用時，其長度和截面積都會發生變化，從-式中可很容易看出，其 HYPERLINK dianzu.gkzhan t _blank o 電阻 電阻值即會發生改動。假設金屬絲受外力作用而伸長時，其長度添加，而截面積減少， HYPERLINK dianzu.gkzhan t _blank o 電阻 電阻值便會增大。當金屬絲受外力作用而緊縮時，長度減小而截面添加， HYPERLINK dianzu.gkzhan t _blank o 電阻 電阻值那么會減小。只需測出加在 HYPERLINK dianzu.gkzhan t _blank

49、 o 電阻 電阻的變化通常是丈量 HYPERLINK dianzu.gkzhan t _blank o 電阻 電阻兩端的電壓，即可獲得應變金屬絲的應變情況。 .電阻應變片的丈量電路在運用應變片丈量被測件壓力變化時，最為重要的步驟就是采取適當的方法對其電阻值的微小變化進展丈量。在實際中，普通采取的方法是把應變片接入某種特殊電路，讓其電阻值的變化控制這個特殊電路的某些輸出通常為電壓或電流，然后對這個電信號進展相應的處置即可。由于這個電路輸出的信號能完全反響出電阻值的變化。 圖-. 丈量電橋電路惠斯通電橋就是一種非經常用的可以準確丈量電阻變化的電路。它是以應變片作為其部分橋臂或全部橋臂的四臂電橋。它

50、能把應變片電阻值的微小變化轉化成輸出電壓的變化。典型構造如圖-.所示。從前面的討論可知，應變片的作用是將構件外表的壓力應變轉變為電阻的變化。其關系式為RR=K普通 R= K= .。假設取 K=. =-那么 R=KR= . .顯然R太小了，這非常不便于丈量，為了到達所需目的，首先要將電阻應變片的電阻變化轉換成電壓電流信號的變化，之后再將該信號放大送入處置器進展數據處置。 = * GB 電橋的輸出電壓設電橋中四個橋臂的電阻阻值分別為R、R、R、R。這其中恣意一個電阻都可以由電阻應變片擔任，AC兩端作為直流電源輸入端，用UAC表示，從ABC半個橋看，流經R的電流I1= UACR1+R2 -R兩端壓降

51、：UAB=I1 R1=R1R1+R2UAC -R兩端壓降：UAD=I3 R3=R3R3+R4UAC -電橋輸出電壓：Uo=UAB-UAD=R1R4 -R2R3(R1+R2 )(R3+R4) -由上式可知，當R1R4=R2R3時，電橋輸出電壓Uo=0,此時稱該電橋處于平衡形狀。設處于平衡形狀的電橋在遭到形變后，各橋臂的電阻增量分別為R、R、R、R 。那么此時電橋的輸出電壓為：Uo=(R1+R1)(R4+R4) -R2+R2R3+R3(R1+R1+R2+R2 )(R3+R3+R4+R4)UAC -假設將平衡條件R1R4=R2R3帶入上式，并思索RiRi，略去高階微量，那么電橋的輸出電壓為： Uo=

52、UACR1R2R1+R22(R1R1-R2R2-R3R3+R4R4) -假設四個橋臂都為電阻應變片，且每個應變片的靈敏度K值均一樣，代入公式 -。那么整個電橋的輸出電壓為 U0=UACK41-2-3+4 - = * GB 電橋的平衡圖-.設置預調平衡電路丈量前，必需先使電橋處于平衡形狀，即電橋無輸出。但由于應變片電阻值總有偏向，另外由于接觸電阻，導線電阻等的存在，往往電橋不能平衡，因此需設置預調平衡電路，為此在電橋中添加R5電阻和R6電位器，如圖-.所示。 = * GB 電橋的銜接方法 = * GB 半橋接線法在丈量電橋的橋臂AB、BC上銜接應變片，另外兩橋臂AD、CD上銜接應變儀內部固定電阻

53、R，那么稱半橋接線法。由于下半個橋接的固定電阻不感受應變，由公式可得應變儀的讀數應變為： d=1-2 -實踐丈量時，可分為兩種情況 = * alphabetic a半橋丈量：電橋的AB、BC橋臂銜接應變片。 = * alphabetic b半臂丈量：電橋的AB、BC橋臂，任一橋臂上接任務應變片，而另一橋臂接溫度補償片。 = * GB 全橋接線法在丈量電橋的四個橋臂上都接上應變片。對于等臂電橋，此時應變儀的讀數應由公式-可得出：d=1-2-3+4 -實踐丈量時，可分兩種情況： = * alphabetic a全橋丈量：四個橋臂上都接任務應變片； = * alphabetic b相對兩臂丈量：電橋

54、相對兩臂接任務應變片，另相對兩臂接溫度補償片。. 溫度補償由于溫度的變化，壓力傳感器經常會發生零點漂移，呵斥丈量上的誤差，這時就需進展溫度補償。常用的溫度補償方法有兩種，補償塊補償法與任務片補償法。 = * GB 補償塊補償法 圖-.設置溫度補償方式如圖-.所示，在被測基體上粘貼應變片R1作為任務片，銜接至AB橋臂上。在補償塊上粘貼應變片R2作為補償片，銜接至BC橋臂上，AD和CD橋臂接固定電阻組成等臂電橋。當R、R阻值因溫度的變化是一樣的，利用橋路特性即消除影響。 = * GB 任務片補償法在被測件上粘貼多個一樣的任務應變片后將它們接入電橋中。這樣當被測件遭到壓力作用形變時，每個應變片都遭到

55、外力和溫度共同作用引起的形變，根據橋路根本特性可消除t ,減少溫度的影響。 . 信號放大電路. 放大器的選擇被測的非電量經傳感器得到的電信號幅度很小，無法進展A/D轉換，必需對這些模擬電信號進展放大處置。為使電路簡單便于調試，本設計采用三運算放大器電路，由于在具有較大共模電壓的條件下，儀表放大器可以對很微弱的差分電壓信號進展放大，并且具有很高的輸入阻抗。這些特性使其遭到眾多運用的歡迎，廣泛用于丈量壓力和溫度的應變儀電橋接口、熱電耦溫度檢測和各種低邊、高邊電流檢測。. 三運放放大電路本次設計的放大器采用了三運放放大電路，由于它具有高共模抑制比的特點。輸出級圖-. 三運放放大電路它由三個集成運算放

56、大器組成，如圖-.所示。其中A和A為兩個性能一致(主要指輸入阻抗，共模抑制比和增益)的同相輸入通用集成運算放大器，構成平衡對稱差動放大輸入級，A構成雙端輸入單端輸出的輸出級，用來進一步抑制A和A的共模信號，并順應接地負載的需求。由于每個放大器求和點的電壓等于施加在各自正輸入端的電壓，因此，整個差分輸入電壓如今都呈如今RG兩端。由于輸入電壓經過放大后在A 和A的輸出端的差分電壓呈如今R，RG和R這三只電阻上，所以差分增益可以經過僅改動RG進展調整。這種銜接有另外一個優點：一旦這個減法器電路的增益用比率匹配的電阻器設定后，在改動增益時不再對電阻匹配有任何要求。假設RR，RR和RR，那么VOUT=(

57、VINVIN)(R/RG)(R/R)。由于RG兩端的電壓等于VIN，所以流過RG的電流等于VIN/RG，因此輸入信號將經過A 和A 獲得增益并得到放大。然而須留意的是對加到放大器輸入端的共模電壓在RG兩端具有一樣的電位，從而不會在RG上產生電流。由于沒有電流流過RG也就無電流流過R和R，放大器A 和A 將作為單位增益跟隨器而任務。因此，共模信號將以單位增益經過輸入緩沖器，而差分電壓將按 RF/RG的增益系數被放大。這也就意味著該電路的共模抑制比相比與原來的差分電路增大了 RF/RG倍。在實際上闡明，得到所要求的前端增益由RG來決議，而不添加共模增益和誤差，即差分信號將按增益成比例添加，而共模誤

58、差那么不然，所以比率增益差分輸入電壓/共模誤差電壓將增大。因此CMR實際上直接與增益成比例添加，這是一個非常有用的特性。最后，由于構造上的對稱性，輸入放大器的共模誤差，假設它們跟蹤，將被輸出級的減法器消除。這包括諸如共模抑制隨頻率變換的誤差。. 主控制器CC 是德州儀器Texas Instruments，簡稱：TI所開發的用于.-GHz、遵照 HYPERLINK baike.baidu/view/.htm IEEE .、ZigBee規范和RFCE技術的 HYPERLINK baike.baidu/view/.htm 片上系統SOC處理方案。該方案以低廉的本錢、簡單的硬件需求，就可建勝利能強大的

59、網絡節點。CC芯片結合了領先的RF 收發器的優良性能。其管腳圖如圖-.所示。圖-. CC管腳圖CC內設有一加強型單片機，運用規范的指令集，內核的對象代碼兼容業界規范的微控制器，他們在功能上是等同的，但卻比規范的快的多，由于它的每個指令周期是一個時鐘，而規范的每個指令周期是個時鐘，由于由于一個指令周期與能夠的內存存取是一致的，大多數單字節指令在一個時鐘周期內執行，這樣消除了總線形狀的浪費。除了速度提高之外，加強型還包括構造上的改善，例如第二個數據指針和一個擴展的源中斷單元等。系統內置可編程閃存，-KB RAM 和許多其它強大的功能。CC 有四種不同的閃存版本：CCF/，分別具有/KB 的閃存。C

60、C內部還具有強大的 通道DMA、IEEE . MAC HYPERLINK baike.baidu/view/.htm 定時器，通用定時器一個 位定時器，一個 位定時器、具有 路輸入的個可配置分辨率的 位ADC、個支持多種 HYPERLINK baike.baidu/view/.htm 串行通訊協議的強大USART、個通用I/O HYPERLINK baike.baidu/view/.htm 引腳 mA， mA。CC 具有不同的運轉方式，使得它尤其順應超低功耗要求的系統。運轉方式之間的轉換時間短，進一步確保了低能源耗費。還具有順應.-GHz、IEEE .規范的RF 收發器，其擁有極高的接納靈敏度