【正文】 中的配置也不同。 其 拓撲結構的示意 圖見圖 所示 。在本設計中使用連接壓力傳感器的 CC2530 芯片作為 end device。 星型 //////////// 網(wǎng)狀型 簇狀型 網(wǎng)絡協(xié)調器器 全功能設備， FFD 精簡功能設備， RFD 中國礦業(yè)大學 2020屆本科生畢業(yè)設計 第 7頁 圖 Zigbee的網(wǎng)絡拓撲結構 ZigBee 的應用范圍 ZigBee 在日常生活、軍事和許多其他方面都有大量的應用。 應用 于 農(nóng)業(yè)上，可以對土地、水和空氣等環(huán)境資源的溫度實行實時監(jiān)控，保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的順利進行；應用于軍事上，可以 對戰(zhàn)場人員的體溫等健康狀況進行監(jiān)控，以保障戰(zhàn)場人員的人 身 安全；應用于城市中，可以有效的在公共場所對火災等安全問題實施預防和報警；應用于醫(yī)療領域，可以對患者的體溫等參數(shù)信息進行實時監(jiān)控，最大限度保障患者的安全。 Zigbee 的應用范圍見圖 所示?？尚行?分析應具有預見性、公正性、可靠性、科學性的特點。其中包括軟件、硬件能否實現(xiàn)所要求的功能，國內(nèi)外相關研究的進展情況 等 。 C串口通信編程等，都是早以成熟的技術，并且有許多優(yōu)秀的解決方案可以參考 。熟悉所應用到的整體硬件架構（如以 CC2530 為 核心 的硬件電路）和軟件開發(fā)環(huán)境， (如 IAR 和 Visual Studio 2020)，以模塊化的方式逐步完成系統(tǒng)的設計 仿真 與實現(xiàn) 。在技術可行的前提下選擇最可靠、最經(jīng)濟的解決方案。本設計在 經(jīng)濟上完全可行 并 且 應用前景良好。 主 要包括：通過壓力傳感器測量被測件的壓力得到實時壓力數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行處理后 按照 zigbee 技術 標準利用 無線 通信 傳輸?shù)接嬎銠C上， 在串口顯示程序上實時顯示，用戶可以對采集的數(shù)據(jù)進行繪圖、 統(tǒng)計、 存儲等功能。這要求 所測數(shù)據(jù)的準確性，同時要求該系統(tǒng)應具有較強的抗干擾能力。模塊化的設計易于 編程和調試，可以減小故障率，中國礦業(yè)大學 2020屆本科生畢業(yè)設計 第 9頁 提高系統(tǒng)的可靠性。以上部分共同構 成了一個基本的無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點設備。通過運行在 CC2530 內(nèi)部的增強型 8051 單片機的下位機程序來執(zhí)行，以 CC2530 為核心的硬件電路， 通過 ZStack 協(xié)議棧 （集成在 CC2530內(nèi) 部的基于 Zigbee 技術的協(xié)議棧） 進行無線數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。 整個設計的硬件電路 如圖 所示。壓力數(shù)據(jù)采集電路。 主控模塊中包括 A/D 轉換模塊，因為從傳感器采集到的數(shù)據(jù)都是連續(xù)的模擬量，而計算機只能處理數(shù)字量，這就需要一個 A/D 模塊來進行模數(shù)轉換。 MCU CC2530 是本系統(tǒng)的核 心處理器，也是 射頻無線收發(fā)器。 以 CC2530 為核心的硬件發(fā)送電路，發(fā)送端 Zigbee 標 ZStack 協(xié)議 無線傳輸 計算機 數(shù)據(jù)接收程序 數(shù)據(jù)處理程序 壓力采集程序 壓力采集電路 以 CC2530 為核心的硬件接收電路，接收端 串行口通信 中國礦業(yè)大學 2020屆本科生畢業(yè)設計 第 10頁 圖 硬件電路示意圖 本設計的壓力傳感器選用 壓阻式壓力傳感器 。 CC2530 使用 P0_7 接口進行數(shù)據(jù)采集。 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(shù)據(jù)采集電路 串口轉 USB 電路 中國礦業(yè)大學 2020屆本科生畢業(yè)設計 第 11頁 第四章 基于 CC2530 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(yè)實踐中最為常用的傳感器之一，由各種 對 壓 力敏感元件將容易測量的被測壓力信號轉換成容易傳輸和處理的電信號 ， 供壓力顯示儀 表或控制、報警使用。 按照其工作原理，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結構簡單、靈敏度高、測量范圍大、速度快、價格便宜、工藝成熟、便于選擇和使用 的優(yōu)點， 在多種領城 都 有很廣泛的應用。 壓阻式 壓力傳感器 結構與 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。 電阻應變片 中 應用最多的是金屬電阻應變片和半 導體應變片兩種。一般 電阻 應變片都 會 組成應變電橋，并通過后續(xù)的信號處理電路 進行放大 、濾波之后，再傳輸給控制 電路（通常是 A/D 轉換 器 和 CPU ）顯示或進行控制操作 。電阻絲是壓力 敏感元件 。引出線用以連接測量導線 以便后續(xù)操作 。在不同的環(huán)境中使用 ， 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。 所以 一般 應變片的阻值都取 為幾 十歐至幾十千歐 。cm2/m） A——導體的截面積（ cm2） L——導體的長度（ m） 圖 金屬 電阻絲應變效應 當金屬絲受到軸向力 F 而被拉伸或壓縮產(chǎn)生形變 ,其電阻值會隨之變化 ,通過對（ ）式兩邊取對數(shù)后再取全微分得 ??dAdARdR ??? LdL （ 42） 式中 ??LdL 為材料軸向線應變 ,且 DdDAdA 2? ， 跟據(jù)材料力學 ,在金屬絲單向受力狀態(tài)下有 LdLDdD ??? (43) 式中μ為導體材料的泊松比。)+c(12181。 上式表明 ， 金屬材料電阻的相對變化與其線應變成正比。 當金屬絲受外力作用時，其長度和截面積都會發(fā)生變化，從 （ 41） 式中可很容易看出，其 電阻 值即會發(fā) 生改變 。當金屬絲受外力作用而壓縮時，長度減小而截面增加， 電阻 值則會減小。 電阻應變片的測量電路 在使用應變片測量 被測件壓力變化 時， 最為重要的步驟就是采取 適當?shù)?方法對 其電阻值的微小變化 進行測量 。 因為 這個 電路輸出 的信號 能 完 全反應出 電阻值 的 變化 。 它是以應變片作為其部分 橋臂或全部橋臂的四臂電橋。 典型結構如 圖 所示。其關系式為 一般 R=120Ω K= ~。 ⑴ 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 R4。設處于平衡狀態(tài)的電橋在受到形變后，各橋臂的 電阻增量 分別 為 ΔR ΔR ΔR ΔR4 。 則 整個 電橋 的 輸出電壓為 （ 413） 中國礦業(yè)大學 2020屆本科生畢業(yè)設計 第 15頁 ⑵ 電橋的平衡 圖 設置預調平衡電路 測量前，必須先使電橋處于平衡狀態(tài)，即電橋無輸出。 ⑶ 電橋的連接方法 ① 半橋接線法 在測量電橋的橋臂 AB、 BC 上 連 接應變片，另外兩橋臂 AD、 CD 上 連 接應變儀內(nèi)部固定電阻 R，則稱半橋接線 法。 b 半臂測量：電橋的 AB、 BC 橋臂 ，任一橋臂上接工作應變片，而另一橋臂接溫度補償片。對于等臂電橋，此時應變儀的讀 數(shù)應由公式（ 413）可得出： （ 415） 實際測量時，可分兩種情況： a 全橋測量：四個橋臂上都接工作應變片 ； b 相對兩臂測量：電橋相對兩臂接工作應變片，另相對兩臂接溫度補償片。常用的溫度補償方法有兩種，補償塊補償法與工作片補償法。在補償塊上粘貼 應變片 作為 補償片， 連接至 BC 橋臂上， AD 和 CD 橋臂接固定電阻 組成等臂電橋。 ⑵ 工作片補償法 在 被測件上粘貼 多 個相同的工作應變片后將它們接入 電 橋中。 信號放大電路 放大器的選擇 被測的非電量經(jīng)傳感器得到的電信號幅度很小，無法進行 A/D 轉換，必須對這些模擬電信號進行放大處理。這些特性使其受到眾多應用的歡迎，廣泛用于測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。 中國礦業(yè)大學 2020屆本科生畢業(yè)設計 第 17頁 圖 三運放放大電路 它 由三個集成運算放大器組成，如圖 所示。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，整個差分輸入電壓現(xiàn)在都呈現(xiàn)在 RG 兩端。這種連接有另外一個優(yōu)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，在改變增益時不再對電阻匹配有任何要求。 由于 RG 兩端的電壓等于 VIN，所以流過 RG 的電流等于 VIN/RG， 因此輸入信號將通過A1 和 A2 獲得增益并得到放大。由于沒有電流流過 RG（也就無電流流過 R5和 R6），放大器 A1 和 A2 將作為單位增益跟隨器而工作。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 （ 1＋（ 2 RF/RG） ） 倍。因此 CMR理論 上直接與增益成比例增加，這是一個非常有用的特性。這包括諸如共模抑制隨頻率變換的誤差。該方案以低廉的成本 、簡單的硬件需求， 就可 建成 功能強大的網(wǎng)絡節(jié)點。 其管腳圖如圖 所示。 除了 速度提高之外，增強型 8051 還包括結構上的改善， 例 如第二個數(shù)據(jù)指針 和 一個擴展的 18 源中斷單元 等 。 CC2530 有四種不同的閃存版本： CC2530F32/64/128/256，分別具有 32/64/128/256KB 的閃存。 CC2530 具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統(tǒng)。 還具有 適應 、 IEEE 標準 的 RF 收發(fā)器 ，其擁有 極高的接收靈敏度和抗干擾性能 ， 輸出功率高達 ， 只需極少的外接元件，即可滿足網(wǎng)狀網(wǎng)絡系統(tǒng) 的要求 。 天線發(fā)送 部分 與晶振時 鐘電路 天線 是 無線通信不可缺少的一部分，其基本功能是 發(fā)射 和接收無線電波。 圖 為 RF 射頻天線安裝的電路圖。根據(jù) CC2530 的最高工作頻率及 PLL（鎖相環(huán) 電路 ） 的工作方式，選擇 32MHz 的無源晶體振蕩器 。內(nèi)部 PLL 電路兼有頻率放大和信號提純的功能，因此，系統(tǒng)可以 通過較低 頻率 的外部時鐘信號獲得較高的工作頻率。實時時鐘晶體振蕩電路 （圖中 Y2）也屬于對稱電路，所以震蕩電路對應 引腳 應連接 為 引腳 32（ P24）、引腳 33（ P231） 。 數(shù)據(jù)位 的傳送 按 照位順序以 位（ bit）為單位發(fā)送和接收信息。 例如在 串口用于 ASCII碼字符的傳輸 時 。 從而大大降低了成本，特別適用于遠距離通信， 其缺點是 傳送速度較慢。 而 如果 按照串行數(shù)據(jù)的時鐘控制方式 又可以將串行通信分為兩種：同步串行通信（ SPI）和異步串行通信（ UART） 。 字符 與 字符、字符內(nèi)部位 與 位之間都 是 同步 的 。 數(shù)據(jù)傳 輸 單位 是以字符計算 ，并且 在 傳輸一個字符時， 也 總是以“起始位”開始，以“停止位”結束 。 串口 通信 最重要的參數(shù)是 波特率 、 數(shù)據(jù)位 、停止位和 奇偶校驗 。 波特率 （ Baud rate） 是一個用來衡量通信速率的參數(shù)，即每秒傳送 bit 的個數(shù)。常用的波特率有 4800、 9600、 56000、 19200、 115200等。 高波特率只能用于距離很近的設備之間的通信。假設傳輸數(shù)據(jù)使用的是標準 ASCII 碼。 停止位是指一個數(shù)據(jù)包的最后一位用來標識傳輸?shù)慕Y束。數(shù)據(jù)在傳輸線上傳輸是定時的，而且不同的設備都有自己的時鐘，在通信過程中很可能出現(xiàn)輕微的不同步現(xiàn)象。 奇偶校驗 位 (Parity)是指在通信過程中的一種校驗傳輸正確性的方式。同理在 奇校驗 時，校驗位就應設為“ 1”以達到 3 個邏輯高位。但是由其檢驗原理可以，只能判斷數(shù)據(jù)傳輸出錯卻沒有辦法判斷具體是哪一位發(fā)生變化，因此在錯誤發(fā)生時，只能拋棄全部的數(shù)據(jù)再重新傳輸。該器件內(nèi)置 USB 功能控制器、 USB 收發(fā)器、 振蕩器 和帶有全部調制解調器 控制信號 的 UART，只需外接幾只電容就可實現(xiàn) USB 信號與 RS232 信號的轉換 ， 能夠方便嵌入到各種設備；該器件作為 USB/RS232 雙向 轉換器 ，一方面從 主機 接收 USB 數(shù)據(jù)并將其轉換為 RS232 信息流格式發(fā)送給外設；另一方面從 RS232 外設接收數(shù)據(jù)轉換為 USB 數(shù)據(jù)格式傳送回 主機 。 圖 pl2303芯片示意圖 中國礦業(yè)大學 2020屆本科生畢業(yè)設計 第 21頁 PL2303的高兼容驅動可在大多 操作系統(tǒng) （ Windows98, Windows2020,WindowsXP,Windows Vista,Windows7） 上模擬成傳統(tǒng) COM 端口 ,并允許基于 COM 端口應用可方便地轉換成 USB接口應用，通訊 波特率 高達 6 Mb/s。 管腳連接圖如 圖 所示 ， 其中 3 分別為