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嵌入式气压测控系统
本科毕业论文（设计）
论文（设计）题目：
嵌入式气压测控系统
学院：
电气工程学院
专业：
测控技术与仪器
班级：
学号：
学生姓名：
指导教师:
2013年6月7日
贵州大学本科毕业论文（设计）
诚信责任书
本人郑重声明：
本人所呈交的毕业论文（设计），是在导师的指导下独立进行研究所完成。
毕业论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。
特此声明。
论文（设计）作者签名：
日期：
目录
摘要III
前言1
第一章：
设计方案与论证3
1.1整体设计方案3
1.1.1设计内容3
1.1.2设计思路3
1.1.3设计方案3
1.2硬件选择3
1.2.1供气管内压力监控设备3
1.2.2显示设备4
1.2.3CC2530芯片介绍4
1.2.4ZigBee技术简介5
1.2.5IPG1传感器简介6
1.3方案论证7
第二章：
硬件电路的设计9
2.1用到的元器件介绍9
2.1.1稳压芯片9
2.1.2传感器9
2.1.3MXA232和DB9RA/M10
2.1.4OLED显示器11
2.1.5继电器保护驱动芯片11
2.1.6数据处理芯片12
2.2整体电路的绘制12
2.2.1气压检测控制数据发送电路12
2.2.2数据接收显示接上位机电路13
3.3电路图绘制小结14
第三章：
软件系统设计15
3.1供气管内气压测控设备软件设计15
3.2压力数据显示设备软件设计16
3.3串口初始化流程17
3.4显示程序流程17
3.5软件部分小结18
总结18
参考文献19
致谢20
附录A显示模块程序21
附录B设计系统硬件电路总图23
嵌入式气压测控系统
摘要
文章对车用LNG技术的发展情况、目的和意义做出了简要分析，LNG气体用作汽车动力燃料的优越性显而易见，不仅能为汽车的行驶提供充足的动力，还不会产生对环境有害的排放物；但是使用LNG燃料存在一定的危险，而本次设计能很好的解决使用LNG燃料带来的问题，提高了安全性。
文章还对ZigBee技术的发展状况和CC2530芯片做了简要介绍。
本次设计运用的ZigBee无线通信技术是一项开放的短距离无线通信协议标准，它基于IEEE802.15.4的无线网络协议。
具有成本低，功耗低，简单实用，覆盖范围广，适用于远程测量和控制的特点。
本设计是设计一种能够实现实时监测车用LNG供气管气压的监测和控制的系统。
该系统是在供气管内壁安装IPG1压力传感器，通过CC2530的ZigBee无线数据收发功能，运用合理的信号转换电路，将供气管内压力传送给驾驶室内OLED屏上显示并由CC2530发出信号控制供气阀门的开关。
关键词：
嵌入式,ZigBee,CC2530,测控
前言
一、设计的国内外现状和发展趋势
蓝牙、数字电视、UWB、宽带卫星系统、WLAN、3G这些都是新世纪最热门的无线通信技术的应用，这些技术的应用大都已经发展成熟，也都给人们的生产生活带来了很多的便利，这都是无线通信技术的优越性，但是在这些应用中，有些成本太高，有些性能不够稳定，有些网络覆盖范围太小。
而本次设计运用到了ZigBee无线通信技术。
目前，ZigBee技术还处于刚刚起步的阶段，由于技术不够成熟和各方面的因素制约，还不能够将ZigBee技术在工业、商业中大规模的应用。
但是人们已经开始注意到ZigBee技术的重要性，其低成本，低功耗，简单实用，覆盖范围广，适用于远程测量和控制的特点引起了人们的重视。
而本次设计也正式看中了ZigBee这一特点。
我相信，随着相关技术的发展，在不久的将来，ZigBee技术就会迎来它应用价值发展高峰期。
届时，ZigBee技术的广泛运用甚至会超过蓝牙、Wi-Fi、GPS等这些出现已久的无线技术。
而国内外也应该看到ZigBee技术的优越性，抓住其巨大的发展商机，加大对ZigBee技术研发和发展的投入力度，使其能在各行业中大规模的运用，那么，我们的生活生产也必将得到质的提升，我们就会看到一个高度自动化的而又干净整洁的世界。
二、设计的目的和意义
日益严重的环境问题与能源危机促使人们不断加大对车用发动机替代燃料的研究力度,燃气汽车因其经济性与环保性在替代燃料汽车中备受关注，而由使用LNG所带来的安全问题也需要人们的重视。
近年来，我国许多城市的大气污染日趋恶化，环保形势十分严峻，造成城市空气污染的重要原因之一就是汽车尾气排放污染。
而其中又以城市公交污染为主，所以公交车甚至私人轿车使用环保型燃料已成为大的发展趋势。
目前国内外开始有公交车使用LNG燃料，其使用形式都是用车载LNG气瓶装罐液态LNG，然后汽化成为LNG气体经供气管供给发动机。
然而，使用LNG燃料存在一定的危险，在LNG汽化的过程中有一定的危险因素。
虽然目前大多数交通事故不是由供气供油管的爆裂而引起的，但是随着LNG在汽车行业的使用量日益增多，其所带来的安全隐患也将逐步增大；防患于未然，这使得对车用LNG安全应用技术的研究有了其最根本的意义。
本次设计是设计一种能够实现实时监测车用LNG供气管气压的监测和控制。
面对汽车驾驶者越来越看重对于驾驶汽车的安全和性能等问题，且车用LNG存在的一些隐患，如易着火、使人窒息、低温危险等，而在行车供气过程中，供气管的压力是一个很重要的问题，如果供气管压力过高，就会使供气管破裂而导致LNG气体泄漏造成危险，为此人们也采取了防范措施，但多为增加供气管抗压性，而没有从气体气压本身出发。
本次设计的嵌入式气压测控系统能时时的监测并控制供气管内的气压，使其保持在一个安全的范围内。
设计中运用了CC2530高性能的集成芯片，使得整个系统的运行更加稳定可靠，CC2530片内自带的ZigBee通信模块，也使得整个系统更加的简单而容易实现。
而其成本低、功能好的特点也将使这种系统能在汽车行业中得到广泛应用。
这样一来，安全问题也得到了很好的解决。
第一章：
设计方案与论证
1.1整体设计方案
1.1.1设计内容
（1）根据LNG气体压力特点设计合适的检测电路。
（2）依据压力控制继电器输出。
（3）基于OLED显示屏显示气体压力信息。
（4）设计基于ZigBeePro协议的无线终端，向协调器发送气压信息。
（5）设计基于ZigBeePro协议的协调器，通过串口与上位机通信。
1.1.2设计思路
在汽车行驶过程中，汽车供气供油管内的气压、温度等情况我们是不知道的，现在的多数汽车还没对供气供油管内的各项参数进行监控的设备，如果在行车过程中，管内有参数异常而导致供气供油管破裂，这将会造成行车危险甚至是交通事故。
所以，就需要在车上安装一套能时时监控管内情况的设备，由于车内空间，发动机周围管路线路复杂等原因，不适合再在车上安装普通的有线监控设备，而可以用现今发展迅速的无线通信技术来实现管内空间和驾驶室内空间的数据收发。
在多种无线通信技术中，ZigBee技术无疑是最佳之选。
1.1.3设计方案
本设计是在供气管内壁安装压力传感器，采集到压力数据信息后，通过单片机进行数据处理，再通过ZigBee无线通信技术，将供气管内压力传送给驾驶室内OLED屏上显示。
运用合理的信号转换电路，将信号上传到上位机并由单片机发出信号控制供气阀门的开关。
系统总体框图如图1.1所示。
1.2硬件选择
1.2.1供气管内压力监控设备
供气管内压力监控设备主要由电源模块、传感器模块、数据处理模块和无线通信模块组成。
这些模块的主要功能是采集管内信息和A/D转换，然后进行数据处理和传送。
这里选用CC2530做为数据处理和无线通信的核心芯片，它体积小，又带有片内ZigBee通信和射频收发器，和适合安装在空间狭窄的供气管路上。
一般汽车供气管的压力范围为0.5-1.1MPa，富安全阀的设定压力为2.5MPa，所以需要选用测量范围为0-3.0MPa的压力传感器。
这里选用霍尼韦尔honeywell公司的IPG1压力传感器，测量范围0-500psi。
电源的选择应用于汽车供气管内气压监测设备的电池一般要求性能稳定、能量充足、重量轻、体积小巧。
1.2.2显示设备
这里选用OLED显示设备，用SSD1306（晶门）芯片做为OLED显示器的驱动芯片。
图1.1系统总体框图
1.2.3CC2530芯片介
CC2530芯片使用的8051CPU内核是一个单周期的8051兼容内核，8KB的RAM，多达256KB的闪存以及支持更大的应用；8通道12位A/D转换器，支持2.0-3.6V供电电压，具有3种电源管理模式：
唤醒模式0.2mA、睡眠模式1μA、中断模式0.4μA；具有较高的无线接收灵敏度和抗干扰性，传输距离大于75m，最高传输速率250kbps，这使得在休眠模式下电流很小，对电池的小号也就很小，外部中断或者实时时钟能唤醒系统，并且CC2530从休眠模式转换到主动模式的超短时间的特性,特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。
CC2530具有一个IEEE802.15.4兼容无线收发器。
RF内核控制模拟无线模块。
另外，它提供了MCU和无线设备之间的一个接口，这使得可以发出命令，读取状态，自动操作和确定无线设备事件的顺序。
无线设备还包括一个数据包过滤和地址识别模块。
CC2530芯片引脚图如图1.2所示。
图1.2CC2530引脚图
1.2.4ZigBee技术简介
ZigBee无线通信技术是一项开放的短距离无线通信协议标准，它基于IEEE802.15.4的无线网络协议。
具有成本低，功耗低，简单实用，覆盖范围广，适用于远程测量和控制的特点。
主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中。
一般而言，随着通信距离的增大，设备的复杂度、功耗以及系统成本都在增加。
相对于现有的各种无线通信技术，ZigBee技术将是最低功耗和成本的技术。
同时基于ZigBee技术的低数据速率和通信范围较小的特点，也决定了ZigBee技术适合于承载数据流量较小的应用。
ZigBee协议支持的网络拓扑结构有3种类型：
簇状结构、星型结构以及网状结构，其中星型网络适合数量少、距离较近的设备联网，耗能低。
完整的ZigBee协议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链层和物理层组成。
网络层以上协议由ZigBee联盟制定，IEEE802．15．4负责物理层和链路层标准。
图1.3所示为ZigBee协议架结构。
图1.3ZigBee协议架结构
1.2.5IPG1传感器简介
霍尼韦尔IP（工业传感器）系列产品是一套新的通用型压力传感器，能够长期实现可重复、可靠且精确的压力测量。
它们采用不锈钢制成，应用了完全焊接工艺，坚固耐用，并且预设了丰富的定制特性和功能，适合众多的严苛应用。
所有型号都适合在多种介质下工作，且在恶劣环境下能保持稳定性能。
电压和电流输出型的传感器均有全温度补偿功能，且针对压力范围0.5bar至700bar和5psi至10Kpsi进行了校准。
IP传感器提供两种精度产品，客户可根据具体应用需求进行选择：
IPG1，精度±0.15%BFSL（最佳拟合直线）IPG1，精度±0.25%BFSL（最佳拟合直线）。
IPG1传感器激励电压7Vdc至30Vdc，响应时间小于2ms,最大25欧输出阻抗，电气输出为0.5Vdc至4.5Vdc，测量精度达到0.15%压力精度。
可以使用9V直流电源为传感器供电。
该型号传感器主要运用在一般工业过程控制，工厂自动化/工业设备，医疗设备系统，泵/压缩机控制，发电和交通运输，应用广泛，符合CE和RoHS标准。
其引脚分配如图1.4所示。
图1.4IPG1引脚分配图
1.3方案论证
本次设计选用的是集成芯片CC2530、IPG1传感器和SSD1306驱动芯片，是因为这些部件都具有良好的性能和工作的稳定性，而且他们的功能也刚好适合设计本身的要求。
以设计的系统在实际运用中来看，CC2530是最合适本设计的处理芯片，当然还有其它的一些集成芯片，例如74和LM系列，但是这些芯片本身具有的功能还不能完全达到这次设计的需求，要在芯片外围加上很多复杂的外围电路才能达到要求，而CC2530芯片片内集成的电路所实现的功能就可以达到设计需求，从而在芯片外围只需要一加上些常用的稳压、保护、信号调理等电路就能够实现数据的处理和收发功能。
要实现本次设计的功能，其实还可以选择一些常见的微处理器，通过有线传输的方式来实现监控功能，这样得系统看起来比本次设计容易实现，因为没有经过无线传输数据这一块。
但是在实际应用中，从供气管上将数据线连接到驾驶室是很困难的，而且数据线接口在行车车身震动过程中容易脱落，所以，通过无线传输数据的方式在实际应用中就比较好。
这次设计选用了霍尼韦尔公司的IPG1传感器，其性能优越，工作稳定，其激励电压为7Vdc-30Vdc，可以使用常见的9V电池为其供电，然后通过LM1117降压稳压到3.3Vdc给CC2530芯片供电，这样就很好的解决了供电的问题。
在CC2530将采集到的数据处理过后，会发出一个一位的信号来控制继电器的通断，在本次设计中，要求继电器设置为常开，当供气管内气压高于危险值时，芯片发出一个低电平信号，使继电器接头吸合，控制供气阀关闭，从而使管内气压降低，脱离危险状态。
第二章：
硬件电路的设计
2.1用到的元器件介绍
2.1.1稳压芯片
电路选用的是LM1117-3.3稳压芯片，主要作用是将VCC9Vdc电池电压降低切稳定在3.3Vdc，给CC2530供电。
LM1117-3.3的输出电流典型值Iout=10mA,且小于等于800mA；输入电压大于等于4.75V，小于等于10V；工作温度Tj=25。
输入输出电压差为Vin-Vout=5V；最后输出电压典型值为3.3V。
其接线图如图2.1所示。
图2.1LM1117
2.1.2传感器
设计选择了IPG1压力传感器，IPG1传感器激励电压7Vdc至30Vdc，响应时间小于2ms,最大25欧输出阻抗，一线制输出时，电气输出为0.5Vdc至4.5Vdc，测量精度达到0.15%压力精度。
可以使用9V直流电源为传感器供电。
其输出引脚与CC2530的P0_2相连，因为CC2530的PO口是一个8为的ADC，具有8为A/D转换功能。
IPG1在电路中的接线图如图2.2所示。
图2.2IPG1
2.1.3MXA232和DB9RA/M
MXA232是专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5V电压供电；TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据，然后再从T1OUT/T2OUT送到电脑DB9插头，而电脑的RS-232数据则从R1IN/R2IN输入转换成TTL/CMOS数据，然后再从R1OUT/R2OUT送给单片机进行处理。
MXA232和DB9RA/M在电路中与CC2530的接线图如图2.3所示。
图2.3MXA232和DB9RA/M
2.1.4OLED显示器
这次设计中的OLED显示屏用的是SSD1306驱动芯片，用来驱动VGM128064OLED显示屏。
其部分引脚功能如下；CS是OLED片选信号，WR向OLED写入数据，RD从OLED读取数据，D0-D7八位双向数据线，RST（RES）硬件复位OLED，DC命令/数据标志（0，读写数据；1，读写命令）。
本次设计只是向OLED发送数据让其显示，而没有从OLED中读取数据。
SSD1306与CC2530的电路连线图如图2.4所示。
图2.4SSD1306
2.1.5继电器保护驱动芯片
继电器保护驱动电路选用的是ON&ON公司的NUD3124芯片，选择TL1型号，单极管三引脚。
GATE引脚接CC2530芯片P1_0端口，从该端口获取控制数字信号（1,0）来控制继电器开关的状态，此控制信号是由采集到的供气管内气压信号经过CC2530处理和控制程序判断后给出的，当检测到的压力值大于设定值时，发出一个控制信号让继电器关断。
继电器保护驱动电路图如图2.5所示。
图2.5
2.1.6数据处理芯片
CC2530使用的是8051CPU处理内核，片内中断控制器控制着18个中断源，具有8KB的内存和最高达到256KB的闪存；CC2530外设包括调试接口、21个8位I/O接口，4个定时器，随机数发生器，AES协处理器，看门狗定时器，USARTO和USATR1，和一个USB2.0全速控制接口。
而21个I/O口中，P0_0-P0_7是8个8位的A/D转换接口，片外采集的模拟信号需要从这些接口输入在片内进行转换，然后才送给处理内核8051进行处理，另外P1_0和P1_1端口具有最大20mA的输出驱动能力。
CC2530的引脚图在前面章节已经给出，如图1.2所示。
2.2整体电路的绘制
2.2.1气压检测控制数据发送电路
气压检测控制数据发送电路主要由传感器模块，CC2530模块，继电器模块组成。
CC2530芯片上外接得有一个30MHZ和一个32.768KHZ的晶振电路，给芯片提供晶振频率，它们能使芯片正常工作；在RESET_N还外接了一个典型的RC复位电路，以低电平复位形式实现，作用是能让芯片掉电时各部分进行初始化；另外，从CC2530的射频收发接口RF_N,RF_P出发，连接一个无线通信天线，用来进行无线数据收发。
气压检测控制数据发送电路图如图2.6所示。
图2.6气压检测控制数据发送电路
2.2.2数据接收显示接上位机电路
数据接收显示接上位机电路主要由显示模块，电平转换模块和CC2530模块组成。
对这里的CC2530模块而言，只比3.2.1章节中的CC2530模块少了一个复位电路，因为这里的CC2530模块只是作为一个网络协调器，只负责数据的收发，没有涉及到数据处理等问题，而外接的显示模块上是有复位电路的，所以这里的CC2530模块不用外接复位电路。
显示模块和电平转换模块前面章节都有介绍。
数据接收显示接上位机电路如图2.7所示。
图2.7数据接收显示接上位机电路
3.3电路图绘制小结
在电路图绘制之前，将手里的资料和网上查找的资料整理综合了一遍，将绘图时需要用到的元器件和外接电路罗列出来，然后根据系统所要达到的功能开始布置元器件的位置和连线；连线过程中要注意的是要使画面整齐，线路清晰，不能有过多的线条相互交叉。
连线时先要弄清楚设计所要达到功能需要的是哪些引脚，如果有多个引脚可以选择的时候，就要选择那些能使线路简化的端口来接线。
这次制图所用的软件是AltiumDesignerRelease10,所以在绘制电路图前，学习使用这个软件也是很有必要的。
在绘图过程中难免遇到的一些难点，但是在老师和同学的帮助下以及自己的学习过程中，也是将一些关键难点给解决了。
这次绘图不能算成功，但是基本要求是能够达到的，只是一些细节的地方还需要在今后的学习过程中去改进。
第三章：
软件系统设计
3.1供气管内气压测控设备软件设计
由于供气供油管周围的空间非常狭窄，更换电池很困难，所以要求电池的使用寿命足够长，另外整个系统的耗能也要很低，所以在软件设计方面也要考虑到这一点。
一方面，在汽车不行驶的时候，测控模块要处于休眠状态，当汽车开始行驶后，通过中断模式唤醒设备；另一方面，CC2530在使用射频收发功能时功耗很高，所以要合理设计射频发射频率，在保证压力数据能及时准确的传送出去的情况下，尽可能的减少发送次数。
压力测控设备软件流程图如图3.1所示。
图3.1压力测控设备软件设计流程
由图4.1可以看出，设备开始工作后，首先进行硬件初始化，然后搜索是否存在Zigbee无线网络，若存在则申请加入网络。
系统设置为加入网络后和发送数据后马上进入休眠状态，并设置为通过定时器中断唤醒，定时器周期可以设为10s，这样每隔20s系统将会采集一次数据，并判断采集到的数据与设定安全值P的大小关系，如果比设定值大，则说明管内气压过高，此时应该发出一个高电平信号控制继电器开关断开，使供气阀门关闭，让压力值恢复正常；同时向协调器发送本次测量的数据。
如果比设定值小，则只向协调器发送数据。
之后系统又进入休眠状态，等待下一个唤醒中断命令。
3.2压力数据显示设备软件设计
在协调器这部分的电路，由于有车载电源的供电，就不用考虑功耗的问题，也就不用设置休眠/唤醒模式；协调器的功能是帮助系统建立一个网络，等待其它节点网络的加入，而从其它节点发送过来的数据还要用OLED显示和与上位机进行通信，则该部分的软件设计流程图如图3.2所示。
图3.2压力数据显示设备软件流程
程序开始后，首先进行硬件初始化，包括OLED显示器初始化和无线功能相关寄存器初始化；然后组建一个新的网络，等待终端网络的加入，接收终端设备发送过来的数据，在分别送给OLED和上位机进行显示。
最后程序返回到等待终端设备加入，开始等待下一个数据的接收。
3.3串口初始化流程
在设备终端和协调器这两个部分，用到片内功能的地方都要对相关的引脚、时钟频率、存储地址等进行设置。
例如，在数据采集时，要实现的是定时采集，片内A/D转换，而这两个功能都能通过P0_2来实现，所以在芯片复位后，要对P0_2进行配置。
根据要求，设置P0_2端口为输入，定时器1的时钟周期为10S。
具体流程如图3.3所示。
在系统得电复位开始工作后，调用子程序对串口进行初始化，先选中位置1即P0口，PERCFG=0x00；然后设置P0口为串口输入方式，P0SEL=0x32；选择定时器1工方式，U0CSR|=0x81；设置波特率，U0BAUD|=216；具体程序如下：
voidinitUART（void）
{
PERCFG=0x00; //位置1P0口
P0SEL=0x32; //P0用作串口
U0CSR|=0x81; //UART方式
U0GCR|=11; //baud_e=11;
U0BAUD|=216; //波特率设为115200
UTX0IF=1;
U0CSR|=0X40; //允许接收
IEN0|=0x84;
}
3.4显示程序流程
在运行显示部分程序前，也是要对显示模块进行初始化，其显示部分软件流程如图3.4所示。
显示程序详见附录B。
图3.4显示程序软件流程
3.5软件部分小结
总体的软件流程已经基本实现设计需要达到的功能，一些小的细节还可以稍作修改，使整个系统的工作效率更高、更合理，比如说在定时器中断控制时，设计中设置的时钟周期是10S，这是在考虑了功耗问题后的设计，如果电源足够的话，可以将中断周期缩短甚至改为0S，这样的系统采集到的数据就会变得更加线性化。
总之，根据实际需求来修改，会让设计本身具有更大实用性。
总结
文章主要介绍了气车供气管内气压测控的软硬件的实现方法。
所用到的ZigBee技术是一种新兴的无线通信技术，这种技术在未来的工业和商业发展中将会起到重要作用，这次设计就是ZigBee技术在实际中的一种应用，之所以选用这种技术来帮助实现设计所需功能，是因为它简单实用，成本低，有很好的发展前景。
在经过一些列的工作后完成了本篇文章，这是对于本次设计很好的一个归纳概括，硬件部分详细的介绍了本次设计的电路设计和元器件选用标准，软件部分给出了总体流程的具体方案，以便于具体功能的后续开发和研究。
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