嵌入式气压测控系统毕业设计论文Word下载.docx
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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。
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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。
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
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