山東力創(chuàng)科技股份有限公司 喬東坡

淄博億豐中鐵高分子材料有限公司 王 超

基于電池供電的無線壓力傳感器設計

山東力創(chuàng)科技股份有限公司 喬東坡

淄博億豐中鐵高分子材料有限公司 王 超

現(xiàn)場所安裝的壓力傳感器多數(shù)為外部供電加通訊線或模擬信號傳輸?shù)姆绞?，在使用過程中需要根據(jù)現(xiàn)場情況進行布線，現(xiàn)場距離稍遠時引線較長會存在一些干擾信號導致無法正常的采集，并且布線較復雜，本設計采用電池供電與無線通訊方式，有效的解決了現(xiàn)場布線與干擾的問題。

電池供電；無線通訊；壓力傳感器；低功耗

工業(yè)現(xiàn)場所采用的壓力傳感器多數(shù)為外部供電方式，其數(shù)據(jù)傳輸方式分為數(shù)字式與模擬式，其中數(shù)字式多數(shù)采用總線通訊方式，模擬式多數(shù)為4～20mA、0～5V、0～10V等模擬信號輸出方式；在現(xiàn)場安裝使用時需要根據(jù)現(xiàn)場的環(huán)境進行布線，布線較為復雜。同時隨著能源的緊張，越來越多的綠色產品進入工業(yè)現(xiàn)場。本文提出的電池供電的低功耗無線壓力傳感器，成功的解決了現(xiàn)場布線與節(jié)能問題。

本文設計的壓力部分與常規(guī)的壓力傳感器類似，其重點在于電池供電的低功耗與無線通訊。電路設計采用CC430F5137超低功耗的無線單片機做為主控，它集成了RF收發(fā)器內核和超低功耗微控制器的系統(tǒng)級芯片，采用16位RISC架構，擴展存儲器，高達20MHz系統(tǒng)時

1. 系統(tǒng)結構圖（如圖1所示）

圖1 系統(tǒng)結構圖

圖2 電源電路設計圖

圖3 單片機與無線通訊設計圖

系統(tǒng)壓力信號經全橋式電阻應變片后輸出0～2.5mV的信號，鐘，工作電壓1.8V-3.6V，CPU工作模式的功耗160μA/MHz，待機模式2.0μA。采用此單片機做為主控使設計更加簡單可靠。此信號幅值較小不能通過單片機直接采集，通過放大電路將此信號放大1000倍后為0～2.5V，可以直接輸入到單片機進行采集，采集到的數(shù)據(jù)運算后得到對應的輸出電壓，再根據(jù)應變片的具體型號計算得到對應的壓力值，當上位機對此壓力傳感器數(shù)據(jù)采集時單片機通過內部的射頻功能將壓力數(shù)據(jù)上傳。

2. 壓力采集及電源電路設計

電路采用3節(jié)5#電池進行供電，電池電壓輸入到穩(wěn)壓器7133（低功耗LDO）中，經7133穩(wěn)壓后得到3.3V的電源，電源由單片機通過Q1控制輸出VCC，輸出的電源由電壓反轉芯片7660輸出-VCC，所提到的正電源與負電源（VCC與-VCC）為運放OP07供電。正電源VCC同時經TL431基準為電阻應變片供電。電路由R7對OP07作用調零，由R8進行分壓增益調整。

如當前所選1000歐電阻應變片在壓力0～1MPa輸出對應電壓信號為0～3mV，信號經運放放大1000倍后為0～3V，再通過調整R8使其分壓得到0～2.5V的電壓，輸入到單片機中，在程序設計時將單片機內部基準設置為2.5V；單片機采集值為X的電壓計算：U=X÷4095×2.5，對應采集的壓力值為P=U÷2.5×1MPa，公式簡化后P=X÷4095×1MPa；

當單片機進行壓力采集時控制Q1對電源VCC供電，電阻應變片與運放上電，運放對電阻應變片信號進行放大，經單片機采集后，控制Q1對電源VCC進行斷電，VCC斷電后對應的-VCC也斷電，整個電路電阻應變片與運放斷電，進入電源判斷模式，此時單片機進入休眠模式，功耗變低。

3. 單片機與無線通訊設計

CC430F5137單片機內部集成CC1101無線通訊模塊，具有無線喚醒功能，在單片機休眠的情況下設置無線部分進入WOR模式，進入此休眠狀態(tài)后功耗很低可以低至5uA。此WOR模式可通訊程序設置每隔一段時間進行喚醒，喚醒后處于接收狀態(tài)，在此狀態(tài)下接收到有對應的數(shù)據(jù)后，退出WOR模式，進行數(shù)據(jù)的通訊；如果在每隔一段時間喚醒后未收到對應的數(shù)據(jù)，則系統(tǒng)保持在WOR模式。以極低的功耗進行待機；

單片機對壓力信號進行實時采集，系統(tǒng)設計可配置對應壓力信號的報警值（壓力上限與壓力下限），當壓力值超出些范圍時系統(tǒng)主動上傳報警；對于壓力不需要實時監(jiān)控的系統(tǒng)中，為更好的降低功耗，系統(tǒng)可每小時采集一次壓力數(shù)據(jù)，當壓力超范圍時主動上傳報警，此時整個系統(tǒng)功耗可降至75uA，采用普通堿性5#電池進行供電時，電池容量1000mAh，對應可以使用1000÷0.075÷24（小時）÷365（天）≈1.5年。在延長采集時間或采用主動上傳報警的方式下電池使用時間會更長，采集時間的長短與是否采用主動上傳方式，要根據(jù)實際現(xiàn)場對壓力實時性的要求來確定。也可直接采用高能量電池進行供電，使電池使用壽命長達幾年，甚至更長。

此無線通訊方式為RF通訊方式，在空曠情況下可達幾百米，頻率可選擇穿透能力更強的433MHz，更適合于復雜環(huán)境下的通訊，采用此方式可以完成一整個車間的壓力數(shù)據(jù)采集。

4. 結語

本文對傳統(tǒng)壓力傳感器在安裝時所出現(xiàn)的問題基礎上，提出一種低功耗電池供電的無線壓力傳感器，在現(xiàn)場使用的時候更加簡單方便，不需要再進行現(xiàn)場布線，同時在較長時間內不需要進行電池的更換。系統(tǒng)維護更簡單，在系統(tǒng)中多個壓力進行采集時，系統(tǒng)的構建與擴展更簡單，并在擴展過程不會影響到原有的正常采集。