郭 璨，張窩羊

（漯河食品職業(yè)學(xué)院，河南 漯河 462000）

傳統(tǒng)的指針式壓力表存在指針擺動(dòng)誤差較大等固有缺陷，而文章所涉及到數(shù)控壓力表系統(tǒng)是將單片機(jī)作為自身的主控內(nèi)核，并且通過(guò)數(shù)字化的液晶顯示器作為其顯示端口，對(duì)所有目標(biāo)的數(shù)控都實(shí)現(xiàn)了基于單片機(jī)的智能化模式。而且也可以讓用戶得到準(zhǔn)確度很高的數(shù)據(jù)信息。

本課題將基于MSP430單片機(jī)設(shè)計(jì)單子是氣缸壓力表及顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 需求分析

（1）系統(tǒng)硬件具有便攜性、低功耗的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)氣缸壓力傳感器輸出信號(hào)的調(diào)理和采集。

（2）能對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。

1.2 設(shè)計(jì)思路

對(duì)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全局化目的，通過(guò)初期的硬件篩選確認(rèn)了一個(gè)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并且在后期加入了硬件可行程度的考量。在反復(fù)的論證以后，總體設(shè)計(jì)方案內(nèi)部的數(shù)字壓力表的內(nèi)核單片機(jī)部件選擇美國(guó)德州公司生產(chǎn)的MSP430低耗能單片機(jī)，并相應(yīng)遴選了同樣具備耗能和投入相對(duì)較低的儲(chǔ)存裝置，放大裝置以及液晶顯示器等一系列元件以下為總設(shè)計(jì)方案。

圖1是本系統(tǒng)的基本組成架構(gòu)，壓力傳感器和放大器的所需要控制和電能均來(lái)源于處于處于核心地位的單片機(jī)，傳感器發(fā)出的壓力信號(hào)在經(jīng)過(guò)電信號(hào)轉(zhuǎn)化以后，會(huì)被放大器擴(kuò)大到足以使和A/D轉(zhuǎn)換的電壓幅度，這一電壓會(huì)在430單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器上進(jìn)行轉(zhuǎn)化并最終形成所需要的數(shù)字量。然后數(shù)字量會(huì)在單片機(jī)內(nèi)部經(jīng)過(guò)基于外部?jī)?chǔ)存校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的運(yùn)算過(guò)程得到相應(yīng)的壓力數(shù)據(jù)并在液晶顯示器內(nèi)部加以顯示。在運(yùn)算過(guò)程中，測(cè)量數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)壓力數(shù)據(jù)之間會(huì)相互對(duì)應(yīng)，外設(shè)的儲(chǔ)存裝置內(nèi)部存儲(chǔ)有備用的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓處理以后的電池將長(zhǎng)期安裝在儀表內(nèi)進(jìn)行為單片機(jī)，顯示器以及存儲(chǔ)設(shè)備提供電能的工作。

圖2為全局化的軟件方案，在通電初始化結(jié)束以后，系統(tǒng)會(huì)斷掉傳感器和放大器的電源同時(shí)進(jìn)入功率節(jié)省模式，之后進(jìn)入同先期設(shè)置的采樣時(shí)間相匹配的延時(shí)循環(huán)，這一循環(huán)的及時(shí)過(guò)程將維持一個(gè)采樣周期。之后系統(tǒng)將從功率節(jié)省模式中退出并同時(shí)將電能接入傳感器和放大器進(jìn)行測(cè)量和A/D轉(zhuǎn)化，以及數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理和顯示器顯示，測(cè)量顯示完成后將跳回節(jié)電模式并循環(huán)進(jìn)入下一采樣周期，如此重復(fù)整個(gè)的運(yùn)作過(guò)程。

圖2 單片機(jī)軟件總體工作流程

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)的概述

如圖3為MSP430F1121的管腳分配圖。

MSP430F1121是一個(gè)20腳SOWB封裝芯片，該型號(hào)單片機(jī)為Flash型，可反復(fù)編程，片內(nèi)有4K字節(jié)程序存儲(chǔ)器和128字節(jié)的RAM。MSP430F1121內(nèi)集成了可用于斜坡A／D 轉(zhuǎn)換（Slope A/D）的比較器 A（Comparator A）功能強(qiáng)大的計(jì)時(shí)器A（Timer A）。片內(nèi)配有兩組I/O口P1和P2（每個(gè)I/O都是多功能復(fù)用的）。

圖3 MSP430F1121的管腳分配圖

2.2 傳感器的選擇

按照前文概述，目前有多種類(lèi)型的壓力傳感器出現(xiàn)在市場(chǎng)上，因此處于對(duì)投入和系統(tǒng)性能的綜合考慮，在本設(shè)計(jì)種選擇了壓阻型陶瓷壓力傳感器，在不讓性能大打折扣的原則下，讓所選產(chǎn)品盡可能擁有足夠的低廉價(jià)格和較高的橋路電阻和內(nèi)阻，就可以通過(guò)降低工作電流來(lái)降低功耗。在對(duì)充斥于市場(chǎng)的多種產(chǎn)品進(jìn)行選擇的過(guò)程中，處于價(jià)格和提貨時(shí)間的綜合考量，我們并未鎖定單獨(dú)一家，而是將若干家符合要求的供貨商作為備選貨源。傳感器的性能主要決定于橋路電阻、敏銳性、溫度系數(shù)三個(gè)因素。因此選擇的具體標(biāo)準(zhǔn)即為高靈敏度和低溫度系數(shù)的壓力傳感器，且該傳感器必須有超過(guò)8kΩ的橋路電阻。

2.3 信號(hào)調(diào)理與A／D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

壓力傳感器傳出的信號(hào)屬于mV級(jí)別，且會(huì)因?yàn)閭鞲衅黛`敏性和零點(diǎn)的不同而發(fā)生變化必須將其調(diào)理到符合A/D轉(zhuǎn)換器要求的信號(hào)輸入范圍。如圖4，S1為傳感器的輸出范圍，s2為由于傳感器的差異造成的輸出可能的最大范圍，s3為A/D轉(zhuǎn)換器輸入的范圍，s4是為了適應(yīng)各種條件的變化且輸入范圍內(nèi)已經(jīng)存在安全區(qū)間，實(shí)現(xiàn)s2和s3之間的匹配就是信號(hào)調(diào)理線路所要達(dá)到的具體功能。

壓力信號(hào)通過(guò)一個(gè)電阻橋路放大器從傳感器內(nèi)部放大傳出，目前存在多種類(lèi)型的電阻橋路放大器，包括專(zhuān)屬化的單運(yùn)或者雙運(yùn)的儀表放大電路，這里處于對(duì)投入的節(jié)省以及數(shù)字壓力表1%的精度考慮選擇相加比更好的單運(yùn)放大器。

圖4 信號(hào)調(diào)理電路

2.4 A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

壓力表采用了430單片機(jī)內(nèi)部集成的特殊A／D轉(zhuǎn)換器（Slope A/D），SlopeA/D測(cè)量電壓信號(hào)的工作原理如圖5。