基于電池供電的無線壓力傳感器設計

山東力創科技股份有限公司 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

現場所安裝的壓力傳感器多數為外部供電加通訊線或模擬信號傳輸的方式，在使用過程中需要根據現場情況進行布線，現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

工業現場所采用的壓力傳感器多數為外部供電方式，其數據傳輸方式分為數字式與模擬式，其中數字式多數采用總線通訊方式，模擬式多數為4～20mA、0～5V、0～10V等模擬信號輸出方式；在現場安裝使用時需要根據現場的環境進行布線，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現場。本文提出的電池供電的低功耗無線壓力傳感器，成功的解決了現場布線與節能問題。

本文設計的壓力部分與常規的壓力傳感器類似，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收發器內核和超低功耗微控制器的系統級芯片，采用16位RISC架構，擴展存儲器，高達20MHz系統時

1. 系統結構圖（如圖1所示）

圖1 系統結構圖

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，采集到的數據運算后得到對應的輸出電壓，再根據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據采集時單片機通過內部的射頻功能將壓力數據上傳。

2. 壓力采集及電源電路設計

電路采用3節5#電池進行供電，電池電壓輸入到穩壓器7133（低功耗LDO）中，經7133穩壓后得到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，在此狀態下接收到有對應的數據后，退出WOR模式，進行數據的通訊；如果在每隔一段時間喚醒后未收到對應的數據，則系統保持在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主動上傳報警；對于壓力不需要實時監控的系統中，為更好的降低功耗，系統可每小時采集一次壓力數據，當壓力超范圍時主動上傳報警，此時整個系統功耗可降至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，要根據實際現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，更適合于復雜環境下的通訊，采用此方式可以完成一整個車間的壓力數據采集。

4. 結語

本文對傳統壓力傳感器在安裝時所出現的問題基礎上，提出一種低功耗電池供電的無線壓力傳感器，在現場使用的時候更加簡單方便，不需要再進行現場布線，同時在較長時間內不需要進行電池的更換。系統維護更簡單，在系統中多個壓力進行采集時，系統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。