基于單片機(jī)的氣缸壓力檢測(cè)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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)過基于外部?jī)?chǔ)存校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的運(yùn)算過程得到相應(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，就可以通過降低工作電流來降低功耗。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，目前存在多種類型的電阻橋路放大器，包括專屬化的單運(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。