基于單片機的氣缸壓力檢測硬件系統設計

郭 璨，張窩羊

（漯河食品職業學院，河南 漯河 462000）

傳統的指針式壓力表存在指針擺動誤差較大等固有缺陷，而文章所涉及到數控壓力表系統是將單片機作為自身的主控內核，并且通過數字化的液晶顯示器作為其顯示端口，對所有目標的數控都實現了基于單片機的智能化模式。而且也可以讓用戶得到準確度很高的數據信息。

本課題將基于MSP430單片機設計單子是氣缸壓力表及顯示系統設計

1 方案設計

1.1 需求分析

（1）系統硬件具有便攜性、低功耗的特點，能夠實現對氣缸壓力傳感器輸出信號的調理和采集。

（2）能對采集的數據進行分析和處理。

1.2 設計思路

對系統的總體設計是系統設計的全局化目的，通過初期的硬件篩選確認了一個簡單的系統設計方案，并且在后期加入了硬件可行程度的考量。在反復的論證以后，總體設計方案內部的數字壓力表的內核單片機部件選擇美國德州公司生產的MSP430低耗能單片機，并相應遴選了同樣具備耗能和投入相對較低的儲存裝置，放大裝置以及液晶顯示器等一系列元件以下為總設計方案。

圖1是本系統的基本組成架構，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，傳感器發出的壓力信號在經過電信號轉化以后，會被放大器擴大到足以使和A/D轉換的電壓幅度，這一電壓會在430單片機的A/D轉換器上進行轉化并最終形成所需要的數字量。然后數字量會在單片機內部經過基于外部儲存校準數據的運算過程得到相應的壓力數據并在液晶顯示器內部加以顯示。在運算過程中，測量數據和標準壓力數據之間會相互對應，外設的儲存裝置內部存儲有備用的校準數據。經過穩壓處理以后的電池將長期安裝在儀表內進行為單片機，顯示器以及存儲設備提供電能的工作。

圖2為全局化的軟件方案，在通電初始化結束以后，系統會斷掉傳感器和放大器的電源同時進入功率節省模式，之后進入同先期設置的采樣時間相匹配的延時循環，這一循環的及時過程將維持一個采樣周期。之后系統將從功率節省模式中退出并同時將電能接入傳感器和放大器進行測量和A/D轉化，以及數據的運算處理和顯示器顯示，測量顯示完成后將跳回節電模式并循環進入下一采樣周期，如此重復整個的運作過程。

圖2 單片機軟件總體工作流程

2 硬件設計

2.1 單片機的概述

如圖3為MSP430F1121的管腳分配圖。

MSP430F1121是一個20腳SOWB封裝芯片，該型號單片機為Flash型，可反復編程，片內有4K字節程序存儲器和128字節的RAM。MSP430F1121內集成了可用于斜坡A／D 轉換（Slope A/D）的比較器 A（Comparator A）功能強大的計時器A（Timer A）。片內配有兩組I/O口P1和P2（每個I/O都是多功能復用的）。

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在市場上，因此處于對投入和系統性能的綜合考慮，在本設計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，讓所選產品盡可能擁有足夠的低廉價格和較高的橋路電阻和內阻，就可以通過降低工作電流來降低功耗。在對充斥于市場的多種產品進行選擇的過程中，處于價格和提貨時間的綜合考量，我們并未鎖定單獨一家，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、溫度系數三個因素。因此選擇的具體標準即為高靈敏度和低溫度系數的壓力傳感器，且該傳感器必須有超過8kΩ的橋路電阻。

2.3 信號調理與A／D轉換電路的設計

壓力傳感器傳出的信號屬于mV級別，且會因為傳感器靈敏性和零點的不同而發生變化必須將其調理到符合A/D轉換器要求的信號輸入范圍。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轉換器輸入的范圍，s4是為了適應各種條件的變化且輸入范圍內已經存在安全區間，實現s2和s3之間的匹配就是信號調理線路所要達到的具體功能。

壓力信號通過一個電阻橋路放大器從傳感器內部放大傳出，目前存在多種類型的電阻橋路放大器，包括專屬化的單運或者雙運的儀表放大電路，這里處于對投入的節省以及數字壓力表1%的精度考慮選擇相加比更好的單運放大器。

圖4 信號調理電路

2.4 A/D轉換電路的設計

壓力表采用了430單片機內部集成的特殊A／D轉換器（Slope A/D），SlopeA/D測量電壓信號的工作原理如圖5。