数字式压力表的设计与实现

学 号： 104972103658智能仪器原理与应用课程论文2010 年 12 月 20 日题 目基于MSP430单片机的数字式压力表的设计与实现 学 院自动化学院 专 业控制科学与工程 班 级自动化研10班 姓 名董伟基于MSP430单片机的数字式压力表的设计与实现摘要测量仪器仪表包括压力测量仪器的总的发展趋势是高性能、数字化、集成化、智能化、网络化。

电池供电的数字式压力表的设计是为了满足市场对电池供电、长寿命、低功耗、低成本数字式、耐震压力表的需求，具有较为广阔的市场前景。

本文介绍的是电池供电的数字压力表的开发工作。

首先，文章对压力测量和数字式压力表的发展现状和发展趋势作了简单的综述，然后，文章对数字式压力表的总体设计、各模块的工作原理和软硬件实现、汇编语言程序软件设计进行了分述。

数字式压力表的总体设计是围绕低功耗、低成本展开的。

为降低功耗，无论是硬件还是软件设计上，都将低功耗设计思想贯穿始终。

在硬件选择方面，选择MSP430系列超低功耗单片机、低功耗放大器、液晶显示器、采用低压差线性电压稳压器降低工作电压、选择较高内阻的压力传感器；在软件方面，采用间歇式工作模式，非采样期间只有显示器、稳压器处于活动状态；在保证性能要求的情况下缩短特殊A／D转换的时间等一系列措施，有效地将低了系统的能量消耗，从而使整个系统在单个锂电池供电的情况下，可以连续工作3年以上。

为了降低整个系统的成本，在能够满足性能要求的前提下，尽量选择低成本元器件，简化系统设计；采用无电位器设计，降低成本，提高可靠性，在总体设计中选择了集成于单片机内部的Slope A／D转换器；在软件设计上，采用多点校准技术和线性插值方法，降低了对传感器的线性的要求，扩大了可选传感器的范围，从而降低了传感器的成本和整个系统的成本，提高了产品的竞争力。

数字式压力表各个模块的软硬件设计和实现部分，较为详细具体地介绍了MSP430系列单片机内部模块包括基本时钟模块、Timer-A、Comparator_A以及除MSP430系列单片机外的主要外围模块包括低压差线性电压稳压器、外部存储器X25403，液晶显示器等各个模块的功能、工作原理、应用方法、相互之间的接口关系以及软件实现的方式等。

软件设计采用模块化设计并贯穿低功耗设计思想，介绍了各个主要模块的程序流程。

关键词微功耗 MSP430 单片机数字压力表第一章数字式压力表总体设计1．1项目的总体目标设计一种一体式数字压力表，采用压力传感器、电池供电、液晶数字显示、不更换电池可持续工作两年以上，达到1级精度、耐震、高可靠性，工作温度范围．100C～500c，较低的生产成本。

1．2低功耗设计思路系统设计的总体思路是围绕如何实现低功耗展开的。

根据设计要求，假设传感器桥路电阻为5 kO，假设用3V电池供电，电池容量为2安时(Art)，单纯计算传感器消耗的电流，则仪表可连续工作138天左右，无法满足设计要求。

最初的设想是在仪表上加装手动开关或遥控开关，在工作时打开，不工作时关闭来降低功耗，这一想法很快被否定，由于仪表可能安装在不易接触到的高处，遥控接收装置要长期耗电，而且如果仪表用于长期监测压力，不论是哪一种开关都不能从根本上达到降低功耗的目的。

从外部控制功耗的方案看来不可行，必须从内部着手。

我们想到，对于数字化的测量系统，虽然数据采集、A／D转换的过程消耗的电流较大，但这一过程一般很快就能结束，一般在毫秒级甚至微秒级就可以完成，而且普通压力表对测量的动态特性要求不是很高；这样，就可以通过适当地选择采样周期，在一个采样周期内，迅速地测量压力，然后进入电流消耗较低的“休息”状态，那么就可以大幅度减小整个系统的电流消耗；这就像一个人每天只工作不到半小时，而其它时间全部休息～样，当然能量消耗要小多了，不过前提是在“休息”状态要有很低的能量消耗。

如式2．1，假设采样可以在T s=10ms之内完成，采样时消耗的电流为I s=ImA，采样周期为TA=ls，非测量状态的电流消耗为I b=0.04mA，那么整个系统的平均电流消耗为：I平均=(Ts×Is+(TA—Ts)×Ib)/TA=Ib+Ts(Is—Ib) /TA=0.0496lmA (2.1)从计算我们可以看出，在寻较小时，采样时消耗的电流为k对整个系统的平均电流影响并不很大，只要恰当地选择I b、I。

、T。

、TA就可以达到低功耗的目的。

从公式中我们也可以看出，要想减小I+自，也就是说，要降低系统的功耗，可以从以下几个方面入手：·减小I n，减小休息时的电流消耗，方法是在“休息”状态还要工作的模块选用低功耗元器件；尽量减少在“休息”状态下还要工作的模块数量。

·减小I s·采样时进入工作的元件也要尽量降低功耗，选择电流消耗较小的型号。

·减小T。

，减小工作时间，在能够完成采样工作的情况下，尽量快地结束采样工作。

·增大TA，加大采样周期，尽量多“休息”，当然，代价是系统的响应会变1．3方案总体设计有了总体设计思路，下一步进行的是方案总体设计，一般来说，数字压力表至少由如下图的几个模块组成。

图1.1数字压力表基本模块总体设计应该是全面考虑系统的总体目标，进行硬件初步选型，然后确定一个系统的草案，同时考虑软硬件实现的可行性。

总体方案经过反复推敲，确定了以美国德州公司(Texas Instrument)推出的MSP4301121超低功耗单片机为数字压力表的核心，并选择低功耗和低成本的存储器、放大器、液晶显示器等元件，总体方案如下：系统的基本组成如下图1．2，以单片机为核心，通过单片机来控制压力传感器和放大器的供电，传感器感受的压力信号转换为电信号后，经过放大器放大转换为适合于A／D转换的电压范围，然后通过430单片机内部集成的A／D转换器进行A／D转换，压力信号就转换为数字量了。

然后单片机根据存储于外部存储器中的校准数据计算出测得的压力，计算出的压力值送液晶显示器显示。

在校准过程中建立起测量值与标准压力的对应关系，校准数据保存于外部存储器中。

电池经过稳压后，为长期工作的部件：单片机、显示器、存储器供。

图1.2系统的基本组成软件的总体方案，如图1.3，系统上电初始化之后，首先切断传感器和放大器的供电，进入节电模式，然后根据设定的采样时间进入等待延时循环，经过一个采样周期后，计时结束，系统退出节电模式，打开传感器、放大器电源，开始测量，进行A／D转换，然后进行数据处理和计算，最后将结果送显示器显示，整个过程结束后，立刻进入节电模式，开始下一个采样周期循环，系统就这样周而复始地运作。

图1.3单片机软件总体工作流程图第二章系统硬件设计2．1元件选择元件选择同样是以低功耗、低成本为原则的。

由前面的分析我们知道，由于稳压器、单片机、显示器及存储器是长期工作的，因此在这四件的选型上应该注意它们在非采样期间的电流，可以说，系统能否达到连续工作两年以上的目标，很大程度取决于这四件的选型。

2．1．1单片机的选择单片机的选择在整个系统中的设计中至关重要，传统的单片机在静态的时候也会消耗较大的电流，无法满足系统低功耗的要求，例如ATMEL公司的AT89LV51单片机，在3V供电(f=12MHz)的情况下，活动模式下电流消耗为5．5mA，休息模式下电流消耗为ImA，工作频率降低后，电流有所减小，但仍然不能满足系统电池供电，连续运行的的要求。

经过反复比较我们选择了美国德州公司推出的MSP430系列单片机，该系列单片机为16位超低功耗单片机，且内部集成了A／D转换器，特别为智能式仪表、电池供电便携设备而设计。

它具有独特的超低功耗设计，具有5种低功耗模式，如图2．1，在各种低功耗模式与活动模式之间可快速由指令进行切换，且在低功耗模式3(可用于压力传感器采样间的等待)状态下，消耗电流极低只有1．3uA[15-17]，这就给微功耗仪表设计带来了很大的方便。

图3．1单片机软件MSP430工作模式图图3．1单片机软件MSP430工作模式图MSP430系列单片机包括X1XX、X3XX、X4XX几个子系列，MSP430的每一个系还为ROM(C型)、OTP(P型)、EPROM(E型)、Flash Memory(F型)4种型号。

我们在选择具体的型号时，主要考虑了成本和易用性，选择了MSP430F1121，该型号单片机为Flash型，可反复编程，配套的开发器(MSP—FET430X110 FlashEmulation T001)成本较低，使用方便。

2．1．2液晶显示器的选择显示器选用长沙太阳人电子的sMs0408，如图3．5，是一个字高为18mm的大字高液晶显示模块，显示清晰，可以在较远的距离观察到显示的数据；工作温度为-20～50。

C，使用温度范围较宽，适合于系统的要求。

该模块工作电流在3v工作时只有20uA，在实际使用中，由于数据是变化的，不可能所有的段都一直显示，实测电流消耗只有l0-19uA，可以说完全能够满足要求。

其接口方式采用类似于SPI的二线式串行接口，使用方便，而且只占用单片机两个I／O管脚，也对简化系统设计，降低系统功耗有益。

1——VDD电源正2——VSS电源地3——DI串行输入4一CLK串行时钟输入图2．2SMS0408液晶显示模块2．1．3存储器的选择由于采用了集成于MSP430F1121内部的Slope A／D，在测量电压时，其工作原理为非线性的，因此，必须将校准数据存储，以便在测量时调用，用于消除这种非线性；同时也由于考虑到MSP430F1121内部的计时器只有看门狗定时器和Timer A，这两个定时器要用于采样时鲥的定时和测量时计数，那么系统就缺少看门狗，没有看门狗的单片机系统，运行的可靠性得不到保证：因此综合以上原因，我们选择了比较成熟的具有可编程看门狗的E2PROM存储器X25043[21]，这一款E2PROM为CMOS工艺，静态功耗小于10μA，低功耗工作，电源为2．7—5．5V供电，集成可编程看门狗。

512字节存储器，10万次重写，100年数据保存；这样既可以解决数据存储的问题，同时也解决了系统配置看门狗的问题，同时也能够满足系统对低功耗的要求。

2．1．4传感器的选择如概述中所述，市场上的压力传感器的种类很多，综合考虑成本和性能的因素，我们选择了陶瓷压阻型压力传感器，在能够满足性能的情况下，尽量选择成本低和桥路电阻高的产品，内阻高，则工作电流小，有利于降低功耗。

鉴于市场上这种产品较多，考虑到供货时间和价格因素，我们并没有局限于一家供货商，而是选择了几家供货商作为候选。

影响传感器性能的主要指标是，桥路电阻，灵敏度、温度系数。

因此选择的原则是选择灵敏度高、温度系数低的，桥路电阻大于8 kQ的压力传感器。