基于单片机压力测量仪设计

1.2 测量压力的意义

压力的检测是保证生产和设备安全运行必不可少的条件。实现压力测量仪对工业过程的具有非常重要的意义。在现代工业生产过程中，压力是工业生产中的重要参数，它决定生产过程能否正常进行。如高压容器的压力超过额定值时便是不安全的，必须进行测量和控制。在某些工业生产过程中，压力还直接影响产品的质量和生产效率，如生产合成氨时，氮和氢不仅须在一定的压力下合成，而且压力的大小直接影响产量高低。

压力是过程控制系统中的重要测量参数之一，压力的检测和控制是使生产顺利进行和设备安全工作的必要条件。如高压容器的压力超过额定值时便是不安全的，必须进行测量和控制。在某些工业生产过程中，压力还直接影响产品的质量和生产效率，如生产合成氨时，氮和氢不仅须在一定的压力下合成，而且压力的大小直接影响产量高低。此外，在一定的条件下，测量压力还可间接得出温度、流量和液位等参数。

压力是重要的热工参数之一，各种气体、液体的压力测量在生产生活、工业

现场、科学实验等领域有着广泛的应用。压力测量的需要和应用几乎无处不在，

可以说我们日常生活的每一天都离不开压力测量，例如凡是在有气动、液压应用

的领域，都必然要进行压力测量；各种工业现场的过程控制和自动化也都离不开

压力测量和控制；同样，在与我们生活密切相关的领域，像汽车、轮船、飞机这

些运输工具，以至于我们关心的医疗、气象、制冷、空调等都有压力测量的踪影。

其它一些测量还可以转换为压力测量，例如储油罐的液位，油量就可以通过

测量储油罐底部的压力，经过计算得出。

压力是过程生产中四大重要参数之一，它在检测生产过程能否完全可靠正常运行的重要参数指标，尤其在化工生产过程中压力这一参数更显得尤为重要。

在其他工业生产中压力检测于控制也非常重要。常可见到一些工业装置上都有压力表。如：汽包压力,当压力过高容易爆炸，压力低动力不足；还有炉膛压力；一般维持在0mmH2O,高了炉门缝冒烟尘，低了膛内出现负压降低温度。若维持在10 mmH2O，节能20%。

总之，压力检测是一般成产过程所不可缺少的环节，只有按工艺要求保持压力的稳定，才能维持生产的正常进行。所以压力准确测量在实际过程是非常重要的。

压力是工业生产中的重要工艺参数之一，如果压力不符合要求，不仅会影响生产效率，降低产品质量，甚至还会造成严重的安全事故，所以压力测量在工业生产中具有特殊的地位。压力测量仪表的应用非常广泛，而且发展的历史悠久，相对来说发展的比较完善。但是随着科学技术的飞速发展，对这类仪表的要求也越来越高，为适应工业控制、航空工业和医学测试等方面的要求，压力测量仪表日益向体积轻巧、耐高温、耐冲击、耐振动和数字显示等方向发展。除此之外，我认为国内应对次类仪表加强研究，走自主创新的道路，这样才能使国

内相关的行业得到更好更稳定的发展。

1.1基于单片机的压力测量仪定义及用途

压力是工业生产中的重要参数，如高压容器的压力超过额定值时便是不安全的，必须进行测量和控制。在某些工业生产过程中，压力还直接影响产品的质量和生产效率，如生产合成氨时，氮和氢不仅须在一定的压力下合成，而且压力的大小直接影响产量高低。此外，在一定的条件下，测量压力还可间接得出温度、流量和液位等参数。

用来测量气体或液体压力的工业自动化仪表，又称压力表或压力计。垂直均匀地作用于单位面积上的力称为压力，又称压强。压力表可以指示、记录压力值并可附加报警或控制装置，

压力、差压变送器是过程变量变送器中最重要的一类，应用范围很广，除了可用于压力、差压测量之外，还可用于流量、液位、比重等其他参数测量。

压力测量仪表是用来测量气体或液体压力的工业自动化仪表，又称压力表或

压力计。压力表可以指示、记录压力值，并可附加报警或控制装置。

1643年，意大利人托里拆利首先测定标准的大气压力值为760毫米汞柱，奠

定了液柱式压力测量仪表的基础。1847年，法国人波登(EugeneBourdon)制成

波登管压力表，由于结构简单、实用，很快在工业中获得广泛应用，一直是常用

的压力测量仪表【1J。二十世纪上半叶出现了远传压力表和电接点压力表，从而解决了压力测量值的远距离传送和压力的报警、控制等问题。随着科技的发展，压力测量的方法和仪器也在不断推陈出新，从测量原理的角度来分类，主要可分为液柱式、弹性式、负荷式、电子测量式等。液柱式压力测量仪表常称为液柱式压力计，它是以一定高度的液柱所产生的

压力，与被测压力相平衡的原理测量压力的。大多是一根直的或弯成u形的玻璃

管，其中充以工作液体。常用的工作液体为蒸馏水、水银和酒精。因玻璃管强度

查些查芏堡主芏堡垒查苎二主垫堡不高，并受读数限制，因此所测压力一般不超过0-3兆帕。液柱式压力计灵敏度高，因此主要用作实验室中的低压基准仪表，以校验工作用压力测量仪表。由于工作液体的重度在环境温度、重力加速度改变时会发生变化，对测量的结果常需要进行温度和重力加速度等方面的修正。弹性式压力测量仪表是利用各种不同形状的弹性元件，在压力下产生变形的原理制成的压力测量仪表。弹性式压力测量仪表按采用的弹性元件不同，可分为弹簧管压力表、膜片压力表、膜盒压力表和波纹管压力表等；按功能不同分为指示式压力表、电接点压力表和远传压力表等。这类仪表的特点是结构简单，结实

耐用，测量范围宽，是压力测量仪表中应用最多的一种。负荷式压力测量仪表常称为负荷式压力计，它是直接按压力的定义制作的，常见的有活塞式压力计、浮球式压力计和钟罩式压力计。由于活塞和砝码均可精确加工和测量，因此这类压力计的误差很小，可以达到0．002％，主要作为压力基准仪表使用，测量范围从数十Pa至2500MPa【。”。电子测量式压力仪表主要有压力传感器、压力变送器或数字式压力表。电子测量式压力仪表核心元件是压力传感器，它能感受被测压力量并按照一定规律转换成电信号输出。当输出为规定的标准信号时(4～20mA直流电流、1～5V直流电压)，则变为压力变送器。压力传感器加上信号处理器和数字显示器即成为数字压力表。若再增加控制部件和记录装置，则可适合于自动控制、数据采集、数据处理和记录打印一J。压力传感器种类繁多，根据其原理可分为电位器式、应变式、压阻式、电感式、霍尔式、电容式、压电式、振动式等等。压力传感器的精确度可达0．01级，测量范围从数十Pa至700MPa不等。

1.1基于单片机的压力测量仪发展概况及意义

当今信息技术已经成为推动科学技术和国民经济高速发展的关键技术。如何用先进的信息技术来提升、改造我国的传统制造业，实现生产力跨越式发展的战略结构调整，是装备制造业面临的一项紧迫任务。采用适度先进的信息化数字测量技术和产品来迅速提升装备制造业水平，是当前一个重要的发展方向。国内外许多著名量仪量具制造厂商在近年来的CIMT展览会上展示了他们所取得的部分科研成果，所展现的现代测量技术发展趋势和面向市场与用户、服务于加工制造现场、测量与加工制造过程融合集成的新动向，值得我们高度重视和密切关注。深圳市蓝之宇电子有限公司BLCGB系列数字压力表在各方面特性都优于指针压力表、老一代数字压力表，BLCGB系列数字压力表作为最新一代数字压力表克服了低电压、低功耗下传感器性能的发挥，成功的解决了传感器的温度漂移问题和电池电压波动影响；成为指针压力表、老一代数字压力表的最佳替代产品。

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.基于单片机的压力测量仪的设计是为了满足市场长寿命、低功耗、低成本数字式的需求,具有较为广阔的市场前景.

实现压力测量仪对工业生产过程具有非常重要的意义。在生产过程中，被测对象参数检测的精确与否将直接影响一个生产企业的经济利益，在以往的测量系统中，由于对环境温度、生产设备老化等影响因素的考虑较少，传感器检测到的信号往往存在偏差，造成了不可避免的损失。而压力测量仪可以弥补一些外界因素对系统造成的干扰，单片机以及外围部件对外界各种干扰因素的检测、整合、处理，可以得到更理想的控制变量，可以使重量数据显示的更精确。

压力测量仪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、以及除MSP430系列单片机外的主要外围模块包括ADS8320转换器、复位看门狗MAX706R,MAX7219，TOP-319AH,TOP-2181AG双排数码管等各个模块的功能。

此外，在一定的条件下，测量压力还可间接得出温度、流量和液位等参数。化学工业

生产过程中的压力既影响化学反应的平衡关系，也影响反应速率，只有按工艺条件的规定保

持一定的压力才能保证化学反应正常进行。在研制一些新产品时，例如工业汽轮机、内燃机、

航空发动机等，必须测出压力与其他参数之间的关系，才能确定其性能。因此压力测量仪表

的应用非常广泛。

随着工业技术的发展和工业计算机控制系统的广泛应用，各种新型的电测压力计，即压力传

感器将得到更大的发展。它们可以输出电阻、电流、电压或频率等信号，以适应各种不同应

用场合的需要，并可与测量线路和信号测量装置组成压力测量控制系统（图2）。常见的信

号测量装置有电流表、电压表、应变仪以及计算机等。有时，在这类测量系统中还需要加入

辅助电源。这类压力传感器正向小型化和数字化方向发展。利用压阻效应、压电效应或其他物理特性的压力传感器正在和集成电路技术、数字技术相结合，直接把压力转换为数字信号输出。

Ø压力是工业生产中常见的过程主要参数之一，它直接影响产品的质量，又是生产过程中的一个重要的安全指标。火电厂中为设备的安全经济运行，需测量压力。

Ø另外，一些不易直接测量的参数，例如，流量、液位等，往往通过压力或压差间接获得。所以，压力测量在自动化中具有特殊地位。

Ø压力计和差压计主要是弹性的，低压和试验时用液柱式；另外压力和差压的测量受管路限制，一般用压力或差压变送器将信号转换成电信号进行远传。

由于压力测量的应用非常广泛，因此压力测量的需求也非常多样化，压力测

量的发展也就是为了满足这些多样化的需求。抛开校准用压力标准仪表，在工业现场和科学试验中应用最多的还是弹性式和电子测量式压力仪表。弹性式压力测量仪表由于发展多年，应用广泛，技术成熟，但发展空间较小，而随着对测量自动化程度要求的提高，电子测量式压力仪表成为压力测量的主流，发展非常迅速，主要体现在传感器技术和二次仪表技术

的发展。传感器技术是一项当今世界令人瞩目的迅猛发展起来的高新技术之一，也是

当代科学技术发展的一个重要标志。很多新材料、新技术、新方法应用在压力传

感器的开发研制中，其中光导纤维、陶瓷材料、单晶硅、多晶硅、碳化硅、蓝宝

石、金刚石等材料得到广泛的应用，在半导体集成电路制造中应用的微机械加工

东北大学硕士学位论文第一章概述

技术，例如氧化、光刻、扩散、沉积、各向异性腐蚀及蒸镀、溅射薄膜等[6’1乙“]，

都已引进到传感器制造过程中。以MEMS(Microelectromechanicalsystem微电子

机械系统)技术基础的传感器已逐步实用化，这是今后发展的重点之一。

根据应用场合的不同，压力传感器向适应不同的应用条件发展。为了测量高

温介质或在高温下工作有专门的高温压力传感器，美国KuliteSemiconductor

Products，Inc公司研发的以SIC材料为基底的，应用Silicon—On—Insulator技术(一

种硅压阻部分与基底材料绝缘的技术)和无引线设计(LeadlessSensor Design)，

使压力传感器可以工作在600℃，可以应用在航空航天等需要在高温下测量压力的

领域[26,271。

德国IMES公司开发了一种HTT—01型传感器，具有良好的热稳定性，耐热冲击，

耐循环载荷，耐热可达1700℃的薄膜应变式传感器，主要用于往复式压缩机、汽

油机、柴油机活塞气缸、高压燃料系统的压力监测【281。

为了测量快速变化的动态压力，可以使用高动态特性传感器，压电式传感器

体积小，结构简单，不需外加电源，灵敏度和响应频率高，适用于动态压力的测

量，广泛地应用于空气动力学、爆炸力学、发动机内部燃烧压力的测量等等。其

测量范围可从∞700pa到0～70Mpa精确度可达0．1％。

日本横河公司利用各向异性腐蚀技术进行高精度三维加工，制成全硅谐振式

压力传感器。核心部分由感压硅膜片和硅膜片上面制作的两个谐振梁结成，两个

谐振梁的频差对应不同的压力，用频率差的方法测压力，可消除环境温度等因素

带来的误差。当环境温度变化时，两个谐振梁频率和幅度变化相同，将两个频率

取差后，其相同变化量就能够相互抵消。其测量最高精度可达0．01％FS。

光导纤维压力传感器利用光波传导压力信息，不受电磁干扰，电气绝缘好，

耐腐蚀，无电火花，可以在高压、易燃易爆的环境中测量。它灵敏度高、体积小、

可靠性好，可插入狭窄的空间是进行测量，因而得到重视，并且得到迅速发展。

为了适合在狭小的空间内使用，有小型传感器，美国MicronInstruments生产的

MPl00、MPl01型压力变送器，直径不到lmm，可以在非常狭小的空间内使用。

为了测量粘稠介质，有专门的齐平膜传感器；为了适应量程的不同要求，超

低压力(测量范围25Pa)和超高压力(测量范围700MPa)传感器；当然还有耐腐

蚀压力传感器，多相流传感器等等。

除了压力传感器以外，压力二次仪表的发展同样非常迅速，这里所说的二次

仪表，是指除敏感元件以外的信号放大、转换、显示、传输功能的部分，事实上，

有些压力测量装景的敏感元件和二次仪表是集成为一体的。二次仪表的发展方向

主要表现在标准化、数字化、集成化、智能化、网络化等方面。

(1)标准化

标准化是指输出信号标准化，一般压力传感器的输出都很小，很可能还存在

．3．

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。

2.5压力测量仪

这类仪表利用金属或半导体的物理特性直接将压力转换为电压、电流信号或频率信号输出，或是通过电阻应变片等将弹性体的形变转换为电压、电流信号输出。代表性产品有由压电式、压阻式、振频式、电容式和应变式等压力传感器所构成的电测式压力测量仪表。精确度可达0.02级，测量范围从数十帕至700兆帕不等。

压力测量仪用于物体表面压力，每台测量仪配有压力传感器。

第七章软件设计

7.1 M430F149芯片接口程序的编写

单片机串行工作方式时 ,串行口是作为同步移位寄存器使用。这时以 P3.3端作为数据移位的入口和出口 ,而由P3.6端提供移位时钟脉冲。

7.2单片机与键盘的接口程序设计

M430F149单片机的P1口用作键盘I/O口，键盘的列线接到P1口的低4位，键盘的行线接到P1口的高4位。列线P1.0-P1.3分别接有4个上拉电阻到正电源+5V，并把列线

7.3 A/D转换器的软件设计

单片机控制系统中通常要用到AD转换，根据输出格式，常用的AD转换方式可分为并行AD和串行AD。并行方式一般在转换后可直接接收，但芯片的引脚比较多；串行方式所用芯片引脚少，封装小，但需要软件处理才能得到所需要的数据。可是单片机I/O引脚本来就不多，使用串行器件可以节省I/O资源。

7.4 LED数码管显示程序设计

利用单片机内部的串行接口，可以实现静态的显示处理。这样不仅可以节省单片机的并行接口资源，而且在大多数不使用串行接口的情况下，可以减少或是免去扩展接口。

在这种设计中，串行口工作于方式0，数据的输入输出都通过RxD实现，移位脉冲则由TxD发出。每次传送一个字节数据。每输出一个字节数据，单片机自动使串行中断请求标志TI置。通过测试该状态，即可确定该字节是否发送完毕。由硬件电路图可知，74LS164是串行输入并行输出的移位寄存器。它具有两个串行输入端和8位并行输出端（Q A~Q H）。

当显示数据从RxD端输出到移位寄存器74LS164的输入端AB时，74LS164将串行数据转换成8位输出码QA~QH，然后加到共阳极LED显示器上。究竟在哪一位上显示，还要P1口的状态而定。当某一位为低电平时，该位LED显示，其他位不显示。由于接口电路中显示模型输出地址和位选信号可一次选中，故只要一次输出即可显示一位。

2 工作时序

ADS8320与微处理器或其它数字系统采用同步3线串行接口进行通信，其工作时序如图3所示。

当CS/SHDN 端从高电平变为低电平（下降沿）时，芯片的整个转换和数据传输过程被初始化，DCLOCK 端的最初4.5～5个时钟脉冲用于对输入模拟信号的采样，此时 DOUT 端处于高阻态；在随后的DCLOCK 下降沿，DOUT 端将输出一个可持续一个脉冲周期的低电平信号，以作为将要输出A/D 转换结果的标志；紧接着在16个DCLOCK 的控制下，从最高位（MSB ）到最低位（LSB ）依次由DOUT 输出16位转换结果。

DCLOCK 信号的下降沿可用来控制A/D 转换结果在DOUT 端的同步传输，大多数接收系统对DOUT 端转换结果数字位流的采集在DCLOCK 的上升沿进行。

当16 位转换结构传输结束后，若CS/SHDN 端仍为低电平且DCLOCK 端有控制脉冲，那么在DOUT 端继续输出转换结果，但此时是由最低位（LSB ）到最高位（MSB ）依次输出，直到当最高位输出出现重复使DOUT 端变成高阻态为止。即一次转换数据最多输出两次，一次从高位到低位，一次从低位到高位。一般情况下，当16位转换结果输出完毕后，置位或去掉DCLOCK 脉冲，可使结果仅输出一次。

当CS/SHDN 端接高电平（下降沿）时，ADS8320在关断模式下低功耗工作，只有当CS/SHDN 端从高电平变为低电平时，芯片方可重新初始化而进行另一次

A/D 转换。

6.4MAX7219

MAX7219是一种集成化的串行输入/输出共阴极显示驱动器,它连接微处理器与8位数字的7段数字LED 显示。其上包括一个片上的B 型BCD 编码器、多路扫描回路，段字驱动器，而且还有一个8*8的静态RAM 用来存储每一个数据。MAX7219同样允许用户对每一个数据选择编码或者不编码。整个设备包含一个150μA 的低功耗关闭模式，模拟和数字亮度控制，一个扫描限制寄存器允许用户显示1-8位数据，还有一个让所有LED 发光的检测模式。

6.5 7段数码管

7段数码管一般由8个发光二极管组成，其中由7个细长的发光二极管组成数字显示，另外一个圆形的发光二极管显示小数点。

当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发光。控制相应的二极管导通，就能显示出各种字符，尽管显示的字符形状有些失真，能显示的数符数量也有限，但其控制简单，使用也方便。发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极数码管，阴极连在一起的称为共阴极数码管，如图4.9所示。

在单片机应用系统中，数码管显示器显示常用两种办法：静态显示和动态扫描显示。基于LED 的优点在本次设计中采用了数码管的静态显示。所谓静态显示，就是每一个数码管显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O 接口用于笔划段字形代码。这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显示新的数据时，再发送新的字形码，因此，使用这种办法单片机中CPU 的开销小。能供给单独锁存的I/O 接口电路很多，常用的串并转换电路74LS164，他的电路如图2.18所示。

GND

图2.18 静态LED 显示电路

6.6按键

按键是单片机系统实现人机对话的常用输入设备。我们通过按键，向计算机系统输入各种数据和命令，亦可通过使用按键，让单片机系统处于预定的功能状态。要想实现压力的显示需硬件与软件配合，最终调试出来。