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。