MSP430单片机的数字式压力表的设计Word文件下载.docx
《MSP430单片机的数字式压力表的设计Word文件下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《MSP430单片机的数字式压力表的设计Word文件下载.docx（105页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
Gauge
BasedonMSP430Microcontroller
Thetrendofthe
development
instrumentation，including
the
pressuremeasuring
equipment，is
better
performance，digitized，integrated，intelligent
andnetworkconnect
capable．Todesign
produce
a
batterypowereddigitalpressuregauge
istomeetthe
demandofthemarketona
long—life，batterypowered，low—cost，lowpower
consumption
andvibration—resistant
pressuregauge．Theproduct
hasabroad
prospect
onthemarket．
Inthis
paper,thedevelopment
ofa
batterypowereddigitalpressuregauge
is
presented．First，asummary
ofthecurrentstatusandtrendofthe
pressure
measurement
given，and
thendetailedinformationabouttheoverall
systemdesign，function
principle
ofdifferentmodulesandthesoftware
design
providedrespectively．
Howtocontrolthe
powerconsumption
andcostofthe
digitalpressuregauge
isthe
mainconsiderationofthe
design．Thegoal
isfulfilled
throu曲usingdesigntechnique
in
bothhardwareandsoftware．Wim
regards
tothehardwareselection．MSP430series
ultralow
powermicrocontroller，lowpowerconsumptionamplifier
andLCDmodule，
high
resistance
sensorarechosentobuildthe
system，and
alow
dropout
linear
voltageregulator
ischosentolowerthe
voltagesupply
ofthewhole
system．As
forthe
software
design，using
ofintermissive
workingmode（During
non—samplingperiod
only
theLCDmoduleandthe
are
active，the
microcontrollerandthe
external
memory
moduleare
working
inlow
power
mode．the
powersupply
ofthe
sensorand
amplifier
iscut
off．），shortening
specialslope
A／Dconversiontimeare
someofthemeasures
applied
tominimizethe
system．The
gauge
can
operatecontinuously
atleast3
years
without
changing
thelithium
battery．At
thesame
time，to
lowerthetotalcostwhilemeetthe
performancerequirement
makethe
product
more
competitive，following
measuresaretaken：
choosing
lowcost
componentsby
all
means，using
slope
A／Dconverter
integrated
themicrocontrollerto
simplify
design，introducing
multi-point
calibrationand
interpolationtechnique
tolessenthe
linearity
uniformityrequirement
pressuresensor，thus
widentheselection
range
sensor．Not
theNo
—Tn—
东北大学硕士学位论文ABSTRACT
trim
potentiometerdesign
reducesthecostofthe
system，but
alsoenhalicethe
reliability
system．
implementation
detailsofthevariousmodulesofthe
digitalpressure
ale
presented
inthis
paper,including
MSP430series
microcontroller，basicclock
module，Timer_A，Comparator_A，lowdropout
lineal
voltageregulator,external
module
X25043，LCDmodule，etc．The
function，principle
application
thesemodulesandinterfacesbetweenthesemodulesale
explained．Modularization
andlow
considerationare
onso．ale
design．Flow
chartandsome
assemblylanguage
sourcecodeofthemainmodulesare
provided．
Key
wordsUltrallow
powerconsumption
MSP430Mierocontroller
pressuregaugeMtdti-point
calibration
technique
．IV．
东北大学硕士学位论文声明
声明
本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。
论文中取得的研究成
果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也
不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做
的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
本人签名：
艾多拿
日期：
2DD弘．2．20
东北大学硕士学位论文第一章概述
第一章概述
1．1压力与压力测量
垂直均匀地作用于单位面积上的力称为压力。
压力可以分为绝对压力和相对压力，绝对压力一般是指流体的实际压力，相
对压力是指一个压力相对于另一个压力之差；
一般来说，把当时当地的大气压为
参考压力，如果绝对压力大于这个参考压力，那么其相对压力称为表压（gauge
pressure）；
如果绝对压力小于这个参考压力，那么其相对压力称为真空度或负压。
由于应用的领域不同，表示压力大小的单位很多，在国际单位制中，压力的
单位是帕斯卡（PaN／m2）；
在英制单位中一般用psi（poundspersquare
inch
lbf／in2）
来表示；
在工程上经常用工程大气压为单位（kgf／cm2）：
还有毫米水柱（mnffl20）、
毫米汞柱（mmHg）、标准大气压（arm）、巴（bar）、毫巴（mbar）等。
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。
1．2压力测量的发展现状和发展趋势
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
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（LeadlessSensorDesign），
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．
输出的非线性，为了使得传感器的输出能够方便的用于数据显示和采集，就需要
有信号调理电路，将传感器的输出转变为适合工业现场使用，组成复杂的测量控
制系统的标准信号，常用的信号有4—20mA、O-10mA、0-5V、1-5V、0-10V等，这
样的输出标准信号的压力测量装置一般称为压力变送器，压力变送器使用很方便，
由于信号是标准化的，因此在设计采集和控制系统时就不必考虑压力传感器的激
励模式、信号形式、输出范围、非线性等，而直接将其看成一个标准的模块，从
而简化了系统的设计。
（2）数字化
除了输出信号的标准化，还有一种新的趋势，就是输出朝数字化的方向发展，
也就是说，输出不再是模拟量了，而是直接数字显示或数字量输出，压力传感器
模块中不仅要包含放大电路，还要包含AiD转换和微处理器。
这样就可以通过某
种通讯协议，将数字化的压力信号传送到主控计算机，这种通过现场总线将各种
数字换输出的传感器连接在一起的模式，是当今测量控制系统的一个重要发展方
向。
（3）集成化、智能化
由于传感器与微控制器技术的进步。
压力测量系统的集成化、智能化水准不
断提高。
集成、智能传感器不是一个简单的传感器，而是将传感器、信号调理电
路、微控制器和其它辅助电路元件同时集成在～块芯片上，有的甚至将多种敏感
元件集成在一个芯片上，使之具有自诊断、自校准功能、自动温度补偿、数据存
取、网络通信甚至多参数测量的功能，这样它可降低成本、增加产量，例如，美
国LUCAS、NOVASENSOR公司开发的血压传感器，每星期能生产1万只。
又如，
美国HONEYWELL公司ST．3000型智能传感器，芯片尺寸才有3x4x2mm，采用
半导体工艺，在同一芯片上制成CPU、EPROM、静压、压差、温度等三种敏感元
件，形成超大规模集成化的高级智能传感器【l”。
（4）网络化
为了组成多通道测量控制系统，压力测量模块的朝网络化的方向发展也是～
个非常突出表现，随着现场总线的问世，测量控制系统的发展翻开了新的一页，
目前现场总线已成为全球自动化技术的热点，现场总线是用于现场智能化仪表与
控制室之间的一种开放、全数字化、双向、多站的通信系统，现场总线使得测量
控制系统的组成更为灵活，由于总线传输为数字信号，在传输中没有信号损失，
便于组成分散式测量控制系统。
当前具有姒RT、Profibus、c州、工业以太网等总
线传输功能的压力测量模块也已经有了较为广泛的应用[6-14】。
1．3项目的研发背景
在与一些石油化工企业接触中，发现在这些企业使用大量的弹簧管指针式压
J．
东北欠学硕士学位论文第一辛概述
力表，但是在一些振动较大的管路上，这些指针式压力表经常损坏，虽然指针式
压力表价格相对较低，但是振动造成测量的不准确和经常损坏，使得压力表需要
频繁地更换，修理量和随后的校准工作量很大，投入的人力和时间也很可观，运
行维护成本很高。
能否有～种适应现场应用条件，价格又较为合理的替代指针式压力表的产品
呢?
采用压力传感器、变送器，数字式的压力表的模式，可以从根本上解决由于
普通指针式压力表的机械零件多，耐震性差，可靠性差的问题。
但是，是不是所
有的数字式压力表都能适应现场的要求呢?
从市场上能够见到的数字显示压力表来看，不论是采用变送器、显示器分体
式设计，或一体化的数字式压力表，大部分需要外部提供直流24V或交流220V
电源，这在现场无法提供或者不便提供电源的情况时，给使用带来困难。
采用电
池供电的压力表相对来说较少，而且采用电池供电的压力表，一般连续工作时间
只有数千小时，为了延长电池使用时间，有的压力表有电源开关，或无信号定时
关机功能，重新进入测量状态～般需要人为按键或打开开关。
这种压力表在安装
到距离地面较高等不易控制开关或按钮的地方时，使用也很不方便。
更为重要的
是市场上的数字式压力表，无论是国产还是进口产品，价格都很高，～般是普通
压力表的几十倍。
从上面的分析可以看出，有些工业现场需要一种能够克服上述缺点的，替代
指针式压力表的较低成本的产品。
这就是数字压力表开发项目的目标和出发点。
1．4本文所做的工作
本文介绍的是开发型号为DPMl00，单电池供电的一体式数字压力表项目所做
的工作。
第～章简述了压力测量的发展历史，压力测量在生产生活中的重要作用，压
力测量仪器的分类及各自的特点，举例说明了压力测量仪器的发展现状，分析了
压力测量仪器的主要发展趋势和方向。
第二章从分析项目的要求开始，介绍了以低功耗和低成本为核心设计思想的
数字压力表的总体方案设计，较为详细地解释了间歇式工作的低功耗思想设计的
应用，介绍了系统的组成和工作原理，SlopeA／D的设计及工作原理的分析，阐述
了多点校准技术和线性插值技术在数字压力表设计中的应用，以及这些技术的应
用对降低成本作用。
第三章主要介绍
升级会员 