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测量仪器仪表

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。

气缸压力表对汽车有着重要意义，气缸压力是发动机正常运转的一个重要参数，传统的指针式压力表存在指针摆动误差较大等固有缺陷，而本文所涉及到数控压力表系统是将单片机作为自身的主控内核，并且通过数字化的液晶显示器作为其显示端口，对所有目标的数控都实现了基于单片机的智能化模式。

而且也可以让用户得到准确度很高的数据信息。

本文有关设计的最直接目的就是要在减少设备投入和所占用空间的前提下，全面提升该设备的使用广泛性以及自身系统运转的稳定性，精确性和可靠性电池供电、长寿命、低功耗、低成本数字式、耐震压力表的设计目的出发具有一定的使用价值。

本论文所设计的相关仪表测量系统在收集压力数据信息时所依靠的主控核心为MSP430单片机，并且通过和液晶显示器的共同搭配来实现相关数据的收集和展现功能。

这里所依靠的这一款MSP430单片机在计算速度，能耗和设备开发简易程度方面都有着很明显的优势，这也让整个控制系统的设计流程变得更加简单易行。

经过调试的结果表明该设计方案可行，能过实现汽车气缸压力检测采集和显示。

关键词：

电子式气缸压力表，单片机，压力信息采集

第一章绪论

1．1压力与压力测量

单位面积物体表面所承受的针对这一物体所施加的力叫做压力。

这样的力大抵可以分为绝对压力和相对压力两种类型，其中的绝对压力指的是流体所受到的单向的压力。

而相对压力则是两两压力之间产生的力量差；通常来讲，即时的现场大气压可以作为一项可以参照的压力标准，当绝对压力减去参考压力得到的压力差为正值时，那么对应的相对压力即为表压（gaugepressure）；若绝对压力减去参考压力得到的压力差为负值，则相对压力就可被称为负压或者真空度。

针对压力的计量单位会因为其使用的不同科目而有所差别，目前国际通用的压力计量单位是帕斯卡；在热工学所需要的所有参数中，压力参数的地位十分重要，在工业生产，日常生活乃至科学研究的过程中经常都要用到各种气压和液压的相关测量活动。

针对压力测量的需求和实践充斥着我们的日常生活，可以说每时每刻都在进行，不管是何种领域只要存在着对气压乃至液压的具体使用，那么压力的测量必然相伴出现；对各类压力的测算和操控是多种智能化自动化的工业生产控制在实现过程中不可缺少的一环；不管是车船飞机这样的交通手段，还是医疗天气乃至空调制冷这样的生活必需，无数的领域内部都会使用到压力测量。

而且一部分的另类测量活动和压力测量之间可以实现转化和互换。

比如测量储油罐内部原油的具体数量时，就可以通过对罐底油压测量结果的运算而获得具体结果。

在工业活动中对液压或者气压进行工业自动化测量时就需要用到压力测量仪表（压力表或者压力计），这种测量表不仅可以显示或记录即时的压力数据，还可以和警示或者控制设备搭配使用。

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。

诞生于上世纪初的远传压力表和电接压力表将一直以来的压力数据远程传送和对超标压力的警示和管控难点予以攻克。

基于各类弹性零件在压力作用下会产生形变的原理研制出来的压力测量仪表即为弹性式压力测量仪表。

按照内部配备的弹性零件的种类来划分，则这一类压力测量仪表包括弹簧管式、膜片式、膜盒式以及波纹管式几类。

如果按照相应的功效进行划分则可以被分为远传式，电接点式和指示式三类。

弹性式压力测量仪表的最大优点在于简便但是耐用的结构材质以及很宽广的压力测试范围，因此也是多类型压力测量表中最为普遍应用的种类。

电子测量式压力表的内核部件主要是压力传感器，在测量时会将自身感受到的被测试压力通过一定规律的电信号加以反映。

其具体可分为压力传感器，压力变送器和数字式压力表三类。

如果输出的电信号属于标准规格（4～20mA直流电流、1～5V直流电压），时，则该设备为压力变送器，如果将传感器和信号处理系统以及显示屏配合使用，则该设备为电子数字压力表。

如果将控制和记录装置和压力表本身装配到一起，则整套压力测量设备就拥有了对数据收集处理以及打印以及控制方面的多项自动化功能。

目前存在着多种多样的压力传感器，具体而言包括电位器类、压阻类、霍尔类、电感类、电压类以及振动类等。

这些传感器的精准程度可以达到0.01级别，测压跨度可以为10pa到700pa不等。

1．2压力测量的发展现状和发展趋势

压力测量的大范围实践应用催生了大量的多种类压力测量需求，这也间接推动了压力测量活动的不断进步。

除了校准用的标准化压力测量以外，在工业生产和科学探索中，弹性和电子式压力测量仪表依然是最为广泛使用的两类仪表。

虽然多年的演进过程让弹性压力测量仪表有了很大的适用范围和足够成熟的制造技术，但是它在现今不断提升的自动化进程影响下已经难以获得更大的发展前景，其地位也开始逐渐被电子式压力测量仪表所取代，而以传感器及二次仪表技术为代表的电子式压力测量仪表的相关技术现在已经取得了巨大的飞跃。

作为一种让无数人高度关注的高新技术，传感器技术的发展速度可以用难以置信来形容，而且它已经成为了当今科技飞跃的重要代名词。

和传感器技术有关的多种新型材料和工艺流程同样被嫁接到了压力传感器的研发过程当中，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。

压力传感器的应用发展条件因为不同的适用领域而出现了多头发展的趋势。

例如：

高温压力传感器就适用于对高温度目标的压力测量以及在高温工作环境下进行测量，这里提一下由德国IMES公司开发的HTT-01高温传感器，这样的传感器在耐热、抗冲击、抗循环负载等方面有着很强的优势，而且作为一种膜式应变传感器的HTT-01可以承受高达1700℃的高温，因此其具体应用地点也为诸如往复压缩机、汽柴油引擎气缸以及高压燃料系统这样的高温高压目标。

有时为了检测高速变化的动态压力趋势，就需要用到具备高动态性质的压电式传感器，该类型传感器具有小巧简单的外部构造，在无需外接电源的状态下就可以呈现足够的高精准性和相应频率，可以测量动态压力趋势，因此其应用目标基本上都属于空气动力，爆炸学以及引擎内燃压力的测量等等。

有效测量范围为∞700pa到0再到70mpa不等，并能达到千分之一的精准度。

将压力数据通过光波进行输送的光纤压力传感器对于电磁和电气扰动，以及静电和腐蚀性物质有着很好的抵抗力，而且不会产生静电打火，所以十分适合于在高压和燃爆系数高的环境中进行测量。

而且其架构简单，并且有很好的精准度和灵敏性，这种适合于微小空间测量的特性让其被广泛关注并得到了全面提升。

美国MicronInstruments生产的MPl00、MPl01型压力变送器就是两类适用于微小空间工作的小型压力传感器，其不到一毫米的通径让它在极小的空间内畅行无阻。

齐平膜传感器适合于对粘稠物体的压力测量；量程0-25pa的超低压力传感器和700mpa量程的超高压力传感器可以用于大范围的压力测量；另外还存在着抗腐蚀以及多相流状态的压力传感器等。

与压力传感器不分伯仲的压力二次仪表同样也取得了飞跃式的发展，这里提到的二次仪表属于扣掉敏感零件之后执行压力信号扩张、转化、传送和展示功能的相关零部件，不过在实践过程中，部分压力测量仪表的敏感零件和二次仪表是不可分割的。

对于二次仪表的发展趋势，大体可以被概括为标准化、数字化、集成化、智能化和网络化五点。

（1）标准化

这一条主要指的是标准化的输出信号模式，普通的压力传感器所输出的信号都十分微弱，甚至还会出现传输的非线性状态，所以基于提升采集和显示传感器所输出数据的便捷性考虑，就西药通过信号调理线路将传感器所输出的压力信号转化为标准化的，适用于复杂即时工业生产活动所使用的测量控制专用型号。

这样的标准型号可以让采集控制系统的具体设计过程内不用考虑压力传感器本身的激励和信号输送模式以及其输送范围和非线性状态，这样的标准模块化处理让整个系统设计过程更加快捷。

（2）数字化

除了上面提到的信号标准化以外，二次仪表还呈现出了数字化的发展趋势，具体而言就是未来的二次仪表输出的内容将更多以数字量而非模拟量的模式呈现，数字将会成为显示和输出的主流，这样一来，放大电路，AID转换和微型CPU将会被加装进入压力传感器模块。

让压力测量信息通过数字化模式基于某一类通讯协议实现对象为主控计算机的数据传输，这样一种把各类数字化的传感器输出信号基于现场总线相互连接的模式，以必然是未来测控系统的一种发展主流。

（3）集成化、智能化

基于传感器和微型控制设备技术的演进，以及不断推进的测压系统智能集成化水准，让智能集成传感器的构成发生了巨大的变化，从简单的传感装置发展成为了将传感装置，信号调理线路，微信CPU以及辅助配件共同架构的芯片集成块，这样的芯片集成块在某些时候还会加装多类型敏感配备，从而在诊断矫正、温度补偿、数据处理、网络通讯乃至多类型数据测定方面都有了用武之地，而且在成本和产量的优化上也有了不可比拟的优势。

举例来说，美国LUCAS、NOVASENSOR公司开发的血压传感器现在就已经达到了周产万只的规模。

（4）网络化

基于测控系统的多通道架构需求，网络化也是压力测量模块在未来的一个必然发展趋势，而且这样的趋势因为现场总线的出现而变得更加明显，需要说明的是现场总线在全球自动化领域的地位已经炙手可热。

所谓的现场总线，就是连接现场各类智能仪表和主控设备两者之间的一种双边开放式数字多站点通信网络，这一系统的存在让测控系统的现场架构变得更有灵活性，数字化的信号在现场总线内部不会产生任何损失，所以更方便于搭建散布式的压力测控系统。

1.1本课题研究背景及意义

随着人类社会的发展,汽车已成为人们出行的必要工具,而随着汽车技术的不断发展,汽车在使用过程中,随着使用时间的延长或行驶里程的增加,其故障也会频繁出现,为了确定汽车在使用时技术状况良好,就要求我们对汽车的各项使用性能做检测。

气缸压力是发动机一个十分重要的数据,它能决定发动机的多项性能发挥，可以说与大多数的发动机性能之间都有着很大的关系。

气缸的压力只要达不到标准，那么就可以从规范角度否定掉所有的发动机性能。

汽车发动机的动力水准和经济程度和气缸压力的水准成正相关，一旦下降必然会让汽车本身动力困难且更加耗油，还会带来一连串的故障。

而随着科技的进步，相应的基础检测设备也应同步升级和高效应用。

传统的指针式气缸压力表存在指针摆动误差较大，读数不直观不便捷等固有缺陷，已不适用汽车气缸压力的检测，而电子式数显压力表数据读取高效便捷，有更好的稳定性，精确性和可靠性，更可以减小体积和扩大适用范围。

本课题设计的电子式气缸压力表针对现代汽车的检测与维修，在现有成熟技术和成本控制理论的基础上来对气缸压力数据的收集输送以及显示问题加以解决。

1.2国内外现状

汽车发动机气缸压力信号的采集，就是通过传感器的相关技术在不拆装汽车发动机的原则下验证发动机的具体性能并实现对故障点及其产生原因的排查。

在很早一段时间里，采集汽车发动机气缸压力的信号的活动因为当时不发达的传感器和电子测量水平的缘故面临着很大的困难。

对汽车发动机故障的判断主要都依靠人力来进行。

处于汽车维修工序一线的人员在自身维修经验的引导下，通过听，触或者发动的方式来检测汽车的性能和故障点，因此工作人员的经验很大程度上决定了检测活动的准确程度。

虽然这样的检测无需太多的高科技设备仪表就可以轻松完成，但显然存在着低效率，长时间和易误判的严重缺点。

后来，一些针对汽车压力传感器以及引擎的测量设备仪表在电子测量技术的演进过程中被人们运用于实践活动。

即指针式气缸压力表，极大的提高了检测效率，上世纪80年代的微控制装备，信号处理以及自动化浪潮催生了以微控设备为核心的汽车性能测试和故障排查系统，这些系统在获取传感器输出的各类性能信息之后，通过对信息的放大调理进行相关的采集和处理流程，从而通过相应的处理结果来检测汽车发动机的即时运转情况。

1.3课题研究的主要内容和论文内容安排

1.3.1研究内容

1）对现有的数据采集显示系统进行探讨，做出初步设计

2）根据初步设计，以单片机为数据采集基准部件，从传感器输出的气缸压力信号经过预处理及A/D转换显示到液晶屏上

3）根据模块，电路设计，制作数据采集与显示

4）编写适当程序，实现数据采集与显示

1.2.2论文内容安排

第一章为绪论部分，简要阐述该课题的研究背景与意义第～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。

第二章为系统总体设计方案

第三章为系统硬件设计部分。

设计系统内部的硬件电路，对MSP340单片机及其外围电路的设计模式进行了介绍

第四章系统软件设计，细节化设计了系统的软件流程。

第五章调试系统。

本次设计方案通过调试证明了可行性。

第六章为总结

第二章系统总体设计方案

2.1设计需求分析

1、系统硬件具有便携性、低功耗的特点，能够实现对气缸压力传感器输出信号的调理和采集。

2、能对采集的数据进行分析和处理。

数字压力表基本模块

2.2设计思路

对系统的总体设计是系统设计的全局化目的，通过初期的硬件筛选确认了一个简单的系统设计方案，并且在后期加入了硬件可行程度的考量。

在反复的论证以后，总体设计方案内部的数字压力表的内核的单片机部件选择美国德州公司生产的MSP430低耗能单片机，并相应遴选了同样具备耗能和投入相对较低的储存装置，放大装置以及液晶显示器等一系列元件（具体选择对象见3.1）,以下为总设计方案。

图2.3是本系统的基本组成架构，压力传感器和放大器的所需要控制和电能均来源于处于处于核心地位的单片机，传感器发出的压力信号在经过电信号转化以后，会被放大器扩大到足以使和A/D转换的电压幅度，这一电压会在430单片机的A/D转换器上进行转化并最终形成所需要的数字量。

然后数字量会在单片机内部经过基于外部储存的校准数据的运算过程得到相应的压力数据并在液晶显示器内部加以显示。

在运算过程中，测量数据和标准压力数据之间会相互对应，外设的储存装置内部存储有备用的校准数据。

经过稳压处理以后的电池将长期安装在仪表内进行为单片机，显示器以及存储设备提供电能的工作。

2.2Fig．2．3SchematicDiagramoftheSystemDesign

图2.4为全局化的软件方案，在通电初始化结束以后，系统会断掉传感器和放大器的电源同时进入功率节省模式，之后进入同先期设置的采样时间相匹配的延时循环，这一循环的及时过程将维持一个采样周期。

之后系统将从功率节省模式中退出并同时将电能接入传感器和放大器进行测量和A/D转化，以及数据的运算处理和显示器显示，测量显示完成后将跳回节电模式并循环进入下一采样周期，如此重复整个的运作过程。

3．1元件选择

功率节省和省钱亦是元件遴选的唯一准侧，基于前文可知，基于长效化的稳压器，单片机以及储存设备以及显示器的工作特性，在具体的设备遴选过程中必须考量其在未采样时间内的电流消耗，也就是说遴选这四大元件的标准高低将直接决定设备本身是否保有超过730天的工作寿命。

3．1．1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，电流随着工作频率的下降而下降，但仍然无法达到电池提供系统连续运转做需要的电能需求，所以在多次比较以后，本设计将美国德州公司生产的MSP340单片机作为设计用单片机，在这一系列的16超功率节省单片机内部加装了A/D转换装置，因此属于针对智能仪表以及便携式电池能源设备的专门性设计。

3，1．1．1MSP430F1121简介

如图3．2为MSP430F1121的管脚分配图。

MSP430F1121是一个20脚SOWB封装芯片，该型号单片机为Flash型，可反复编程，片内有4K字节程序存储器和128字节的RAM。

MSP430F1121内集成了可用于斜坡A／D转换（SlopeA／D）的比较器A（ComparatorA）和功能强大的计时器A（TimerA）。

片内配有两组I／O口P1和P2（每个I／O都是多功能复用的）、

1、独特的时钟系统，低工作电压与超低的功耗。

MSP430的工作电压范围为1.8V~3.6V，特别是在2.2V,1MHz主频下，它的活动模式工

作电流仅为280T}=lV*Tf281:

RAM数据保持方式下耗电仅0.1uA}IO输入端口的漏电流最大仅SOnAoMSP430系列单片机具有独特的时钟系统设计，包括基本时钟系统和锁频环（FLL和FLL+）时钟系统或DCO数字振荡器时钟系统。

CPU和对单片机外设每块所依赖的时钟信号从多种类型的时钟系统内发出，这些信号的开关都是通过对应的寄存装置以及外部命令来实现的，从而实现系统的功率节省目的，而且多类型的工作模式可以依据功能模块的实际使用状态来选择激活。

除此以外，该系列单片机可以通过矢量终端的模式实现对十几个中断源的支持同时允许随意套嵌行为的存在，只需要通过Gu就可以利用中断指令唤醒CPU处理器，对于外部出现的中断时间指令可以通过功率节省编程技术在功率节省的同时实现快速响应。

单片机的功率节省目的不能通过性能上的折扣来交换，一般采用W/MIPS（瓦特/百万指令每秒）来衡量微处理器的功耗，MSP430系列单片机在活动模式下，这个指标的值为250uA/MIPS，相对于传统的MCS51单片机10mA-20mA/MIPS而言，最好的功率节省效果和最好的运转性能并不会发生冲突。

除了考虑单片机自身的功耗以外，整个系统的功耗也需要被重点关注，如果单片机本身存在很大的漏电流，则系统的功耗也会很高。

本设计所使用的MSP430单片机，存在于输入端口的漏电电流极值为50nA，这已经超出了其他类型的单片机的漏电流最低极限。

所以可以指导该系列单片机已经从很多角度证明了其良好的系统功率节省性，最佳功率节省单片机当之无愧。

2、运算处理速度快，通过寄存器，可设置单片机工作的时钟源。

系统发布指令的速度会因为XT2高速晶振的运行而得到很大提升，单个的及其周期和时钟周期相互对应，也就是说8M的系统主时钟只对应1/8us的及其周期，单片机的内部多类型计算都接纳数据和片上存储设备的参与，同时运作一个高效高速的查表处理办法。

因此在开发条件和测试条件上的优势十分明显。

MSF430系列单片机可分为OTF型、FLASH型和ROM型3种类型的器件，国内目前运行较多的单片机类型为FLASH型。

其他两种型号的相应元件必须通过专门的仿真系统才能存在，FLASH型单片机内配属的JTAG调试端口可以将目标代码直接载入单片机内部，并通过相应接口实现对单步或连续的单片机程序编码的运转控制以及对CPU的读取工作，这样一来，应用程序的编写和调试都在一个综合化的软件条件下完成，因此提升了软件开发人员编写和测试程序的简便性。

全套的程序编辑和测试只依靠一个单纯的JTAG仿真端口基于C语言进行，省掉了专门的程序编写设备。

3．1．1．2MSP430F1121单片机开发工具

符号化编程，程序汇编和C语言程序混编都可以通过MSP430单片机来完成，而且这一款单片机与多种第三方应用程序软件存在支持关系。

MSP430F1121配套的开发工具是由德国IARSystem公司开发的IAREmbeddedWorkbenchforMSP430Kickstart这是一个综合性的开发环境，可以同时完成程序的编写、翻译、桥接、测试以及FLASH编写等多种功能，图3.4所显示的程序测试就是这一环境下完成的，程序可以通过这一工具软件直接下载到单片机内部并且通过JTAG直接进行线上的是和调整，在该环境运作的同时，寄存设备以及内存里面的数据都可以被查阅或增删修改。

系统不管是在单步还是断点状态下都可以实现最快的运转速度，此外系统的编辑界面内还可以提示运转过程中的当前变量值，因此降低了程序开发的难度。

3．1．2液晶显示器的选择

长沙太阳人电子的SMS0408被选为本次设计所使用的液晶显示器，如图3.5所显示的显示器是一个大规格字体的高液晶西安市区块，高度约为18毫米，人们可以远距离看清显示器上清晰显示的各类数据；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20A，因为实践状态下的数据会反复改变，无法显示所得数据段，所以真正意义上的电流消耗只有10-19A，符合设计的需要。

3．1．3存储器的选择

对电压的测量过程基于加装SlopeA/D的MSP430F1121单片机的存在，因此遵循的也是非线性的工作原理，所以必须将可能会在测量时需要使用的相关校准数据事先加以储存从而规避这样的非线性。

同时需要注意到，该系列单片机内部只存在有单独的看门狗定时器以及TimerA,且这两个定时器的测量及时均已采样时间为基准，所以看门狗就并未存在于系统之中，这样一来单片机就不会具备充足的运转可靠性。

正因为如此，在本设计种的存储器环节选择了自带可编程看门狗功能的E2PROMX25043存储器。

该型号基于CMOS工艺的存储器的静态功耗在10A以下，通过2.7V-5.5V的电源来维持其低功耗运转，且可以将看门狗程序加入集成配置。

3，1。

4传感器的选择

按照前文概述，目前有多种类型的压力传感器出现在市场上，因此处于对投入和系统性能的综合考虑，在本设计种选择了压阻型陶瓷压力传感器，在不让性能大打折扣的原则下，让所选产品尽可能拥有足够的低廉价格和较高的桥路电阻和内阻，就可以通过降低工作电流来降低功耗。

在对充斥于市场的多种产品进行选择的过程中，处于价格和提货时间的综合考量，我们并未锁定单独一家，而是将若干家符合要求的供货商作为备选货源。

传感器的性能主要决定于桥路电阻、敏锐性、温度系数三个因素。

因此选择的具体标准即为高灵敏度和低温度系数的压力传感器，且该传感器必须有超过8KΩ的桥路电阻。

3．1．5放大器的选择

A/D转换器的输入内容为放大后的传感器mV级输出信号，所以必须要将低功耗和低投入同时作为遴选放大器的原则，而且电池供电的设定又限制了放大器单源供电的性能状态，其工作电压必须符合电池电压，不过多点校准的低投入设计方案不会对线性的放大器指标提出太高要求。

所以在这里并没有采用投入较高的专门化仪表放大器，而是选择了和单片机同样出产公司的TLV2211放大器。

图3.6即为其封装示意图。

3．1．6稳压器的选择

选择电池供电模式注定系统电压会随着电池的不断消耗而降低，一部分电器元件的工作性能会因为电压的变化而变化，所以系统处于维持测量精确度的考虑需要一个稳定的电源来规避电压的不断下降的问题。

而且工作电压和低功耗元件的功耗水平之间呈正相关，所以出于减少功耗和延长电池使用时间的考虑，故加装了一个能够降低系统运转电压的稳压器于系统内部，因为外部储存设备的输入工作需要2.7V的电压，因此将工作电压设置为2.8V就可以实现功耗的最小化。

这里的稳压器选择MAXIM公司出产的MAX884线性低电压差稳压器。

3．2信号调理与A／D转换电路的设计

压力传感器传出的信号属于mV级别，且会因为传感器灵敏性和零点的不同而发生变化，所以必须将其调理到符合A/D转换器要求的信号输入范围。

如图3．7，S1为传感器的输出范围，s2为由于传感器的差异造成的输出可能的最大范围，s3为A／D转换器输入的范围，s4是为了适应各种条件的变化且输入范围内已经存在安全区间，实现s2和s3之间的匹配就是信号调理线路所要达到的具体