超低功耗采集系统与结构设计及性能分析论文.doc

摘 要

以嵌入式计算机为核心的数据采集系统已经在测控领域中占据了统治地位。数据采集是将现场传感器采集到的数据进行处理、存储、显示、传输、分析等操作。数据采集系统的主要功能是把模拟信号变成数字信号，并进行分析、处理、存储和显示。
   本论文工作所开发研制的数据采集系统运用最小功耗设计理论设计，可以在电池供电的情况下长期采集和记录数据，可长时间处于工作状态。嵌入式系统中低功耗的设计越来越受到人们的重视，功耗也成为评价系统性能的关键性指标。嵌入式系统的低功耗设计需要全面分析各方面因素，统筹规划。在设计之初，各个因素往往是相互制约、相互影响的，一个降低系统功耗的措施有时会带来其他方面的“负效应”。因此，降低系统整体功耗，需要仔细分析和计算。

关键字：单片机，低功耗，数据采集，定时

Abstract

The data acquisition system which regard embedded computer as the core has become a dominant position in the field of measurement and control. Data acquisition is the process of scene sensor to collect the data processing, storage, display, transmission, analysis and processing.The main purpose of the data acquisition system is convicte the analog signals into the digital signals and carries on the digitals, processing, storage and display.
The purposes of this thesis is data acquisition system which is designed by the theory of the minimum power consumption to make the system working longer in the same situation. Low power consumption of embedded system design is being paid more and more attention and consumption which has become a key indicators of performance evaluation system. Low power design in embedded system need a comprehensive analysis of all factors overall planning. At the beginning of the design, various factors are often interacting, mutual influence,for example, a lower system power consumption measures will sometimes bring other aspects which is called the "negative effect". Therefore, careful analysis and calculation is needed in reducing overall system power consumption.

Keywords: MCU,Low power consumption, Data acquisition, Timing

目 录

前 言 1
1. 绪论 2
1.1 引言 2
1.2 课题研究背景、目的及意义 2
1.3 超低功耗采集系统的发展 2
1.4 本设计主要任务 2
2. 论文概述 3
2.1 硬件设计概述 3
2.2 应用软件设计概述 3
2.2.1 低功耗软件设计方案 3
3. 系统的低功耗硬件设计 5
3.1 系统硬件设计思路 5
3.2 各硬件模块的选型 5
3.2.1 低功耗单片机的选型 5
3.2.2 其他模块选型 7
3.3各硬件模块的选型 7
3.3.1 MSP430F系列单片机 7
3.3.2 压力传感器介绍 10
3.3.3 低功耗放大器INA122介绍 13
3.3.4 LCD1602介绍 14
3.3.5 电池的选择 15
3.3.6 nRF24L01介绍 15
3.4 电池供电电路设计 17
3.5 硬件原理 17
3.5.1 电源电路 18
3.5.2 复位电路 19
3.5.3 传感器电路 20
3.5.4 晶振电路 20
3.5.5 nRF24L01电路 21
4. 系统的低功耗软件设计 23
4.1 MSP430F249的低功耗软件设计 23
4.1.1 单片机低功耗的基本原则 23
4.1.2 MSP430的低功耗设计 23
4.1.3 低功耗模式的进入与退出 26
4.1.4 MSP430的ADC12模块 27
4.2 软件总体设计 28
4.2.1 TimerA的设置 28
4.2.2 ADC12设置 30
4.2.3 I/O口中断设置 31
4.3 主要程序流程图 31
5. 系统性能分析 34
5.1 MSP430的功耗 34
5.2 其他模块工作电流 35
5.3 系统性能具体分析 35
5.3.1 主程序运行时间计算 35
5.3.2 系统给模块电流分析 35
5.4 电池寿命计算 35
6. 软件仿真 37
6.1 IAR FOR MSP430仿真 37
6.2 Proteus仿真 38
6.2.1 AD模块Proteus仿真 38
6.2.1 LCD显示仿真 38
结 论 40
致 谢 41
参考文献 42
附 录 43

III

前 言
单片机的应用日趋广泛，对处理器的综合性能要求也越来越高。纵观单片机的发展，以应用需求为目标，市场越来越细化，充分突出以“单片”解决问题。单片机系统作为嵌入式系统的一部分，主要集中在中、低端应用领域。在这些应用中，目前也出现了一些新的趋势，主要体现在以下几个方面：
以电池供电的应用越来越多，而且由于产品体积的限制，很多是用纽扣电池供电，如无线传感器网络、手持式仪表、玩具等。这就要求系统功耗尽可能低。
随着应用的复杂度的提高，对处理器的功能和性能要求不断提高，既要外设丰富、功能灵活，又要有一定的运算能力，能做一些实时算法，而不仅仅做简单的控制。
产品更新速度快，开发时间短，希望开发工具简单、廉价、功能完善。特别是仿真工具要有延续性，能适应多种MCU，以免重复投资，增加开发投入。产品性能稳定，可靠性高，既能加密保护，又能方便升级。
本论文的题目是超低功耗采集系统与结构设计及性能分析。主要解决的问题是电池供电的数据采集系统低功耗设计。使系统可以在电池供电的情况下长期采集和记录数据，可长时间处于工作状态。
从系统的整体功耗考虑。在芯片选用的时候就选择了超低功耗芯片，并且它支持休眠模式，这种带休眠模式的超低功耗芯片非常适用于我们的系统。同时，在硬件电路设计的时候，电子元件都采用低功耗的贴片式封装．在软件方面，尽量降低软件复杂度，减少计算时间。提高系统电源能量的使用时间。
本论文的设计主要针对矿用压力仪表的数据采集系统。由于矿井中情况复杂，不适合现场供电和频繁更换电池，所以对仪表的低功耗设计是必需的。为解决数据采集系统的低功耗设计这一问题，必须采用单片机、传感器、电子电路、电池一体化低功耗设计。在完成数据采集、存储、显示等基础要求的情况下，使功耗尽可能降低。

1. 绪论
1.1 引言
嵌入式系统中低功耗的设计越来越受到人们的重视，功耗也成为评价系统性能的关键性指标。而目前，有许多嵌入式应用领域，如煤矿压力测试、油田压力测试、高海拔温度测试等，都是用电池供电，节能更成为设计工程师普遍关心的问题。电池供电的低功耗系统可以长时间维持系统的运行，更加方便测试仪表的使用和维护。
1.2 课题研究背景、目的及意义
本设计是低功耗数据采集系统的机构设计及性能分析。低功耗设计是嵌入式系统中不可忽视的重要内容。
低功耗是国际上节能和绿色环保的要求。实际上节能是全球化的热潮，许多芯片过去用5V供电，现在用3.3V、1.8V，并提出了绿色电器的概念。微处理器的种类很多，使用时可改变和设置的内容很广泛，包括时钟频率、CPU频率等，看起来繁琐，但在执行实际任务时，做好相应的设置，可以使系统功耗随频率呈非线性下降。
（1.1）[1]
1.3 超低功耗采集系统的发展
数据采集系统近年来所以获得迅速发展其主要原因： 一是需要, 即科学实验与工业控制向高度自动化发展；二是可能, 即微电子技术如大规模和超大规模集成电路技术的发展为数据采集系统的发展提供了良好的物质基础。从而使器件向模块化和单片化发展，使仪器本身向智能化发展即以微处理机为基础，使所用软件向实时高级语言和软件模块化发展；使接口向标准化发展；而整个系统则是向测量与控制一体化发展。而低功耗技术的发展使数据采集系统的应用范围更加广泛，前景更加开阔。
1.4 本设计主要任务
本设计用单片机控制数据采集系统，并对系统进行超低功耗设计和性能分析。本文着重介绍该系统的工作原理、硬件与软件设计及系统功耗计算，本设计的主要组成：超低功耗单片机；低功耗压力传感器、低功耗放大电路；硬件和单片机的连接电路；单片机输出的数据存储；系统功耗计算和性能分析。

2. 论文概述
嵌入式系统的低功耗设计需要全面分析各方面因素，统筹规划。在设计之初，各个因素往往是相互制约、相互影响的，一个降低系统功耗的措施有时会带来其他方面的“负效应”。因此，降低系统整体功耗，需要仔细分析和计算。本论文从硬件和应用软件设计两个方面，阐述一个以单片机为核心的嵌入式系统低功耗设计时所需考虑的一些问题。
2.1 硬件设计概述
本设计选用具有低功耗特性的单片机可以大大降低系统功耗。可以从供电电压、单片机内部结构设计、系统时钟设计和低功耗模式等几方面考察一款单片机的低功耗特性。
选择低电压供电的系统。降低单片机的供电电压可以有效地降低其功耗。当前，单片机从与TTL兼容的5 V供电降低到3.3 V、3 V、2 V乃至1.8 V供电。供电电压降下来，要归功于半导体工艺的发展。从原来的3 μm工艺到现在的0.25、0.18、0.13 μm工艺， CMOS电路的门限电平阈值不断降低。低电压供电可以大大降低系统的工作电流，但是由于晶体管的尺寸不断减小，管子的漏电流有增大的趋势，这也是对降低功耗不利的一个方面。
选择带有低功耗模式的系统。低功耗模式指的是系统的等待和停止模式。处于这类模式下的单片机功耗将大大小于运行模式下的功耗。过去传统的单片机，在运行模式下有wait和stop两条指令，可以使单片机进入等待或停止状态，以达到省电的目的。[2]
选择合适的时钟方案。时钟的选择对于系统功耗相当敏感，设计者需要注意两个方面的问题：第一是系统总线频率应当尽量低。第二是时钟方案，也就是是否使用锁相环、使用外部晶振还是内部晶振等问题。
2.2 应用软件设计概述
2.2.1 低功耗软件设计方案
(1)用“中断”代替“查询”。
一个程序使用中断方式还是查询方式对于一些简单的应用并不那么重要，但在其低功耗特性上却相去甚远。使用中断方式，CPU可以什么都不做，甚至可以进入等待模式或停止模式；而查询方式下，CPU必须不停地访问I/O寄存器，这会带来很多额外的功耗。
(2)用“宏”代替“子程序”。
程序员必须清楚，读RAM会比读Flash带来更大的功耗。正是因为如此，低功耗性能突出的RAM在CPU设计上仅允许一次子程序调用。因为CPU进入子程序时，会首先将当前CPU寄存器推入堆栈（RAM），在离开时又将CPU寄存器弹出堆栈，这样至少带来两次对RAM的操作。因此，程序员可以考虑用宏定义来代替子程序调用。对于程序员，调用一个子程序还是一个宏在程序写法上并没有什么不同，但宏会在编译时展开，CPU只是顺序执行指令，避免了调用子程序。唯一的问题似乎是代码量的增加。目前，单片机的片内Flash越来越大，对于一些不在乎程序代码量大一些的应用，这种做法无疑会降低系统的功耗。
(3)尽量减少CPU的运算量。
减少CPU运算的工作可以从很多方面入手：将一些运算的结果预先算好，放在Flash中，用查表的方法替代实时的计算，减少CPU的运算工作量，可以有效地降低CPU的功耗（很多单片机都有快速有效的查表指令和寻址方式，用以优化查表算法）；不可避免的实时计算，算到精度够了就结束，避免“过度”的计算；尽量使用短的数据类型，例如，尽量使用字符型的8位数据替代16位的整型数据，尽量使用分数运算而避免浮点数运算等。
(4)让I/O模块间歇运行。
不用的I/O模块或间歇使用的I/O模块要及时关掉，以节省电能。RS232的驱动需要相当的功率，可以用单片机的一个I/O引脚来控制，在不需要通信时，将驱动关掉。不用的I/O引脚要设置成输出或设置成输入，用上拉电阻拉高。因为如果引脚没有初始化，可能会增大单片机的漏电流。特别要注意有些简单封装的单片机没有把个别I/O引脚引出来，对这些看不见的I/O引脚也不应忘记初始化。[3]

3. 系统的低功耗硬件设计
3.1 系统硬件设计思路
超低功耗采集系统的硬件结构主要有：单片机、传感器、放大电路、LCD等模块。并且这些模块必须为低功耗或进行低功耗设计。好的系统设计是降低功耗的关键。 减少外围器件，降低晶体频率。可以采用带LCD，AD，实时时钟功能的单片机，即降低成本，又减少了故障率，可谓一举两得。
放大电路
压力采集
低功耗单片机

LCD显示

图3.1 数据采集系统框图
Fig .3.1 Block diagram of data acquisition system

图3.2压力传感器与放大电路示意图
Fig.3.2 Pressure sensor and amplifier circuit schematic diagram

3.2 各硬件模块的选型
3.2.1 低功耗单片机的选型
(1)C8051F系列单片机
CygnalC8051F(已被Silicon Lab收购)系列单片机是真正能独立工作的片上系统SOCCPU有效地管理模拟和数字外设可以关闭单个或全部外设以节省功耗FLASH存储器还具有在系线重新编程的能力即可用作程序存储器又可用作于非易失性数据存储应用程序可以使用MOVC和MOVX指令对FLASH进行读或改写。主要特点 ：高速的20MIPS~25MIPS与8051全兼容的CIP51内核 。内部Flash存贮器可实现在系统编程即可作程序存贮器也可作非易失性数据存贮 。工作电压为2.7V~3.6V典型值为3VI/ORSTJTAG引脚均允许5V电压输入 。全系列均为工业级芯片-45℃~+85℃ 。
(2)AVR单片机
AVR单片机具有多种省电休眠模式，且可宽电压运行（5-1.8V），抗干扰能力强，可降低一般8位机中的软件抗干扰设计工作量和硬件的使用量。AVR单片机技术体现了单片机集多种器件(包括FLASH程序存储器、看门狗、EEPROM、同/异步串行口、TWI、SPI、A/D模数转换器、定时器/计数器等)和多种功能(增强可靠性的复位系统、降低功耗抗干扰的休眠模式、品种多门类全的中断系统、具输入捕获和比较匹配输出等多样化功能的定时器/计数器、具替换功能的I/O端口…… )于一身，充分体现了单片机技术的从“片自为战”向“片上系统SoC”过渡的发展方向。
(3)PIC单片机
PIC最大的特点是不搞单纯的功能堆积，而是从实际出发，重视产品的性能与价格比，靠发展多种型号来满足不同层次的应用要求。就实际而言，不同的应用对单片机功能和资源的需求也是不同的。比如，一个摩托车的点火器需要一个I/O较少、RAM及程序存储空间不大、可靠性较高的小型单片机，若采用40脚且功能强大的单片机，投资大不说，使用起来也不方便。PIC系列从低到高有几十个型号，可以满足各种需要。PIC在睡眠和低功耗模式方面已不能与新型的TI－MSP430相比，但在大多数应用场合还是能满足需要的。
(4)MSP430系列单片机
MSP430系列单片机的电源电压采用1.8~3.6V低电压，RAM数据保持方式下耗电仅0.1μA，活动模式耗电250μA/MIPS（MIPS：每秒百万条指令数），I/O输入端口的漏电流最大仅50nA。
MSP430系列单片机有独特的时钟系统设计，包括两个不同的时钟系统：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。由时钟系统产生CPU和各功能模块所需的时钟，并且这些时钟可以在指令的控制下打开或关闭，从而实现对总体功耗的控制。由于系统运行时使用的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有明显的差异。在系统中共有一种活动模式（AM）和5种低功耗模式（LPM0~LPM4）。[4]
(5)确定单片机型号
通过对以上四种系列单片机的低功耗及运算存储能力的综合分析，决定采用MSP430系列单片机进行超低功耗采集系统的设计，并选定型号为MSP430F249。
3.2.2 其他模块选型
放大器选择INA22。
压力传感器选择MS5540C压力传感器。
显示模块选择LCD1602。
数据发送模块nRF24L01。
电池的选择三洋18650锂电池。
电源供电稳压模块选择TPS78001。
3.3各硬件模块的选型
3.3.1 MSP430F系列单片机
(1)MSP430结构：

图3.3 MSP430基础结构图
Fig. 3.3 The basic structure of MSP430

①CPU：MSP430系列单片机的CPU和通用微处理器基本相同，只是在设计上采用了面向控制的结构和指令系统。MSP430的内核CPU结构是按照精简指令集和高透明的宗旨而设计的，使用的指令有硬件执行的内核指令和基于现有硬件结构的仿真指令。这样可以提高指令执行速度和效率，增强了MSP430的实时处理能力。
②存储器：存储程序、数据以及外围模块的运行控制信息。有程序存储器和数据存储器。对程序存储器访问总是以字形式取得代码，而对数据可以用字或字节方式访问。其中MSP430各系列单片机的程序存储器有ROM、OTP、EPROM和FLASH型。
③外围模块：经过MAB、MDB、中断服务及请求线与CPU相连。MSP430不同系列产品所包含外围模块的种类及数目可能不同。它们分别是以下一些外围模块的组合：时钟模块、看门狗、定时器A、定时器B、比较器A、串口0、1、硬件乘法器、液晶驱动器、模数转换、数模转换、端口、基本定时器、DMA控制器等。[4]
(2)MSP430简介
MSP430系列单片机是美国德州仪器(TI)1996年开始推向市场的一种16 位超低功耗的混合信号处理器(Mixed Signal Processor)。称之为混合信号处理器，主要是由于其针对实际应用需求，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片”解决方案。
虽然MSP430系列单片机推出时间不是很长，但由于其卓越的性能，在短短几年时间里发展极为迅速，应用也日趋广泛。MSP430系列单片机针对各种不同应用，包括一系列不同型号的器件。主要特点有[5]：
① 超低功耗
MSP430系列单片机的电源电压采用1.8~3.6V低电压，RAM数据保持方式下耗电仅0.1μA，活动模式耗电250μA/MIPS(MIPS：每秒百万条指令数)，IO输入端口的漏电流最大仅50nA。
MSP430系列单片机有独特的时钟系统设计，包括两个不同的时钟系统：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。由时钟系统产生CPU和各功能模块所需的时钟，并且这些时钟可以在指令的控制下打开或关闭，从而实现对总体功耗的控制。由于系统运行时使用的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有明显的差异。在系统中共有一种活动模式(AM)和5种低功耗模式(LPM0~LPM4)。
另外，MSP430系列单片机采用矢量中断，支持十多个中断源，并可以任意嵌套。用中断请求将CPU唤醒只要6μs，通过合理编程，既以降低系统功耗，又可以对外部事件请求作出快速响应。
在这里，需要对低功耗问题作一些说明：
首先，对一个处理器而言，活动模式时的功耗必须与其性能一起来考察、衡量，忽略性能来看功耗是片面的。在计算机体系结构中，是用W/MIPS（瓦特/百万指令每秒）来衡量处理器的功耗与性能关系的，这种标称方法是合理的。MSP430系列单片机在活动模式时耗电250μA/MIPS，这个指标是很高的（传统的MCS51单片机约为10~20mA/MIPS）。
其次，作为一个应用系统，功耗是整个系统的功耗，而不仅仅是处理器的功耗。比如，在一个有多个输入信号的应用系统中，处理器输入端口的漏电流对系统的耗电影响就较大了。MSP430单片机输入端口的漏电流最大为50nA，远低于其他系列单片机（一般为1~ 10μA）。
另外，处理器的功耗还要看它内部功能模块是否可以关闭，以及模块活动情况下的耗电，比如低电压监测电路的耗电等。还要注意，有些单片机的某些参数指标中，虽然典型值可能很小，但最大值和典型值相差数十倍，而设计时要考虑到最坏情况，就应该关心参数标称的最大值，而不是典型值。总体而言，MSP430系列单片机堪称目前世界上功耗最低的单片机，其应用系统可以做到用一枚电池使用10年。
②强大的处理能力
MSP430系列单片机是16位单片机，采用了目前流行的、颇受学术界好评的精简指令集（RISC）结构，一个时钟周期可以执行一条指令（传统的MCS51单片机要12个时钟周期才可以执行一条指令），使MSP430在8MHz晶振工作时，指令速度可达8MIPS（注意：同样8MIPS的指令速度，在运算性能上16位处理器比8位处理器高远不止两倍）。TI不久还将推出25~30MIPS的产品。
同时，MSP430系列单片机中的某些型号，采用了一般只有DSP中才有的16位多功能硬件乘法器、硬件乘-加（积之和）功能、DMA等一系列先进的体系结构，大大增强了它的数据处理和运算能力，可以有效地实现一些数字信号处理的算法（如FFT、DTMF等）。这种结构在其他系列单片机中尚未使用。
③高性能模拟技术及丰富的片上外围模块
MSP430系列单片机结合TI的高性能模拟技术，各成员都集成了较丰富的片内外设。视型号不同可能组合有以下功能模块：看门狗（WDT），模拟比较器A，定时器A(Timer_A)，定时器B(Timer_B)，串口0，1(USART0、1)，硬件乘法器，液晶驱动器，10位/12/14位ADC，12位DAC，I2C总线，直接数据存取(DMA)，端口0(P0)，端口1~6(P1~P6)，基本定时器(Basic Timer)等。
其中，看门狗可以在程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出高精度(10~11位)的A/D转换器；16位定时器(Timer_A和Timer_B)具有捕获/比较功能；大量的捕获/比较寄存器，可用于事件计数、时序发生、PWM等；多功能串口(USART)可实现异步、同步和I2C串行通信,可方便地实现多机通信等应用；具有较多的 I/O 端口，最多达6*8条I/O口线，IO输出时，不管是灌电流还是拉电流，每个端口的输出晶体管都能够限制输出电流(最大约25mA)，保证系统安全；P0、P1、P2端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；12位A/D转换器有较高的转换速率，最高可达200Kb/s，能够满足大多数数据采集应用；LCD驱动模块能直接驱动液晶多达160段；F15X和F16X系列有两路12位高速DAC，可以实现直接数字波形合成等功能；硬件I2C串行总线接口可以扩展I2C接口器件；DMA功能可以提高数据传输速度，减轻CPU的负荷。
MSP430系列单片机的丰富片内外设，在目前所有单片机系列产品中是非常突出的，为系统的单片解决方案提供了极大的方便。
④系统工作稳定
上电复位后，首先由DCO_CLK启动CPU，以保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用做CPU时钟MCLK时发生故障，DCO会自动启动，以保证系统正常工作。这种结构和运行机制，在目前各系列单片机中是绝无仅有的。另外，MSP430 系列单片机均为工业级器件，运行环境温度为-40~+85℃，运行稳定、可靠性高，所设计的产品适用于各种民用和工业环境。
⑤方便高效的开发环境
目前MSP430系列有OTP型、FLASH型和ROM型3种类型的器件，国内大量使用的是FLASH型。这些器件的开发手段不同，对于OTP型和ROM型的器件是使用专用仿真器开发成功之后再烧写或掩膜芯片。
对于FLASH型则有十分方便的开发调试环境，因为器件片内有JTAG调试接口，还有可电擦写的FLASH存储器，因此采用先通过JTAG接口下载程序到FLASH内，再由JTAG接口控制程序运行、读取片内CPU状态，以及存储器内容等信息供设计者调试，整个开发（编译、调试）都可以在同一个软件集成环境中进行。这种方式只需要一台PC机和一个JTAG调试器，而不需要专用仿真器和编程器。开发语言有汇编语言和C语言。目前较好的软件开发工具是IAR Workbench V2.10。
这种以FLASH技术、JTAG调试、集成开发环境结合的开发方式，具有方便、廉价、实用等优点，在单片机开发中还较为少见。其他系列单片机的开发一般均需要专用的仿真器或编程器。
另外，2001年TI公司又公布了BOOTSTRAP技术，利用它可在保密熔丝烧断以后，只要几根硬件连线，通过软件口令字(密码)，就可更改并运行内部的程序，这为系统固件的升级提供了又一方便的手段。BOOTSTRAP具有很高的保密性，口令字可达32个字节长度。
3.3.2 压力传感器介绍
力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。
金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。[6]
我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度 增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增 加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化(通常是测量电阻两端的电压)，即可获得应变金属丝的应变情况。
现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。
(1)根据测量对象与测量环境确定传感器的类型
要进行—个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。
在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。
(2)灵敏度的选择
通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入的厂扰信号。
传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择其它方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。
(3)频率响应特性
传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有—定延迟，希望延迟时间越短越好。
传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。
在动态测量中，应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等)响应特性，以免产生过火的误差。
(4)线性范围
传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。
但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。
(5)稳定性
传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。
在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。
传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。
在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。
(6)精度
精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。
如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。
对某些特殊使用场合，无法选到合适的传感器，则需自行设计制造传感器。自制传感器的性能应满足使用要求。
本设计采用MS5540C压力传感器，来自于专业传感器供应商北京赛斯维测控技术有限公司。
主要参数：压力范围10-1100mbar；分辨率0.1mar；低电压（2.2至3.6V）；低功耗（待机电流：0.1μA）。
3.3.3 低功耗放大器INA122介绍
(1)INA122简介

图3.4 INA122内部结构及两种电源方式
Fig.3.4 The INA122 internal structure and two kinds of power supply modes

INA122是精密仪表放大器、准确的低噪声差动信号采集。其two-op-amp设计提供了优良的性能具有极低的静态电流，是理想的便携式仪器仪表和数据采集系统。INA122由单一电源供电时2.2V电压时静态电流仅仅是一60毫安。它也可以使用双电源。由利用输入电平转换网络，输入共模范围延伸到电压低于负轨（单地面）。一个外部电阻设置的增益调节器提供低偏移,电压（最大250mV），偏移电压漂移（最大值3mV/°C）和优良的共模抑制。8引脚封装选择包括浸塑和8表面贴装封装。温度范围–40℃至+ 85℃.
(2)INA122的特点：
①低静态电流：60毫安
②宽电源范围
③单电源：2.2V至36V
④双电源：–0.9 / +1.3V到±15V
⑤低失调电压：250mv最大
⑥低失调漂移：3μV/℃最大
⑦噪音低：60nv /
⑧低输入偏置电流：25nA最大。
电压放大计算公式 [7]
(2.1)
(2.2)
在本设计中RG设为200Ω，放大倍数为1005。
3.3.4 LCD1602介绍
工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符（16列2行）。
　 1602液晶也叫1602字符型液晶它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块它有若干个5×7或者5×11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。每位之间有一个点距的间隔每行之间也有间隔起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以他不能显示图形 （用自定义CGRAM，显示效果也不好）。
(1)管脚功能[8]

图3.5 LCD1602管脚
Fig. 3.5 The LCD1602pin

1602采用标准的16脚接口，其中：
第1脚：VSS为电源地 。
第2脚：VDD接5V电源正极 。
第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会 产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。
第4脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。
第5脚：RW为读写信号线，高电平1时进行读操作，低电平0时进行写操作。
第6脚：E(或EN)端为使能(enable)端。
第7～14脚：D0～D7为8位双向数据端。
第15～16脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。
(2)1602LCD的特性：
+5V电压，对比度可调 ；
内含复位电路 ；
提供各种控制命令,如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能；
有80字节显示数据存储器DDRAM ；
内建有192个5X7点阵的字型的字符发生器CGROM ；
8个可由用户自定义的5X7的字符发生器CGRAM ；
(3)1602LCD特征及应用
微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧，常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中。
3.3.5 电池的选择
采用三洋18650锂电池供电。
额定电压：3.7V；
额定容量：7500mAh；
常温20℃条件下，超低自放电率；
尺寸：19.2*56.5*69.5mm
重量：82.0g；
最大持续放电电流：1C(+20℃)，年自放电率低；
标准放电电流：0.2C。
3.3.6 nRF24L01介绍
nRF24L