电子压力表的设计毕业设计论文.doc

目 录第一部分 设计任务与调研1第二部分 设计说明2第三部分 设计成果13第四部分 结束语14第五部分 致 谢15第六部分 参考文献16第一部分 设计任务与调研 电子数字压力表结合了世界领先的微处理技术和先进的模数转换算法，达到高精度、低功耗的要求。大屏幕液晶显示技术，独特的背景灯技术，使数据在夜晚也能清晰易读。采用进口芯片，对仪表数据采集、记忆、测量保持最高值，手动回零。外壳采用不锈钢全密封，耐腐蚀、抗震动，可应用在多种复杂的环境中。 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。这是一个以电池供电的数字压力表的开发工作。首先，文章对压力测量和电子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AD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 AD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。 第二部分 设计说明2电子数字压力表的简介 概述：电子数字压力表是在线测量仪表。它采用电池长期供电方式，无需外接电源，安装使用方便。该产品通过了计量认证及防爆认证，已在石油、化工、电力等领域得到广泛应用。数字压力表高精度、高稳定性，误差1%， 内电源、微功耗、不锈钢外壳，数字压力表防护坚固，美观精致。电源部分：（交流 220V 经过开关电路、变换为）所需的直流电压，再经稳压电路供给所需电路，或（24V）直流电压直接经稳压电路供给所需电路。信号部分：被测介质压力，通过压力接口传到传感器的感压膜片，传感器将感应的电信号经放大、V/A 转换，送CPU进行处理、设置显示数字、控制开关量输出，并提供模拟量或数字量输出从而实现压力显示、控制和变送的过程。2.2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1.5级精度、耐震、高可靠性，工作温度范围测量范围在1060MPa压力值，较低的生产成本。2.3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、AD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。2.4 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。信号调理信号调理数据处理传感器数据显示 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。我们选用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，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AD转换的电压范围，然后通过430单片机内部集成的AD转换器进行AD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。 系统的基本组成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AD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。 系统硬件的设计 (1)元件选择 元件选择同样是以低功耗、低成本为原则的。由前面的分析我们知道，由于稳压器、单片机、显示器及存储器是长期工作的，因此在这四件的选型上应该注意它们在非采样期间的电流，可以说，系统能否达到连续工作几年、这几个很重要。(2)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电流，我选用MSP430系列单片机，该系列单片机为16位超低功耗单片机，且内部集成了AD转换器，特别为智能式仪表、电池供电便携设备而设计。它具有独特的超低功耗设计，具有5种低功耗模式，在各种低功耗模式与活动模式之间可快速由指令进行切换，且在低功耗模式3(可用于压力传感器采样间的等待)状态下，消耗电流极低只有13uA，这就给微功耗仪表设计带来了很大的方便。MSP430单片机工作原理(3)液晶显示器的选择 显示器选用长沙太阳人电子的sMs0408，是一个字高为18mm的大字高液晶显示模块，显示清晰，可以在较远的距离观察到显示的数据；工作温度为-2050，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20uA，在实际使用中，由于数据是变化的，不可能所有的段都一直显示，实测电流消耗只有l0-19uA，可以说完全能够满足要求。其接口方式采用类似于SPI的二线式串行接口，使用方便，而且只占用单片机两个IO管脚，也对简化系统设计，降低系统功耗有益。(4)存储器的选择 由于采用了集成于MSP430F1121内部的Slope AD，在测量电压时，其工作原理为非线性的，因此，必须将校准数据存储，以便在测量时调用，用于消除这种非线性；同时也由于考虑到MSP430F1121内部的计时器只有看门狗定时器和Timer A，这两个定时器要用于采样时鲥的定时和测量时计数，那么系统就缺少看门狗，没有看门狗的单片机系统，运行的可靠性得不到保证：因此综合以上原因，我们选择了比较成熟的具有可编程看门狗的E2PROM存储器X2504321，这一款E2PROM为CMOS工艺，静态功耗小于10A，低功耗工作，电源为2755V供电，集成可编程看门狗。512字节存储器，10万次重写，100年数据保存；这样既可以解决数据存储的问题，同时也解决了系统配置看门狗的问题，同时也能够满足系统对低功耗的要求。(5)传感器的选择 市场上的压力传感器的种类很多，综合考虑成本和性能的因素，我们选择了陶瓷压阻型压力传感器，在能够满足性能的情况下，尽量选择成本低和桥路电阻高的产品，内阻高，则工作电流小，有利于降低功耗。鉴于市场上这种产品较多，考虑到供货时间和价格因素，我们并没有局限于一家供货商，而是选择了几家供货商作为候选。影响传感器性能的主要指标是，桥路电阻，灵敏度、温度系数。因此选择的原则是选择灵敏度高、温度系数低的，桥路电阻大于8 kQ的压力传感器。(6)放大器的选择由于传感器的输出为mV级信号，必须进行放大，以适合AD转换器的输入范围。放大器的选择同样遵循低功耗和低成本这两个目标，由于采用电池供电，因此必须采用单电源供电的放大器，而且需要在电池电压范围内工作，由于是低成本设计，而且设计采用多点校准，对放大器的线性指标要求不高，因此，我们没有选择价格较高的专用仪表放大器，我们选择了与单片机同样出自TI公司的TLV2211，TLV2211的封装示意图如图。 TLV22l 1是一个可用单电源供电的运算放大器，其主要特点是：电源电压范围宽27V10V、输入偏置电流小、微功耗设计，采用Texas Instruments公司的LinCMOSI艺制造，适合用于手持式仪表、动态范围宽，轨对轨设计、可在较高的共模电压下工作(在3V电源的情况下、噪声信号低、工作温度范围宽、高输入阻抗，适合小信号放大、输入偏置电压小、输入偏置电压温度系数小。(6)稳压器的选择 电池供电的系统，由于随着电池能量的消耗，其电压会逐渐下降，某些电器元件在电压变化时，其特性或多或少会发生变化，为了保证测量精度，系统应该在一个比较稳定的电源电压下工作，避免受电池电压下降的影响。另外，低功耗器件的功耗一般是随着工作电压的升高而升高的，例如，MSP430F1121的活动模式的工作电流在3V时为300A，2.2V时为200A，液晶显示器的工作电流也是随着电压的下降而下降的。因此为了降低功耗，延长电池的寿命，决定在系统内增加可以降低系统工作电压的稳压器，考虑到外部存储器的写入工作电压为27v，选择2.8V为工作电压可以最大限度地降低功耗。选用MAXIM公司的MAX884低压差线性电压稳压器，MAX884的双模式(DualMode)允许用户在固定输出和可调输出两种模式下使用，通过适当的外部电阻配置，就可以实现电压的调整。另Pl-MAXS84在输入电压V4v时，静态电流10A，能够满足低功耗的要求。信号调理的目标传感器的输出为一个电阻桥路，电阻桥路放大器种类很多，有专门的单运放，双运放仪表放大电路；但是考虑到成本因素，另外，数字压力表的精度目标设定在1，因此单运放是一个性价比很好的选择，电路部分的工作原理如图2.5。图中Rp、Rf在调试时采用外接电位器进行调整，然后测量电位器的电阻，用近似的定值贴片电阻代替电位器，这种无电位器设计的好处是，由于贴片元件的温度系数比电位器小，省掉电位器，不仅可以减小温度对零点和放大倍数的影响，避免误动作调整电位器，还降低了成本，提高了可靠性。信号调理与AD转换电路的设计 由于压力传感器的输出为mV级信号，而且传感器的灵敏度和零点都存在差异，必须进行信号调理，以适合AD转换器的输入范围。，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，s4为AD转换器输入的范围，s，是为了适应各种条件的变化，已经留有安全区的输入范围，信号调理电路的作用就是将s2与s3进行匹配。信号调理的最佳状态是调整到放大器的输出与AD转换器的输入范围相匹配，这时系统的精度最高，否则，如果放大器的输出范围大于AD转换器的输入，就会使系统的测量范围减小，如果放大器的输出范围小于AD转换器的输入，则会使系统测量精度降低。但是考虑到传感器、放大器、AD转换器等元件的温漂和时漂等闲素造成的变化，应该给这些变化留有一定的空间，使系统有更好的适应性。对于数字压力表的设计来说，由于压力传感器都存在一定的超压安全系数，因此，应该在满量程以上留有一部分空间仍然可以测量并显示压力，我们选择满量程的10，超出之后显示超压错误；同样在零点也应该留有一定的安全余量，保证在零点漂移后仍能够有数据显示，这些都需要校准时调整零点和满量程过程中给予注意。传感器的输出为一个电阻桥路，电阻桥路放大器种类很多，有专门的单运放，双运放仪表放大电路；但是考虑到成本因素，另外，数字压力表的精度目标设定在1，因此单运放是一个性价比很好的选择，电路部分的工作原理如图。图中Rp、Rf在调试时采用外接电位器进行调整，然后测量电位器的电阻，用近似的定值贴片电阻代替电位器，这种无电位器设计的好处是，由于贴片元件的温度系数比电位器小，省掉电位器，不仅可以减小温度对零点和放大倍数的影响，避免误动作调整电位器，还降低了成本，提高了可靠性。信号调理电路工作原理图（7）按键接口电路设计数字压力表正常工作时，传感器、放大器的供电是通过P21来控制的，在调试的情况下可以通过跳线开关直接连接到Vcc上，以方便对放大电路的调试。由于只有三个按键，因此按键接口电路的设计比较简单，如下图，单片机端口设定为输入状态，平时通过电阻上拉到Vcc，按键按下时，对应的端口的电平被拉到低电平。由于MSP430F1121单片机的P14P17编程调试通讯口，下载程序和调试的时候受开发器控制，不能保持在高电平，因此增加了一个跳线开关，在正常工作的状态下将开关闭合。2.系统软件实现上面介绍了各个模块的工作原理及硬件和软件的实现，本章将介绍软件的总体设计。有了各个功能块的软件实现方法，软件的总体设计就变得简单了，本程序采用汇编语言编制，程序包括两种工作状态，系统初始化后，程序进入测量程序循环，如果校准按键按下，则程序进入校准工作状态。主要子程序模块包括：系统初始化、主程序循环、电容放电计时子程序、计算放电时间比率子程序、查表子程序、线性插值子程序、LCD显示子程序、看门狗设定和复位子程序、中断响应子程序、按键处理子程序、二进制转BCD码子程序、E2PROM读写子程序、校准予程序、延时等待子程序、乘除法子程序等。2.1系统初始化程序系统初始化程序是为了在进入主程序循环之前，做好必要的准备工作，包括如下内容：停止MSP430内部的看门狗。设定MSP430内部WDT为定时器模式，定时为O25秒，并允许内部WDT中断。设定IO端口状态，全部设定为输入状态，降低功耗。初始化E2PROM，设定位于E2PROM内的看门狗定时为14S。从E2PROM读入校准数据，将校准数据写到内存。启动位于E2PROMt匈的看门狗。将E2pROM的片选端CS置为1，使E2PROM进入待机(standby power mode)模式，以降低功耗。设定校准按键为中断允许状态。总中断允许(GIE General Interrupt Enable)设为1 在系统进行一系列的准备工作即初始化之后，程序就进入主循环，主循环的工作是进行采样时间控制、控制测量过程、计算放电时间比、数据查表处理、线性插值、数据显示，然后周而复始地进行主循环程序。在主程序循环的过程中随时响应按键中断，进入校准程。2.2程序的主循环框架系统初始化读取采样时间进入LPM3低功耗模式按键中断根据采样时间调用子序 延时结束 测量准备校准程序调用放电计时和计算放电时间比率子程序，开始测量调用查子程序，根据校准数据查表调用线性插值子程序，插值计算出测得的压力值调用二进制转BCD码子程序将计算结果转换位BCD码将BCD码的计算结果送LED显示测量循环结束2.3校准程序正常情况下数字压力表运行在测量状态下，校准的启动是通过响应中断的方式来实现的，本次设计选择P17(符号定义位KEY CAL，)为进入校准状态的按键输入端。校准程序入口也就是设在KEY CAL的中断服务程序，进入中断后，进行如下操作：按键去抖动、干扰检查。进入活动状态(AM Active Mode)。停止外部E2PROM看门狗。判断是否已经在校准状态，如果已经在校准状态，则表示是在校准中途按KEY_CAL键，表示放弃校准，此时不保存校准数据到E2PROM，直接复位系统，进入正常测量状态。进入逐点校准循环。LCD显示CAL。扫描按键KEY NEXT是否按下。调入校准点数据。LCD显示“C校准点数据” 如“C 00”、“C 01” “C10”等。扫描按键KEY NEXT是否按下。调用放电计时子程序，开始测量，校准与正常测量状态调用同样的子程序进行测量，以保证在两种状态下测量的一致性。调用计算子程序，计算放电时问比率。计算多次测量平均值。显示测量数据(放电时间比率)。扫描按键KEY NEXT是否按下。此点数据存入内存。循环进入下一点。全部校准点结束后，退出校准程序，校准数据存入E2PROM调用复位程序，重新初始化系统，进入测量状态。34LCD显示程序LCD显示驱动程序采用模块化方式，包含将LCD显示缓冲区的数据传送到LCD的程序、简单字符显示程序、小数点和负数的处理程序等。由于LCD与单片机是串行通讯方式，因此有必要设计一个5个字节的显示缓冲区，显示程序只从缓冲区取数据用于显示。35等待延时子程序 为了最大限度地实现系统低功耗的目标，用于等待充电等的等待延时子程序采用TimerA的比较寄存器2(CCR2)来进行计时，在等待过程中系统运行在LPM0模式。第三部分 设计成果3.1主程序框架 第四部分 结束语 电子数字压力表结合了世界领先的微处理技术和先进的模数转换算法，达到高精度、低功耗的要求。大屏幕液晶显示技术，独特的背景灯技术，使数据在夜晚也能清晰易读。采用进口芯片，对仪表数据采集、记忆、测量保持最高值，手动回零。外壳采用不锈钢全密封，耐腐蚀、抗震动，可应用在多种复杂的环境中。精密压力表的制造工艺相对复杂，不管是从弹性敏感元件，还是从传动放大机构看，为确保其性能，工艺都十分严谨。精密压力表原称标准压力表，从精度等级角度讲，它是压力表的高端产品。规范中将0.4级（包括0.4级）以上精度等级的压力表划归为精密压力表。精密压力表基本上是用于压力量值的传递。随着工业流程中对压力测量精度要求的提升，这种压力表在测量环节的应用量也明显增多。除制造精密压力表弹性敏感元件的材料须具有优良的弹性性能外，轧制弹性敏感元件的冷作硬化工艺参数、人工时效和自然时效工艺参数、弹性敏感元件的几何尺寸和形状等都是各制造厂的技术机密。可以说，精密压力表的制造能力代表着制造厂家的压力表水平。精密压力表的量域很广，从-0.10MPa至0100MPa都有产品生产。其中微压表和高压表因其制造难度甚大，产量不高，价格较为昂贵。 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。第五部分 致 谢 毕业设计已经接近了尾声，这也意味着我的大学生活就要结束了，学生活一晃而过，回首走过的岁月，心中倍感充实，当我写完这篇毕业设计的时候，有一种如释重负的感觉，感慨良多。首先，我要特别感谢我的指导老师。做设计的过程是艰辛的，但是在我的努力之下还是完成了。在这个过程中老师给了我很大的的帮助，没有他的尽心指导和严格的要求，我也不会顺利完成这次设计。每次遇到难题，我最先做的就是向龙老师寻求帮助，而老师每次不管忙或闲，总会抽空来找我面谈，然后一起商量解决的办法。老师平日里工作繁多，但我做毕业设计的每个阶段，从选题到查阅资料，设计提纲的确定，中期设计的修改，后期设计格式调整等各个环节中都给予了我悉心的指导。这几个月以来，老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想给我以无微不至的关怀，在此谨向老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 其次，还要感谢这三年来教我知识的每位老师们，毕业设计能够顺利完成，你们也都有很大的功劳。最后，要向这三年大学生活期间所有帮助过我的同学们以及各位朋友们说一声谢谢。这次的毕业设计,对于培养我们理论联系实际的设计思想;训练综合运用机械设计和有关先修课程的理论,结合生产实际反系和解决工程实际问题的能力;巩固、加深和扩展有关机械设计方面的知识等方面有重要的作用。写作毕业设计是一次再系统学习的过程，毕业设计的完成，同样也意味着新、生活的开始。希望大家在将来的生活中继续追逐最初的梦想，永不放弃。 第六部分 参考文献1机电设备电气控制与PLC. 夏天天. 中南大学出版社. 2015年3月. P125-1302电子技术课程设计指导M.彭介华.北京:高等教育出版社3电子技术基础课程设计M.孙梅生,李美莺,徐振英.北京:高等教育出版社4电子技术基础课程设计M.梁宗善.武汉:华中理工大学出版社5电子技术课程设计M.张玉璞,李庆常.北京:北京理工大学出版社6电子线路设计实验测试（第二版）M.谢自美.武汉:华中科技大学出版社 7电子技术课程设计指导M.彭介华.北京:高等教育出版社8电子技术基础课程设计M.孙梅生,李美莺,徐振英.北京:高等教育出版社9电子技术基础课程设计M.梁宗善.武汉:华中理工大学出版社10电子技术课程设计M.张玉璞,李庆常.北京:北京理工大学出版社11单片机原理及其接口技术M胡汉才.北京：清华大学出版社12单片机高级语言C51windows环境编程与应用M张爱钧.13单片机原理及应用M.张毅刚.北京：高等教育出版社，200314单片机原理及应用M.刘和平.重庆：重庆大学出版社，200216