基于单片机的气缸压力检测硬件系统设计

郭 璨，张窝羊

（漯河食品职业学院，河南 漯河 462000）

传统的指针式压力表存在指针摆动误差较大等固有缺陷，而文章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。

本课题将基于MSP430单片机设计单子是气缸压力表及显示系统设计

1 方案设计

1.1 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。

1.2 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以下为总设计方案。

图1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。

图2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。

图2 单片机软件总体工作流程

2 硬件设计

2.1 单片机的概述

如图3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（Slope A/D）的比较器 A（Comparator A）功能强大的计时器A（Timer A）。片内配有两组I/O口P1和P2（每个I/O都是多功能复用的）。

图3 MSP430F1121的管脚分配图

2.2 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。

2.3 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4，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功能。

压力信号通过一个电阻桥路放大器从传感器内部放大传出，目前存在多种类型的电阻桥路放大器，包括专属化的单运或者双运的仪表放大电路，这里处于对投入的节省以及数字压力表1%的精度考虑选择相加比更好的单运放大器。

图4 信号调理电路

2.4 A/D转换电路的设计

压力表采用了430单片机内部集成的特殊A／D转换器（Slope A/D），SlopeA/D测量电压信号的工作原理如图5。