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电子压力表的设计毕业设计论文.doc
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1、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
2、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
3、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
4、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、
5、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
6、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
7、,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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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,
14、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
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