基于单片机的数字压力表的设计.docx
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基于单片机的数字压力表的设计
基于单片机的数字式压力表的设计
摘要:
根据设计题目 基于单片机数字式压力表设计 ,先是介绍了压力的背景以及现代社会压力的重要性。
并且选用压阻式压力传感器,处理器采纳MSP430F5310作为核心,其闪存可以直接进行编写,极大加快了开发的速度。
并且用模块化的设计方式,将系统划分成若干个简洁的、单功能程序段,程序之间并不影响也不需要过多理解,只是改动一部分,却不会改变别的模块的功能或者说正常运作。
设计中的压力检测系统不仅有数据采集,数据分析,还有数据的保存以及通讯功能。
提高软件的可读性,而且设计按照模块法进行设计,使得开发更加简洁,对于错误能够快速修正。
关键字:
压力传感器;MSP430F5310
Designofdigitalpressuregaugebasedonsinglechipmicrocomputer
Abstract:
Accordingtomydesign,thispaperintroducesthedesignofdigitalpressuregaugebasedonsinglechipmicrocomputer,introducesthebackgroundofpressuregenerationandtheimportanceofpressureinmodernsociety.Choosepiezoresistivepressuresensor.ThemicroprocessorisbasedonMSP430F5310.ItsFLASHcanbewrittendirectly,greatlyspeedingupthedevelopmentspeed.Throughthemodulardesign,thesystemisdividedintoseveralsimpleandfunctionalprogramsegments.Theprogramdoesnotaffectorrequiremuchunderstanding,onlychangesapartofit,butdoesnotchangethefunctionornormaloperationofothermodules.Thepressuredetectionsystemdesignedinthispapernotonlyhasthefunctionsofdatacollectionanddataanalysis,butalsohasthefunctionsofdatastorageandcommunication.Thereadabilityofthesoftwareisimproved,andthemodulardesignmethodisadoptedtomakethedevelopmenteasierandtheerrorscanbecorrectedquickly.
Keywords:
Microcontrollers,MSP430F5310
第一章绪论
1.1课题的背景及意义
从上个世纪开始,随着科学技术的进展,生产中一些物理量的重要性也体现出来,精度越高,代表着物品出错的几率越小,而精度测量仪器的准确度则是重中之重。
比如我国制造飞机,汽车等都需要用到测量仪器。
随着电子技术的进展,在我们生活中的各个领域,压力的检测起到了越来越大的作用。
压力检测在现代工业中有着非常大的作用。
保证压力检测的准确性,能增加正常生产的稳定性。
传统的测量仪表有的采纳纯机械式设计,很简单收到周围环境的影响,而且比较笨重,难以携带,出错频率也不低,响应速度很慢,灵敏度以及抗干扰能力比较差
在测量仪器中使用基于微处理器的模块,不仅可以解决传统工业生产中难以改善甚至无法解决的问题,还可以改善电路设计电路,拥有最大程度降低升级换代的成本以及良品率。
单片机的作用很大,如:
(1)可以对一些复杂的数据进行快速处理;
(2)使可以幸免生产中,机器的许多干扰;(3)可以满足各种操作系统的需求;(4)拥有多种输出方式;(5)可以与很多的设备进行数据通信;(6)拥有断电爱护功能;(7)拥有自诊断功能。
正是因为单片机在本设计中,可以起到的作用很大,所以本设计采纳TI公司生产的MSP430单片机进而开发了数字压力检测模块,用于提高开发效率,满足设计需求
1.2本设计的主要内容与任务
本设计中的单片机的数字式压力表需具有响应快,简洁轻便,抗干扰能力强的相对可靠的压力表。
因此,本设计的硬件部分主要有信号采集、模数转换、处理器、显示电路和电源治理等五部分组成,并完成相对应的软件设计。
第二章压力传感器
2.1压力传感器的类型以及进展方向
压力传感器为当今使用比较频繁的一种传感器,市面上有许多的型号供使用。
它几乎出现在各行各业,其未来方向可以概括为:
(1)小型化
(2)高精度化(3)智能化(4)标准化
2.2压阻式压力传感器的选择
在现代生产中,经常需要对压力进行测量,对测量精度要求的很高。
压阻式传感器主要有以下特点:
1)灵敏度高,可直接测量。
无死区,线性度好。
2)出错可能性小,精度高,使用寿命也相对别的种类的传感器要高。
3)高集成,有小而轻的特点。
4)能耗低,出现问题几率小,能快速修正以及更新换代,具有极高的性价比。
所以根据设计需求,选择了压阻式压力传感器
2.3系统总体设计
经过设计,使其拥有精度高,抗干扰能力强的特点。
此外,通过专业软件来进行校准,可以最大程度上保证仪器测量精度的准确性。
压阻式压力传感器输出的模拟信号经过放大后转换成数字信号,通过微处理器实施补偿采纳微处理器采集和补偿压力还有温度信号,补偿信息将会经过UART引脚传出。
MAX3221先是用RS-232信息进行传输,接着把RS-232信息改成USB信息来连接主机。
压力传感器相当于信号采集输入,压力传感器由硅压型传感器以及温度传感器组成。
A/D转换器相当于模数转换部分,因为传感器收集到物理量是模拟信号,所以pc无法直接接收,所以需要转换器进行转换,此时就需要A/D转换器(又称模数转换器)转换后让PC处理信息。
微处理器电路采纳MSP430F5310芯片作为核心处理器,实现对数据的采集、显示、校准等功能。
串行通信电路实现与PC的通信,可以在PC终端进行监视。
电源治理电路是提供各模块供电电压,由输入电压通过升压或降压处理后供各部分部分工作。
整体结构框图如图2.1所示:
图2.1设计框图
第三章数字式压力测量仪的硬件实现
3.1信号输入电路设计
输入部分使用压力测量器检测到的物体的物理量将物体转换为电信号。
包括两个部分:
压力传感器和温度传感器
3.1.1压力传感器电路设计
压力传感器目前采纳了两个不同的驱动模式。
一种是定电流驱动模式,另一种是定压驱动模式。
根据设计需要选择了恒压源。
如图3.1所示是硬件原理图的输入部分:
图3.1输入部分硬件原理图
韦斯顿桥是中心部件,主轴输出连接到桥梁臂。
输出信息用被查出了的电压,四脚架被驱动的上端连接。
通常使用5v左右的定压刺激,有被定制的电阻。
传感器中除了有工厂外,还保持着最大稳定的输出电压的压力。
工厂补偿了设计值,但是有很多错误,不能满足设计要求。
因此,一定采纳。
RJ17系列电阻响应以往的设计要求,标准化着入口范围。
以求满足设计上个需求,使ad输入范围趋于正常。
5脚用于接地,1脚接TPS7A4901的用于传出5伏的模拟电源。
3.1.2温度传感器电路设计
根据设计模式,DS18B20用于猎取温度信息并发送到微处理器以获得温度补偿值。
DS18B20的结构参照图3.3.4,图3.4示出MSP430F5310装置的连接卡。
图3.3DS18B20结构图
图3.4MSP430F5310的硬件连接图
3.2A/D转换电路设计
3.2.1A/D转换器的选用原则
由于模拟转换器的性能取决于采样频率、分辨率、精度、最佳性能、精度,因此模拟转换器的选择一定考虑采样率、分辨率、精度、时间、转换时间。
量化误差、线性误差、测量误差、其他指标。
3.2.2A/D转换原理
因为MSP430F5310处理器的模拟转换器不符合设计精度,所以主控制器前端必需增加24位模数转换器AD7190从而解决要求。
压力传感器是MILV输出,但由于灵敏度不同于零,所以需要调整信号。
可用于模拟数字转换器。
下图3.5示出基本连接。
图3.5AD7190基本连接图
如图3.6.2所示,构筑了两个低通滤波器。
根据输入信息的需要,模拟输入链接11和12个插头。
模数转换器需要稳固的基准电压,因为采纳系统电源,其存在波动,所以需要以下公式:
(3.1)
(3.2)
这种转换具有除去基准电压,减少对参照电压的需求,仅需要电力供给系统,若存在REF,系统就会产生复杂性,难以找到5伏的基准电压的优点。
这个系统是以较低的成本和简洁的电源代替的。
不利点,根据这个公式,Ver转换必定一致。
LDO稳定器可以使出口更加稳定。
20脚链接AVDD模拟电源电压。
21脚链接DVDD用于连VA+5和VDD+3.3系统电源电压,这个需要跟电源治理电路进行配合。
18脚链接AGND用于模拟地基准点,19脚链接DGND,数字地基准点。
15脚是正基准输入,在REFIN1正负极中添了电压。
12脚是元件的主时钟信号,使用外部晶振提供时钟,晶振在MCLK1和MCLK2之间。
14脚是体电阻根据温度改变导致的电压值。
9脚10脚17脚都连到AGND。
图3.6A/D转换硬件连接图
3.3微处理器电路设计
3.3.1MSP430F5310的芯片选择
根据单片处理的速度,当任务完成时,进入低耗电模式,因为有很多空闲时间,所以单片机进入低功耗时,不工作的电路部分进入休眠状态,节省电力。
低能耗ODE。
MSP430F5310被选择为系统的中央处理器,用于执行测量器的内部控制、数据处理、数据存储器读取等。
如图3.7.2所示,MSP430F5310具有通用串行孔、设备倍率、直接存储器存取和警告时钟模块等一般且快速的特性。
模块化转换模块MSP430F5310指示24比特的AD7190作为模块化转换模块,不能满足需求。
图3.7显示硬件连接。
微处理器主要用于控制和同步操作(用于关系计算)。
数字量和压力)和UART接口连接到用于数据传输的MAX3211接收和发送。
图3.7MSP430F5310的结构框图
3.4串行通讯电路设计
串行通信是设备与设备之间的数据线通信,数据仅在比较之后被传输,并且在设备之间的传输和成本下降仅需要少数线路。
S串行中的一个是同步通信,另一个是异步通信。
异步通信广泛用于数据传输。
在串行通信之前,放射机和接收机已与特定数据格式达成频率协议。
3.4.1MAX3221概述
美国电力工业协会(EIA)提议采纳RS-232接口标准,建议采纳目前最广泛的非同步串行通信标准总线。
主机使用RS-232标准协议串行通信,而宏处理器使用不同的TTL协议串行通信。
一定将RS-232和TTL协议转换成RS-232和TTL协议,使得单芯片机能够与计算机进行通信。
MAX3221包括具有±15千伏的静电放电爱护的线驱动器、线接收器和两个负载泵,以满足设计要求。
此外,四个0.1UF电容器可在3伏至5.5伏之间的线路电压下正常工作。
MAX3221可以关闭驱动器,节省能源,当FOFF以低的设定提高能量时,驱动装置和接收装置被切断,电源电流被减小到1毫米。
如果Fon和Foff成长了,自动使用被禁止。
主要应用包括电、移动、电池设备、PDA和PDA个人计算机、数码相机、手机和无线设备。
3.4.2通讯电路设计
系统的MSP430F5310串行通信接口电路使用遵循RS-232标准的AX3221驱动器芯片进行串行通信,该打印电路板是参照图3.8.MAX3221中的四个C6、C7、C8、C9电容器对食品转换所需的电容器。
用于接收和发送信息的MSP430F5310的P4.4TXD和P4.5RXD分别连接到MSP430F5310的11Tin脚和9Th脚,8脚趾分别连接到CP2102的TXD和RXD端。
12脚FON和16脚FOFF外接数字电源电压为其供电,自动掉电被禁止。
图3.8MAX3221硬件连接图
请参照图3.9。
模块的输出地和计算机的地球之间的噪音可能会阻碍通信,因此一定通过光学耦合来隔离表面电流的干扰。
a.与主机的数据传输限制了数据传输速度,因为传统的计算机接口的串行和并行效率下降。
如图3.10所示,IRCUID串行通信接口
CP2102是被转换为URT的USB网关电路,CP2102的内部结构也包括外部基线连接,包括全速功能控制器、USB收发器、单载可编程存储器和内部时钟,如图3.11所示。
CP2102是从主机接收USB数据,作为RS-232信息流向外部装置发送的USB/RS-232接口的双向转换器。
主机USB数据格式包括控制信号和交流信号。
图3.9通讯模块框图
图3.10串行通讯接口电路
3.11CP2102的内部结构及外部基本连接
3.5电源治理电路设计
电力治理技术或电力控制技术是电力转换、现代电子、网络构筑、自动化控制等电力电子领域。
电源系统提供稳定于装置的动作的电源,在本发明的实施方式中,需要通过不同的硬件元件的动作电压,对输入电源电压进行电压改变处理。
S.电源设计,首先用DC-DCLM1373转换芯片使之产生6V电压,LDO转换芯片(SP6001和TPS791)能得到必要的+3.3V数字电源和+5V模拟电源。
提供具有高功率和低噪声特性的总电源系统,所有数字系统使用当前设计的3.3V规律电源。
3.5.1升压电路图
1)引脚说明:
LM2733顶视图如图 3.12 所示:
1脚SW,内部FET开关的漏端。
2脚GND,用于模拟以及电源地。
3脚FB,链通至外部电阻分压器的响应点。
4脚SHDN,关闭控制输入。
5脚VIN,模拟和电源输入。
图3.12LM2733顶视图
2)工作原理
LM733与开关电场效应晶体管串联地连接,该开关电场效应晶体管将电压提供给脉冲宽度调制比较器和电流限制放大器。
电流通过电场效应管使倾斜度增加电压,通过倾斜产生器增加电压,向PWM比较器发送电压,当电压超过其他输入电压时,锁定被复位,关闭FET。
陆续Fet电流从而保证电压输出平稳。
由Q1和Q2和R3-R6构成的带电压基准确保稳定电压,Q1和Q2的电流相同,反馈电路调整监视输出并保持等值,因此控制FB电压和SOR电阻的比率并输出。
如果Tie.Fet电流达到规定的阈值,则Fet以下一周期停止并复位。
图3.13LM2733框图
升压电路设计:
如图3.14.Batt+所示,Z2是用于防止电源连接或过电压的外部电源,LM1373是反馈型直流-DC过电压转换芯片,其输出(FB导向)与R9、R10、输出值相关。
IE通常通过R9调整而变更,DC-DC通常在3V到6V之间动作,动作不超过6V,但是DC-DC动作不超过9V,外部电源直接连接到LDO,根据LM1373的特性动作。
使用REE.2373高频600千赫,降低DC-DC体积,有助于整合系统。
电力供给是3V的情况,LM733到6V使之上升电压,满足低噪音LDO的需求的同时,使电压过高效率。
SION6V是每个系统元件经由SP6001和TPS704提供的数字电源+3.3V和模拟电源+5V。
图3.14升压电路设计
3.6.2降压电路图
SP6201工作原理
SP6001适用于高精度的必要性和简洁便利的应用。
随着负荷的增加,低静电流一点点增加,LDO2极质电流变得便利。
精准度可以长时间保持不需要校准。
SP6001电流可达到420毫米,释放300毫米脉冲的充电流,LDO放大器可保证电源或PIN的激活没有过剩调整,放大器可在发生改变时降低负载的冲击以最小。
LDO元件可以通过带宽基准2.5与输出连接,输出伏特版本的设备的间隙总是与葡萄酒的主轴连接。
与大多数LDO不同的是,带宽标准不适用于过滤。
除了高频稳定的效率之外,一般电路电容器或其它元件的泄露可导致高强度。
②典型应用电路
图3.15典型应用电路
如图3.16所示,SP6001,一个IN脚,电源入口,3个N脚作为输入信号连接到LM1373脚。
TPS709的下陷和5n英尺的功率调整器/丢失能量器可以不使用地连接到脚,并且VEN-VIN作为输入信号LM2733连接到LM2733英尺,如图3.16的U6。
插头不仅最小化平均平方噪声,还消除由内部带宽的间隙产生的噪声,控制软件的启动功能,即C29模式使用10NF的容量。
2.2F连接到地面,以确保电压减小器的稳定性,如图中的10个UF的C21电容器那样,产生5V的模拟电压,并提供所有模拟能源。
IEDS可以不与主轴和GND直接接触而置于地上。
在该引脚外部链接一个电容可以消除内部带隙诞生的噪声,这个电容不但可以将均方根噪声降低到最低水平,而且可以控制软件的启动功能,即为图中的C29采纳10nF的电容。
1脚OUT,调节器的输出。
外接一个2.2F的电容,如图中10uF的电容C21,连接到地面用以保证降压器的稳定性。
同时产生一个5V的模拟电压,为所有的模拟电源供电。
2脚FB用来设定设备的输出电压。
3脚NC可以不接或直接接地,在本设计中该引脚和4脚GND均接地。
图3.16降压电路设计
第四章数字式压力测量仪的软件实现
4.1操作系统概述
这个软件主要由两个部分构成。
一个是单芯片的编程,另一个是PC接口的编程。
这两个部分通过串行通信连接。
开发软件有适合MSP-430系列的C语言的开发。
由于处理器的资源不足,标准语言C.MSP430没有集成到MSP430的实时操作系统。
这个软件开发在简洁的任务实时旅行监视平台工作。
4.2系统主程序模块
系统从主程序开始。
首先是系统硬件的初始化,系统的启动自我验证,系统的驾驶状态的初始化,系统的驾驶状态的决定,并且进入测量任务的日程。
Lance系统的主要流程图请参照图4.1。
图4.1系统主程序流程图
本系统的初始化模块主要包括控制系统初始化、各器件工作状态初始化以及串行通信接口初始化等。
系统初始化流程图如图4.2所示:
图4.2系统初始化流程图
如果初始化完成,进入系统内部的控制任务的调度。
任务调度控制实际上是背景系统。
任务调度控制的优点可以实现零中断延迟,缺点是处理器每次只能执行一个进程,是单进程的,所以多项任务需要一个一个来。
系统内部控制任务的调度开始于系统上的电启动,当触发系统的事件或中断时,系统开始监视任务的调度、启动任务的处理以及随后的任务的执行。
系统的活性化,系统以全速动作着,不过,如果没有事件和中断,系统成为休止状态。
监视任务的日程仅在任务到达时启动。
系统内部监控任务调度如图4.3所示。
图4.3系统内部监控任务调度
图4.4是任务监控调度的流程图。
系统进入任务监控调度程序里后,首先进行一般处理,然后关中断,接着有一个任务激活标志trdf,它与一个任务查询列表trdm是一一对应的,具体的查询过程参考图4.5。
查询到任务标志后,查询任务信息,并激活任务,所有的任务信息放在一个任务结构体里面,任务结构体里面放着任务号,任务次态,任务执行模块指针。
通过一个指针查询到具体的任务,并最终执行任务。
具体的程序如下:
order=0;//初始化任务查询指针,并顺序查询任务
///查取激活任务
for(i=1;i!
=0;i=(i<<1))
{
if((Trdf&i)==0)
{
order++;
}
else
{
Trdf=Trdf&(~i);//查取任务激活标志,并清除激活标志
break;
}
}
Tkrn=Trdm[order];//取得激活任务
///查取任务信息并执行激活任务
while(q->Taskno!
=(unsignedchar)0xff)
{
if(q->Taskno!
=Tkrn)
{
q++;//指针下移
}
else
{
Stat=q->nextstat;//将次态传递给系统工作状态寄存器
q->go_fun();//调用任务函数模块,执行任务
break;//马上终止任务信息查询
}
}
图4.4系统任务监控调度的流程图
4.3系统工作状态分析
该系统的操作任务可以分为压力测量操作状态、工厂操作状态、用户校准操作状态三种。
开机工作时,首先进行的是开机启动工作,推断系统的工作状态。
系统初始化时,启动时确定系统的操作状态,系统初始化时设定状态为0。
输入首先是压力测量状态,根据从PC传送的数据传输中断服务程序,执行恳求,启动对应的任务。
工厂标定工作状态,用于确定温度校准系数。
用户使用一定的时间校准动作状态,主要是测量系统,校准系数是在校准考试中预先得到的,校准只能通过进入锡状态来实现。
当系统从LONG.测量状态转移到工厂校准状态或用户校准状态时,根据DPMURXD中断的触发输入不同的状态。
由于篇幅有限,现给出系统部分中断激活任务见表4.1
DPM_RXD中断激活任务
标识名
任务号
备注
TKRXD_READ
30H
读取DPM模块的压力测量值
TKRXD_MEAS
31H
设置DPM模块处于压力测量工作状态
TKRXD_ONLI
40H
上位PC或校验仪终端与DPM模块联机握手
TKRXD_STBY
41H
设置DPM模块处于待机状态(OFF)
TKRXD_RID
42H
读取DPM模块的ID号
TKRXD_RU
43H
读取DPM模块的压力测量单位及保留小数位
TKRXD_RRP
44H
读取DPM模块的压力量程上限值
TKRXD_RRN
45H
读取DPM模块的压力量程下限值
TKRXD_ID
46H
设置DPM模块的ID号
TKRXD_U
47H
设置DPM模块的压力测量单位及保留小数位
TKRXD_RP
48H
设置DPM模块的压力量程上限值
TKRXD_RN
49H
设置DPM模块的压力量程下限值
TKRXD_STAN
33H
设置DPM模块处于工厂标定工作状态
TKRXD_BCAL
38H
设置DPM模块处于用户校准工作状态
表4.1中断激活任务
4.3子程序模块
4.3.1压力数据采集程序
AD7190的可编程函数由一系列内部寄存器控制,数据可经由装置上的串行接口导入,该接口也可可视化这些寄存器的信息。
第一步骤.设备在启动后被导入到通信寄存器,在下一步骤需要改变设备类别的其他寄存器的数据以根据寄存器信息进行写入或写入的情况下,首先需要进行C。
通信寄存器的步骤及其后,变更寄存器数据的动作。
转换器A/DAD7190和MSP430F5310经由四个串行接口连接。
也就是说,首
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