測(cè)量?jī)x器儀表設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) 機(jī)械制造專業(yè)

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1、摘要 測(cè)量?jī)x器儀表包括壓力測(cè)量?jī)x器的總的發(fā)展趨勢(shì)是高性能、數(shù)字化、集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化。氣缸壓力表對(duì)汽車有著重要意義，氣缸壓力是發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的一個(gè)重要參數(shù)，傳統(tǒng)的指針式壓力表存在指針擺動(dòng)誤差較大等固有缺陷，而本文所涉及到數(shù)控壓力表系統(tǒng)是將單片機(jī)作為自身的主控內(nèi)核，并且通過(guò)數(shù)字化的液晶顯示器作為其顯示端口，對(duì)所有目標(biāo)的數(shù)控都實(shí)現(xiàn)了基于單片機(jī)的智能化模式。而且也可以讓用戶得到準(zhǔn)確度很高的數(shù)據(jù)信息。 本文有關(guān)設(shè)計(jì)的最直接目的就是要在減少設(shè)備投入和所占用空間的前提下，全面提升該設(shè)備的使用廣泛性以及自身系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，精確性和可靠性電池供電、長(zhǎng)壽命、低功耗、低成本數(shù)字式、耐震壓力表的設(shè)計(jì)目的出

2、發(fā)具有一定的使用價(jià)值。 本論文所設(shè)計(jì)的相關(guān)儀表測(cè)量系統(tǒng)在收集壓力數(shù)據(jù)信息時(shí)所依靠的主控核心為MSP430單片機(jī)，并且通過(guò)和液晶顯示器的共同搭配來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的收集和展現(xiàn)功能。這里所依靠的這一款MSP430單片機(jī)在計(jì)算速度，能耗和設(shè)備開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)易程度方面都有著很明顯的優(yōu)勢(shì)，這也讓整個(gè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程變得更加簡(jiǎn)單易行。經(jīng)過(guò)調(diào)試的結(jié)果表明該設(shè)計(jì)方案可行，能過(guò)實(shí)現(xiàn)汽車氣缸壓力檢測(cè)采集和顯示。 關(guān)鍵詞：電子式氣缸壓力表，單片機(jī)，壓力信息采集 第一章緒論 1．1壓力與壓力測(cè)量 單位面積物體表面所承受的針對(duì)這一物體所施加的力叫做壓力。 這樣的力大抵可以分為絕對(duì)壓力和相對(duì)壓力兩種類型，其中的絕對(duì)壓力

3、指的是流體所受到的單向的壓力。而相對(duì)壓力則是兩兩壓力之間產(chǎn)生的力量差；通常來(lái)講，即時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)大氣壓可以作為一項(xiàng)可以參照的壓力標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)絕對(duì)壓力減去參考?jí)毫Φ玫降膲毫Σ顬檎禃r(shí)，那么對(duì)應(yīng)的相對(duì)壓力即為表壓（gauge pressure）；若絕對(duì)壓力減去參考?jí)毫Φ玫降膲毫Σ顬樨?fù)值，則相對(duì)壓力就可被稱為負(fù)壓或者真空度。 針對(duì)壓力的計(jì)量單位會(huì)因?yàn)槠涫褂玫牟煌颇慷兴顒e，目前國(guó)際通用的壓力計(jì)量單位是帕斯卡；在熱工學(xué)所需要的所有參數(shù)中，壓力參數(shù)的地位十分重要，在工業(yè)生產(chǎn)，日常生活乃至科學(xué)研究的過(guò)程中經(jīng)常都要用到各種氣壓和液壓的相關(guān)測(cè)量活動(dòng)。針對(duì)壓力測(cè)量的需求和實(shí)踐充斥著我們的日常生活，可以說(shuō)每時(shí)每刻都在

4、進(jìn)行，不管是何種領(lǐng)域只要存在著對(duì)氣壓乃至液壓的具體使用，那么壓力的測(cè)量必然相伴出現(xiàn)；對(duì)各類壓力的測(cè)算和操控是多種智能化自動(dòng)化的工業(yè)生產(chǎn)控制在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中不可缺少的一環(huán)；不管是車船飛機(jī)這樣的交通手段，還是醫(yī)療天氣乃至空調(diào)制冷這樣的生活必需，無(wú)數(shù)的領(lǐng)域內(nèi)部都會(huì)使用到壓力測(cè)量。而且一部分的另類測(cè)量活動(dòng)和壓力測(cè)量之間可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化和互換。比如測(cè)量?jī)?chǔ)油罐內(nèi)部原油的具體數(shù)量時(shí)，就可以通過(guò)對(duì)罐底油壓測(cè)量結(jié)果的運(yùn)算而獲得具體結(jié)果。 在工業(yè)活動(dòng)中對(duì)液壓或者氣壓進(jìn)行工業(yè)自動(dòng)化測(cè)量時(shí)就需要用到壓力測(cè)量?jī)x表（壓力表或者壓力計(jì)），這種測(cè)量表不僅可以顯示或記錄即時(shí)的壓力數(shù)據(jù)，還可以和警示或者控制設(shè)備搭配使用。 1643年

5、，意大利人托里拆利首先測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)的大氣壓力值為760毫米汞柱，奠定了液柱式壓力測(cè)量?jī)x表的基礎(chǔ)。1847年，法國(guó)人波登(Eugene Bourdon)制成波登管壓力表，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用，很快在工業(yè)中獲得廣泛應(yīng)用，一直是常用的壓力測(cè)量?jī)x表。 誕生于上世紀(jì)初的遠(yuǎn)傳壓力表和電接壓力表將一直以來(lái)的壓力數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳送和對(duì)超標(biāo)壓力的警示和管控難點(diǎn)予以攻克。 基于各類彈性零件在壓力作用下會(huì)產(chǎn)生形變的原理研制出來(lái)的壓力測(cè)量?jī)x表即為彈性式壓力測(cè)量?jī)x表。按照內(nèi)部配備的彈性零件的種類來(lái)劃分，則這一類壓力測(cè)量?jī)x表包括彈簧管式、膜片式、膜盒式以及波紋管式幾類。如果按照相應(yīng)的功效進(jìn)行劃分則可以被分為遠(yuǎn)傳式，電接點(diǎn)式和指示

6、式三類。彈性式壓力測(cè)量?jī)x表的最大優(yōu)點(diǎn)在于簡(jiǎn)便但是耐用的結(jié)構(gòu)材質(zhì)以及很寬廣的壓力測(cè)試范圍，因此也是多類型壓力測(cè)量表中最為普遍應(yīng)用的種類。 電子測(cè)量式壓力表的內(nèi)核部件主要是壓力傳感器，在測(cè)量時(shí)會(huì)將自身感受到的被測(cè)試壓力通過(guò)一定規(guī)律的電信號(hào)加以反映。其具體可分為壓力傳感器，壓力變送器和數(shù)字式壓力表三類。如果輸出的電信號(hào)屬于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格(4～20mA直流電流、1～5V直流電壓)，時(shí)，則該設(shè)備為壓力變送器，如果將傳感器和信號(hào)處理系統(tǒng)以及顯示屏配合使用，則該設(shè)備為電子數(shù)字壓力表。如果將控制和記錄裝置和壓力表本身裝配到一起，則整套壓力測(cè)量設(shè)備就擁有了對(duì)數(shù)據(jù)收集處理以及打印以及控制方面的多項(xiàng)自動(dòng)化功能。 目前

7、存在著多種多樣的壓力傳感器，具體而言包括電位器類、壓阻類、霍爾類、電感類、電壓類以及振動(dòng)類等。這些傳感器的精準(zhǔn)程度可以達(dá)到0.01級(jí)別，測(cè)壓跨度可以為10pa到700pa不等。 1．2壓力測(cè)量的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 壓力測(cè)量的大范圍實(shí)踐應(yīng)用催生了大量的多種類壓力測(cè)量需求，這也間接推動(dòng)了壓力測(cè)量活動(dòng)的不斷進(jìn)步。除了校準(zhǔn)用的標(biāo)準(zhǔn)化壓力測(cè)量以外，在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)探索中，彈性和電子式壓力測(cè)量?jī)x表依然是最為廣泛使用的兩類儀表。雖然多年的演進(jìn)過(guò)程讓彈性壓力測(cè)量?jī)x表有了很大的適用范圍和足夠成熟的制造技術(shù)，但是它在現(xiàn)今不斷提升的自動(dòng)化進(jìn)程影響下已經(jīng)難以獲得更大的發(fā)展前景，其地位也開(kāi)始逐漸被電子式壓力測(cè)量?jī)x

8、表所取代，而以傳感器及二次儀表技術(shù)為代表的電子式壓力測(cè)量?jī)x表的相關(guān)技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)取得了巨大的飛躍。 作為一種讓無(wú)數(shù)人高度關(guān)注的高新技術(shù)，傳感器技術(shù)的發(fā)展速度可以用難以置信來(lái)形容，而且它已經(jīng)成為了當(dāng)今科技飛躍的重要代名詞。和傳感器技術(shù)有關(guān)的多種新型材料和工藝流程同樣被嫁接到了壓力傳感器的研發(fā)過(guò)程當(dāng)中，其中光導(dǎo)纖維、陶瓷材料、單晶硅、多晶硅、碳化硅、藍(lán)寶石、金剛石等材料得到廣泛的應(yīng)用，在半導(dǎo)體集成電路制造中應(yīng)用的微機(jī)械加工技術(shù)。 壓力傳感器的應(yīng)用發(fā)展條件因?yàn)椴煌倪m用領(lǐng)域而出現(xiàn)了多頭發(fā)展的趨勢(shì)。例如：高溫壓力傳感器就適用于對(duì)高溫度目標(biāo)的壓力測(cè)量以及在高溫工作環(huán)境下進(jìn)行測(cè)量，這里提一下由德國(guó)IME

9、S公司開(kāi)發(fā)的HTT-01高溫傳感器，這樣的傳感器在耐熱、抗沖擊、抗循環(huán)負(fù)載等方面有著很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，而且作為一種膜式應(yīng)變傳感器的HTT-01可以承受高達(dá)1700℃的高溫，因此其具體應(yīng)用地點(diǎn)也為諸如往復(fù)壓縮機(jī)、汽柴油引擎氣缸以及高壓燃料系統(tǒng)這樣的高溫高壓目標(biāo)。 有時(shí)為了檢測(cè)高速變化的動(dòng)態(tài)壓力趨勢(shì)，就需要用到具備高動(dòng)態(tài)性質(zhì)的壓電式傳感器，該類型傳感器具有小巧簡(jiǎn)單的外部構(gòu)造，在無(wú)需外接電源的狀態(tài)下就可以呈現(xiàn)足夠的高精準(zhǔn)性和相應(yīng)頻率，可以測(cè)量動(dòng)態(tài)壓力趨勢(shì)，因此其應(yīng)用目標(biāo)基本上都屬于空氣動(dòng)力，爆炸學(xué)以及引擎內(nèi)燃?jí)毫Φ臏y(cè)量等等。有效測(cè)量范圍為∞700pa到0再到70mpa不等，并能達(dá)到千分之一的精準(zhǔn)度。

10、將壓力數(shù)據(jù)通過(guò)光波進(jìn)行輸送的光纖壓力傳感器對(duì)于電磁和電氣擾動(dòng)，以及靜電和腐蝕性物質(zhì)有著很好的抵抗力，而且不會(huì)產(chǎn)生靜電打火，所以十分適合于在高壓和燃爆系數(shù)高的環(huán)境中進(jìn)行測(cè)量。而且其架構(gòu)簡(jiǎn)單，并且有很好的精準(zhǔn)度和靈敏性，這種適合于微小空間測(cè)量的特性讓其被廣泛關(guān)注并得到了全面提升。 美國(guó)Micron Instruments生產(chǎn)的MPl00、MPl01型壓力變送器就是兩類適用于微小空間工作的小型壓力傳感器，其不到一毫米的通徑讓它在極小的空間內(nèi)暢行無(wú)阻。 齊平膜傳感器適合于對(duì)粘稠物體的壓力測(cè)量；量程0-25pa的超低壓力傳感器和700mpa量程的超高壓力傳感器可以用于大范圍的壓力測(cè)量；另外還存在著抗

11、腐蝕以及多相流狀態(tài)的壓力傳感器等。 與壓力傳感器不分伯仲的壓力二次儀表同樣也取得了飛躍式的發(fā)展，這里提到的二次儀表屬于扣掉敏感零件之后執(zhí)行壓力信號(hào)擴(kuò)張、轉(zhuǎn)化、傳送和展示功能的相關(guān)零部件，不過(guò)在實(shí)踐過(guò)程中，部分壓力測(cè)量?jī)x表的敏感零件和二次儀表是不可分割的。對(duì)于二次儀表的發(fā)展趨勢(shì)，大體可以被概括為標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化、集成化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化五點(diǎn)。 (1)標(biāo)準(zhǔn)化 這一條主要指的是標(biāo)準(zhǔn)化的輸出信號(hào)模式，普通的壓力傳感器所輸出的信號(hào)都十分微弱，甚至還會(huì)出現(xiàn)傳輸?shù)姆蔷€性狀態(tài)，所以基于提升采集和顯示傳感器所輸出數(shù)據(jù)的便捷性考慮，就西藥通過(guò)信號(hào)調(diào)理線路將傳感器所輸出的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)化的，適用于復(fù)雜即時(shí)工業(yè)

12、生產(chǎn)活動(dòng)所使用的測(cè)量控制專用型號(hào)。這樣的標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)可以讓采集控制系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)過(guò)程內(nèi)不用考慮壓力傳感器本身的激勵(lì)和信號(hào)輸送模式以及其輸送范圍和非線性狀態(tài)，這樣的標(biāo)準(zhǔn)模塊化處理讓整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程更加快捷。 (2)數(shù)字化 除了上面提到的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)化以外，二次儀表還呈現(xiàn)出了數(shù)字化的發(fā)展趨勢(shì)，具體而言就是未來(lái)的二次儀表輸出的內(nèi)容將更多以數(shù)字量而非模擬量的模式呈現(xiàn)，數(shù)字將會(huì)成為顯示和輸出的主流，這樣一來(lái)，放大電路，AID轉(zhuǎn)換和微型CPU將會(huì)被加裝進(jìn)入壓力傳感器模塊。讓壓力測(cè)量信息通過(guò)數(shù)字化模式基于某一類通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)象為主控計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，這樣一種把各類數(shù)字化的傳感器輸出信號(hào)基于現(xiàn)場(chǎng)總線相互連接的模式

13、，以必然是未來(lái)測(cè)控系統(tǒng)的一種發(fā)展主流。 (3)集成化、智能化 基于傳感器和微型控制設(shè)備技術(shù)的演進(jìn)，以及不斷推進(jìn)的測(cè)壓系統(tǒng)智能集成化水準(zhǔn)，讓智能集成傳感器的構(gòu)成發(fā)生了巨大的變化，從簡(jiǎn)單的傳感裝置發(fā)展成為了將傳感裝置，信號(hào)調(diào)理線路，微信CPU以及輔助配件共同架構(gòu)的芯片集成塊，這樣的芯片集成塊在某些時(shí)候還會(huì)加裝多類型敏感配備，從而在診斷矯正、溫度補(bǔ)償、數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)通訊乃至多類型數(shù)據(jù)測(cè)定方面都有了用武之地，而且在成本和產(chǎn)量的優(yōu)化上也有了不可比擬的優(yōu)勢(shì)。舉例來(lái)說(shuō)，美國(guó)LUCAS、NOVASENSOR公司開(kāi)發(fā)的血壓傳感器現(xiàn)在就已經(jīng)達(dá)到了周產(chǎn)萬(wàn)只的規(guī)模。 (4)網(wǎng)絡(luò)化 基于測(cè)控系統(tǒng)的多通道架構(gòu)需求

14、，網(wǎng)絡(luò)化也是壓力測(cè)量模塊在未來(lái)的一個(gè)必然發(fā)展趨勢(shì)，而且這樣的趨勢(shì)因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)總線的出現(xiàn)而變得更加明顯，需要說(shuō)明的是現(xiàn)場(chǎng)總線在全球自動(dòng)化領(lǐng)域的地位已經(jīng)炙手可熱。所謂的現(xiàn)場(chǎng)總線，就是連接現(xiàn)場(chǎng)各類智能儀表和主控設(shè)備兩者之間的一種雙邊開(kāi)放式數(shù)字多站點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)，這一系統(tǒng)的存在讓測(cè)控系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)架構(gòu)變得更有靈活性，數(shù)字化的信號(hào)在現(xiàn)場(chǎng)總線內(nèi)部不會(huì)產(chǎn)生任何損失，所以更方便于搭建散布式的壓力測(cè)控系統(tǒng)。 1.1本課題研究背景及意義 隨著人類社會(huì)的發(fā)展,汽車已成為人們出行的必要工具,而隨著汽車技術(shù)的不斷發(fā)展,汽車在使用過(guò)程中,隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)或行駛里程的增加,其故障也會(huì)頻繁出現(xiàn),為了確定汽車在使用時(shí)技術(shù)狀況良好,就

15、要求我們對(duì)汽車的各項(xiàng)使用性能做檢測(cè)。氣缸壓力是發(fā)動(dòng)機(jī)一個(gè)十分重要的數(shù)據(jù),它能決定發(fā)動(dòng)機(jī)的多項(xiàng)性能發(fā)揮，可以說(shuō)與大多數(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)性能之間都有著很大的關(guān)系。氣缸的壓力只要達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，那么就可以從規(guī)范角度否定掉所有的發(fā)動(dòng)機(jī)性能。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力水準(zhǔn)和經(jīng)濟(jì)程度和氣缸壓力的水準(zhǔn)成正相關(guān)，一旦下降必然會(huì)讓汽車本身動(dòng)力困難且更加耗油，還會(huì)帶來(lái)一連串的故障。 而隨著科技的進(jìn)步，相應(yīng)的基礎(chǔ)檢測(cè)設(shè)備也應(yīng)同步升級(jí)和高效應(yīng)用。傳統(tǒng)的指針式氣缸壓力表存在指針擺動(dòng)誤差較大，讀數(shù)不直觀不便捷等固有缺陷，已不適用汽車氣缸壓力的檢測(cè)，而電子式數(shù)顯壓力表數(shù)據(jù)讀取高效便捷，有更好的穩(wěn)定性，精確性和可靠性，更可以減小體積和擴(kuò)大適用范

16、圍。 本課題設(shè)計(jì)的電子式氣缸壓力表針對(duì)現(xiàn)代汽車的檢測(cè)與維修，在現(xiàn)有成熟技術(shù)和成本控制理論的基礎(chǔ)上來(lái)對(duì)氣缸壓力數(shù)據(jù)的收集輸送以及顯示問(wèn)題加以解決。 1.2 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸壓力信號(hào)的采集，就是通過(guò)傳感器的相關(guān)技術(shù)在不拆裝汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的原則下驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)的具體性能并實(shí)現(xiàn)對(duì)故障點(diǎn)及其產(chǎn)生原因的排查。在很早一段時(shí)間里，采集汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸壓力的信號(hào)的活動(dòng)因?yàn)楫?dāng)時(shí)不發(fā)達(dá)的傳感器和電子測(cè)量水平的緣故面臨著很大的困難。對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)故障的判斷主要都依靠人力來(lái)進(jìn)行。處于汽車維修工序一線的人員在自身維修經(jīng)驗(yàn)的引導(dǎo)下，通過(guò)聽(tīng)，觸或者發(fā)動(dòng)的方式來(lái)檢測(cè)汽車的性能和故障點(diǎn)，因此工作人員的經(jīng)驗(yàn)很大程度上決定了檢測(cè)

17、活動(dòng)的準(zhǔn)確程度。雖然這樣的檢測(cè)無(wú)需太多的高科技設(shè)備儀表就可以輕松完成，但顯然存在著低效率，長(zhǎng)時(shí)間和易誤判的嚴(yán)重缺點(diǎn)。 后來(lái)，一些針對(duì)汽車壓力傳感器以及引擎的測(cè)量設(shè)備儀表在電子測(cè)量技術(shù)的演進(jìn)過(guò)程中被人們運(yùn)用于實(shí)踐活動(dòng)。即指針式氣缸壓力表，極大的提高了檢測(cè)效率，上世紀(jì)80年代的微控制裝備，信號(hào)處理以及自動(dòng)化浪潮催生了以微控設(shè)備為核心的汽車性能測(cè)試和故障排查系統(tǒng)，這些系統(tǒng)在獲取傳感器輸出的各類性能信息之后，通過(guò)對(duì)信息的放大調(diào)理進(jìn)行相關(guān)的采集和處理流程，從而通過(guò)相應(yīng)的處理結(jié)果來(lái)檢測(cè)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的即時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)情況。 1.3課題研究的主要內(nèi)容和論文內(nèi)容安排 1.3.1 研究?jī)?nèi)容 1）對(duì)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集顯示

18、系統(tǒng)進(jìn)行探討，做出初步設(shè)計(jì) 2）根據(jù)初步設(shè)計(jì)，以單片機(jī)為數(shù)據(jù)采集基準(zhǔn)部件，從傳感器輸出的氣缸壓力信號(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)處理及A/D轉(zhuǎn)換顯示到液晶屏上 3）根據(jù)模塊，電路設(shè)計(jì)，制作數(shù)據(jù)采集與顯示 4）編寫(xiě)適當(dāng)程序，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與顯示 1.2.2 論文內(nèi)容安排 第一章為緒論部分，簡(jiǎn)要闡述該課題的研究背景與意義第～章簡(jiǎn)述了壓力測(cè)量的發(fā)展歷史，壓力測(cè)量在生產(chǎn)生活中的重要作用，壓力測(cè)量?jī)x器的分類及各自的特點(diǎn)，舉例說(shuō)明了壓力測(cè)量?jī)x器的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了壓力測(cè)量?jī)x器的主要發(fā)展趨勢(shì)和方向。 第二章為系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 第三章為系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)部分。設(shè)計(jì)系統(tǒng)內(nèi)部的硬件電路，對(duì)MSP340單片機(jī)及其外圍電路的設(shè)計(jì)模式進(jìn)

19、行了介紹 第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，細(xì)節(jié)化設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的軟件流程。 第五章調(diào)試系統(tǒng)。本次設(shè)計(jì)方案通過(guò)調(diào)試證明了可行性。 第六章為總結(jié) 第二章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 2.1設(shè)計(jì)需求分析 1、系統(tǒng)硬件具有便攜性、低功耗的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)氣缸壓力傳感器輸出信號(hào)的調(diào)理和采集。 2、能對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。 數(shù)字壓力表基本模塊 2.2設(shè)計(jì)思路 對(duì)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全局化目的，通過(guò)初期的硬件篩選確認(rèn)了一個(gè)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并且在后期加入了硬件可行程度的考量。在反復(fù)的論證以后，總體設(shè)計(jì)方案內(nèi)部的數(shù)字壓力表的內(nèi)核的單片機(jī)部件選擇美國(guó)德州公司生產(chǎn)的MSP430低耗能單片機(jī)，并

20、相應(yīng)遴選了同樣具備耗能和投入相對(duì)較低的儲(chǔ)存裝置，放大裝置以及液晶顯示器等一系列元件（具體選擇對(duì)象見(jiàn)3.1）,以下為總設(shè)計(jì)方案。 圖2.3是本系統(tǒng)的基本組成架構(gòu)，壓力傳感器和放大器的所需要控制和電能均來(lái)源于處于處于核心地位的單片機(jī)，傳感器發(fā)出的壓力信號(hào)在經(jīng)過(guò)電信號(hào)轉(zhuǎn)化以后，會(huì)被放大器擴(kuò)大到足以使和A/D轉(zhuǎn)換的電壓幅度，這一電壓會(huì)在430單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器上進(jìn)行轉(zhuǎn)化并最終形成所需要的數(shù)字量。然后數(shù)字量會(huì)在單片機(jī)內(nèi)部經(jīng)過(guò)基于外部?jī)?chǔ)存的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的運(yùn)算過(guò)程得到相應(yīng)的壓力數(shù)據(jù)并在液晶顯示器內(nèi)部加以顯示。在運(yùn)算過(guò)程中，測(cè)量數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)壓力數(shù)據(jù)之間會(huì)相互對(duì)應(yīng)，外設(shè)的儲(chǔ)存裝置內(nèi)部存儲(chǔ)有備用的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓

21、處理以后的電池將長(zhǎng)期安裝在儀表內(nèi)進(jìn)行為單片機(jī)，顯示器以及存儲(chǔ)設(shè)備提供電能的工作。 2.2 Fig．2．3 Schematic Diagram ofthe System Design 圖2.4為全局化的軟件方案，在通電初始化結(jié)束以后，系統(tǒng)會(huì)斷掉傳感器和放大器的電源同時(shí)進(jìn)入功率節(jié)省模式，之后進(jìn)入同先期設(shè)置的采樣時(shí)間相匹配的延時(shí)循環(huán)，這一循環(huán)的及時(shí)過(guò)程將維持一個(gè)采樣周期。之后系統(tǒng)將從功率節(jié)省模式中退出并同時(shí)將電能接入傳感器和放大器進(jìn)行測(cè)量和A/D轉(zhuǎn)化，以及數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理和顯示器顯示，測(cè)量顯示完成后將跳回節(jié)電模式并循環(huán)進(jìn)入下一采樣周期，如此重復(fù)整個(gè)的運(yùn)作過(guò)程。 3．1元件選擇 功率節(jié)省和省

22、錢亦是元件遴選的唯一準(zhǔn)側(cè)，基于前文可知，基于長(zhǎng)效化的穩(wěn)壓器，單片機(jī)以及儲(chǔ)存設(shè)備以及顯示器的工作特性，在具體的設(shè)備遴選過(guò)程中必須考量其在未采樣時(shí)間內(nèi)的電流消耗，也就是說(shuō)遴選這四大元件的標(biāo)準(zhǔn)高低將直接決定設(shè)備本身是否保有超過(guò)730天的工作壽命。 3．1．1單片機(jī)的選擇 單片機(jī)的選擇在整個(gè)系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)中至關(guān)重要，傳統(tǒng)的單片機(jī)在靜態(tài)的時(shí)候也會(huì)消耗較大的電流，無(wú)法滿足系統(tǒng)低功耗的要求，例如ATMEL公司的AT89LV51單片機(jī)，在3V供電(f=12MHz)的情況下，活動(dòng)模式下電流消耗為5．5mA，休息模式下電流消耗為ImA，電流隨著工作頻率的下降而下降，但仍然無(wú)法達(dá)到電池提供系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)做需要的電能

23、需求，所以在多次比較以后，本設(shè)計(jì)將美國(guó)德州公司生產(chǎn)的MSP340單片機(jī)作為設(shè)計(jì)用單片機(jī)，在這一系列的16超功率節(jié)省單片機(jī)內(nèi)部加裝了A/D轉(zhuǎn)換裝置，因此屬于針對(duì)智能儀表以及便攜式電池能源設(shè)備的專門性設(shè)計(jì)。 3，1．1．1 MSP430F1121簡(jiǎn)介 如圖3．2為MSP430F1121的管腳分配圖。 MSP430F1121是一個(gè)20腳SOWB封裝芯片，該型號(hào)單片機(jī)為Flash型，可反復(fù)編程，片內(nèi)有4K字節(jié)程序存儲(chǔ)器和128字節(jié)的RAM。MSP430F1121內(nèi)集成了可用于斜坡A／D轉(zhuǎn)換(Slope A／D)的比較器A(Comparator A)和功能強(qiáng)大的計(jì)時(shí)器A(Timer A

24、)。片內(nèi)配有兩組I／O口P1和P2(每個(gè)I／O都是多功能復(fù)用的)、 1、獨(dú)特的時(shí)鐘系統(tǒng)，低工作電壓與超低的功耗。 MSP430的工作電壓范圍為1.8V~3.6V，特別是在2.2V, 1MHz主頻下，它的活動(dòng)模式工 作電流僅為280 T} = lV * T f281: RAM數(shù)據(jù)保持方式下耗電僅0.1 uA } IO輸入端口的漏電流最大僅SOnAo MSP430系列單片機(jī)具有獨(dú)特的時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括基本時(shí)鐘系統(tǒng)和鎖頻環(huán)(FLL和FLL+)時(shí)鐘系統(tǒng)或DCO數(shù)字振蕩器時(shí)鐘系統(tǒng)。CPU和對(duì)單片機(jī)外設(shè)每塊所依賴的時(shí)鐘信號(hào)從多種類型的時(shí)鐘系統(tǒng)內(nèi)發(fā)出，這些信號(hào)的開(kāi)關(guān)都是通過(guò)對(duì)應(yīng)的寄存

25、裝置以及外部命令來(lái)實(shí)現(xiàn)的，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功率節(jié)省目的，而且多類型的工作模式可以依據(jù)功能模塊的實(shí)際使用狀態(tài)來(lái)選擇激活。 除此以外，該系列單片機(jī)可以通過(guò)矢量終端的模式實(shí)現(xiàn)對(duì)十幾個(gè)中斷源的支持同時(shí)允許隨意套嵌行為的存在，只需要通過(guò)Gu就可以利用中斷指令喚醒CPU處理器，對(duì)于外部出現(xiàn)的中斷時(shí)間指令可以通過(guò)功率節(jié)省編程技術(shù)在功率節(jié)省的同時(shí)實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。單片機(jī)的功率節(jié)省目的不能通過(guò)性能上的折扣來(lái)交換，一般采用W/MIPS(瓦特/百萬(wàn)指令每秒)來(lái)衡量微處理器的功耗，MSP430系列單片機(jī)在活動(dòng)模式下，這個(gè)指標(biāo)的值為250uA/MIPS，相對(duì)于傳統(tǒng)的MCS51單片機(jī)10 mA -20mA/MIPS而言，最好

26、的功率節(jié)省效果和最好的運(yùn)轉(zhuǎn)性能并不會(huì)發(fā)生沖突。除了考慮單片機(jī)自身的功耗以外，整個(gè)系統(tǒng)的功耗也需要被重點(diǎn)關(guān)注，如果單片機(jī)本身存在很大的漏電流，則系統(tǒng)的功耗也會(huì)很高。本設(shè)計(jì)所使用的MSP430單片機(jī)，存在于輸入端口的漏電電流極值為50nA，這已經(jīng)超出了其他類型的單片機(jī)的漏電流最低極限。所以可以指導(dǎo)該系列單片機(jī)已經(jīng)從很多角度證明了其良好的系統(tǒng)功率節(jié)省性，最佳功率節(jié)省單片機(jī)當(dāng)之無(wú)愧。 2、運(yùn)算處理速度快，通過(guò)寄存器，可設(shè)置單片機(jī)工作的時(shí)鐘源。 系統(tǒng)發(fā)布指令的速度會(huì)因?yàn)閄T2高速晶振的運(yùn)行而得到很大提升，單個(gè)的及其周期和時(shí)鐘周期相互對(duì)應(yīng)，也就是說(shuō)8M的系統(tǒng)主時(shí)鐘只對(duì)應(yīng)1/8us的及其

27、周期，單片機(jī)的內(nèi)部多類型計(jì)算都接納數(shù)據(jù)和片上存儲(chǔ)設(shè)備的參與，同時(shí)運(yùn)作一個(gè)高效高速的查表處理辦法。因此在開(kāi)發(fā)條件和測(cè)試條件上的優(yōu)勢(shì)十分明顯。 MSF430系列單片機(jī)可分為OTF型、FLASH型和ROM型3種類型的器件，國(guó)內(nèi)目前運(yùn)行較多的單片機(jī)類型為FLASH型。其他兩種型號(hào)的相應(yīng)元件必須通過(guò)專門的仿真系統(tǒng)才能存在，F(xiàn)LASH型單片機(jī)內(nèi)配屬的JTAG調(diào)試端口可以將目標(biāo)代碼直接載入單片機(jī)內(nèi)部，并通過(guò)相應(yīng)接口實(shí)現(xiàn)對(duì)單步或連續(xù)的單片機(jī)程序編碼的運(yùn)轉(zhuǎn)控制以及對(duì)CPU的讀取工作，這樣一來(lái)，應(yīng)用程序的編寫(xiě)和調(diào)試都在一個(gè)綜合化的軟件條件下完成，因此提升了軟件開(kāi)發(fā)人員編寫(xiě)和測(cè)試程序的簡(jiǎn)便性。全套的程序編

28、輯和測(cè)試只依靠一個(gè)單純的JTAG仿真端口基于C語(yǔ)言進(jìn)行，省掉了專門的程序編寫(xiě)設(shè)備。 3．1．1．2 MSP430F1121單片機(jī)開(kāi)發(fā)工具 符號(hào)化編程，程序匯編和C語(yǔ)言程序混編都可以通過(guò)MSP430單片機(jī)來(lái)完成，而且這一款單片機(jī)與多種第三方應(yīng)用程序軟件存在支持關(guān)系。MSP430F1121配套的開(kāi)發(fā)工具是由德國(guó)IAR System公司開(kāi)發(fā)的IAREmbeddedWorkbenchforMSP430Kickstart這是一個(gè)綜合性的開(kāi)發(fā)環(huán)境，可以同時(shí)完成程序的編寫(xiě)、翻譯、橋接、測(cè)試以及FLASH編寫(xiě)等多種功能，圖3.4所顯示的程序測(cè)試就是這一環(huán)境下完成的，程序可以通過(guò)這一工具軟件直接下載到單片機(jī)

29、內(nèi)部并且通過(guò)JTAG直接進(jìn)行線上的是和調(diào)整，在該環(huán)境運(yùn)作的同時(shí)，寄存設(shè)備以及內(nèi)存里面的數(shù)據(jù)都可以被查閱或增刪修改。系統(tǒng)不管是在單步還是斷點(diǎn)狀態(tài)下都可以實(shí)現(xiàn)最快的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，此外系統(tǒng)的編輯界面內(nèi)還可以提示運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的當(dāng)前變量值，因此降低了程序開(kāi)發(fā)的難度。 3．1．2液晶顯示器的選擇 長(zhǎng)沙太陽(yáng)人電子的SMS0408被選為本次設(shè)計(jì)所使用的液晶顯示器，如圖3.5所顯示的顯示器是一個(gè)大規(guī)格字體的高液晶西安市區(qū)塊，高度約為18毫米，人們可以遠(yuǎn)距離看清顯示器上清晰顯示的各類數(shù)據(jù)；工作溫度為-20～50。C，使用溫度范圍較寬，適合于系統(tǒng)的要求。該模塊工作電流在3v工作時(shí)只有20A，因?yàn)閷?shí)踐狀態(tài)下的數(shù)據(jù)會(huì)反復(fù)

30、改變，無(wú)法顯示所得數(shù)據(jù)段，所以真正意義上的電流消耗只有10-19A，符合設(shè)計(jì)的需要。 3．1．3存儲(chǔ)器的選擇 對(duì)電壓的測(cè)量過(guò)程基于加裝Slope A/D的MSP430F1121單片機(jī)的存在，因此遵循的也是非線性的工作原理，所以必須將可能會(huì)在測(cè)量時(shí)需要使用的相關(guān)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)事先加以儲(chǔ)存從而規(guī)避這樣的非線性。同時(shí)需要注意到，該系列單片機(jī)內(nèi)部只存在有單獨(dú)的看門狗定時(shí)器以及Timer A,且這兩個(gè)定時(shí)器的測(cè)量及時(shí)均已采樣時(shí)間為基準(zhǔn)，所以看門狗就并未存在于系統(tǒng)之中，這樣一來(lái)單片機(jī)就不會(huì)具備充足的運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性。正因?yàn)槿绱耍诒驹O(shè)計(jì)種的存儲(chǔ)器環(huán)節(jié)選擇了自帶可編程看門狗功能的E2PROM X25043存儲(chǔ)器。該

31、型號(hào)基于CMOS工藝的存儲(chǔ)器的靜態(tài)功耗在10A以下，通過(guò)2.7V-5.5V的電源來(lái)維持其低功耗運(yùn)轉(zhuǎn)，且可以將看門狗程序加入集成配置。 3，1。4傳感器的選擇 按照前文概述，目前有多種類型的壓力傳感器出現(xiàn)在市場(chǎng)上，因此處于對(duì)投入和系統(tǒng)性能的綜合考慮，在本設(shè)計(jì)種選擇了壓阻型陶瓷壓力傳感器，在不讓性能大打折扣的原則下，讓所選產(chǎn)品盡可能擁有足夠的低廉價(jià)格和較高的橋路電阻和內(nèi)阻，就可以通過(guò)降低工作電流來(lái)降低功耗。在對(duì)充斥于市場(chǎng)的多種產(chǎn)品進(jìn)行選擇的過(guò)程中，處于價(jià)格和提貨時(shí)間的綜合考量，我們并未鎖定單獨(dú)一家，而是將若干家符合要求的供貨商作為備選貨源。傳感器的性能主要決定于橋路電阻、敏銳性、溫度系數(shù)三個(gè)因

32、素。因此選擇的具體標(biāo)準(zhǔn)即為高靈敏度和低溫度系數(shù)的壓力傳感器，且該傳感器必須有超過(guò)8KΩ的橋路電阻。 3．1．5放大器的選擇 A/D轉(zhuǎn)換器的輸入內(nèi)容為放大后的傳感器mV級(jí)輸出信號(hào)，所以必須要將低功耗和低投入同時(shí)作為遴選放大器的原則，而且電池供電的設(shè)定又限制了放大器單源供電的性能狀態(tài)，其工作電壓必須符合電池電壓，不過(guò)多點(diǎn)校準(zhǔn)的低投入設(shè)計(jì)方案不會(huì)對(duì)線性的放大器指標(biāo)提出太高要求。所以在這里并沒(méi)有采用投入較高的專門化儀表放大器，而是選擇了和單片機(jī)同樣出產(chǎn)公司的TLV2211放大器。圖3.6即為其封裝示意圖。 3．1．6穩(wěn)壓器的選擇 選擇電池供電模式注定系統(tǒng)電壓會(huì)隨著電池的不斷消耗而降低，一部分電

33、器元件的工作性能會(huì)因?yàn)殡妷旱淖兓兓?，所以系統(tǒng)處于維持測(cè)量精確度的考慮需要一個(gè)穩(wěn)定的電源來(lái)規(guī)避電壓的不斷下降的問(wèn)題。而且工作電壓和低功耗元件的功耗水平之間呈正相關(guān)，所以出于減少功耗和延長(zhǎng)電池使用時(shí)間的考慮，故加裝了一個(gè)能夠降低系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)電壓的穩(wěn)壓器于系統(tǒng)內(nèi)部，因?yàn)橥獠績(jī)?chǔ)存設(shè)備的輸入工作需要2.7V的電壓，因此將工作電壓設(shè)置為2.8V就可以實(shí)現(xiàn)功耗的最小化。這里的穩(wěn)壓器選擇MAXIM公司出產(chǎn)的MAX884線性低電壓差穩(wěn)壓器。 3．2信號(hào)調(diào)理與A／D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì) 壓力傳感器傳出的信號(hào)屬于mV級(jí)別，且會(huì)因?yàn)閭鞲衅黛`敏性和零點(diǎn)的不同而發(fā)生變化，所以必須將其調(diào)理到符合A/D轉(zhuǎn)換器要求的信號(hào)輸入范圍

34、。如圖3．7，S1為傳感器的輸出范圍，s2為由于傳感器的差異造成的輸出可能的最大范圍，s3為A／D轉(zhuǎn)換器輸入的范圍，s4是為了適應(yīng)各種條件的變化且輸入范圍內(nèi)已經(jīng)存在安全區(qū)間，實(shí)現(xiàn)s2和s3之間的匹配就是信號(hào)調(diào)理線路所要達(dá)到的具體功能。 放大器的信號(hào)輸出和A/D轉(zhuǎn)換器的信號(hào)輸入所需要的信號(hào)強(qiáng)度相符即為信號(hào)調(diào)理的最好情況，也是系統(tǒng)達(dá)到最好精確度的條件。躺妥放大器的信號(hào)輸出范圍超出了A/D轉(zhuǎn)換器的輸入范圍則會(huì)讓系統(tǒng)壓縮器測(cè)量范圍，反之則會(huì)拉低系統(tǒng)對(duì)壓力測(cè)量的精確度。但是出于對(duì)傳感器，放大器以及A/D轉(zhuǎn)換器等系統(tǒng)元件可能遭遇的時(shí)間或溫度浮動(dòng)變化的考慮，必須要有足夠的系統(tǒng)適宜空間來(lái)滿足這些變化以提升系

35、統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)能力。在設(shè)計(jì)數(shù)字壓力標(biāo)的過(guò)程中，始終存在著額定的壓力傳感器超壓安全指數(shù)，所以需要在測(cè)量量程最高極限以上加上一部分超額測(cè)量和壓力顯示空間，這里設(shè)置為量程上限的一成，超過(guò)一成即為超壓錯(cuò)誤，在最低的測(cè)量零點(diǎn)應(yīng)該也設(shè)置一定的浮動(dòng)空間，讓壓力即時(shí)到達(dá)零點(diǎn)也可以存在一部分能夠顯示的漂移后壓力值，這些空間的設(shè)置都需要在對(duì)零點(diǎn)和最高量程極限的設(shè)置過(guò)程中加以考慮。 壓力信號(hào)通過(guò)一個(gè)電阻橋路放大器從傳感器內(nèi)部放大傳出，目前存在多種類型的電阻橋路放大器，包括專屬化的單運(yùn)或者雙運(yùn)的儀表放大電路，這里處于對(duì)投入的節(jié)省以及數(shù)字壓力表1%的精度考慮選擇相加比更好的單運(yùn)放大器，圖3.8即為其電路的工作原理

36、。 2．4斜率A／D轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)及分析 壓力表采用了430單片機(jī)內(nèi)部集成的特殊A／D轉(zhuǎn)換器(Slope A／D)， SlopeA／D測(cè)量電壓信號(hào)的工作原理如圖。 系統(tǒng)內(nèi)部各模塊的工作原理及其軟硬件的實(shí)施在上一章中都有所說(shuō)明，這一次將從全局角度介紹軟件的設(shè)計(jì)流程。 在了解單個(gè)系統(tǒng)模塊的軟件實(shí)現(xiàn)模式以后，讓全局化的軟件設(shè)計(jì)難度大大降低，因?yàn)槟K化就是軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中一項(xiàng)重要的理念，將一個(gè)大的軟件設(shè)計(jì)任務(wù)予以細(xì)分，并對(duì)這些細(xì)分后的小型任務(wù)子程序進(jìn)行分別化的同時(shí)編寫(xiě)，最終將寫(xiě)好的子程序根據(jù)全局規(guī)程予以總裝，從而完成整個(gè)大的編程任務(wù)。這樣的編程理念特別適合于編寫(xiě)

37、需要反復(fù)運(yùn)作的子程序，因?yàn)槌绦虮旧碛兄苈?，明了的結(jié)構(gòu)，而且空間也可以被大大節(jié)省。在這一章里只會(huì)對(duì)全局化的程序設(shè)計(jì)流程和還未來(lái)得及介紹的模塊進(jìn)行闡述，已有內(nèi)容不再贅述。 數(shù)字壓力表的程序采用匯編語(yǔ)言編制，程序包括兩種工作狀態(tài)，系統(tǒng)初始化后，程序進(jìn)入測(cè)量程序循環(huán)，如果校準(zhǔn)按鍵按下，則程序進(jìn)入校準(zhǔn)工作狀態(tài)。 5.1 MSP430單片機(jī)開(kāi)發(fā)環(huán)境 5.1.1 MSP430系列單片機(jī)開(kāi)發(fā)環(huán)境 IAR系統(tǒng)公司創(chuàng)建于1983年，到現(xiàn)在已經(jīng)走過(guò)30多個(gè)年頭。在嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和服務(wù)領(lǐng)域，該公司一直是世界領(lǐng)先的佼佼者，其開(kāi)發(fā)出來(lái)的IAR Embedded Workbench集成開(kāi)發(fā)環(huán)境因?yàn)楹?jiǎn)單易學(xué)的

38、操作和無(wú)比強(qiáng)大的功能而風(fēng)靡全球。在國(guó)內(nèi)，針對(duì)MSP430單片機(jī)所進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)活動(dòng)大多數(shù)都使用了IAR Embedded Workbench for MSP430集成化開(kāi)發(fā)環(huán)境，該環(huán)境可以支持項(xiàng)目管理，編程及測(cè)試以及代碼下載等活動(dòng)，有很強(qiáng)的專業(yè)性。兼具C++拓展功能的環(huán)境可以實(shí)現(xiàn)C++在模板和SLI上面的內(nèi)嵌運(yùn)作，環(huán)境內(nèi)部的程序編譯和調(diào)試裝置簡(jiǎn)便使用且功能強(qiáng)大，因此是一種專業(yè)的嵌入式應(yīng)用開(kāi)發(fā)工具。 5.1.2 MSP系列單片機(jī)開(kāi)發(fā)流程 (1)確定任務(wù) 1）確認(rèn)項(xiàng)目要求，并全面探討準(zhǔn)備開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品在功能、指標(biāo)、投入方面的各種可行性。 2）確認(rèn)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)截止日期。 （2）總體設(shè)計(jì) 1）

39、遴選機(jī)型：按照設(shè)計(jì)目標(biāo)確定內(nèi)核組件； 2）按照未來(lái)使用環(huán)境確認(rèn)元件的規(guī)格以及功耗等多重標(biāo)準(zhǔn)； 3）分類確認(rèn)全局化軟硬件設(shè)計(jì)工作分配及其計(jì)劃。 (3)硬件設(shè)計(jì) 1）根據(jù)功能要求將諸如液晶或數(shù)碼管顯示模式，儲(chǔ)存類型以及時(shí)鐘數(shù)目頻率，I/O通訊接口等多類型外設(shè)配置加以確認(rèn)。 2）完成工作原理和線路分布圖 3）購(gòu)買元件，完成電路元件的組裝焊接并測(cè)試。 (4)軟件設(shè)計(jì) 1）將相應(yīng)數(shù)學(xué)模型，運(yùn)算模式和數(shù)據(jù)架構(gòu)加以建立； 2）設(shè)計(jì)完成全局系統(tǒng)架構(gòu)； 3）完成流程圖繪制； 4）對(duì)每個(gè)子程序模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)編寫(xiě)； 5）測(cè)試，高仿，固定。 (5)樣機(jī)聯(lián)調(diào) 1）軟硬件綜

40、合測(cè)試； 2）軟硬件糾錯(cuò)調(diào)整； 3）再次對(duì)軟硬件進(jìn)行各種環(huán)境情況下的多項(xiàng)試驗(yàn)。 5．1系統(tǒng)初始化程序 主程序開(kāi)始啟動(dòng)循環(huán)之前必須通過(guò)必要的系統(tǒng)程序初始化操作。具體的流程如下。 ●關(guān)閉存在于單片機(jī)內(nèi)部的看門狗程序。 ●將單片機(jī)內(nèi)的WDT設(shè)置為定時(shí)器狀態(tài)，定時(shí)設(shè)置為四分之一秒，且包容WDT內(nèi)斷。 ●將所有I/O端口調(diào)至輸入狀態(tài)以降低功耗。 ●初始化E2PROM，設(shè)定位于E2PROM內(nèi)的看門狗定時(shí)為1．4S。 ●將校準(zhǔn)數(shù)據(jù)從E2PROM中讀出并存入內(nèi)存。 ●啟動(dòng)E2PROM看門狗程序。 ●將E2PROM的片選端CS置為1，使E2PROM進(jìn)入待機(jī)(standby power

41、mode) 模式，以降低功耗。 ●將校準(zhǔn)按鈕調(diào)至中斷允許狀態(tài)。 ●將總體中斷允許(GIE General Interrupt Enable)值設(shè)置為1。 5．2程序的主循環(huán)框架 圖5.1顯示了主要的程序循環(huán)架構(gòu)，系統(tǒng)程序在經(jīng)過(guò)一系列初始化準(zhǔn)備流程之后就進(jìn)入了這一運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)，這一主循環(huán)的功能是對(duì)采樣時(shí)間和測(cè)量進(jìn)程進(jìn)行控制，對(duì)放電時(shí)間比例進(jìn)行運(yùn)算，通過(guò)查表處理相應(yīng)數(shù)據(jù)和線性插值，最終顯示數(shù)據(jù)。如此反復(fù)，不斷循環(huán)。主程序的循環(huán)可以所示被響應(yīng)按鍵打斷，并切入校準(zhǔn)程序。 5．3校準(zhǔn)程序 測(cè)量狀態(tài)是數(shù)字壓力標(biāo)的正常運(yùn)行狀態(tài)，響應(yīng)中斷是校準(zhǔn)模式的唯一啟動(dòng)方法，在本次設(shè)計(jì)中，KEY CAL是所選擇P

42、1.7校準(zhǔn)按鍵輸入的定義位置。也就是說(shuō)校準(zhǔn)程序會(huì)在KEY CAL中斷服務(wù)程序出進(jìn)入，中斷后的操作如： ●對(duì)按鍵進(jìn)行防震抗干擾檢查。 ●進(jìn)入活動(dòng)狀態(tài)(AM Active Mode)。 ●關(guān)閉E2PROM看門狗軟件。 ●對(duì)校準(zhǔn)狀態(tài)進(jìn)入與否進(jìn)行判斷，若已經(jīng)進(jìn)入，則在校準(zhǔn)過(guò)程中按下KEY CAL按鈕終止校準(zhǔn)，且不經(jīng)過(guò)目標(biāo)為E2PROM的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過(guò)程完成復(fù)位和測(cè)量狀態(tài)的恢復(fù)，同時(shí)循環(huán)逐個(gè)校準(zhǔn)。 5.4lcd顯示 二進(jìn)制是通常的單片機(jī)存儲(chǔ)器或寄存器的數(shù)據(jù)存在方式，所以必須將顯示之前的數(shù)據(jù)進(jìn)行BCD編碼轉(zhuǎn)換，程序內(nèi)部的存儲(chǔ)區(qū)域內(nèi)有具體的編碼對(duì)照表，編碼轉(zhuǎn)換通過(guò)查表模式完成。但是最后依

43、然要通過(guò)7段碼的再轉(zhuǎn)換之后按照字節(jié)順序儲(chǔ)存于LCD顯示緩沖地帶，并觸發(fā)TRANSRAM程序?qū)?shù)據(jù)展現(xiàn)出來(lái)；自然地，小數(shù)點(diǎn)，進(jìn)位以及負(fù)數(shù)等多種數(shù)字變化都必須加以考量。圖5.3即為轉(zhuǎn)換流程。 5．5放電計(jì)時(shí)子程序 電容電壓Vo必須在Slope A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程中進(jìn)行運(yùn)算。0.25V的參考電壓應(yīng)為放大器輸出電壓在減壓放電以后所要達(dá)到的值。 5．6等待延時(shí)子程序 處于功耗最低化的考量，利用Timer A比較寄存器CR2來(lái)對(duì)充電等待的延時(shí)程序時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，且系統(tǒng)按照LPMO模式進(jìn)行等待運(yùn)行，下列為具體程序： 第六章結(jié)論 在本文內(nèi)，汽車內(nèi)部發(fā)送機(jī)氣缸壓力數(shù)據(jù)的調(diào)理，收集和儲(chǔ)藏都是

44、通過(guò)針對(duì)壓力傳感器輸出的相應(yīng)模擬信號(hào)的對(duì)應(yīng)操作來(lái)完成的。傳感器輸出的模擬型號(hào)在調(diào)理電路內(nèi)經(jīng)過(guò)雜波濾除和放大之后進(jìn)入后面的處理程序。基于MPS430單片機(jī)的處理電路將放大的處理后的模擬信號(hào)進(jìn)行了基于AD的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化，并通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)整理，這一數(shù)據(jù)手機(jī)系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)思路計(jì)劃在本論文中予以了詳細(xì)介紹。在設(shè)計(jì)硬件線路時(shí)，本論文所涉及的測(cè)量?jī)x表使用了高性能低功耗的德州公司MSP430系列單片機(jī)，該單片機(jī)融合了12C和SPI現(xiàn)場(chǎng)總線，UART強(qiáng)化端口以及看門狗等多種組件，讓外部設(shè)備結(jié)構(gòu)得到了最大的簡(jiǎn)化。同時(shí)也讓本設(shè)計(jì)測(cè)量?jī)x表的系統(tǒng)界面得到了精簡(jiǎn)，而且系統(tǒng)的總體功耗因?yàn)閱纹瑱C(jī)的節(jié)能特性而大大降低

45、，顯示和鍵盤(pán)線路在系統(tǒng)內(nèi)部也起到了方便測(cè)試的作用。單片機(jī)系統(tǒng)的自身特性在系統(tǒng)內(nèi)部被充分用于I/O口端口和電路結(jié)構(gòu)的合理緊密安排，在小巧的外部結(jié)構(gòu)下隱藏著簡(jiǎn)單的操作流程和很高的使用價(jià)值。 參考文獻(xiàn) 1．蔣思敬，姚士春，壓力計(jì)量[M]，北京：中國(guó)計(jì)量出版社，1991，1-5 2．蔡其恕．，機(jī)械量測(cè)量【M】，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1984，207—235 3．楊澤寬，王魁漢，熱工測(cè)試技術(shù)【M]，沈陽(yáng)：東北工學(xué)院出版社，1987，182—201 2．洪寶林，力學(xué)計(jì)量[M】，北京：原子能出版社，2002，434．446 3．秦曾煌，電工學(xué)，[M】，北京：高等教育出版社，1981，209—225

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