導讀：無線壓力變送器設計文章研究了基于MSP430的無線壓力變送器設計。無線壓力變送器的特點是低成本和低功耗，在硬件的選擇和軟件的設計上也重點突出了低功耗的思想。硬件上采用的是MSP430低功耗芯片和低功耗數(shù)字放大器，通信上采用的是ZigBee無線通信模塊。軟件設計上采用間歇式工作模式，非采樣期間只有顯示器工作，并且有效地縮短了A/D轉(zhuǎn)換的時間，從而降低了系統(tǒng)的功耗，整個系統(tǒng)通過鋰電池供電，可以工作較長的時間。

1 設計背景

在石油開采的過程中，通常會根據(jù)井口的油壓和套管壓力的變化對油井的生產(chǎn)進行分析，所以對井口壓力的測量必須做到及時準確。油田的生產(chǎn)環(huán)境較為惡劣，對儀器的測量要求也比較苛刻，一般需要在﹣30~﹢50 ℃，0~10 Mpa的條件下進行準確測量。

壓力變送器是一種用來測量壓力參數(shù)的儀表，目前市面上很多壓力變送器都采用有線的方式進行測量數(shù)據(jù)的傳輸，電源也采用的是集中式供電，非常不利于設備的安裝和維護，給油井的日常生產(chǎn)管理造成了極大的不便。因此，系統(tǒng)的通信模式必須換成無線通信的形式，供電方式也必須換成鋰電池供電的形式。同時為了提高電池的使用時間，整個系統(tǒng)就必須做到低功耗，所以無論從芯片和供電電池的選擇，還是電路以及程序的設計，都需要進行綜合考慮。本文采用的是MSP430處理器，研究并設計了一種無線低功耗壓力變送器，從而實現(xiàn)了井口壓力參數(shù)的準確快速測量。

2 系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)用Altium Designer作為平臺，設計出基于MSP430單片機的無線壓力變送器的原理圖，參照原理圖繪制壓力變送器的PCB電路板并進行元件的焊接，最后用IAR Embedded Workbench IDE調(diào)試平臺編寫程序，下載進MSP430單片機進行調(diào)試。最終能在LCD顯示屏上顯示壓力等參數(shù)，并可以通過ZigBee模塊將數(shù)據(jù)以無線的方式發(fā)送出去。

總體設計應該是全面考慮系統(tǒng)的總體目標，進行硬件初步選型，然后確定一個系統(tǒng)的草案，同時考慮軟硬件實現(xiàn)的可行性 [1-2] 。總體方案經(jīng)過反復推敲，確定了以美國德州公司（Texas Instrument）推出的MSP430F161超低功耗單片機為數(shù)字壓力表的核心，并選擇低功耗和低成本的存儲器、放大器、液晶顯示器等元件，所以可將系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分為壓力采集模塊、無線發(fā)射模塊、MSP430單片機、LCD液晶顯示器、脈沖輸入模塊、JTAG調(diào)試接口，其總體框架如圖1所示。

壓力變送器是一種接受壓力變量，經(jīng)傳感轉(zhuǎn)換后，將壓力變化量按一定比例轉(zhuǎn)換為標準輸出信號的儀表。變送器的輸出信號傳輸?shù)街锌厥疫M行壓力指示、記錄或控制。無線壓力變送器的傳感元件采用的是擴散硅力敏器件，敏感芯片利用集成電路工藝，在晶體硅片上制成敏感電阻，組成惠斯通電橋，作為力電轉(zhuǎn)換的敏感器件。當收到外力作用時，電橋失去平衡。當給橋路加一恒流激勵電源時，可以將壓力信號線性地轉(zhuǎn)化為工業(yè)標準的4~20 mA的電流信號或者1~5 V的電壓信號，再經(jīng)放大電路轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，最后由無線模塊發(fā)送至上位機。

本系統(tǒng)需要將壓力參數(shù)通過壓力電橋采集出來并通過放大器進行放大處理，最后在LCD上顯示并可通過ZigBee與上位機進行數(shù)據(jù)交換。現(xiàn)實中的壓力采集模塊是由壓力電橋構(gòu)成，本次設計中由于無法測得實際壓力參數(shù)，故用電位器代替電橋，通過對電位器的調(diào)節(jié)來模擬電橋因壓力變化而產(chǎn)生的電流變化。

3 軟件設計

本設計中以MSP430處理器為核心，通過5 V鋰電池來控制壓力傳感器和放大器的供電，傳感器將壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號后，經(jīng)過放大器放大轉(zhuǎn)換為適合于A/D轉(zhuǎn)換的電壓范圍，然后通過MSP430處理器內(nèi)部集成的A/D轉(zhuǎn)換器進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，壓力信號就轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號了。然后處理器根據(jù)存儲于RAM中的校準數(shù)據(jù)計算出測得的壓力，最后將壓力數(shù)值送液晶顯示器顯示。在校準過程中建立起測量值與標準壓力的對應關系，校準數(shù)據(jù)保存于外部存儲器中。電池經(jīng)過穩(wěn)壓后，為長期工作的部件：處理器、存儲器、顯示器供電（存儲器本來也可以通過單片機來控制其電源，因為存儲器的存儲功能只在上電或復位初始化以及校準時讀取數(shù)據(jù)才需要，但是由于系統(tǒng)需要使用集成于存儲器內(nèi)的看門狗，因此需要長期工作）。

傳感器遍布地球表面和周圍空間，為世界供給數(shù)據(jù)。這些廉價的傳感器是物聯(lián)網(wǎng)背面的驅(qū)動力之一，也是我們社會現(xiàn)在面對的數(shù)字革新。但是，連接到傳感器并從傳感器獲取數(shù)據(jù)并不總是開門見山或容易的。無線壓力變送器供應商這里有五個提示，能夠協(xié)助工程師次與傳感器連接。任何工程師在次接觸傳感器時應采納的步是使用總線東西限制不知道數(shù)。無線壓力變送器總線東西經(jīng)過I2C，SPI或傳感器或許正在通話的任何其他協(xié)議連接到PC然后連接到傳感器。與總線東西相關聯(lián)的PC應用程序供給了用于發(fā)送和接納數(shù)據(jù)的已知工作源，而不是不知道的未經(jīng)測試的嵌入式MCU驅(qū)動程序。在總線東西的工作環(huán)境中，開發(fā)人員能夠發(fā)送和接納音訊，以便在嘗試在嵌入級別操作之前了解部件的工作原理。

?壓力傳感器是工業(yè)實踐中為常用的一種傳感器，其廣泛使用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、出產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機床、管道等很多無線壓力變送器行業(yè)，下面就簡單介紹一些常用傳感器原理及其使用力學傳感器的種類繁多，如電阻應變片壓力傳感器、半導體應變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。但使用為廣泛的是壓阻式壓力傳感器，無線壓力變送器具有極低的價格和較高的精度以及較好的線性特性。

壓阻式傳感器廣泛地應用于航天、航空、航海、石油化工、動力機械、生物醫(yī)學工程、氣候、地質(zhì)、地震測量等各個領域。無線壓力變送器在航天和航空工業(yè)中壓力是一個要害參數(shù)，對靜態(tài)和動態(tài)壓力，部分壓力和整個壓力場的測量都要求很高的精度。工業(yè)無線壓力變送器是用于這方面的較理想的傳感器。例如,用于測量直升飛機機翼的氣流壓力散布，測驗發(fā)動機進氣口的動態(tài)畸變、葉柵的脈動壓力和機翼的顫抖等。在飛機噴氣發(fā)動機中心壓力的測量中，運用專門規(guī)劃的硅壓力傳感器,其工作溫度達500℃以上。

一些敏感元件與被測對象互不觸摸，又稱無線壓力變送器非觸摸式測溫外表。這種外表可用來丈量運動物體、小目標和熱容量小或溫度變化迅速（瞬變）對象的表面溫度，也可用于丈量溫度場的溫度散布。常用的工業(yè)無線壓力變送器非觸摸式測溫外表基于黑體輻射的基本定律，稱為輻射測溫外表。輻射測溫法包含亮度法（見光學高溫計）、輻射法（見輻射高溫計）和比色法（見比色溫度計）。丈量上限不受感溫元件耐溫程度的約束，因而對可測溫度原則上沒有約束。對于1800℃以上的高溫，主要選用非觸摸測溫方法。隨著紅外技術的開展，輻射測溫逐漸由可見光向擴展，700℃以下直至常溫都已選用，且分辨率很高。

一旦無線壓力變送器開發(fā)人員運用總線東西實驗了傳感器，下一步就是為傳感器編寫運用程序代碼。但是，不要直接跳到MCU代碼，而是先用Python編寫運用程序代碼。許多總線東西都帶有插件和用于編寫腳本的示例代碼。Python通常是與.Net一同運用的言語之一。工業(yè)無線壓力變送器運用Python編寫運用程序既快速又簡略，并提供了一種在運用程序環(huán)境中再次測試傳感器的方法，而不會妨礙嵌入式環(huán)境的復雜性。具有代碼使非嵌入式工程師能夠輕松發(fā)掘腳本并實驗傳感器，而無需嵌入式軟件工程師進行盯梢配合。在Python中編寫個剪切運用程序代碼的一個長處是，能夠通過調(diào)用MicroPython輕松替換對總線東西API的運用程序調(diào)用。MicroPython在許多傳感器工程師已經(jīng)認識到的實時嵌入式軟件約束內(nèi)運轉(zhuǎn)。MicroPython在Cortex-M4處理器上運轉(zhuǎn)，是調(diào)試運用程序代碼的理想環(huán)境。它不只更簡略，而且不需要編寫I2C或SPI驅(qū)動程序，因為它們作為MicroPython庫的一部分包括在內(nèi)。

機械制造是為國民經(jīng)濟各部門和自身技術改造提供先進技術裝備的工業(yè)部門。鑄造、鍛壓、焊接、熱處理及切削等是無線壓力變送器機械制造工業(yè)獲取毛坯、成形產(chǎn)品及進步零件機械性能的重要生產(chǎn)方法，在眾多金屬冷、熱加工機器設備中遍及使用著液壓技術，其中壓力機和金屬切削機床是應用液壓技術較早較廣的范疇。在車、銑、刨、磨、鉆各類液壓機床中，主要使用工業(yè)無線壓力變送器液壓技術可在較寬范圍內(nèi)進行無級調(diào)速，具有良好的換向及速度換接性能，易于實現(xiàn)主動作業(yè)循環(huán)等長處，完結(jié)工件或刀具的夾緊、操控進給速度和驅(qū)動主軸作業(yè)，雖然現(xiàn)代數(shù)控機床、加工中心等先進制造設備中選用了電伺服系統(tǒng)，但選用液壓傳動與操控仍然是現(xiàn)代金屬切削機床主動化的重要途徑。