基于MSP430的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，非常后用IAR Embedded Workbench IDE調試平臺編寫程序，下載進MSP430單片機進行調試。非常終能在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)總體結構分為壓力采集模塊、無線發(fā)射模塊、MSP430單片機、LCD液晶顯示器、脈沖輸入模塊、JTAG調試接

口。

壓力變送器是一種接受壓力變量，經(jīng)傳感轉換后，將壓力變化量按一定比例轉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)放大電路轉化為數(shù)字信號，非常后由無線模塊發(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，非常后在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換為電信號后，經(jīng)過放大器放大轉換為適

合于A/D轉換的電壓范圍，然后通過MSP430處理器內部集成的A/D轉換器進行數(shù)模轉換，壓力信號就轉換為數(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，非常后將壓力數(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的看門狗，因此需要長期工作）。