基于PIC18F65K90的低功耗數(shù)字壓力表設(shè)計(jì)
基于保證數(shù)字壓力表工作狀態(tài)穩(wěn)定性的同時(shí)要提高精度的目的，另外基于進(jìn)一步降低功耗的目的，在設(shè)計(jì)壓 力表時(shí)，除了有常規(guī)的工作模式，還采用了 PIC18F65K90單片機(jī)的休眠模式增加一種低功耗模式方法，這是大部分?jǐn)?shù) 字壓力表不具備的。主要是從硬件電路檢測(cè)和軟件語(yǔ)言調(diào)試兩個(gè)方面進(jìn)行，洋細(xì)介紹了各個(gè)選取到的硬件器件的優(yōu) 點(diǎn)，并且通過(guò)對(duì)軟件算法的描述介紹了數(shù)字壓力表各個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)。通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)壓力表對(duì)比獲取數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)，測(cè)試最 終的精度以及功耗，最終結(jié)果能夠達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。
在很多民用、工業(yè)或科研領(lǐng)域，如汽車胎壓檢測(cè)、高度測(cè) 量、天氣預(yù)報(bào)、家電等場(chǎng)合都有可能要進(jìn)行壓力檢測(cè)，所以對(duì) 壓力傳感器的研究與應(yīng)用也就越來(lái)越受重視。隨著壓力 測(cè)量的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)壓力測(cè)量?jī)x器的要求也越來(lái)越 高數(shù)字壓力表是工業(yè)、交通運(yùn)輸、航空及其它許多領(lǐng)域和 部門(mén)廣泛應(yīng)用的一種檢測(cè)儀表。為了給生產(chǎn)和科研提供質(zhì) 量保證，要確保壓力表精度、可靠性等性能。
由此可見(jiàn)，數(shù)字壓力表運(yùn)用范圍越來(lái)越廣泛了。此次基 于PIC18F65K90的低功耗數(shù)字壓力表設(shè)計(jì)除了保證工作的 穩(wěn)定性和精確性外，最大特點(diǎn)在于添加了一種低功耗模式，大大增強(qiáng)了使用壽命，解決電池供電時(shí)間短的問(wèn)題。
1總體設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)旨在設(shè)計(jì)一款高精度低功耗的數(shù)字壓力表，要在兩 節(jié)1.5 V的干電池供電時(shí)長(zhǎng)時(shí)間工作，因此高精度和低功耗 是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，必須從總體設(shè)計(jì)時(shí)就加以考慮。設(shè)計(jì) 的壓力表量程是0?1.000 MPA，精度是0.2%，所以對(duì)于壓力 校驗(yàn)設(shè)備、壓力容器配套、自動(dòng)化產(chǎn)線檢驗(yàn)等更加適用，在測(cè) 量范圍之內(nèi)，且準(zhǔn)確度更加合適。設(shè)計(jì)總體框圖如圖1所示。
外圍電路主要包括由MCU模塊、壓力傳感器模塊、液晶顯示 模塊、電源數(shù)據(jù)采集和按鍵電路等。
壓力傳感器模塊采用的是NKP191型壓力傳感器，與目 前市場(chǎng)上大多數(shù)數(shù)字壓力表所使用的陶瓷壓阻式傳感器和 陶瓷電容壓力傳感器不同，它是擴(kuò)散硅壓阻式傳感器。擴(kuò)散 硅壓阻式傳感器要比陶瓷壓阻式傳感器內(nèi)阻小，且穩(wěn)定性和 精度更佳，與陶瓷電容壓力傳感器相比，其價(jià)格要相對(duì)表較 便宜，安裝更加簡(jiǎn)便。總體來(lái)說(shuō)NKP191型壓力傳感器各方 面比較平衡，而且由于設(shè)計(jì)的量程大于5 000 kPA，所以 NKP19是最佳選擇。
設(shè)計(jì)的壓力表另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在液晶顯示模塊，LCD液 晶是由單片機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的，這樣可以去除LCD驅(qū)動(dòng)芯片簡(jiǎn)化 外圍電路，最重要的是PIC18F65K90可以在睡眠模式下驅(qū)動(dòng) 液晶，這樣能夠大大降低數(shù)字壓力表的功耗，以達(dá)到最初的 設(shè)計(jì)目的。
設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，下面依次進(jìn)行介紹。
2.硬件組成
2.1 MCU模塊
PIC 18F65K90是一款在保持極具競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格的同時(shí)，將PIC18單片機(jī)固有的優(yōu)點(diǎn)（即出色的計(jì)算性能和豐富的功 能）與通用片上LCD驅(qū)動(dòng)器相結(jié)合的單片機(jī)。其工作電壓范 圍在1.8 V到5.5 V之間，所以采用兩節(jié)1.5 V的干電池供電 工作，且待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)。1024字節(jié)的數(shù)據(jù)EEPROM足夠保存所 需數(shù)據(jù)，且具有16路通道的12位A/D轉(zhuǎn)換器。
2.2壓力傳感器模塊
壓力傳感器模塊是用來(lái)把壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的，此次 的NKP191型壓力傳感器采用壓阻式原理，量程是0~3 500kPA, 精度為0.26%，它是輸出一個(gè)與壓力成線性正比變化的電壓信 號(hào)，而溫度補(bǔ)償和零點(diǎn)滿量程校正保證了傳感器的精度和穩(wěn)定 性。此次的NKP191型壓力傳感器結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，穩(wěn)定性好，可測(cè)量 與不銹鋼材料兼容的各種介質(zhì)，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)儀表、液位測(cè) 量、制冷壓縮設(shè)備等場(chǎng)合。
2.3放大電路模塊
放大電路模塊主要是把傳感器的小信號(hào)進(jìn)行放大，然后 輸送給單片機(jī)處理。放大電路選用的芯片是MCP6022，它是 —個(gè)運(yùn)放芯片，低噪聲，穩(wěn)定性比較好，而且電源電壓符合設(shè) 計(jì)要求。
PIC18F65K90的A/D轉(zhuǎn)換器能將一個(gè)模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn) 換成相應(yīng)的12位有符號(hào)數(shù)字信號(hào)。如圖2是放大電路的電 路圖，U2是MCP6022放大器，J2是壓力傳感器，放大器和壓 力傳感器是有PIC18F65K90單片機(jī)的RC7腳供電的，同時(shí) RC7腳還是壓力數(shù)據(jù)采集時(shí)A/D模塊的外部參考電壓。傳感 器的2腳正極輸出和4腳負(fù)極輸出經(jīng)過(guò)放大器放大后，由放 大器MCP6022的1腳傳送給單片機(jī)的RA1腳，RA1腳被設(shè) 置為模擬通道，用來(lái)采集模擬壓力電信號(hào)。考慮到功耗問(wèn)題， 單片機(jī)的RC7腳供電和A/D轉(zhuǎn)換器的開(kāi)啟都是有時(shí)間限 制的。
2.4液晶顯示模塊
液晶模塊主要是要顯示當(dāng)前的壓力值、單位、電量等主 要信息的，比起數(shù)碼管，液晶的是彩色顯示、顯示信息量、無(wú) 閃爍大且對(duì)人體無(wú)危害，它的驅(qū)動(dòng)電壓低、功耗微小、可靠性 更高、生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、成本低廉，同時(shí)還可以制成各種規(guī)格 和類型的液晶顯示器。
PIC18F65K90的LCD驅(qū)動(dòng)模塊最多具有4個(gè)公共端和 32個(gè)段的面板，SP 132個(gè)像素。雖然單片機(jī)可以直接為L(zhǎng)CD 液晶背光供電，但是考慮到芯片在送電的時(shí)候燒壞，可能是供電電流過(guò)大造成芯片損壞，最終調(diào)整一級(jí)三極管放大電路
來(lái)驅(qū)動(dòng)液晶背光。
3.軟件設(shè)計(jì)
在正常工作狀態(tài)，程序是按照如圖3所示流程執(zhí)行的。
設(shè)計(jì)出的壓力表最主要的功能就是顯示當(dāng)前測(cè)量的壓 力值，而這一功能的軟件主要是在數(shù)據(jù)采集和處理、LCD顯 示中實(shí)現(xiàn)的。每隔100 ms，相應(yīng)的定時(shí)器中斷標(biāo)志位便會(huì)使 得程序進(jìn)入數(shù)據(jù)采集部分，首先把放大后的傳感器信號(hào)采集 到單片機(jī)內(nèi)部，然后把處理后的數(shù)據(jù)信息再顯示到LCD上 面。下面一段代碼主要是對(duì)新采集到的數(shù)據(jù)處理過(guò)程：
if ((temp1 -10) < (tennum [10])&& (tennum [10] <(temp1 +
10))) //判斷新采集到數(shù)據(jù)變化是否在10以內(nèi)
{
if(tennum[10]>temp1)
{
tennum[10]=temp1+1;//偏大的數(shù)據(jù)被原數(shù)據(jù)自加后取代 }
else
{
if(tennum[10]==temp1)
{
tennum[10]=temp1 ；
}
else
{
tennum[10]=temp1-1;//偏小的數(shù)據(jù)被原數(shù)據(jù)自減后取代 }
}
}
￡or(x=0;x<10;x++)//對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行先進(jìn)先出式的處理 tennum[x]=tennum[x+1 ]；
￡or(x=0;x<10;x++)//對(duì)最近采集到的10個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行求和 temp2=temp2+tennum[x]；
Temp3=temp2/10;//取平均
在數(shù)據(jù)處理工程中，利用新采集到的數(shù)據(jù)與原數(shù)據(jù)進(jìn)行 判斷后自加、自減或者不變，這是為了使得數(shù)據(jù)變化更加穩(wěn) 定，提高精度。而對(duì)長(zhǎng)度為10的數(shù)組先進(jìn)先出式處理則是使 數(shù)據(jù)變化更加連續(xù)。
為了達(dá)到低功耗的標(biāo)準(zhǔn)，就必須要實(shí)現(xiàn)休眠模式與正常 模式切換的功能，所以壓力表在長(zhǎng)期沒(méi)有操作的狀態(tài)下會(huì)進(jìn) 入如圖4所示的一種低功耗模式。單片機(jī)進(jìn)入到休眠模式后 會(huì)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)被喚醒，而在休眠模式下其功耗會(huì)大大降 低，單片機(jī)被喚醒后會(huì)進(jìn)工作狀態(tài)，工作完后會(huì)再次進(jìn)入休 眠模式。這樣不僅不會(huì)影響單片機(jī)工作，還能延長(zhǎng)電池的使 用壽命。
4.結(jié)果與分析
最后對(duì)設(shè)計(jì)的壓力表設(shè)計(jì)的精確性、穩(wěn)定性等進(jìn)行實(shí) 際測(cè)試，測(cè)試使用標(biāo)準(zhǔn)氣壓表與設(shè)計(jì)的壓力表進(jìn)行了對(duì)比測(cè) 試，測(cè)試結(jié)果如下表1所示，P1是標(biāo)準(zhǔn)壓力表，P2基于PIC18F65K90設(shè)計(jì)的壓力表。
由表中數(shù)據(jù)可以看出，設(shè)計(jì)的壓力表線性是很穩(wěn)定的與標(biāo)準(zhǔn)壓力表所測(cè)數(shù)據(jù)存在允許范圍內(nèi)的細(xì)微誤差，且比 實(shí)際要小，分析產(chǎn)生誤差的主要原因?yàn)閭鞲衅鏖L(zhǎng)時(shí)間通電 后的熱漂移造成的。只要單片機(jī)的AD響應(yīng)足夠，采樣的數(shù) 據(jù)每次基本不會(huì)有誤差，而最終壓力表的測(cè)量精度可以達(dá) 到0.2%。除此之外，AD采用的電源參考源和傳感器運(yùn)放電 源排版的距離會(huì)造成小范圍的電壓波動(dòng)，使得測(cè)試數(shù)據(jù)的 微小誤差。
在功耗方面測(cè)量，以兩節(jié)1.5 V干電池作為電源，正常工 作模式下，背光開(kāi)啟時(shí)電流為3.5 mA；在關(guān)閉背光情況下電 流2.5 mA;而在休眠模式下的低功耗工作模式下，電流是 0.006 mA。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)計(jì)算，在2節(jié)5號(hào)干電池供電的情況下, 可正常連續(xù)工作時(shí)間2 500 h以上。
5.結(jié)束語(yǔ)
此次數(shù)字壓力表的設(shè)計(jì)緊扣高精度和低功耗，并分別從 硬件和軟件方面闡述了實(shí)現(xiàn)要求的方法，最后給出了實(shí)驗(yàn)數(shù) 據(jù)顯示結(jié)果符合設(shè)計(jì)初的要求，具有廣泛的使用范圍和較高 的實(shí)用價(jià)值。
