基于MSP430的微功耗无线压力变送器研究与设计

　　0 引言

　　石油开采中，油井生产状况通过油管压力的变化来反映。在日常管理中，常根据井口的油压和套压变化，并结合其他资料进行油井生产分析，及时而准确 地测量井口的压力是非常重要的[1]。油田生产环境比较恶劣，要求仪器能在 0 ～ 10 MPa，- 35 ～ + 55 ℃ 的条件下进行准确测量。

　　压力变送器是一种用来测量压力的单片机系统。然而目前许多压力变送器的数据通讯采用有线方式，电源采用集中供电，这样既不便于安装、拆卸、维护 维修，又给油井的各种施工以及日常生产管理带来不便[2]。因此，需要考虑采用无线通讯模块进行数据传输，测量系统采用电池供电。为了延长电池的使用时 间，降低测量仪器的功耗是非常必要的。要降低压力变送器的系统功耗，必须在设计中解决好微功耗问题，这就要从单片机的选择、单片机的设计与使用、外部电路 设计以及电源供电和软件设计等方面综合考虑[3].

　　文中采用 MSP430 单片机，研究设计了一种微功耗无线压力变送器，以实现井口压力的快速、准确测量。

　　1 压力测量的实现

　　压阻式压力传感器是利用半导体材料的压阻效应制成的压力传感器件，其核心部分是一块沿某晶向切割的 N 型圆形硅膜片。在膜片上利用集成电路工艺方法扩散 4 个阻值相等的 P型电阻，用导线将其构成惠斯通电桥[4]。在被测压力 p 作用下，膜片产生应力和应变，膜片上的电阻在应力作用下的相对变化为

　　为了提高电桥电压灵敏度，应将阻值变化方向相同的电阻置于电桥对臂，即把一对阻值增加的电阻对接，把另一对阻值减小的电阻也对接，如图1 所示。

　　使用恒流源给惠斯通电桥供电。初始状态电桥平衡，当被20 Instrument Technique and Sensor Feb. 2011测介质的压力作用于传感器的膜片上时，膜片将产生与介质压力成正比的微位移，同时传感器的电阻值发生变化，此时，电桥处于不平衡状态，输出电压不 为零。电桥输出电压表示为

　　因此可知，电桥输出电压 Uout与被测介质的压力 p 为线性关系。也就是说，可以通过测量惠斯通电桥的输出电压，来确定被测介质压力的大小。

　　由于压阻式压力传感器输出的电压信号微弱，一般只有几十到一百多 mV，因此，在进行信号采集之前，选用 INA122 放大器对传感器的电压信号进行放大处理。INA122 是一款精密、低噪声信号采集仪表放大器，内部采用 2 个运放，可以工作在很宽的单电源供电范围下( 2. 2 ～36 V) ，静态电流仅 60 μA. 用一个外部电阻，可设定 5 ～10 000 V/V 范围内的任意增益值。将放大处理后的电压信号输入到 A/D 转换模块进行模数转换，转换后的数字信号再由单片机进行数据计算和存储。这样就实现了压力的快速、准确测量。由半导体材料制成的压阻式压力传感器受温度影 响，输出信号将产生温度漂移，所以设计中还要进行有效的温度补偿[5]。