摘要：针对传统压力检测记录方法存在的问题，提出一种低功耗消防管道无线压力监测系统的方法。该方法根据低功耗设计理念，对压力采集系统的硬件电路、软件流程进行设计。硬件电路以PIC18F87K90单片机为核心，具有液晶显示、按键开关、无线传输等功能。软件设计实现了温度补偿功能，并简化了外围电路，降低了系统功耗，提高了数据采集精度。最后o出了传感器在测量范围为0～40MPa的测试结果：最大误差为0.04Mpa，可满足系统的精度要求。
关键词：无线通信；压力检测；传感器；低功耗；PIC18F87K90；消防管道
DOIDOI：10.11907/rjdk.171672
中图分类号：TP319文献标识码：A文章编号：16727800（2017）010010405
0引言
目前，消防安全意识越来越深入人心。为了保证消防系统正常运行，在火灾发生时能够及时投入工作，需要对消防设备进行经常性检查维护。消防管道是输送消防用水的管道，是消防系统中的重要一环。随着压力测量的应用越来越广泛，对压力测量仪器的要求也越来越高[13]。数字压力表是在工业、交通运输、航空及许多其它领域广泛应用的一种检测仪表，压力是衡量消防管道是否正常运行的一个重要指标，关系到消防管道的强度和严密性[45]。因此，需要在重要节点、分支、端口等处对管道压力进行检测记录。以往靠人工巡视往往因为数量多、路程远、不方便操作等原因造成漏检、错检，给消防管道的维护带来隐患[68]。由此可见，设计一款远程消防管道检测系统刻不容缓，通过该系统可对管道压力进行自动测量、自动记录及上传数据，并通过数据终端进行分布式查看，具有自动化程度高、测量用时短、维护量小、费用低、节省人工成本等优势。
1系统组成
整个系统由压力表、集中器、服务器和用户终端4部分组成。工作原理如下：消防管道压力由压力表进行测量，然后把压力数据按一定的数据格式（ModBus协议）传送给集中器；压力表和集中器之间通过二线制仪表总线MBUS总线连接。由于集中器安装于现场，一个集中器带有多个压力表，分布范围广、距离远，因此集中器与服务器通过GPRS传递数据；服务器存储压力数据，接受终端查询， 并把来自终端的命令下发到集中器。
图1系统框架
1.1数字式压力表
数字式压力表处于系统最底层，属于下位机部分，需要实现的功能有：①测量功能：对管道压力进行精确测量；②通讯功能：能接受集中器的“读取数据”命令，将数据传输给集中器。
1.2集中器
集中器在数据传输中起承上启下作用，需要实现的功能有：①与压力表的通讯功能：对压力表进行参数配置，读取压力表测量结果；②与服务器的通讯功能：接收服务器或用户通过服务器发送的压力表测量命令，读取压力数值并进行存储、上传处理。
1.3Internet服务器
Internet服务器负责连接集中器和用户终端，需要实现的功能有：①与集中器的通讯功能：转发用户终端对压力表的测量命令给集中器；向集中器发送“读取数据”命令，并将接收到的数据存储到数据库；②数据库功能，对压力表数据进行存储维护；③C/S结构的服务器功能：接收用户终端的“数据查询”命令，读取数据库信息，并提供相应数据。
1.4用户终端
用户终端处于系统的最高层，负责人机交互，需要实现的功能有：①以适当的格式显示压力表数据；②判断数据是否超限、压力表工作是否正常，并给出报警信息。
2数字式压力表设计
本文目标为设计一款高精度、低功耗的数字压力表，压力表量程是0～40.000 MPa，精度为0.2%，因此其对于压力校验设备、压力容器配套、自动化产线检验等更加适用。设计总体框图如图2 所示，外围电路主要包括MCU 模块、压力传感器模块、液晶显示模块、电源数据采集和按键电路等。压力传感器模块采用NKP191 型压力传感器，与目前市场上大多数数字压力表使用的陶瓷压阻式传感器和陶瓷电容压力传感器不同，它是扩散硅压阻式传感器。扩散硅压阻式传感器比陶瓷压阻式传感器内阻小，且稳定性和精度更佳，与陶瓷电容压力传感器相比，其价格更便宜，安装也更加简便。总体而言，NKP191 型压力传感器各方面比较平衡。设计的压力表另外一个优点是具有液晶显示模块，LCD 液晶由单片机直接驱动，可以去除LCD 驱动芯片，简化外围电路。
2.1信号放大电路
压力传感器采集压力信号并转换为电信号，再经过信号放大电路处理，传入单片机的模拟通道，虽然选用的压力传感器输出信号较大，但其差值信号很小，大约只有毫伏级别。由于单片机无法直接采集传送该压力信号，因此单片机与压力传感器之间需要有一个放大器模块。本数字式压力表采用的放大电路模块是基于Microchip公司MCP6001芯片的差分放大电路，通过对压力传感器两个输出引脚的压力信号作差分运算，即将小信号作适当的放大处理，之后输送给单片机进行处理。
如图3所示是放大电路模块的差分放大电路图，压力传感器两个输出端的V+和V-信号经过差分运算放大器放大，然后传送给单片机的模拟信号采集通道引脚AN1进行信号采集。其中，运算放大器供电电源引脚和PIC18F87K90单片机AD模块的外部参考电压引脚都和单片机的RC7引脚连在一起，从而保证两部分供电电压的一致性。然而，由于供电电源是两节干电池，共3伏，长时间使用后会导致电压下降，导致供电电压不稳定，最后导致模块工作的不可靠性，从而影响了系统压力采集的准确性。为了消除这一影响，在供电电源与模块之间加入了D1稳压二极管LM4040的稳压器，可使运算放大器的供电电源和单片机AD模块的参考电压长期保持在一个恒定状态。
2.2显示驱动电路
由于PIC18F87K90内部集成了LCD驱动电路，不需要额外的驱动电路，从而简化了电路结构。该单片机通过产生时序控制来驱动静态和复用的LCD面板，只需配置单片机内部的一些寄存器，即能实现LCD液晶屏显示的动态修改，能驱动最多具有4个公共端和32个段的面板，还可以控制LCD像素数据，其内部的7抽头梯形电阻还可以动态改变对比度，使图像显示更加清晰。
