基于单片机的数字气压计设计Word文件下载.docx
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在这种数字气压计中，气压传感器起着至关重要的作用。
想要数字气压计成功的实现它的功能是一个极为繁复的过程，必须由软件以及硬件相结合，再经过仿真的不断调试才能得以实现。
气压传感器可以说是整个系统的核心。
本次设计所使用的是型号为MPX4105的传感器，通过此传感器测量出相应的具有模拟性的电压值，在经过电压/频率即V/F转换手段将电压值输入到单片机进行处理，在屏幕上显示出相应的气压值。
本次设计选用的是基于AT89C51单片机的测量与显示。
在按键的作用下，将电信号转换为电压信号，再转化为数字量。
数字气压计的意义在于它的小巧方便、便于携带，能够精确的测量外界的大气压值，现已广泛应用于科研、军事、航空航海等等各方各面。
二、课题综述
（一）：
主要研究内容
本次设计是基于单片机AT89C51的数字气压计设计，通过亚敏原件将压力信号转换为电压或电流信号，然后将信号船速给V/F转换器，随后有单片机将信号转变为可识别的信息，在LED屏幕上显示出来。
（二）：
需要解决的问题
选用什么样的压敏传感器与V/F转换器，以及用什么样的程序去控制。
（三）：
预期目标
将整体设计用Proteus仿真出来，输入模拟的信号变化时，经过V/F转换器的转换，LED显示屏显示不同的数值。
（四）：
研究步骤
1.上网查找相关的资料，整理出可能需要的资料备用。
2.根据试验要求，弄清楚试验的步骤，一步步解决问题。
3.硬件软件的设计与编写。
4.运行调试，却认达到目的之后整理资料完成报告及答辩。
（五）：
方法及措施
查找资料，通过自己的不断试验来找出自己设计之中的一些问题，改正自己的错误，完善自己的程序，确保系统能够完整无误的运行。
三、设计体系、结构
前言
一、系统总体设计
1.1设计整体思想
1.2系统整体框图
二、硬件的选择
2.1气压传感器的选择
2.2V/F转换器的选择
2.3三端稳压器德选择
2.4单片机的选择
2.5LED显示屏的选择
三、硬件电路设计
3.1气压传感与V/F转换部分
3.2单片机电路
3.3其他部分电路设计
四、软件部分设计
4.1系统软件的开发与介绍
4.2单片机程序流程图
4.3部分设计模块
五、系统调试
5.1开发语言简介
5.2Proteus软件的介绍
5.3绘制原理图
5.4联机调试
5.5实验结果
总结
致谢
参考文献
毕业设计（论文）任务书
2018年3月10日
毕业设计（论文）题目
题目来源
校内
副教授
控制技术学院
201
班级
电气21521
控制系统
课题需要完成的任务
主要有以下几个任务需要完成：
1、分析和研究方案的可行性。
2、研究系统的主要组成，画出流程图。
3、选择合适的元器件，连接外部电路。
4、编写合适的单片机程序。
5、完成毕业设计的总结报告。
课题
计划安排
序号
内容
时间安排
1
对设计方案的研究以及对设计要求的理解
3月1日~3月10日
2
对系统进行分析设计
3月10日~3月25日
3
进行程序的调试以及修改工作
3月25日~3月31日
4
逐步完善程序和设备调试运行
4月01日~4月10日
5
撰写毕业设计论文并且提交准备毕业答辩
4月10日~4月25日
计划答辩
时间
2018年4月30日
答辩提交资料
毕业设计说明书（含开题报告及任务书）、外语翻译、程序、附录、实物照片等
系（部）主任
审核意见
签名：
第一章绪论
1.1选题背景
1.2研究的意义
1.2国内外有关技术
第二章系统总体设计
2.1设计整体思想
2.2系统整体框图
2.3各模块的设计思路
第三章硬件的选择
3.1气压传感器的选择
3.2V/F转换器的选择
3.3三端稳压器德选择
3.4单片机的选择
3.5七段数码管的选择
第四章硬件电路设计
4.1气压传感与V/F转换部分
4.2电源与单片机电路部分设计
4.3总体电路设计
第五章软件部分设计
5.1系统软件的开发与介绍
5.2单片机程序流程图
5.3部分设计模块
第六章系统调试
6.1开发语言简介
6.2Proteus软件的介绍
6.3绘制原理图
6.4联机调试
6.5实验结果
摘要
气压计本广泛的应用于我国的国防、工业、医疗等领域，级联我们的日常生活中也时常使用。
本设计重点要介绍的就是实时显示设备。
利用软、硬件的知识，经过单片机与气压传感器的结合，在显示器上显示出当前气压的数值。
本篇文章描述了基于MPX4105的数字气压计的软件与硬件的实现过程。
本设计满足数字气压计采集、控制与数据处理的需求，稳定性与抗干扰。
另外，由于单片机的应用，进一步简化了设计电路并且使得它更加容易调整，同时，也是降低了成本。
通过传感器MPX4105获得与大气压相应的的模拟电压值，并通过V/F转换成脉冲信号，得到单位时间内的脉冲数，按照电压与频率的线性关系计算出实际的大气压值，最后在单片机在的控制下由显示器显示实际数值。
关键词：
单片机、气压
Abstract
Barometeriswidelyusedinthefieldsofnationaldefense,industry,medicaltreatmentandsoon.Cascadeisalsousedinourdailylife.Thisdesignfocusesonreal-timedisplaydevices.Withtheknowledgeofhardwareandsoftware,thecurrentpressurevalueisdisplayedonthemonitorthroughthecombinationofsinglechipmicrocomputerandpressuresensor.ThispaperdescribestherealizationprocessofsoftwareandhardwareofdigitalbarometerbasedonMPX4105.Thisdesignmeetstheneedsofdigitalbarometeracquisition,controlanddataprocessing,stabilityandanti-interference.Inaddition,becauseoftheapplicationofsinglechipmicrocomputer,thedesigncircuitisfurthersimplified,makingiteasiertoadjust,andatthesametime,italsoreducesthecost.TheanalogvoltagevaluecorrespondingtotheatmosphericpressureisobtainedbythesensorMPX4105,andthepulsesignalisconvertedintothepulsesignalthroughV/F.Thenumberofpulsesperunittimeisobtained.Theactualatmosphericpressurevalueiscalculatedaccordingtothelinearrelationshipbetweenthevoltageandthefrequency.Finally,theactualvalueisdisplayedbythedisplaydeviceunderthecontrolofthesinglechipmicrocomputer.
Keywords:
singlechipmicrocomputer,barometricsensorMPX4105,V/FconverterandLCDdisplay.
1.1选题背景
数字气压计是一种使用压敏元件将待测气压的气压值转化为跟容易检测的、便于输送的电压或者是电流信号，之后经过电路处理并可以进行显示的一种设备。
其最主要的元件是气压传感器。
它在观察气压大小、控制气压的变化和测量物理参数等各个方面都有着至关重要的作用。
气压计中的传感器是根据高度的变化来获取气压值。
与普通的水银气压计相比，更加容易读取和携带。
根据气象研究显示，在垂直的方向上，高度越高气压反而越低。
在较低的地方，从低处到高处，高度每上升100m气压就会降低10hPa；
在上空5-6km处，高度每上高100m，气压会降低7hPa，而再到高空9-10km处，高度每增加100m，气压只会降低5hPa。
而且在空气中有上升气流时，气压会降低，含有下降气流是气压会升高。
通常情况下，我们将作用于单位面积上的空气柱的质量作为大气压力。
数字气压计广泛的使用与矿产、户外工作以及各种电子产品中，需求量很大，本文侧重介绍的是数字气压计在测量汽车轮胎压力方面的应用。
本文中所设计的一种基于单片机的数字气压计的设计，主要应用于汽车胎压的测量。
胎压计是通过气压传感器来获取与胎压对应的模拟电压值，经由A/D转换器传输至单片机中进行处理，再在LED显示屏上显示出但前的压力值。
由于使用传感器需要一些参数的设定，所以要先了解这些参数，防止由于操作不当而导致一仪器的损坏。
本文中的胎压计采用的是高性能的绝对压力传感器，能够该精准度的显示出胎压，能够做到实时监控。
当胎压处于非正常的状态时，可以通过警报系统来通知驾驶员，防止爆胎情况的发生，是驾驶更加安全。
1.2研究意义
现在的社会经济发展越来越迅猛，大量的公路网的设置，公路的平整度也越来越好，并且交通的日益发达，车辆的速度也是越来越快，存在着各种隐患问题。
其中汽车轮胎在行驶过程中突然损坏也是其中的一项因素。
而引起轮胎爆炸的原因一般都是轮胎长时间处于高温工作状态或者是过高的胎压所引发的。
而本文所设计的胎压计，对于汽车行驶过程中的安全保证是十分重要的。
随着社会的发展，汽车不仅仅是只考虑交通能力，同时对于行驶过程中的安全性与舒适性也有越来越高的要求，而便携式的胎压计可随车携带，时时检测胎压，可有效的减少因胎压过高所引起的爆胎事件的发生，从而避免交通事故的发生。
而汽车商方面要做的就是能够开发出一款实用的胎压计，来满足客户的要求。
本文所选用的芯片是MPX4105，它能够有效的对气压计进行数据的采集、控制和数据的处理。
同时还具有很好的稳定性和抗干扰能力。
在这个设计中，单片机承担了大量的工作任务，有效的使电路更加简便。
并且调整更加方便，也能够兼顾其他的指标，降低了生产的成本。
同时，此芯片作为一款拥有强大功能的平台，所以说具有良好的功能扩展性，拥有高精度、高稳定性、功能可扩张等特性，为仪器的后期的技术升级奠定基础，更能够满足市场需求。
1.3国内外的相关技术
1.3.1气压计技术概况
当下很多公司都生产了数字气压传感器，例如摩托罗拉公司生产的MPX4105、Intersema公司生产的MS5534b、华普的HP03系列、BOCSH的BPM085系列。
因为各种公司的竞争，使得气压计的精度也是越来越高。
并且也不会只是单纯的拥有测压功能，还会携带测温、指南针、码表等等的其他功能。
目前各公司研究的胎压报警系统分为两种类型：
间接式和直接式。
间接式是通过汽车ABS的轮速和轮胎的力学模型，来计算出当前轮胎的胎压。
直接式就是则是通过压力传感器测量胎压，并由无线调试将采集的数据发送至显示屏上，使得驾驶员能够实时监控当前四个轮胎的胎压。
当胎压处于不稳定状态时，系统就会发出警报，确保车辆行驶的安全。
根据市场反馈来看，直接式胎压警报系统为当前的主流系统。
在驾驶过程中，由胎压不正常所引发的爆胎情况是驾驶员难以预知的，、具有很强的突发性。
而引起爆胎或漏气的原因一般有如下5个：
（1）长时间高温工作
（2）轮胎压力过大
（3）轮胎使用寿命到期
（4）负荷超过限制
（5）行驶速度过快
为了使得行驶更加安全，必须使驾驶员能够实时监测轮胎的状态。
为了避免以上情况的发生，本文所设计的气压计具有如下2个功能：
（1）实时监测胎压值与温度
（2）当轮胎处于超压或欠压时会发出警报。
以此来提醒驾驶员，从而使驾驶跟家安全。
1.3.2国内外相关技术
能够实时监测胎压避免爆胎已经成为了保障行驶安全的关键点之一，也是汽车行业所要研究的主要问题之一。
在防爆胎预警系统的研究与开发上，英、美、德、法等国家在近几年都发展迅猛，研发出了功能与性能都十分完善的设备。
从最近几年林肯、奔驰等中高端车都安装了胎压监测系统的情况来看，胎压监测系统的研发是十分有必要的。
同时他们所安装的系统也都具有实时监测、实时显示的功能。
根据最近几年的中国市场调研情况来看，国内已经推出了爆胎预警系统，但是其性能仍不完善，只是一些简易系统。
有如下几个缺点：
（1）普遍寿命较短
（2）高温环境下易失效
（3）可靠性低
反观那些功能完善的国外知名公司所生产的警报系统价格都比较昂贵。
因此，我们就必须研发出一款性能可靠、功能完善且能够以一个国内消费者能接受的价格发行的爆胎预警系统，将此系统投放至市场来减少国内因爆胎所引发的交通事故。
以此来保证驾驶员的安全。
1.4本设计的重点及难点
本设计的侧重点主要在于方案与硬件的选择，具体的就是系统中所包含的几个模块，以及如何选择气压传感器与A/D转换器，其他的还有如何由气压传感器来采集、控制和放大所需采集数据，并且能够自动获取气压参数，最后就是对所测气压值进行显示。
第二章系统整体设计
方案1：
运用单片机进行控制，进过传感器来采集数据，再经过转换器转换，由单片机的检测系统来进行检测，最后将结果传输至单片机的主控器上面，再由显示器进行显示，原理如图1.1所示：
图2.1方案一原理图
方案2：
使用集成单片机主控，由雅鹿传感器将采集到的气压信号传输至A/D转换器中，在其他相关模拟元器件的辅助下进行转换并且同时处理其他数据。
将处理的结果送至显示屏进行显示，原理如图1.2所示：
图2.2方案二原理图
进行比较之后，方案一与方案二虽然相似，但是方案一便于调整，并且同时可以兼顾更多的指标，带来的问题就是要利用PC机平台来进行软件的操作，运行和操作都相对而言比较复杂，而且性价比相对的就比较低下，耗费更大，意味着在实际运用中并不适用，所以一般情况下我们不使用这一方案，因此我们选择方案二。
在设计和使用51单片机数字气压计系统的时候要注意以下几个方面：
1.要选择合适的气压传感器芯片，而选择的依据就是我们实际的需求与要选择的传感器的性能参数是否匹配。
2.要选用与要求相匹配的A/D转换器，它在将气压传感器电流信号或者是电压信号转化为数字的过程中骑着决定性作用。
3.设计出合适的电路来连接单片机与A/D转换器。
4.设计软件来进行气压信号的采集与输出。
2.2系统整体框图
本次设计的整体框图如图2.1所示：
图2.1气压计整体设计框图
详细的工作流程如下：
先由气压传感器将所测得的被测气压的信号转化成模拟电压信号进行输出，这个信号单片机不能直接处理，这时就需要V/F转换模块将输出的模拟电压信号转为转为数字信号，它的频率与输入电压呈现一个线性的变化。
再经由单片机处理这个脉冲信号，通过单位时候接受的脉冲数，运用频率和电压线性比例之间的关系计算出实际的气压值，最后通过显示屏将最后的结果显示出来。
2.3.1A/D转换模块
经过对单片机端口的设置，和选择定时器、串行口工作方式，同时对定时器和串行接口进行初始化以此实现对单片机与各功能模块之间通讯联络的设置。
最关键的是在主程序模块中使单片机初始化，同时分配地址空间和说明程序中的各变量。
最关键的是连接子程序的各种功能模块。
2.3.2数据处理模块
数据处理模块的主要功能是对A/D转换模块所采集的数据进行多次分析，同时处理采集的数据，处理过程主要是对采集完成后的数据进行初值的定义以及相应的移位,之后把处理完的数据送入对应的缓冲区，为显示模块作准备。
2.3.3显示模块
用单片机AT89C51的端口连接数码管的a-h端，同时8位数码管的S1-S5与AT89C51的端口连接以此来控制每个数码管的位选端。
在数显示模块中，本文采用的是LED动态显示的模式。
它的具体的实现方式在上述说明中详细体现。
本文连接方式为7段数码管选用共阳连接，利用端口输出编码完成之后的段码，当段码为“高电平“时显示。
经过前文的分析，单片机中由译码器、启动器和显示器组成显示电路，主要是将采集到的气压值通过数码管进行显示的电路。
硬件电路必须要考虑硬件的属性，所以重点是元器件的选择。
3.1气压传感器的选择
气压传感器在实现数字气压计设计的功能中起着至关重要的作用,我们需要综合设计的需求和各类气压传感器的性能来选择。
气压传感器的各种主要性能参数：
·
测量范围
能够测量的压力范围，单位是kPa。
测量精度
测量的电流或者是电压的精度。
温度补偿的范围
需要选用拥有温度补偿的气压传感器，利用温度补偿功能来缓解半导体压敏感器件的温度漂移问题。
测量的结果是否是绝对压值
实际的气压值对应的就是绝对气压值，所以如果要实现数字气压计那么就需要能够测量绝对气压值的传感器。
数字气压计显示的数值是绝对气压值，我们使用有温度补偿能力的传感器来简化电路，同时提高稳定性与抗干扰能力。
经过考虑，使用用摩托罗拉公司的压力传感器芯片MPX4105作为本设计的气压传感器。
MPX4105可产生与所加气压呈现线性关系的模拟电压，具有如下特点:
供电的范围:
4.85~5.35。
工作的温度范围:
0^85C
温度的补偿范围:
-40~125℃
测量范围:
15~105kPa
测量的精度为±
1.7%VFSS.
最低的气压所对应的输出电压是0.184~0.428V，典型的值是0.306V
最高的气压所对应的输出电压是4.804~4.988V，典型的值是4.896V
理想的微处理器接口
MPX4105压传感器芯片：
本文中选择的气压传感器是由摩托罗拉公司生产的MPX4105压传感器芯片，它的引脚分布情况如图2.1所示：
图2.1
引脚功能介绍：
VOUT:
电压输出
GND:
接地
VCC:
接电端
NC:
用于端子内部连接，是空引脚，不能悬空
3.2V/F转换器的选择
气压传感器MPX4105的输出信号是模拟电压，因所以就必定要进行A/D转换之后才看以交给单片机进处理。
A/D转换的模块的特点是：
转换分辨率为10位，其中包含有8个输入通道以及一个内部温度传感器。
本设计采用一种V/F转换电路来完成模拟电压信号的数字化处理。
V/F转换器的转换电路由V/F器件来实现。
V/F转换器件的功能是将输入其中的电压的而数值转化成频率与电压数值成正比的脉冲序列，虽然V/F器件本身并算做量化器，但是一旦加上计数器和定时器之后也可以实现A/D转换的功能。
V/F器件的优点就是能够把模拟电压信号转换成可远距离传送、具有强力可抗干扰能力并能直接输入单片机端口的脉冲序列。
经过测试V/F的输出频率。
也可以实现与A/D转换一样的功能。
根据电路的实际需要、附属电路实现的可能性和相应的性能需求，本文选用芯片LM331来实现A/D转换。
它的特点是:
最大的非线性误差值是0.01%。
供电方式可采用单、双电源供电，电压范的围是5^40V.脉冲输出匹配任何逻辑形式。
内部具有温度补偿功能，拥有很好的温度稳定性，最大温度漂移为±
50ppm/℃
满量程频率范围:
1Hz~100KHz。
本文的转换器选择的是由国家半导体公司所生产的高精度芯片LM331，引脚如图2.2所示：
图2.2
详细引脚功能：
CO:
电流输出。
RefC:
此引脚是用于连接一个固定电阻和可变电阻的组合，是调整转换增益的基准电流脚。
FO:
用于输出与输入电压脉冲序列相同的脉冲序列。
接地保护。
组容网络引脚。
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