基于单片机的数字式大气压计的设计文档格式.docx
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差动技术是传感器中普遍采用的技术。
它的应用可显著地减小温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度的影响，抵消了共模误差，减小非线性误差等。
不少传感器由于采用了差动技术，还可使灵敏度增大。
平均技术：
在传感器中普遍采用平均技术可产生平均效应，其原理是利用若干个传感单元同时感受被测量，其输出则是这些单元输出的平均值，若将每个单元可能带来的误差均可看作随机误差且服从正态分布，根据误差理论，总的误差将减小。
可见，在传感器中利用平均技术不仅可使传感器误差减小，且可增大信号量，即增大传感器灵敏度。
补偿与修正技术：
补偿与修正技术在传感器中得到了广泛的应用。
这种技术的运用大致是针对下列两种情况。
一种是针对传感器本身特性的，另一种是针对传感器的工作条件或外界环境的。
对于传感器特性，可以找出误差的变化规律，或者测出其大小和方向，采用适当的方法加以补偿或修正。
针对传感器工作条件或外界环境进行误差补偿，也是提高传感器精度的有力技术措施。
不少传感器对温度敏感，由于温度变化引起的误差十分可观。
为了解决这个问题，必要时可以控制温度，搞恒温装置，但往往费用太高，或使用现场不允许。
而在传感器内引入温度误差补偿又常常是可行的。
这时应找出温度对测量值影响的规律，然后引入温度补偿措施。
造成传感器性能不稳定的原因有：
随着时间的推移和环境条件的变化，构成传感器的各种材料与元器件性能将发生变化。
为了提高传感器性能的稳定性，应该对材料、元器件或传感器整体进行必要的稳定性处理。
如结构材料的时效处理、冰冷处理、永磁材料的时间老化、温度老化、机械老化及交流稳磁处理，电气元件的老化筛选等
1.2.2传感器的发展趋势
传感器的发展就如同其他产品的发展一样，不仅取决于专业的技术水平、材料的使用，还取决于工艺等很多方面。
传感器集成化包括两种定义，一是同一功能的多元件并列化，即将同一类型的单个传感元件用集成工艺在同一平面上排列起来，排成1维的为线性传感器，CCD图象传感器就属于这种情况。
集成化的另一个定义是多功能一体化，即将传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，组装成一个器件。
目前，各类集成化传感器已有许多系列产品，有些已得到广泛应用。
集成化已经成为传感器技术发展的一个重要方向。
随着集成化技术的发展，各类混合集成和单片集成式压力传感器相继出现，有的已经成为商品。
集成化压力传感器有压阻式、电容式、等类型，其中压阻式集成化传感器发展快、应用广。
自从压阻效应发现后，有人把4个力敏电阻构成的全桥做在硅膜上，就成为一个集成化压力传感器。
国内在80年代就研制出了把压敏电阻、电桥、电压放大器和温度补偿电路集成在一起的单块压力传感器，其性能与国外同类产品相当。
由于采用了集成工艺，将压敏部分和集成电路分为几个芯片，然后混合集成为一体。
提高了输出性能及可靠性，有较强的抗干扰能力，完全消除了二次仪表带来的误差。
传感器的多功能化也是其发展方向之一。
为同时测量几种不同被测参数，可将几种不同的传感器元件复合在一起，作成集成块。
例如一种温、气、湿三功能陶瓷传感器已经研制成功。
把多个功能不同的传感元件集成在一起，除可同时进行多种参数的测量外，还可对这些参数的测量结果进行综合处理和评价，可反映出被测系统的整体状态。
由上还可以看出，集成化对固态传感器带来了许多新的机会，同时它也是多功能化的基础。
传感器与微处理机相结合，使之不仅具有检测功能，还具有信息处理、逻辑判断、自诊断、以及“思维”等人工智能，就称之为传感器的智能化。
借助于半导体集成化技术把传感器部分与信号预处理电路、输入输出接口、微处理器等制作在同一块芯片上，即成为大规模集成智能传感器。
可以说智能传感器是传感器技术与大规模集成电路技术相结合的产物，它的实现将取决于传感技术与半导体集成化工艺水平的提高与发展。
这类传感器具有多能、高性能、体积小、适宜大批量生产和使用方便等优点，可以肯定地说，是传感器重要的方向之一
1.3数字式大气压计系统设计意义
随着我国经济的不断成长，国家越来越重视电子测量相关领域的发展，先进的测量仪器成为现代化产品开发的必备条件，也是电子行业发展的重中之重，而气压计被广泛应用于科研和工业等领域以及我们日常家庭生活中。
传统的气压计（空盒式、弯管式等）精度低、实时显示时稳定性较差，而采用单片机控制的数字气压计，使用方便、显示简单、精度高、抗干扰能力强、扩展性方面可灵活的加入超压、低压报警、无线传输等特殊功能，而且可以大幅提高被控气压的技术指标。
因此，对高精度便携式数字大气压计的研究有着非常重要的意义。
2系统总体设计
2.1整体设计思想
在系统构建过程中,需要考虑稳定性、复杂程度、造价和调试的难易程度等因素。
图2.1所示框图中的每一部分就是一个单元电路,可完成各自的功能。
模块之间没有复杂的信号传输,且干扰很少,因而系统整体比较稳定。
本设计是基于MPX4115的数字大气压计，包括软、硬件的设计与调试。
软件部分通过对C语言的学习和对单片机知识的了解，根据系统的特点编写出单片机程序。
硬件部分分为四大块，包括大气压的非电信号数据的采集、转换、处理以及显示。
通过对设计的了解，选择适合的器件，画出原理图。
2.2系统总体框图
气压计硬件部分由五部分构成，它们分别是：
数据采集模块，数据转换模块，数据处理模块和数据显示模块以及电源模块。
图2.1单片机数字大气压计系统结构框图
由图2.1可知，整个系统的工作流程如下：
测量时被测气压由气压传感器转换为模拟的电压输出，此输出信号不能直接交由单片机处理。
因此，需要经过V/F转换模块把气压传感器输出的模拟电压信号转换为数字脉冲（其频率随输入电压呈线性变化）。
通过单片机接收该脉冲信号，得到单位时间内获得的脉冲数，依据电压与频率的线性关系式计算出所对应的实际气压值，最后通过显示电路显示给用户。
2.3系统各功能模块的设计思想
通过对单片机各个端口的设置，以及定时器工作方式和串行口工作方式的选择，并对定时器和串行口进行初始化用以实现对单片机和各个功能模块芯片之间通讯联络的设定。
在主程序模块中我们关键是使单片机初始化，以及分配地址空间交代程序中各个变量等。
其中最为关键的是连接子程序的各个功能模块。
▪数据采集模块
数据采集模块，主要核心是由气压传感器构成，其主要功能是对被测气压进行实时稳定的测量，并以模拟电压的形式输出，交由后面的数据转化模块处理。
▪A/D转换模块
A/D转换模块，主要功能是将气压传感器输出的模拟电压信号经过A/D转换电路，转换为单片机能直接处理的数字信号。
▪数据处理模块
数据处理模块，主要是对A/D转换模块的数据进行多次采集，并且对采集的数据进行处理，此处理过程主要是对采集的数据进行初值定义以及相应的移位处理，并且把处理好的数据送入相应的缓冲区，为后面的显示模块作好准备。
▪数据显示模块
数据显示模块，主要是对单片机处理后的数据进行实时显示，显示内容，即为测量气压值。
该模块，可使用7段LED数码管构成，也可以使用字符液晶显示器件构成。
3硬件电路设计
3.1数据采集模块
3.1.1数据采集模块的芯片选择
气压传感器对于系统至关重要，需要综合实际的需求和各类气压传感器的性能参数加以选择。
一般要选用有温度补偿作用的气压传感器，因为温度补偿特性可以克服半导体压力传感器件存在的温度漂移问题。
绝对气压值对应的既是实际的气压值，显然本设计要实现的数字气压计需要能测量绝对气压值的气压传感器。
本设计要实现的数字大气压计显示的是绝对气压值，同时为了简化电路，提高稳定性和抗干扰能力，要求使用具有温度补偿能力的气压传感器。
经过综合考虑，本设计选用美国摩托罗拉公司的集成压力传感器。
MPX4115可以产生与所加气压呈线性关系的高精度模拟输出电压。
具体输出关系如下：
Vout=Vs（0.01059P-0.09528）±
Error（3-1）
式中，Vs是工作电压,，P是大气压值,，Vout为输出电压
3.1.2数据采集模块的原理图
数据采集模块由气压传感器MPX4115构成，采集的是大气压值。
其中1脚是输出信号端，输出的是与气压值相对应的模拟电压信号。
数据采集模块的原理如图3.1所示。
图3.1数据采集模块原理图
3.1.3气压传感器MPX4115的原理
MPX4115系列压电电阻传感器是一个硅压力传感器。
这个传感器结合了高级的微电机技术，薄膜镀金属。
还能为高水准模拟输出信号提供一个均衡压力。
在0℃-85℃的温度下误差不超过1.5%，温度补偿是-40℃-125℃。
图3.2MPX4115实物图及引脚排列图
气压传感器MPX4115的管脚说明如表3.1所示：
表3.1气压传感器MPX4115的管脚说明
1
2
3
4
5
6
VOUT
GND
VS
N/S
气压传感器MPX4114的特性参数如表3.2所示：
表3.2气压传感器MPX4114的特性参数
参数
符号
最小
典型
最大
单位
压力范围
Pop
15
-
115
KPa
供电电压
Vs
4.85
5.1
5.35
Vdc
供电电流
Lo
7.0
10
mAdc
最大压力偏置（0℃～85℃）
@Vs=5.0V
Vpss
0.135
0.204
0.273
满量程输出（0℃～85℃）
Voff
4.725
4.794
4.863
满量程比例（0℃～85℃）
VFSS
4.521
4.590
4.695
精度
（0℃～85℃）
±
1.5
%VPSS
灵敏度
V/P
45.9
mV/KPa
响应时间（10%～90%）
tR
1.0
ms
上升报警时间
20
偏置稳定性
0.5
%VFSS
3.2数据转换模块
3.2.1数据转换芯片选择
气压传感器MPX4115输出的是模拟电压，因此，必须进行模拟到数字的转换才能交由单片机处理。
关于A/D转换，本设计中采用一种电压频率转换电路来实现模拟电压数字化的处理。
V/F转换电路由V/F器件实现。
V/F器件的作用是将输入电压的幅值转换成频率与输入电压幅值成正比的脉冲序列，虽然V/F器件本身还不能算作量化器，但加上定时器与计数器以后也可以实现A/D转换。
V/F器件的突出特点就是它能够把模拟电压转换成抗干扰能力强、可以远距离传输并能直接输入到单片机接口的脉冲序列。
通过测量V/F输出频率，可以实现A/D转换功能。
针对电路的实际需求，并考虑到外围电路实现的难易程度和相应的性能指标，选用芯片LM331来实现A/D转换。
LM331是一款由美国NS公司生产的高精度电压频率转换芯片，由于采用新的温度补偿能隙基准电路,在整个工作温度范围内和低到4.0V电源电压下都有极高的精度
3.2.2数据转换电路部分电路原理图
LM331构成的V/F转换器的电路如图3.3。
其中图中的7号引脚Vin是数据转换模块的数据输入端，接到上一个数据采集模块的输出端。
而3号引脚F0是数据转换模块的输出端。
图3.3数据转换模块原理图
3.2.3LM331的结构
LM331是一种非常理想的精密电压/频率转换器，可用于制作简洁、低成本的模数转换器，特长积分周期的数字积分器，线性频率调制与解调及其他各功能电路。
当作为电压/频率转换器使用时，其输出脉冲链的频率精确地与输入端施加的电压成比例变化，体现了电压/频率转换器的特有优势。
由于LM331采用了新的温度补偿能隙基准电路，所以在整个工作温度范围内和低到4.0V电源电压下都有极高的精度。
内部精密计时器电路在很低偏置电流的情况下，也不会降低对100KHz电压/频率转换器的响应。
LM331的输出可驱动3个TTL负载，其输出端可承受高达40V的电压冲击。
其引脚图如图3.4所示。
图3.4LM331引脚图
LM331各引脚功能说明如下：
CO（1脚）：
电流输出脚。
内部相当于脉冲恒流源，脉冲宽度与内部单稳态电路相同。
RefC（2脚）：
基准电流脚。
此引脚可接一固定电阻串联一个可变电阻器的组合，用于调整转换增益。
FO（3脚）：
脉冲序列输出脚。
该序列的频率值对应于输入电压的脉冲序列，OC门结构,输出脉冲宽度及相位同单稳态,不用时可悬空或接地。
GND（4脚）：
接地端。
R/C（5脚）：
阻容网络引脚。
外接定时时间常数RC。
Thre（6脚）：
阈值电压脚。
芯片内部的电压比较器会对此引脚上的电压和7脚CmpIn上的电压作比较，低于脚7电压触发有效,要求输入负脉冲宽度小于单稳态输出脉冲宽度Tw。
CmpIn（7脚）：
比较器电压输入脚。
需要进行V/F转换的电压经过低通滤波后由此引脚输入。
VCC（8脚）：
电源脚。
可采用单、双电源供电，输入电压4~40V。
LM331的性能特点：
（1）变换精度高，数字分辨率可达12位；
（2）数字脉冲输出端电平与所有5V的标准逻辑电路兼容；
（3）线性度好,最大非线性失真小于0.01%,工作频率低到0.1Hz时尚有较好的线性；
（4）外接电路简单,只需接入几个外部元件就可方便构成V/F或F/V等变换电路,并且容易保证转换精度；
（5）低成本，低功耗。
3.3数据处理模块
3.3.1数据处理模块的芯片选择
对于LM331输出的频率信号要经过单片机的数据处理，通过频率与气压之间的关系计算出气压值。
本设计中选用STC89C52单片机来实现，STC89C52单片机最为核心的部分是中央处理器CPU，它由运算器和控制逻辑构成，其中包括若干特殊功能寄存器。
STC89C52是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机片内含8kbytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读存储器，该器件采用高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用的8位中央处理器和ISPFlash存储单元。
功能强大STC89C52单片机以其超高的性价比，可灵活应用于各种控制领域。
STC89C52具有以下标准功能：
8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止
本设计中，电路仿真选用AT89C52代替STC89C52，两者功能及编程方式基本一致，只是AT89C52不支持在线编程，而S系列支持。
3.3.2数据处理模块电路的原理图
单片机部分的原理如下图所示：
图3.5数据处理模块原理图
3.3.3STC89C52引脚及功能
图3.6单片机引脚图
·
P0口：
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时,每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。
在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。
P1口：
P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。
作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（TTL）。
Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。
P2口：
P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@RI指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器区R2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。
Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其它控制信号。
P3口：
P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路。
对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。
作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。
P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表3.3所示：
表3.3P3口第二功能
口线
功能描述
P3.0
RXD
串行输入口
P3.1
TXD
串行输出口
P3.2
INT0
外部中断0
P3.3
INT1
外部中断1
P3.4
T0
计数器0外部输入
P3.5
T1
计数器1外部输入
P3.6
WR
外部数据存储器写选通
P3.7
RD
外部数据存储器读选通
RST复位输入。
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
ALE/PROG：
当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的l/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是：
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。
如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的DO位置位，可禁止ALE操作。
该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活。
此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无。
PSEN：
程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期有两次PSEN，即输出两个脉冲。
在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有的PSEN信号不出现。
EA／VPP外部访问允许。
欲使CPU仅
升级会员 