便携式气压高度计的设计毕业设计.docx
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便携式气压高度计的设计毕业设计
便携式气压高度计的设计毕业设计
苏州经贸职业技术学院
学生毕业设计（毕业论文）
便携式气压高度计的设计
摘要
随着人们生活水平的提高，如何实现便携户外高度测压这一问题也变的尤其突出，传统的气压计由于其体积的问题，便携性能低，无法满足人们的需求，因此设计便携性能更高的气压高度计便有更大的实用意义。
因此，本文设计了一种基于单片机的便携式气压高度计，该高度计主要由气压监测电路、单片机控制及显示电路组成。
高度计通过气压传感器测出气压值，然后根据气压与高度的关系，经单片机的处理计算出高度值，并用液晶显示测得的高度值和气压值。
该便携式气压高度计价格低廉，可操作性强，功能实用，可用于户外、汽车等场所进行气压值和海拔高度值的监测，具有推广价值。
关键词:
气压高度计；单片机；TLC549；
前言
气压计就是利用一种特殊的感应原件来感应大气压强度的变化并产生位移变化，再利用机械放大机构将此位移变化放大表示出来能使人很直观的知道大气压强的变化趋势。
另外，根据大气压总是随着高度的增加而降低的规律，人们又开发了气压高度计。
气压高度计在工业生产和人们的日常生活中有着较为广泛的应用，例如：
专业登山队员在登山时往往希望得到有关山峰的海拔高度、气压以及温度的值；飞机在高空执行任务时也需要获得及时的高度值，以便矫正系统的飞行路线。
因此，制作一个集显示海拔高度、温度和气压值为一体的气压高度计是十分有意义。
本设计采用单片机为主控制器，结合复位电路、晶振电路、液晶显示电路、传感器电路、信号放大电路以及电源电路组成了便携式气压高度计的设计。
高度计通过气压传感器US9111采集的气压值，然后将气压值经过信号放大电路进行处理，处理后的信号再经过模数转换电路转换成0-5V电压值送给单片机进行处理。
单片机从模数转换电路获得电压之后，根据电压与气压、气压与高度的关系，计算出对应的气压值和高度值，并将其通过液晶屏显示出来。
该高度计可以测量电压范围（-80.0mv—80.0mv），高度范围0.0m—6556.3m。
由于TLC549分辨率为1/255,所以所测的数据基本能达到我们生活需要。
第一章便携式气压高度计简介
1.1便携式气压高度计的研究目的
气压高度计是常见的测量工具，在人们进行户外旅行、登山运动、野外测量等活动中起到非常重要的作用。
气压高度计的设计原理都是利用气压与高度的关系，先通过压力传感器测量出气压的值，然后再通过测量气压来获取高度的便携式高度计的设计法大气压与人们的生活息息相关，与人体的健康息息相关，我们长期生活在某个地区的大气底层，已经适应了该地区的大气压，对气压变化的感觉不大。
但是，低气压下的阴雨和下雪天气、夏季雷雨前的高温湿闷天气，也就是大气压在降低，使人抑郁不适，雨后天睛的心情舒畅，就是气压升高的原因。
所以，一般根据大气压的变化可以预测天气的变化。
我们从报纸或电视中了解到：
对于登山运动员，到了高山地区，会出现头痛、恶心、呕吐等症状（所谓的高原反应），高度增加，人的感觉越明显。
这就是因为随海拔高度的增高大气压降低，大气压的降低影响了人体内氧气的供应。
当大气压下降时，大气中的氧分压、肺泡的氧分压和动脉血氧饱和度都随之下降，导致人体发生一系列生理反应。
基于以上原因，本文设计了一款实用的便携式气压高度计，该气压高度计能够方便的时时检测到气压值与高度值，当气压值达到极限值时能够及时限警报，来提醒使用者注意气压环境。
1.2便携式气压高度计的工作原理
气压高度计是利用大气压的变化规律，来测量所在地的海拔高度和所在地的大气压变化，以及测量因地域变化发生的相对高度。
利用气压测量海拔高度的具体原理是：
根据计算和实测的结果表明，在海拔高度-100m～0m～+4000m范围内,可近似地认为大气压的降低和海拔高度的升高成反比关系,比例系数约为–（12.3～11.5）Pa/m，即:
大约每升高1m，大气压力下降约12Pa。
利用此原理,来实现对高度的计算。
推导计算公式：
u=1.3P-155（KPa）,其中P初始值为100KPa。
要使用气压高度计，必须了解以下基本知识：
1、大气压强（简称大气压）：
即空气作用在所在地面单位面积上的压力（即空气重量）。
大气压强的单位有：
百帕（hPa）、毫巴（mBr）、毫米汞柱（mmHg）、英寸汞柱（inHg）。
2、标准大气压：
根据国际假设规定，在标准大气条件下空气作用在单位海平面的大气压力，即海拔0米高度面的大气压强，一个标准大气压大约为1013.25hPa（760mmHg或29.92inHg）。
3、海拔高度愈高，压在其上的空气柱愈短，大气压也就愈低。
因此，大气压总是随着高度的增加而降低的。
据实测，在近地面层中，高度每升高100米，大气压平均降低约12hPa.
第二章便携式气压高度计的方案设计
本文设计的便携式气压高度计由单片机、电源电路部分、液晶显示部分、复位部分、晶振部分、报警部分、传感器部分、模数转换部分组成,其结构框图如图2-1所示,各部分作用如下：
单片机：
便携式气压高度计的控制核心，负责整个系统正常运作，包括数据的处理、显示以及数据的传输。
复位电路：
复位单片机，使单片机从初始状态开始工作。
晶振电路：
为单片机提供信号源。
采用的晶振频率是12MHz。
显示电路：
显示高度值和气压值。
报警电路：
发出声音报警。
传感器电路：
实现气压数据的采集。
模数转换电路：
实现模拟的气压值信号转换成数字信号给单片机进行处理。
图2-1便携式气压高度计结构框图
根据设计的基本功能要求，设计方案的选择如下：
2.1电源的方案选择
本文设计的是便携式气压高度计，必须要能够携带方便，因此在电源供电上不能使用稳压源供电，而要考虑用电池供电，常用电池如下：
方案一：
使用干电池
使用干电池，通过串联然后稳压出5V的电压。
方案二：
使用锂电池
使用15V的锂电池，然后经过转换之后得到5V的电压。
方案比较：
因为使用干电池时间久了电压会不稳定且干电池所需体积较大，而锂电池体积小，能重复充电，故选择方案二。
2.2单片机的方案选择
本文设计的便携式气压高度计以单片机为核心，常用的单片机有以下几种：
方案一：
AT89S51
AT89S51具有ISP在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境上拔除,可以在线烧写。
AT89S51的最高工作频率为33MHz,具有双工UART串行通道,AT89S51内部集成看门狗计时器,具有双数据,具有电源关闭标识。
AT89S51具有全新的加密算法，这使得对于89S51的解密变为不可能，程序的保密性大大加强，这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。
在兼容性方面，AT89S51向下完全兼容51全部字系列产品。
比如8051、89C51等产品。
方案二:
AT89C51
AT89C51的工作最高频率为22MHz。
采用FLASHROM，内部具有4KB的存储空间，能在3V超低压下工作，而且S51单片机完全兼容，但是运用于电路设计中时，由于不具备RSP在线编程技术，当对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能，需要烧入程序时对芯片的多次插拔会对芯片造成一定的损坏。
方案比较：
由于AT89S51单片机工作频率高（AT89S51的工作最高频率为33MHz）烧写时无需插拔，相比AT89C51更不易损坏，并且AT89S51具有ISP在线编程功能，在程序调试时方便，兼容AT89C51。
所以选择方案一。
2.3传感器的方案选择
本文设计的便携式气压高度计需要通过气压传感器采集气压数据，供给模数转换芯片转换。
可选用的气压传感器有如下：
方案一：
气压传感器US9111
在本系统中传感器的选择是非常重要的一环，直接关系到测量的精度以及范围。
但由于预算的限制，此传感器具有良好性价比的US9111绝压型气压传感器，它的测量范围为0至103.4kpa，差分输出。
方案二：
气压传感器SCP1000-D01
SCP1000-D01是芬兰VTI公司生产的一款基于D-MEMS技术的绝对压力传感器，能在正常条件下达到亚米级别的分辨率和1m的精度。
SCP1000-D01提供了高精度、高速度、低功耗、和超级功耗4种模式。
可供用户需要自行选择测量方式。
SCP1000-D01的测量范围在-100pa+100pa。
方案比较：
US9111的测量范围相对SCP1000-D01大，且价格较为便宜，所以本设计选择方案一。
2.4模数转换芯片的方案选择
本文设计的便携式气压高度计在气压传感器采集到的数据需要经过模数转换后传给单片机，常用的模数转换芯片有以下几种：
方案一：
TLC0809
TLC0809是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行数模转换的器件，其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通一个通道进行A/D转换。
方案二：
TLC549
TLC549是TI公司生产的一种低价位、高性能的8位A/D转换器，它以8位开关电容逐次逼近的方法实现A/D转换，其转换速度小于17us,最大转换速度为40000HZ,4MHZ典型内部系统时钟，电源为3至6伏。
它能方便的采用三线串行接口方式与各种微处理器连接，构成各种廉价的测控应用系统。
方案比较：
TLC549相对于TLC0809所需要用的端口资源少，能够满足本文设计的需求，所以选择方案二。
2.5显示器件的方案选择
本文设计的便携式气压高度计需要显示气压值和高度值，显示期价的选择方案如下：
方案一：
数码管显示
数码管显示的数字虽然清楚，但是其耗电量比较大，而且只显示数字，但不能显示些复杂的字符。
方案二：
液晶显示
液晶显示具有零辐射，低耗能，散热小，纤薄轻巧，精确还原图像等优点，而且能显示星号。
方案比较：
液晶能较方便的显示多个字符，且功耗低，满足本文设计的需求，所以选择方案二。
2.6报警电路的方案选择
本文设计的便携式气压高度计需要实现对气压高度值的上下限给予一定的提醒，所以需要有报警电路，常用报警方案有以下几种：
方案一：
语音芯片
将语音信号通过采样转化为数字，存储在IC的ROM中，再通过电路将ROM中的数字还原成语音信号。
语音芯片能够清楚的报出语音，且能处理好几种语音格式。
方案二：
蜂鸣器
蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，单片机的I/O口可以通过PWM脉宽或者利用定时翻转电平对蜂鸣器进行驱动，操作简单方便。
方案比较：
蜂鸣器较语音芯片更好控制，且价格低廉，在本文设计中只需要在气压达到上下限时作一个简单的提示，所以本设计选择方案二。
第三章便携式气压高度计的硬件设计
本文设计的便携式气压高度计以单片机AT89S51为核心，由电源电路，传感器电路，模数转换电路，显示电路，报警电路组成。
各部分电路的具体设计如下：
3.1电源电路设计
本设计采用锂电池供电，然后对电压进行转换，其电路原理如图3-1所示，主要部分是采用线性稳压芯片7805实现稳压,在输入电压存在波动时，输出电压保持恒定的装置，转换后的12V电压供给扩展部分，5V电压供给单片机。
图中15V的电压由锂电池提供。
图3-1电源电路原理图
3.2单片机最小系统设计
单片机最小系统是由单片机，晶振电路和复位电路组成，如图3-2所示。
AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、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8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
单片机复位是使CPU和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，例如复位后PC＝0000H，使单片机从第—个单元取指令。
无论是在单片机刚开始接上电源时，还是断电后或者发生故障后都要复位。
在复位期间（即RST为高电平期间），P0口为高组态，P1－P3口输出高电平；外部程序存储器读选通信号PSEN无效。
地址锁存信号ALE也为高电平。
根据实际情况选择如图3-2所示的复位电路，该电路在最简单的复位电路。
AT89S51引脚XTAL1和XTAL2与晶体振荡器及电容C3、C2按图3-2所示方式连接。
晶振、电容C3／C2及片内与非门（作为反馈、放大元件）构成了电容三点式振荡器，振荡信号频率与晶振频率及电容C3、C2的容量有关，但主要由晶振频率决定，范围在0～33MHz之间，电容C3、C2取值范围在5～30pF之间。
根据实际情况，本设计中采用12MHZ外部晶振，电容取值为30pF。
图3-2单片机最小系统原理图
3.3模数转换电路设计
本文设计的便携式气压高度计采用TLC549模数转换芯片对气压数据进行模数转换，TLC549是美国德州仪器公司生产的8位串行A/D转换器芯片，可不通用微处理器、控制器通过CLK、CS、DATAOUT三条口线进行串行接口。
具有4MHz片内系统时钟和软、硬件控制电路，转换时间最长17μs，TLC549允许的最高转换速率为45500次/s，TLC549为40000次/s。
总失调诨差最大为±0.5LSB，典型功耗值为6mW。
采用差分参考电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围，VREF-接地，VREF+－VREF-≥1V，可用于较小信号的采样。
TLC549的引脚分布图如图3-3所示，每个引脚的功能见表1：
具体电路设计如图3-3所示，P1是气压信号放大后的接口。
SCK接单片机的P1.6口，输入串行移位脉冲引脚。
DO接单片机P1.5口，输出串行移位数据。
CS接单片机P1.7口，输入片选。
表1引脚功能表
图3-3TLC549电路设计图
3.4显示电路设计
本文便携式气压高度计采用的是1602字符液晶。
D0-D7是数据传送口，接单片机P0口，数据传至液晶并显示。
RS接单片机P2.0口是写指令和写数据控制脚。
RW接单片机P2.1口是单片机读数据和写数据控制脚。
E接单片机P2.2口是使能端。
VL接出的一个滑动变阻器用来调节液晶的亮度。
用LCD显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由6×8或8×8点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8字节，还要使每字节的不同位为“1”，其它的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。
这样一来就组成某个字符。
但由于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可。
其电路设计如图3-4所示：
图3-4LCD1602显示电路图
3.5气压传感器电路设计
本文便携式气压高度计采用的气压传感器US9111。
但由于预算的限制，此次设计选择了具有良好性价比的US9111绝压型气压传感器，它的测量范围为0至103.4kpa，差分输出。
具体参数如表2：
表2气压传感器us9111参数
最小值
典型值
最大值
单位
激励电压
--
5
10
V
激励电流
--
1.00
2.00
mA
桥电阻
4
5
6
kΩ
量程15psi（高灵敏度型）
130
170
210
mV
零偏移
-30
0
30
mV
温度系数（电压激励）
-0.17
-0.22
-0.27
%FS/℃
温度系数（电流激励）
-0.05
-0.02
+0.05
%FS/℃
温度系数（零偏移）
-0.05
-0.02
+0.05
%FS/℃
线性度
-0.3
±0.1
+0.3
%FS
磁滞度
-0.3
±0.1
+0.3
%FS
过压
×3
psi
工作温度
-40
+125
℃
储存温度
-55
+150
℃
引脚及功能如表3所示：
表3引脚及功能
为了正确测量气压，并将测得的气压值转换成单片机需要的电压信号，需要将传感器输出信号进行处理，处理电路包括激励源电路和信号放大电路两部分，具体设计如下：
1、传感器激励源设计
由于采用电流激励的温度特性要优于电压激励，因此本设计采取恒流源供电的思路，设计了一个用来给传感器提供1.5mA电流的恒流源。
具体电路如图3-5所示，其中稳压二极管选用LM385-1.2，运放选用OP07。
图3-5电流激励源电路图
2、信号放大设计
因为气压传感器检测到的信号大概是毫伏级，然而单片机所需要的电压需要+5V，因此在本设计中需要将信号放大。
在本设计采用差动放大电路即可满足需求，然而基本的差动放大电路精密度较差，且差动放大电路上变更放大增益时，必须调整两个电阻。
但是因为需要有效的调试，所以考虑之后选择了三级放大电路。
前级差动放大电路抑制共模干扰，电路如图3-6所示，调节R22可以改变放大倍数（1-10）倍。
图3-6差动放大共模抑制电路图
图中，S-，S+是传感器输出信号，由于信号源的内阻处于理想化，有S+=S-，R4间的电流处于0。
调节R22，使电路两边对称既而增强了抗共模干扰的效果。
中级差分运算电路如图3-7所示，将前级信号进行差分运算，将信号放大5倍然后送至后置继续放大。
图3-7差分运算电路图
后置放大电路如3-8所示，根据Uo=（1+R15/R14）Ui，得出后置放大系数为3，即为3倍。
图3-8同比例放大电路图
3.6报警电路的设计
本设计中的报警电路设计采用一个三极管驱动一个蜂鸣器，主要用于当气压达到上下极限值时进行报警提醒。
电路如图3-9所示。
图3-9报警电路图
第四章便携式气压高度计的软件设计
本文设计的便携式气压高度计的软件程序包括主程序，显示子程序，模数转换子程序，数据处理子程序，报警子程序，具体设计如下：
4.1主程序设计
主程序流程图如图4-1所示，首先进行状态初始化，LCD显示器上显示初始界面，然后根据输入的信号显示对应的数据。
然后再对数据进行判断，达到上下限则采取对应的措施。
图4-1主程序流程图
4.2模数转换子程序设计
TLC549是8位串口AD转换芯片，可用单片机控制，通过CLK,CS,DATAOUT，三条口线进行串行接口。
当CS为高时，数据输出（DATAOUT）端处于高阻状态，此时I/OCLOCK丌起作用。
这种CS控制作用允许在同时使用多片TLC549时，共用I/OCLOCK，以减少多路（片）A/D并用时的I/O控制端口。
一组通常的控制时序为：
（1）将CS置低。
内部电路在测得CS下降沿后，再等待两个内部时钟上升沿和一个下降沿后，然后确认这一变化，最后自动将前一次转换结果的最高位（D7）位输出到DATAOUT端上。
（2）前四个I/OCLOCK周期的下降沿依次移出第2、3、4和第5个位（D6、D5、D4、D3），片上采样保持电路在第4个I/OCLOCK下降沿开始采样模拟输入。
（3）接下来的3个I/OCLOCK周期的下降沿移出第6、7、8（D2、D1、D0）个转换位。
（4）最后，片上采样保持电路在第8个I/OCLOCK周期的下降沿将移出第6、7、8（D2、D1、D0）个转换位。
保持功能将持续4个内部时钟周期，然后开始进行32个内部时钟周期的A/D转换。
第8个I/OCLOCK后，CS必须为高，戒I/OCLOCK保持低电平，这种状态需要维持36个内部系统时钟周期以等待保持和转换工作的完成。
如果CS为低时I/OCLOCK上出现一个有效干扰脉冲，则微处理器/控制器将不器件的I/O时序失去同步；若CS为高时出现一次有效低电平，则将使引脚重新初始化，从而脱离原转换过程。
TLC549的软件设计流程图如图4-2所示：
图4-2TLC549转换子程序流程图
4.3数据处理子程序设计
对TLC549采集的数据进行处理。
流程图如4-3所示：
图4-3数据处理子程序流程图
4.4显示子程序设计
开始
LCD初始化
确认显示位置
写入显示数据
结束
显示完？
Y
N
显示子程序中首先确认显示位置，然后写入显示数据。
显示子程序流程图如图4-4所示：
图4-4显示子程序流程图
4.5报警处理子程序设计
当气压值达到预定值（也就是上下限值）时，单片机向报警电路发出控制信号，驱动蜂鸣器工作，进行报警。
报警子程序流程图如图4-5所示：
图4-5报警处理子程序流程图
第五章便携式气压高度计测试
本文设计的便携式气压高度计的测试电路板如图5-1所示。
主要包括单片机控制电路，LCD显示电路，信号放大电路和气压调节电路等。
图5-1高度计检测电路板
在标准大气压下（100KPa），气压传感器输出电压为25mv时，高度值为0m，测试结果如图5-2所示：
图5-2标准大气压时测量结果
当海拔高度增加时气压降低，测试时通过增大气筒密封部分体积来模拟气压降低的效果，当测得传感器输出电压为26.3mv时，对应气压和高度值的测试结果如图5-3所示：
图5-3气压为99KPa时所测图
第六章总结
本文设计的便携式气压高度计从经济实用的角度出发，采用美国Atmel公司的单片机AT89S51与作为主控芯片，结合外围、显示、报警电路并用C语言编写主控芯片的控制程序，研制了一款可以检测气压以及高度的具有报警功能的便携式气压高度计。
使用单片机制作的便携式气压高度计具有软硬件设计简单，易于开发，成本较低，安全可靠，操作方便等特点，可应用于专业登山队员在登山时往往希望得到有关山峰的海拔高度、气压以及温度的值，有一定的实用性。
该电路设计控制报警电路等多种功能。
本文设计的便携式气压高度计也存在一些缺点，在数值精度需求上存在某些不足，这是本设计的改进方向。
致谢
在本次论文设计过程中，张静老师对该论文从选题，构思到最后定稿的各个环节给予细心指引与教导,使我得以最终完成毕业论文设计。
在学习中,老师严谨的治学态度、丰富渊博的知识、敏锐的学术思维、精益求精的工作态度以及侮人不倦的师者风范是我终生学习的楷模。
这三年中还得到众多老师的关心支持和帮助。
在此，谨向老师们致以衷心的感谢和崇高的敬意！
我还要感谢给予我很多关心和帮助的同学们，三年学习生活使我们结下深厚的友谊。
俗话说天下没有不散之筵席，在毕业之际，我衷心地同学和朋友们在以后的人生道路上越走越宽广，也深深相信在未来的日子里我们将一路携手前行，会有很多的碰撞和交流，我们将始终记得我们曾在经贸学院同窗学习，这将是我克服困难、不断前进的精神动力。
参考文献
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清华大学出版社,2006
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北京航空航天大学出版出社,2007
附录
程序：
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