基于传感器MPX4115的智能压力检测系统设计与仿真毕业论文.docx

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基于传感器MPX4115的智能压力检测系统设计与仿真毕业论文

基于传感器MPX4115的智能压力检测系统设计与仿真

摘要

数字式气压计被广泛应用于当前工业领域、国防领域、医疗领域以及日常生活中。

本设计中就介绍了一种气压的实时显示设备。

它利用软、硬件基础知识，通过单片机与气压传感器的结合，使得在液晶显示器上显示出当前大气压值。

本文详细的描述了基于mpx4115气压计的多功能应用以及软硬件实现的过程。

矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。

本设计是基于气压传感器mpx4115的精密数字气压设计系统。

通过气压传感器mpx4115获得与大气相对应的模拟电压值，并经过电压/频率（V/F）装换模块装换为数字脉冲，通过单片机接受脉冲数，依据电压与频率的线性关系式计算出相对应的实际气压值，最后在单片机的控制下由液晶显示电路显示出实际气压值。

总体目标是实现系统的可靠性、稳定性、安全性和经济性。

聞創沟燴鐺險爱氇谴净。

关键词：

mpx4115；气压传感器；单片机；液晶显示；V/F装换器

Abstract

Digitalpressuregaugeiswidelyusedintheindustrialfield,nationaldefensefield,medicalfieldandindailylife.Thisdesignintroducedreal-timedisplayequip-mentforpressure.Itmakesuseofsoft,hardwarebasedonknowledge,throughacom-binationofsinglechipmicrocomputerandpressuresensor,whichshowsthecurrenthighpressureintheliquidcrystaldisplay.Thispaperdescribestheprocessofapplicationofmultifunctionalmpx4115barometerofthehardwareandsoftwarebasedon.本设计是基于气压传感器mpx4115的精密数字气压设计系统。

通过气压传感器mpx4115获得与大气相对应的模拟电压值，并经过电压/频率（V/F）装换模块装换为数字脉冲，通过单片机接受脉冲数，依据电压与频率的线性关系式计算出相对应的实际气压值，最后在单片机的控制下由液晶显示电路显示出实际气压值。

总体目标是实现系统的可靠性、稳定性、安全性和经济性。

残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。

Thisdesignisdigitalprecisionpressuredesignsystemofpressuresensorbasedonmpx4115.Mpx4115pressuresensorthroughthereceivedanalogvoltagecorrespondingtotheatmosphericvalue,andthroughthevoltage/frequency（V/F）loadedmoduleloadedintodigitalpulse,pulsenumberthroughthemicrocontroller,basedonthelinearrelationshipbetweenthevoltageandfrequencytocalculatetheactualpressurevaluecorrespondingtotherear,underthecontrolofMCUbyliquidcrystaldisplaythecircuitshowstheactualpressurevalues.Theoverallgoalistoachievesystemreliability,stability,securityandeconomy.酽锕极額閉镇桧猪訣锥。

Keywordsmpx4115GspressuretransducerSinglechipmicrocomputerLiquidcrystaldisplayVoltage/frequencyconversion彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。

1绪论

1.1课题设计原理及要求

数字式气压计是利用压敏元件将待测气压直接变换为易检测、传输的电流或电压信号，再经过后续电路处理并显示的一种设备。

本设计是基于MPX4115压力传感器设计的。

它是一种测量大气压力的传感器，一般把作用于单位面积上空气柱的重量称为大气压力，简称气压。

气象研究表明，在空间垂直上方气压随着高度的增加而降低，这种变化的幅度在近表面和高空时又有所不同，近地表时气压随着高度增加而降低的幅度最大，越到高空这种变化越缓慢。

气压还会受空气中的气流影响，若空气中有下降气流，气压会增加；若空气中有上升气流，气压会减小。

则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。

本课题利用单片机控制实现气压计的功能并有以下要求：

采用MPX4115压力传感器，气压测量范围在15～115kPA压力信号，精度为0.1。

必须采用液晶显示器LCD1602，显示测量压力值。

如果超出极限范围则需要报警。

以C语言为开发工具，进行设计及仿真。

胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。

1.2技术概况及发展趋势

基于传感器在本设计中的重要作用，下面介绍一下传感器的技术性能以及发展趋势。

1.2.1传感器的技术性能

差动技术：

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。

不少于传感器由于采用了差动技术，还可以使灵敏度增大。

鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。

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器单元同时感受测量，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太分布，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。

稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。

补偿与修正技术:

补偿与修正技术在传感器中得到广泛的应用。

这种技术的应用大致是针对下列两种情况。

一种是针对传感器本身特性，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，也可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。

陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。

稳定性处理：

传感器作为长期测量或反复使用的器件，其稳定性显得特别重要，其重要性甚至胜过精度指标，尤其是对那些很难或无法定期鉴定的场合。

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。

沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。

为了提高传感器性能的稳定性，应该材料、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。

钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。

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。

对于新型工艺的使用：

在发展新型传感器中，离不开新工艺的采用。

新工艺的含义范围很广，这里主要指与发展新兴传感器联系特别密切的微细加工技术。

该技术又称为微机械加工技术，是今年来随着集成电路工艺发展起来的，它是离子束、电子束、分子束、激光束和化学刻蚀等用于微电子加工的技术，目前已越来越多地用于传感器领域，例如溅射、蒸馏、等离子体刻蚀、化学气体淀积、外延、扩散、腐蚀、光刻等。

迄今已有大量采用上述工艺制成的传感器。

懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。

目前，各类集成化传感器已有许多系列的产品，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机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坐在硅膜上，就成为一个集成化压力传感器。

国内在80年代就研发出把压敏电阻、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。

謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。

传感器的多功能化也是其发展方向之一。

所谓多功能化的典型实例，美国某大学传感器研究发展中心研制的单片硅多维力传感器可以同时测量3个线速度、3个离心加速度（角速度）和3个角加速度。

主要元件是由4个正确设计安装在一个基板上的悬臂梁组成的单片硅结构，9个正确布置在各个悬臂梁上的压阻敏感元件。

多功能化不仅可以降低生产成本，减小体积，而且可以有效的提高传感器的稳定性、可靠性等性能指标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。

呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。

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机器与半导体集成化工艺水平的提高与发展。

这类传感器具有多功能、高性能、体积小、适量大批生产和使用方便等优点，可以肯定的说，是传感器重要的方向之一。

莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。

传感器另一个发展就是智能传感器又叫灵巧（Smart）传感器。

这一概念最早是由美国宇航局在开发宇宙飞船过程中提出来的。

飞船上天后需要知道其速度、位置、姿态等数据，为了宇宙员能正常生活，需要控制舱内的湿度、温度、气压、加速度、空气成分等。

因此这需要大量的的传感器。

而且还需要它具备大量数据的储存、处理、分析的功能，实现远距离、高速度、高精度传输等。

麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。

开发新型传感器：

新型传感器，大致应包括：

采用新原理、填补传感器空白、仿生传感器等诸方面。

它们之间是互相联系的。

传感器的工作机理是基于各种效应和定律，由此启发人们进一步探索具有新效应的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型传感器件，这是发展高性能、多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。

结构型传感器发展得较早，目前日趋成熟。

结构型传感器，一般说它的结构复杂，体积偏大，价格偏高。

物性型传感器大致与之相反，具有不少诱人的优点，加之过去发展也不够。

世界各国都在物性型传感器方面投入大量人力、物力加强研究，从而使它成为一个值得注意的发展动向。

其中利用量子力学诸效应研制的低灵敏阈传感器，用来检测微弱的信号，是发展新动向之一。

納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。

新材料开发：

传感器材料是传感器技术的重要基础,是传感器技术升级的重要支撑。

随着材料科学的进步,传感器技术日臻成熟,其种类越来越多,除了早期使用的半导体材料、陶瓷材料以外,光导纤维以及超导材料的开发,为传感器的发展提供了物质基础。

例如,根据以硅为基体的许多半导体材料易于微型化、集成化、多功能化、智能化,以及半导体光热探测器具有灵敏度高、精度高、非接触性等特点,发展红外传感器、激光传感器、光纤传感器等现代传感器;在敏感材料中,陶瓷材料、有机材料发展很快,可采用不同的配方混合原料,在精密调配化学成分的基础上,经过高精度成型烧结,得到对某一种或某几种气体具有识别功能的敏感材料,用于制成新型气体传感器。

此外,高分子有机敏感材料,是近几年人们极为关注的具有应用潜力的新型敏感材料,可制成热敏、光敏、气敏、湿敏、力敏、离子敏和生物敏等传感器。

传感器技术的不断发展,也促进了更新型材料的开发,如纳米材料等。

例如美国NRC公司已开发出纳米ZrO2气体传感器,控制机动车辆尾气的排放。

風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。

1.3数字气压计系统的设计意义

随着我国经济的不断成长，国家越来越重视气压计项目相关行业的发展，“十二五”期间气压计产业的重点领域及其投资机会研究成为热点问题。

先进的测量仪器成为现代化产品开发的必备条件，气压计被广泛应用于我们人类改造自然的很多领域以及我们日常家庭生活中。

本课题是要设计一个利用微控制和数字化气压传感器为核心元件组成的电子气压计系统。

其中核心元件就是气压传感器，它在监视压力大小、控制压力变化以及物理参量的测量等方面起着重要作用。

运用于气压计的气压传感器基本都是依靠不同高度时的气压变化来获取气压值的。

传统气压表（空盒式、弯管式等）精度低、显示单一；本课题设计的数字气压计采用单片机控制，具有使用方便、精度高、显示简单灵活等优点，并可灵活的加入超压、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。

灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。

2系统总体设计

2.1设计整体思想

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。

铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。

2.2系统总体框图

气压计硬件部分由四部分构成，它们分别是：

信息采集模块，数据转换模块，信息处理模块和数据显示模块。

下图为系统总框图：

攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。

气压传感器

V/F转换器

电

源

模

块

单片机

液晶显示器

图2.1单片机数字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，最后通过数码管显示电路显示给用户。

趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。

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。

夹覡闾辁駁档驀迁锬減。

·数据采集模块

数据采集模块（mpx4115）,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。

视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。

·A/D转换模块

A/D转换模块（ADC0832），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。

偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。

·数据处理模块

数据处理模块（AT89C52），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。

緦徑铫膾龋轿级镗挢廟。

·数据显示模块

数据显示模块（LCD1602）,主要对单片机处理后的数据进行实时显示，显示内容为测量气压值。

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及气压传感器的主要性能参数如下：

騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼。

①、测量范围

即所能测量的大气压力范围，单位为kPa。

测量精度

②、测量结果（电流或电压）的精度。

③、温度补偿范围

一般要选用具有温度补偿能力的气压传感器，因为温度补偿特性可以克服半导体压力敏感器件存在的温度漂移问题。

疠骐錾农剎貯狱颢幗騮。

④、测量的是否是绝对气压值

绝对气压值对应的即是实际的气压值，显然要实现数字气压计需要测量绝对气压值的气压传感器。

数字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[7]。

经过综合考虑，我们选用美国摩托罗拉公司的集成压力传感器芯片MPX4105作为气压传感器。

MPX4105可以产生于所加气压呈线性关系的高精度模拟输出电压，它具有以下特点：

镞锊过润启婭澗骆讕瀘。

·供电范围：

4.85~5.35V，典型值为5.1V。

·测量范围：

15~115kPa。

·工作温度范围：

0~85℃。

·温度补偿范围：

-40~+125℃。

·测量精度为±1.7%VFSS。

·最低气压对应的输出电压VOFF为0.184~0.428V，典型值为0.306V；最高气压对应的输出电压VOFF为4.804~4.988V，典型值为4.896V；满刻度输出电压间距VFSS的典型值为4.590V。

榿贰轲誊壟该槛鲻垲赛。

根据MPX4115的气压线性关系，可以列出具体输出关系如下:

Vout=Vs（0.009×P–0.095）±（PressError×Temp.Factor×0.009×Vs）邁茑赚陉宾呗擷鹪讼凑。

式中,Vs是工作电压,P是大气压值,Vout为输出电压。

3.1.2数据采集的仿真原理图

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。

数据采集模块的仿真原理如图3-2所示。

嵝硖贪塒廩袞悯倉華糲。

图3.2数据采集模块仿真原理图

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℃。

该栎谖碼戆沖巋鳧薩锭。

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

N/S

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

Vdc

满量程输出（0℃～85℃）

@Vs=5.0V

Voff

4.725

4.794

4.863

Vdc

满量程比例（0℃～85℃）

@Vs=5.0V

VFSS

4.521

4.590

4.695

Vdc

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

-

ms

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，本课题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。

劇妆诨貰攖苹埘呂仑庙。

关于A/D转换，其模块的特点是：

转换分辨率为10位，最多含8个输入通道和一个内部温度传感器。

我采用一种电压/频率（V/F）转换电路来实现模拟电压的数字化处理。

臠龍讹驄桠业變墊罗蘄。

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器件本身还不能算做量化器，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、可远距离传送并能直接输入单片机接口的脉冲序列。

通过测试V/F的输出频率。

可以实现A/D转换功能。

鰻順褛悦漚縫冁屜鸭骞。

针对电路的实际需要，并考虑到外围电路实现的难易程度和相应的性能指标，我选用的是ADC0832。

ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片。

由于它体积小，兼容性强，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。

　　ADC0832具有以下特点：

●8位分辨率；

●双通道A/D转换；

●输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；

●5V电源供电时输入电压在0~5V之间；

●工作频率为250KHZ，转换时间为32μS；

●一般功耗仅为15mW；

●8P、14P—DIP（双列直插）、PICC多种封装；

●商用级芯片温宽为0°Cto+70°C，工业级芯片温宽为40℃to+85℃穑釓虚绺滟鳗絲懷紓泺。

3.2.2数据转换电路部分电路原理图

ADC构成的A/D转换器的电路如图3-3所示,其中图中的2号引脚是数据采集后的输入，5号引脚和6号引脚是转换后信号的输出