数字气压计的设计.docx

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数字气压计的设计

数字气压计的设计

摘要：

本文介绍基于气压传感器MPX4105的精密数字气压计系统的软、硬件实现方法。

通过气压传感器MPX4105获得与气压相对的模拟电压值，并经过电压/频率（V/F）转换模块转换为数字脉冲，通过单片机对此脉冲序列的计数等处理后获得实际的气压值，并通过数码管显示电路显示。

阐述了系统的软件设计，以C语言为开发工具，进行了详细设计和编码。

总体目标是实现系统的可靠性、稳定性、安全性和经济性。

关键词：

气压传感器，电压/频率转换，单片机

TheDesignofNumeral-barometer

Abstract：

IntroducesaprecisenumericalbarometersystembasedonMPX4105,givingtheachieve-methodofsoftandhardwareObtainthevalueofanalogvoltageaccordingtotheairpressureviaMPX4105,andconvertitintonumericalpulsebythevoltage/frequencyconversion.Recurtothetakecountofthepulse-sequenceandrelevantmanagementbytheSCM,anactualair-pressurevalueisobtained.Onthesystemsoftwaredesign,developmenttoolsisClanguage,adetaileddesignandcoding.Theoverallobjectiveistoachievesystemreliability,stability,securityandeconomy.

Keywords:

Gspressuretransducer，Voltage/frequencyconversion，SCM

1引言

1.1课题背景

数字气压计是利用压敏元件将待测气压直接变换为容易检测、传输的电流或电压信号，然后再经过后续电路处理并进行实时显示的一种设备。

其中的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。

相对比于普通的水银气压计，有准确易读，易携带的优点。

气象学研究表明，在垂直方向上气压随高度增加而降低。

例如在低层，每上升100m气压便降低10hPa；在5～6km的高空，高度每增加100m，气压便会降低7hPa；而当高度进一步增加时，即到9～10km的高空之后，高度每增加100m，气压便会降低5hPa；同样，若空气中有下降气流时，气压会增加；若空气中有上升气流时，作用于空气柱底部的气压就会减小。

一般把作用于单位面积上空气柱的重量称为大气压力。

数字气压计大量应用在各种工矿企业，野外作业，消费类电子产品等等的地方。

需求极为广泛。

1.2本课题国内外研究现状

常见气压计有液体气压计和盒式气压计。

飞机上使用的高度计实际上是用盒式气压计改装成的。

常见的液体气压计有水银气压计和酒精气压计2种，这2种都是老式的气压计，体积大，精度低，不方便携带且容易坏，当今社会科技高速发展，各行各业不断出现新技术新材料，气压测量这块也是这样，盒式气压计的出现部分的解决了液体气压计所无法解决的缺点，比如体积、方便携带等等。

人类社会进入20世纪90年代以后微电子行业发展极为迅速，各种各样的电子传感器被发明且被运用到各行各业，为人们的生产生活创造了极大的便利。

数字气压传感器亦已出现，并大量被运用，甚至现在很多手持设备中都已经加入了气压计功能，比如手机，GPS等，方便了人们的出行旅游。

目前国际国内很多公司都推出了其数字气压传感器，如摩托罗拉公司的MPX4105和Intersema公司的MS5534b另外还有华普微电子的HP03系列数字气压传感器。

众多数字气压传感器的出现使得多样化的数字化气压测量装置、用品大量出现，并越来越普及，精度也越来越高。

数字气压计一般不会只有测量气压一种功能，一般都有其他的功能，比如测温度、指南针、码表等等的功能。

微控制器是将微型计算机的主要部分集成在一个芯片上的单芯片微型计算机。

微控制器诞生于20世纪70年代中期，经过20多年的发展，其成本越来越低，而性能越来越强大，这使其应用已经无处不在，遍及各个领域。

例如电机控制、条码阅读器／扫描器、消费类电子、游戏设备、电话、HVAC、楼宇安全与门禁控制、工业控制与自动化和白色家电（洗衣机、微波炉）等。

本次设计也将采用微控制器作为电子气压计的数据采集处理和控制元件。

微控制器可从不同方面进行分类：

根据数据总线宽度可分为8位、16位和32位机；根据存储器结构可分为Harvard结构和VonNeumann结构；根据内嵌程序存储器的类别可分为OTP、掩膜、EPROM／EEPROM和闪存Flash；根据指令结构又可分为CISC（ComplexInstructionSetComputer）和RISC（ReducedInstructionSetComputer）微控制器。

气压传感器和微电子控制器的结合，可以创造出很多应用，可以说只要能有好的想法，一般都可以实现，气压计已经由以前的只有专业场合专业人士才能使用的测量器具变成今天的随处可见，方便使用的电子产品，并集成到众多的电子产品中，都归功于电子行业技术发展和很多有创新精神开发者。

1.3本课题的研究意义

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。

微控制和数字化气压传感器的结合可以使得气压计的设计更具灵活性，测量精度相对于液体气压计也有了显著提高。

测量结果的显示也更直观，并可灵活的加入超压、低压报警等特殊功能，以满足某些特定需要。

通过本次设计也较好的锻炼了本人的动手能力，为将来的工作打下了一定的基础，同时可以充分利用课堂所学知识进行本课题的设计，在运用这些知识的过程中，加深了对这些知识的理解。

由原先的机械记忆变为领会本质。

1.4本课题相关理论综述

在设计电子气压计之前首先要搞清楚气压的定义。

气压是作用在单位面积上的大气压力，即等于单位面积上向上延伸到大气上界的垂直空气柱的重量。

气压以百帕（hPa）为单位，取一位小数。

国际制单位：

帕斯卡，简称帕，符号是Pa。

常用单位：

标准大气压。

表示气压的单位，习惯上常用水银柱高度。

例如，一个标准大气压等于760毫米高的水银柱的重量，它相当于一平方厘米面积上承受1.0336公斤重的大气压力。

由于各国所用的重量和长度单位不同，因而气压单位也不统一，这不便于对全球的气压进行比较分析。

因此，国际上统一规定用＂百帕＂作为气压单位。

经过换算：

　　一个标准大气压＝1013百帕（毫巴）

　　1毫米水银（汞柱）柱高＝4/3百帕（毫巴）

　　1个标准大气压＝760mm水银（汞柱）柱高。

气压产生的原因：

从分子动理论可知，气体的压强是大量分子频繁地碰撞容器壁而产生的。

单个分子对容器壁的碰撞时间极短，作用是不连续的，但大量分子频繁的碰撞器壁，对器壁的作用力是持续的、均匀的，这个压力与器壁面积的比值就是压强大小。

影响压强的因素：

气压的大小与海拔高度、大气温度、大气密度等有关，一般随高度升高按指数律递减。

气压有日变化和年变化。

一年之中，冬季比夏季气压高。

一天中，气压有一个最高值、一个最低值，分别出现在9～10时和15～16时，还有一个次高值和一个次低值，分别出现在21～22时和3～4时。

气压日变化幅度较小，一般为0.1～0.4千帕，并随纬度增高而减小。

气压变化与风、天气的好坏等关系密切，因而是重要气象因子。

通常所用的气压单位有帕（Pa）、毫米水银柱高（mm·Hg）、毫巴（mb）。

它们之间的换算关系为：

100帕＝1毫巴≈3／4毫米水银柱高。

气象观测中常用的测量气压的仪器有水银气压表、空盒气压表、气压计。

温度为0℃时760毫米垂直水银柱高的压力,标准大气压最先由意大利科学家托里拆利测出。

2系统总体设计

2.1设计思路分析

（1）设计方案一：

采用单片机主控，通过压力传感器、A/D转换采集数据信息，经过含有单片机的检测系统检测，将结果传送到单片机控制的主控器，数据通过显示器显示。

原理框图如图2.1所示。

图2.1方案一原理图

（2）设计方案二：

采用集成的单片机主控，通过压力传感器将气压信号送入带A/D转换的单片机中，以及在相关模拟分立元件的辅助下进行A/D转换以及其它的数据处理，将处理的结果送显示部分进行显示。

原理框图如图2.2所示。

图2.2方案二原理图

综上所述，方案一电路虽然与方案二类似，都较方案一调整方便、可兼顾的指标多，但方案一利用PC机平台实现软件操作，在操作运行复杂，并且性价较底，因为耗费较大，所以在实际应用中一般不用，所以我们选择第二种方案。

设计51单片机数字气压计系统时，需要考虑下面4个方面的内容。

①选择合适的气压传感器芯片，这要根据实际需要以及各种气压传感器的性能参数来决定。

②选择合适的A/D转换器件，它的作用是将气压传感器输出的模拟电流或电压信号转换为数字信号。

③设计单片机和A/D转换器件的接口电路。

④实现气压信息采集并输出的软件设计。

2.2系统总体结构

本系统的总体结构框图如图2.3所示。

图2.3单片机数字气压计系统结构框图

由图2.3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。

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。

2.3.1A/D转换模块

单片机接受传感器的电压值为模拟信号，它要和A/D转换模块的锯齿波发生装置发送过来的标准模拟信号相比较，即通过P1.0和P1.1引脚进行比较，同时开发定时器0，当待测模拟信号超过标准模拟信号时，P3.6引脚信号将会发生变化，此时的定时器0的值通过量纲转化就得到了相应的数字信号。

2.3.2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。

2.3.3显示模块

用单片机芯片AT89C52的P0.0/AD0－P0.7/AD7端口接数码管的a－h端，8位数码管的S1－S5通过AT89C52的P2.0－P2.4端口来控制选通每个数码管的位选端。

在数据的显示模块中，我们采用的是LED动态显示的方式。

其具体的实现过程在上述设计思想中详细说明。

7段数码管选用共阳连接方式，通过端口输出编码后的段码，对应笔画为“高电平“时点亮。

2.4气压传感器的选择

气压传感器对于数字气压计设计的实现至关重要，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。

气压传感器的主要性能参数如下。

·测量范围

即所能测量的大气压力范围，单位为kPa。

·测量精度

测量结果（电流或电压）的精度。

·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。

·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：

·供电范围：

4.85~5.35V，典型值为5.1V。

·测量范围：

15~105kPa。

·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。

·理想的微处理器接口。

2.5A/D转换器件的选择

气压传感器MPX4105输出的是模拟电压，因此，必须进行A/D转换才能交由单片机处理。

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。

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。

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，我选用国家半导体公司的芯片LM331来实现A/D转换。

LM331是一款高精度电压/频率转换芯片，它具有以下特点：

·最大非线性误差为0.01%。

·可单、双电源供电，电压范围为5~40V。

·脉冲输出可兼容任何逻辑形式。

·内部具有温度补偿能隙基准电路，因而具有极佳的温度稳定性，最大温漂为±50ppm/℃。

·宽的满量程频率范围：

1Hz~100KHz。

2.6三端稳压器

本设计中的LM331工作电源采用+15V，但是单片机、MPX4105等其他芯片需要+5V供电，因此还需要设计专门的供电电路以满足整个系统的电源需求。

选用摩托罗拉公司的三端低电流线性稳压芯片MC78L05作为电源电路。

其输入电压范围：

2.6~24V，输出+5V固定电压；具有内部短路电路限制和热过载保护功能，无需外部元器件。

2.7数码管显示

2.7.1数码管静态显示

当显示器显示某一个字符时，相应的发光二极管恒定的导通或截止，这种显示方式每一位都需要一个8位输出口控制。

静态显示时，较小的电流能得到较高的亮度且字符不闪烁，当显示器位数较少时，采用静态显示的方法是合适的。

2.7.2数码管动态显示

一位一位地轮流点亮显示器各个位，对于显示器的某一位来说，每隔一段时间点亮一次。

利用人的视觉暂留功能可以看到整个显示，但必须保证扫描速度足够快，字符才不闪烁。

显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。

若显示器的位数不大于8，则控制显示器公共极电位只需一个I/O口，控制显示器的各位所显示的字型也只需一个8位口。

单个LED是由７段发光二极管构成的显示单元。

有10个引脚，对应于７个段、1个小数点和2个公共端[9]。

本设计中需要用5个LED组成显示单元，共阴极接法，所以我们采用数码管动态显示。

2.8系统配置

我们以AT89C52单片机为整个系统的核心，通过气压传感器对气压信号的采集、控制、放大等处理完成气压参数的自动获取，以及进行数字显示等等。

在此过程中需要利用AT89C52单片机内部的定时器对其进行度量，再使用软件模块对其进行处理，即得到了A/D转换的结果。

进行多次A/D转换后，我们就可以采集到一脉冲序列的数据，对这些数据进行适当的处理，最后通过数码管显示电路显示给用户，进而达到了我们对整个系统设计的基本要求。

3硬件电路设计

经过之前的分析,单片机系统中的数码管显示电路，它通常由译码器、驱动器和显示器等部分组成，是将采集到得气压值通过数码管显示的电路。

硬件电路离不开功能性器件，因此首先来看看本数字胎压计所采用的主要器件。

3.1单片机电路部分

3.1.1主要芯片介绍

89C52单片机

89C52单片机的40条引脚按功能来分，可以分为3部分，电源及时钟引脚、控制引脚和输入/输出引脚。

如下图3.1所示：

图3.1单片机引脚图

89C52单片机引脚功能

主电源及时钟引脚

此类引脚包括电源引脚Vcc、Vss、时钟引脚XTAL1、XTAL2。

（1）Vcc（40脚）：

接+5V电源，为单片机芯片提供电能。

（2）Vss（20脚）接地。

（3）XTAL1（19脚）在单片机内部，它是一个反向放大器的输入端，该放大器构成了片内的振荡器，可提供单片机的时钟控制信号。

（4）XTAL2（18脚）在单片机内部，接至上述振荡器的反向输出端。

控制引脚

此类引脚包括RESET（即RSR/VPD）、ALE/PROG、PSEN、EA/VPP，可以提供控制信号，有些具有复用功能。

（1）RSR/VPD（9脚）：

复位信号输入端，高电平有效，当振荡器运行时，在此引脚加上两个机器周期的高电平将使单片机复位（REST）。

复位后应使此引脚电平保持为不高于0.5V的低电平，以保证单片机正常工作。

掉电期间，此引脚可接上备用电源（VPD），以保持内部RAM中的数据不丢失。

当Vcc下降到低于规定值，而VPD在其规定的电压范围内（5±0.5V）时，VPD就向内部RAM提供备用电源。

（2）ALE/PROG（30脚）：

ALE为地址锁存允许信号。

当单片机访问外部存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲的下降沿用于锁存16位地址的低8位。

即使不访问外部存储器，ALE端仍有周期性正脉冲输出，其频率为振荡器频率的1/6。

但是每当访问外部数据存储器时，在两个机器周期中ALE只出现一次，即丢失一个ALE脉冲。

ALE端可以驱动8个LSTTL负载。

（3）PSEN（29脚）：

程序存储器允许输出控制端。

此输出为单片内访问外部程序存储器的读选通信号。

在从外部程序存储器取指令（或取常数）期间，每个机器周期均PSEN两次有效。

但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不会出现。

PSEN同样可以驱动8个LSTTL负载。

（4）EA/VPP（31脚）：

EA功能为内外程序存储器选择控制端。

当EA端保持高电平时，单片机访问内部程序存储器，但在PC（程序计数器）值超过0FFFH时将自动转向执行外部程序存储器内的程序。

输入/输出引脚

此类引脚包括P0口、P1口、P2口和P3口。

（1）P0（P0.0~P0.7）是一个8位三态双向I/O口，在不访积压处部存储器时，做通用I/O口使用，用于传送CPU的输入/输出数据，当访问外部存储器时，此口为地址总路线低8位及数据总路线分时复用口，可带8个LSTTL负载。

（2）P1（P1.0~P2.7）是一个8位准双向I/O口（作为输入时，口锁存器置1），带有内部上拉电阻，可带4个LSTTL负载。

（3）P2（P2.0~P2.7）是一个8位准双向I/O口，与地址总路线高8位复用，可驱动4个LSTTL负载。

（4）P3口功能表，如下表3.1所示。

表3.1P3口功能表

P3口各个位的第二功能

P3口的位

第二功能

说明

P3.0

RXD

串行数据接收口

P3.1

TXD

串行数据发射口

P3.2

INT0

外部中断0输入

P3.3

INT1

外部中断1输入

P3.4

T0

计数器0计数输入

P3.5

T1

计数器1计数输入

P3.6

WR

外部RAM写信号

P3.7

RD

外部RAM读信号

3.2气压传感和V/F转换电路部分

MPX4105压力传感芯片

气压传感器选用摩托罗拉公司生产地集成压力传感芯片MPX4105，其引脚分布如图3.2所示。

图3.2MPX4105引脚分布图

各引脚功能说明如下：

VOUT（1脚）：

电压输出脚。

GND（2脚）：

接地端。

NC（4、5、6脚）：

空引脚，用于芯片内部连接，悬空不适用。

LM331电压/频率转换器

电压/频率转换器选用国家半导体公司的高精度V/F转换芯片LM331，其引脚分布如图3.3所示。

图3.3LM331引脚分布图

各引脚功能说明如下：

CO（1脚）：

电流输出脚。

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。

GND（4脚）：

接地端。

R/C（5脚）：

组容网络引脚。

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。

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5~40V。

MC78L05电源电路

由于数字胎压计采用的是+15V电源供电，LM331工作于+15V，但是单片机、MPX4105等其他芯片需要+5V供电，因此还需要设计专门的供电电路以满足整个系统的电源需求。

电源电路选用摩托罗拉公司的三端低电流线性稳压芯片MC78L05。

MC78L05具有以下特点：

输入电压范围：

2.6~24V，输出+5V固定电压；

具有内部短路电路限制和热过载保护功能；

无须外部器件。

其引脚分布如图3.3所示。

各引脚功能说明如下：

Vout（1脚）：

+5V固定电压输出脚。

GND（2脚）：

接地端。

Vin（3脚）：

电压输入脚，可输入的电压范围为2.6~24V。

图3.4MC78L05引脚分布图

数字胎压计的硬件电路可分为4个部分：

气压传感器、V/F转换电路、单片机电路和电源电路。

气压传感和V/F转换电路的原理图如图3.5所示。

图3.5基于MPX4105的数字胎压计系统气压传感及V/F转换电路原理图

图3.5中，U3为气压传感芯片MPX4105，它工作于+5V电压，将被测电压转换为输出电压（对应图中网络标号为Vin），送至V/F转换电路。

电阻R5和电容C7构成典型的去耦合滤波电路。

U2为V/F转换芯片LM331，它工作于+15V电压，此电路的设计可参考LM331的芯片资料。

在此电路中，电压Vin和输出脉冲FO的频率fo的转换关系满足公式

（1）。

Fo=Kvin

（1）

其中，

K=

Rs=R2+R3

（2）

电路中，Rt、Ct和RL的典型值分别为6.8kΩ、0.01pf和100kΩ，Rs由一个定值电阻R2和一个可变电路R3串联组成，其中，R2为22kΩ，R3的最大阻值为12kΩ，通过可变电阻R3调节Rs的阻值可以实现对电路转换增益的调整。

气压的变化引起Vin的变化，而Vin在满刻度输出电压间距V

内变化，V

典型值为4.590V，所以Vin变化范围很小，那么根据fo=KVin的关系式，必须增大K值，才能提高测量的精度。

fo通过单片机的定时/计数器1的计数测得，该计数器的计数范围为0~65536，500ms计数频率1次。

因此，K值的选取还要考虑到计数器的计数范围。

综合考虑之后，将K值设为2000，这样代入式

（2）计算，可知R3的阻值应调节到6.424kΩ。

图3.5中