数字气压计设计.docx

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数字气压计设计

计算机控制技术

课程设计

成绩评定表

设计课题：

数字液压计的设计

学院名称：

专业班级：

学生姓名：

学号：

指导教师：

设计地点：

设计时间：

2011.6.27～2011.7.2

指导教师意见：

成绩:

签名：

2011年7月日

计算机控制技术

课程设计

成绩评定表

设计课题：

数字液压计的设计

学院名称：

专业班级：

学生姓名：

学号：

指导教师：

设计地点：

设计时间：

2011.6.27～2011.7.2

计算机控制技术课程设计任务书

学生姓名

专业班级

学号

题目

数字气压计设计

课题性质

工程设计

课题来源

自拟课题

指导教师

主要内容

通过气压传感器MPX4115获得与大气压相对应的模拟电压值,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，最后在单片机的控制下由LCD显示电路显示出实际气压值。

任务要求

第1天：

熟悉课程设计任务及要求，针对课题查阅技术资料。

第2天：

确定设计方案。

要求对设计方案进行分析、比较、论证，画出方框图，并简述工作原理。

第3-4天：

按照确定的方案设计单元电路。

要求画出单元电路图，元件及元件参数选择要有依据，各单元电路的设计要有详细论述。

第5天：

撰写课程设计报告。

要求内容完整、图表清晰、文理流畅、格式规范、方案合理、设计正确，篇幅不少于5000字。

主要参

考资料

[1]赵建领．51单片机开发与应用技术详解．北京：

电子工业出版社，2009

[2]熊静琪．计算机控制技术．北京：

电子工业出版社，2003

[3]高金源．计算机控制技术．北京：

北京航空航天大学出版社，2001

[4]张晋格．计算机控制原理与应用．北京：

电子工业出版社，1995

审查意见

系（教研室）主任签字：

　　　　　　　　　　年月日

１　引言

1.1课题背景

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。

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。

1.2系统功能

该方法通过气压传感器获得与大气压相对应的模拟电压值，并经过V／F变换输入到单片机进行处理，从而实时显示相应的气压值。

用本文所述的方法制成的气压计携带方便，操作简单，精确度高，完全符合设计要求。

2总体设计方案

2.1设计整体思想

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。

2.2系统组成框图及工作原理

2.21系统组成框图

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。

图2.1为系统总框图。

图2.21系统总框图

2.22工作原理

气压传感器将被测气压转换为电压信号；用Ｖ／Ｆ转换器则可把气压传感器输出的电压信号转换成具有一定频率的脉冲信号；以便用单片机接收该脉冲信号，并根据单位时间内得到的脉冲数，依据电压与频率的线性关系式计算出所对应的气压值，最后在单片机控制下由ＬＥＤ显示出来。

本气压计能够在气压传感器的线性范围内准确测量相应气压值。

需要说明的是，其测量值是绝对气压值。

本文研究的气压计的技术指标如下：

●测量范围：

３００ｈＰａ～１０５０ｈＰａ；

●测量精度：

０．１％ＦＳ（２０℃）；

●显示精度：

０．１％，由４个８段ＬＥＤ显示实现；

●工作温度范围：

０～８５℃；

●电源电压：

15V

2.3方案设计

被测气压经过传感器转换成电压输出，根据芯片资料，算出输出电压与大气压的关系：

VOUT=5*（0.01P-0.09）

输出电压经过V/F转换电路转变为对应电压fo的脉冲序列FO。

根据Vin和FO的对应关系可得：

P=（fo/5k+0.09）/0.01=（20fo/k+9）

3硬件电路设计

3.1系统设备选型

3.11芯片78L05

因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用。

在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率的条件下不用）。

当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。

当制作中需要一个能输出1.5A以上电流的稳压电源，通常采用几块三端稳压电路并联起来，使其最大输出电流为N个1.5A，但应用时需注意：

并联使用的集成稳压电路应采用同一厂家、同一批号的产品，以保证参数的一致。

另外在输出电流上留有一定的余量，以避免个别集成稳压电路失效时导致其他电路的连锁烧毁。

3.12气压传感器MPX4115

气压传感器在气压计中占据核心位置。

设计时可根据测量精度、测量范围、温度补偿、测量绝对气压值等几个性能指标来选取气压传感器。

由于该气压计显示的是绝对气压值，因而需要选取测量绝对气压值的气压传感器。

同时为了简化电路，提高稳定性和抗干扰能力，要求该气压传感器应带有温度补偿。

为此，选用Ｍｏｔｏｒｏｌａ的ＭＡＸ４１００Ａ气压传感器来测量绝对气压值。

该传感器的温度补偿范围为－４０～＋１２５℃；压力范围为２０ｋＰａ～１０５０ｋＰａ；输出电压信号（Ｖｓ＝５．０Ｖ）范围为０．３～４．６５Ｖ；测量精度为０．１％ＶＦＳＳ，同时在２０ｋＰａ～１０５０ｋＰａ时具有良好的线性，具体输出关系如下：

Ｖｏｕｔ＝Ｖｓ（０．０１０５９Ｐ－０．１５２８）±Ｅｒｒｏｒ

式中，Ｖｓ是工作电压,Ｐ是大气压值，Ｖｏｕｔ为输出电压。

3.13LM331转换芯片

LM331是性能价格比比较高的集成芯片。

它是当前最简单的一种高精度V/F转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器以及其它相关的器件。

3.14AT89C52单片机

AT89C52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。

AT89C52是一款低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C52单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

本设计中选用AT89C52单片机来实现

3.15显示

系统选用LED对所处理的结果进行显示

3.2部分系统硬件电路设计

3.21电源模块的原理图

电路中的电源部分如图3.21所示。

其中，3脚是电源模块输入端接外部+15V电源。

1脚为电源模块输出端，输出+5V。

图3.21

3.22气压传感器原理图

数据采集模块由气压传感器MPX4115构成，采集的是大气压值。

连接原理图如图3.22

图3.22

3.23V/F转换电路原理图

LM331构成的V/F转换器的电路。

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。

原理图如图3.22

图3.22

3.24显示电路

本设计采用四位七段数码显示管，实行静态显示。

共使用2片74hs373寄存器。

U2进行段选，U3用于位选。

作为LED的上拉电阻。

电路图3.24.

图3.24

4软件设计

4.1单片机实现数字气压计的程序流程

Ｔ０为定时器，基本的定时时基为５０ｍｓ。

Ｔ１为计数器，运用内部中断０可保证Ｔ０定时满５００ｍｓ后就读取此时计数器的值，以计算气压值。

具体流程图如图4.1所示。

图4.1

4.2静态显示子程序流程图

当调用显示子程序时，在显示函数里，将气压值先按位进行分离并保存到数组，然后送段码和相应位选就可以显示出相应的气压值了。

如图4.2

图4.2

5总结

一周的课程设计终于结束了，虽然很忙碌、很疲劳，但是收获很大。

这次我用单片机AT89C51作为控制器，来设计数字气压计。

每天的努力，唤来了我对课程设计的重新的认识，对51单片机和控制系统的深刻理解，实现了真正实践的目的。

在理论学习的过程中，我只是简单地学到了一些理论知识，但是在实际的设计过程中才发现理论与实际的巨大差别。

在课堂上，掌握的仅仅是专业基础课的理论，如何去锻炼我们的实践的一面？

如何把我们所学到的专业基础理论知识用到实践中去呢？

我想做类似的设计就为我们提供了良好的实践平台。

在做本次设计的过程中，我感触最深的当数查阅大量的资料了。

为了让我的设计更加完善，更加符合标准，一次次翻阅书籍是十分必要的，同时也是必不可少的。

在学习理论知识的同时也要参加实践活动，把课本上的知识运动到社会实践当中去，也是我们学习专业理论知识的最终目的。

但对于我来说，收获最大的算是方法和能力，分析和解决问题的能力。

在整个课程设计的过程中，我发现在经验方面还是有点缺乏，理论的知识不足，有些东西与实际脱节。

总体来说，我觉得像课程设计这种类型的作业对我的帮助还是很大的，它需要我们将学过的相关知识系统地联系起来，从中暴露出自身的不足，以待改进！

本次设计的数字气压计能够实时的现实测量值，精度高，耗能低，工作可靠。

不足之处为测量的温度范围过窄，不能用于温度过高的场合。

附录

系统总原理图

把各个模块连接起来，构成气压计系统原理图，如图附1

图附1

参考文献

[1]何立民．单片机初级教程[M]．北京：

北京航天航空大学出版社，2004

[2]赵建领．51单片机开发与应用技术详解[M]．北京：

电子工业出版社,2009

[3]高金源．计算机控制技术[M]．北京：

北京航空航天大学出版社，2001

[4]张晋格．计算机控制原理与应用[M]．北京：

电子工业出版社，1995

[5]张俊谟．单片机的发展与应用[J]．电子制作，2007，（8）：

23~24

[6]黄一夫．微型计算机控制技术[M]．北京：

机械工业出版社，1998

[7]熊静琪．计算机控制技术[M]．北京：

电子工业出版社，2003