本科毕业设计基于单片机的气压传感器研制.docx

1、本科毕业设计基于单片机的气压传感器研制 重庆邮电大学毕业设计（论文） 设计（论文）题目：基于单片机的气压传感器研制摘 要人们对气压的认识也是人类科学研究的一大进步，人们从很久以前就在研究大气，并且有人认为有大气压值，直到马德堡半球实验，真正证明了大气压的存在。气压的应用也是比较早的，如著名的蒸汽火车头，就是人类应用气压的一个显著例子。气压计在现实生活中的使用并不是很明显，大部分人在一生中很少甚至没有接触过气压传感器，但是气压传感器在某些工作领域确实是不可或缺的重要器材，例如国防领域、工业领域、医疗领域以及气象学领域。本设计介绍了一种基于单片机和气压传感芯片MPX4115A的数字式气压传感器的软

2、、硬件实现方法。通过气压传感芯片MPX4115A获得被测环境中的气压值并输出相应的模拟电压值，此电压经过以LM331芯片为核心的V/F转换电路输出相应数字脉冲信号，输入到单片机的计数器。单片机在单位时间内获得该信号的脉冲数值,计算出脉冲信号的频率。根据电压与频率的线性关系计算出对应的实际气压值，最后通过液晶显示屏LCD1062显示出来，并进行了软硬件调试。【关键词】单片机 气压传感芯片 液晶显示屏 V/F转换芯片ABSTRACTAir pressure is a big step forward for the Human Sciences Research, human being have

3、 a long history of study air pressure. The Magdeburg hemispheres experimental proofed the existence of the air pressure. The application of air pressure is relatively early, such as the steam engine is a notable example of human being application of air pressure.Barometer use in real life is not ver

4、y obvious, most of the people in their lives with little or no contact with barometer. Actually, barometer is an indispensable equipment in certain areas of work, such as the field of national defense, industrial fields，the medical field and the field of meteorology. This design based on microcontro

5、ller STC89C52 and pressure sensor chip MPX4115A, and introduced how its software and hardware works. We can get analog output voltage which corresponds to the measured pressure, by pressure sensor chip MPX4115A. This voltage go through the V / F converter circuit unit which based on LM331, output di

6、gital pulse signal ,then input the digital pulse signal to the microcontroller STC89C52 counter. Microcontroller STC89C52 within a unit time obtains the signal pulse values and calculates the frequency of the pulse signal, Calculate the actual pressure value, according to the linear relationship bet

7、ween the voltage and frequency, then display it by LCD1062.【Key words】Microcontroller Air pressure sensor chip LCD1602 V / F converter chip前 言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。著名的马德堡半球实验证明了它的存在。气压的国际制单位是帕斯卡，简称帕，符号是Pa。最古老的气压测量方法有水银柱气压计和无液气压计。但是这两种气压计往往体积比较大不利于携带，还具有对气压测量时无法直观的读出其大小、不能将气压值送入

8、数字电路进行处理、测量精度差、容易受环境影响的缺点。所以它们都不能应对二十一世纪这个信息技术高度发展的时代，因此对数字式气压计的研究和设计有了十分实际的意义。随着微电子制造技术的发展，诞生了数字化、小型化的气压传感芯片。而单片机的大面积普及应用，更使得我们设计基于单片机的小型化数字式便携式气压计成为可能。数字式的小型化气压计将使得各个领域对气压的测量更加方便和直观。在工业领域，气压传动控制是工业中经常用到的一种控制方式，它采用气压完成传递能量的过程。因为气压传动控制方式的灵活性和便捷性，气压控制在工业上受到广泛的重视。气压传动是研究以有压流体为能源介质，来实现各种机械和自动控制的学科。气压传动

9、利用这种元件来组成所需要的各种控制回路，再由若干回路有机组合成为完成一定控制功能的传动系统来完成能量的传递、转换和控制【1】。数字式的气压计能直接接入工业自动控制系统中，对工业生产有很大帮助。地球表面上的风、云、雨、雪等万千气象都跟大气运动有紧密的关系，而造成大气运动的动力来源就是大气压分布的不平衡和气压分布的经常变化。由于地球表面不同地方在太阳照射下受热情况不同，各地的空气温度就有较大差别。在同一水平面上，如果气压分布不均匀，空气就要从高气压地区向低气压地区流动。因此某地区的气压高，该地区的空气就在水平方向上向周围地区流出。高气压地区上方的空气就要下降。由于大气压随高度的减小而增大，所以高处

10、空气下降时，它所受到的压强增大，它的体积减小，温度升高，空气中的凝结物就蒸发消散。所以，高气压中心地区不利于云雨的形成，常常是晴天。如果某地区的气压低，周围地区的空气就在水平方向上向该地区流入，结果使该地区的空气上升，上升的空气因所受的压强减小而膨胀，温度降低，空气中的水汽凝结，所以，低气压中心地区常常是阴雨天【2】。由于气压跟天气有密切的关系，所以各气象哨所每天都按统一规定的时刻观测当地的大气压，报告给气象中心，作为天气预报的依据之一。另外，随着改革开放特别是近年来经济的快速发展，越来越多的中国家庭购买了小轿车，我国正加快步入汽车社会，而轮胎安全是影响汽车安全性能的一个重要因数，轮胎的爆胎由

11、于其具有不可预测性和不可控制的特点而成为突发性交通事故发生的重要原因，造成巨大的经济损失和人员伤亡，极大地威胁着汽车的行驶安全。为了保证汽车安全、平稳地行驶，适当的轮胎充气压力是必须的。在汽车的行驶中，如果胎压过高则会使得轮胎及轮胎圈容易受到不平地面的冲击而变形，甚至会导致爆胎；胎压过低会导致轮胎不正常磨损、轮胎内部损伤和轮胎温度升高从而导致爆胎【3】。现在，对行驶中的汽车的胎压进行实时监测越来越受到广大车主的关注。由此可见，气压计的应用十分宽广,它和我们的生活生产息息相关。本论文共分为四章：第一章，系统的总体方案设计，介绍了本系统的设计思想和原理，给出了系统的总体方案，选定了方案所用的各个器

12、件。第二章，系统的硬件部分，介绍了所用到的芯片的性能以及使用方法，详细地设计了各个功能模块的电路图，并给出了系统的总体硬件设计电路图。第三章，软件部分的设计，在系统总体设计方案的框架下，构思了软件部分设计的流程方案，并绘出流程图；完成了系统的软件部分设计。 第四章，系统的调试，测试系统硬件各个功能模块并对遇到的问题进行修改，最后顺利通过了测试;测试系统的软件部分，对遇到的问题进行修改，通过测试。第一章 系统总体方案的设计第一节整体设计思想及系统原理本设计主要的功能是整个电路能够完成测量并显示出被测环境的绝对气压值。设计系统结构是，需要考虑系统的稳定性、复杂度、整体造价及调试时的难易程度和系统软

13、件的复杂程度等因数。各个模块之间没有复杂的信号传输，彼此之间的电磁干扰小，在不同的温度下能正常工作且具有温度补偿能力【4】。本系统以STC89C52单片机为核心，主要运用了STC89C52单片机的定时计数器和P0接口及部分P2接口。在MPX4115A气压传感芯片输出的模拟电压经过以LM331V/F转换芯片为核心的电路转换成具有一定频率的脉冲信号后，利用STC89C52单片机的定时计数器在单位时间内获得脉冲数值，经过C语言程序计算出相应的气压值并经过STC89C52单片机的P0接口输出到LCD1602液晶显示屏显示出来。LCD1602液晶显示屏的控制由STC89C52单片机P2.0、P2.1、P

14、2.2来实现。从而达到课题的功能和要求。本设计达到了实时显示被测环境的绝对压值的功能，具有便于携带、体积小、功耗低、经济性好、成本较低、良好的环境适应能力和抗干扰能力强和一定温度补偿能力等特点。本设计充分利用了微机械加工技术和微电子技术的发展成果。随着微机械加工技术的新兴发展和微电子技术的日益成熟，各种基于MEMS（微型机电系统，Micro Electro-Mechanical System）技术的元器件应运而生，他们有着体积小、质量轻、成本低、功耗低、可靠性和工作效率高的特点，易于实现数字化、小型化和批量生产，目前已经在各行各业得到广泛的应用【5】。本系统选用的气压传感器是Motorola公

15、司生产的新型MEMS器件MPX4115A单片集成硅压力传感器。第二节实现方案本设计采用单片机作为主控芯片，通过模拟气压传感芯片采集气压数据输出相应的模拟电压，该电压经过V/F转换电路得到具有一定频率的数字脉冲信号，该频率与输入的电压成一定关系，将脉冲信号送入单片机进行处理，将处理的结果送显示器显示。本设计的工作原理流程图如图1.1所示。图1.1 系统工作原理流程图上面介绍了本设计的工作原理流程图，如图1.2是系统的原理框图。这是系统的硬件设计的基础，从图中可以看出硬件电路的基本架构。电源电路为其它电路提供工作电源，气压传感芯片、V/F转换芯片、单片机、LCD显示屏将按图1.1所示的流程实现系统

16、的功能。图1.2 系统原理框图第三节元件选取一、 单片机的选型20世纪80年代以来，单片机的反战非常迅速。就通用单片机而言，世界上一些著名的计算机厂家已投放市场的产品就有几十个系列，数百个品种。其中有Motorola公司的6801、6802。此外，还有荷兰的Philips公司、日本的NEC公司、日立公司，相继也推出了各自的单片机品种，许多国外公司以MCS-51系列单片机的内核为基础，推出了与MCS-51系列单片机相兼容的衍生产品【6】。所以，可以供我们选用的单片机厂商众多，单片机芯片也有很多种，常见的有以下几种：1MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）生产的单片机芯片。此芯片是一款具有精

17、简指令集（RISC）的混合信号处理器，其处理能力极强、运算速度快、功耗超低、片内资源丰富且有方便高效的开发环境。然而，其价格比较昂贵且采用TPFQ贴片封装，不利于焊接，需要制作成PCB板，但这将大大增加了成本和开发周期【7】。2STC89C52单片机是宏晶科技有限公司生产的单片机芯片。此芯片是一种低功耗、高性能CMOS 8位微处理器，具有8K在系统可编程Flash存储器、512字节RAM、32位I/O口、看门狗定时器、内置4KB EEPROM、MAX810复位电路等【8】。3ATmega16单片机是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8 位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指

18、令执行时间，ATmega16 的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。ATmega16 有如下特点:16K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力，即RWW)，512 字节EEPROM，1K 字节SRAM，32 个通用I/O 口线，32 个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG 接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/ 计数器(T/C),片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益的ADC ，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI串行端口，以及六个可以通过软

19、件进行选择的省电模式【9】。尽管单片机的品种很多，但是在我国使用最多的是Intel公司的MCS-51系列单片机及其增强型、扩展型的衍生机型。又由于笔者学习过MCS-51系列单片机，而且考虑到开发难度和成本，本系统选取STC89C52单片机作为处理器。二、 气压传感器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：1测量范围即所能测量的大气压力范围，单位为KPa。2测量精度测量结果（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的问题

20、。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。经过综合考虑，本系统选用美国摩托罗拉公司的集成压力传感器芯片MPX4115A作为气压传感器。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，薄膜镀金属技术。还能为高水准模拟输出信号提供一个均衡压力。在085的温度下误差不超过1.5%，温度补偿是-40125【10】。MPX4115A具有温度补偿、稳定性高和抗干扰能力强等特点。而且，可以产生

21、与所加气压成线性关系的高精度模拟输出电压。具体关系如下：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。三、 V/F转换芯片气压传感器MPX4115A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。本系统采用一种电压/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线性关系的脉冲序列，虽然V/F器件本身还不能算做量化器，但加上单片机定时器与计数器处理以后也可以实现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

22、易程度和相应的性能指标，本系统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：1最大非线性误差为0.01%。2可单、双电源供电，电压范围为540V。3脉冲输出可兼容任何逻辑形式。4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/。5宽的满量程频率范围：1Hz100KHz。四、 显示器目前，市场上的显示模块种类繁多，功能各异，常见的有以下几种：1带字库的LCD12864液晶显示屏。LCD12864是一款通用的液晶显示屏，能够显示大部分常用的汉字及ASCII码，而且能够绘制图片、描点画线、设计出比较理想的结

23、果。2液晶LCD1602显示屏，LCD1602是一款比较通用的字符液晶显示屏，能显示字符和数字等信息，但不能显示图画，其具有价格低廉、操作方便、功耗低、编程简单的特点。3LED7段数码显示管，数码管实际上是由七个发光管组成8字形构成的，其成本低，但只能显示数字和少量字符。液晶显示屏比数码显示管的功耗低，显示也更直观，易于软件编程。考虑到价格因素以及显示需求，LCD1602液晶显示屏是最佳的选择【11】。五、 三端稳压器由于在本设计中LM331需要+15V的工作电源，但是单片机、MPX4115A和LCD1602等其他元件的工作电源为+5V，所以，为了满足整个系统的正常工作的需要，我们还需要设计专

24、门的电源电路。在这里，笔者选用了摩托罗拉公司生产的三端低电流线性稳压芯片MC78L05作为+15V电压转+5V电压的芯片。根据数据手册的介绍，其输入电压范围：2.624V，输出+5V 固定电压；其无需外部保护电路，具有内部短路电路限制和热过载保护功能。第四节本章小结本章主要介绍本系统的设计要求，并选取了符合要求的设计方案，讲解了被选取方案的设计思想及工作原理。本章还讨论了系统各元件的介绍及选取。本章的工作为后面的具体实现打下了良好的基础，后面章节都是在这章的总体方案设计的基础上展开的。所以，这章的工作很重要。第二章 硬件系统的设计与实现第一节单片机电路一、 单片机概述单片机就是在一块半导体硅片

25、上集成了微处理器（CPU），存储器（RAM，ROM，EPROM）和各种输入、输出接口（定时器/计数器，并行I/O口，串行口，A/D转换器以及脉宽调制器PWM等）的具有一台计算机属性的集成电路芯片。单片机的发展历史大概可以分为四个阶段。第一阶段（1974年1976年）：单片机诞生的阶段；第二阶段（1976年1978年）：低性能单片机阶段；第三阶段（1978年现在）：高性能单片机阶段；第四阶段（1982年现在）：8位单片机巩固发展及16位单片机、32位单片机推出阶段。单片机以其卓越的性能、价格低廉、高可靠性，得到了广泛的应用。在检测控制领域，由于其小巧灵活、低成本、易于产品化，它能方便的组装成各种

26、智能测控设备及各种智能仪器仪表。在本系统中，就是利用了他的这一特点，来做气压检测仪表。另外其还广泛应用于工业自动化、消费类电子产品、通信器材、国防工业等领域，单片机的出现大大的推进了社会智能化的进程【12】。二、 单片机片内结构、引脚及封装STC89C52和MCS-51系列单片机相似，这里以MCS-51单片机的片内结构来介绍STC89C52，如图2.1所示。图2.1 MCS-51单片机片内结构图由图可见，单片机内部包含了微处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM/EPROM）、中断系统、定时器、计数器、特殊功能寄存器以及各种借口。它们通过一条总线连接在一起。1.CPU（微处理

27、器）MCS-51单片机中有1个8位的CPU，与通用的CPU基本相同，同样包括了运算器和控制放大器两大部分，只是增加了面向控制的处理能力，不仅可处理字节数据，还可以进行位变量的处理。2.数据存储器（RAM）片内为128B，片外最多可外扩64KB。数据存储器用来存储单片机运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等。3.程序存储器（ROM/EPROM）用来存储程序，8031无此部件；8051为4KBROM；8751则为4KBEPROM。如果片内只读存储器的容量不够，则需要用外扩展只读存储器，片外最多可外扩至64KB。4.中断系统具有5个中断源，2级中断优先权。5.定时器/计数器片内

28、有2个16位的定时器/计数器，具有4种工作方式。在单片机的应用中，往往需要精确的定时，或对外部事件进行技术，因而需要在单片机的内部设置定时器/计数器部件。6.串行口1个全双工的串行口，具有4种工作方式。可用来进行串行通信，扩展并行I/O口，甚至与多个单片机相连构成舵机系统，从而使单片机的功能更强且应用更广。7.P1口、P2口、P3口、P0口为4个并行8位I/O口。8.特殊功能寄存器（SFR）特殊功能寄存器共有21个，用于CPU对片内外各功能部件进行管理、控制、监视。实际上是片内各功能部件的控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区【13】。要掌握单片机因先了解它的引脚及功能。制造工艺

29、为HMOS的单片机采用40只引脚的双列直插封装（DIP）方式，STC89C52的引脚如图2.2所示。图2.2 STC89C52封装引脚图三、 89C52单片机引脚功能1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。1Vcc（40脚）：接+5V电源，为单片机芯片提供电能。2Vss（20脚）接地。3XTAL1（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。4XTAL2（18脚）在单片机内部，接至上述振荡器的反向输出端。2控制引脚5RSR/ VPD（9脚）：复位信号输入端，高电平有效，当振荡器运行时，在

30、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。6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（50.5V）时，VPD就向内部RAM提供备用电源。7ALE/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

31、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。8PSEN（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。9EA/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0FF

32、FH时将自动转向执行外部程序存储器内的程序【13】。3输入/输出引脚此类引脚包括P0口、P1口、P2口和P3口。1P0（P0.0P0.7）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。2P1（P1.0P2.7）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。3P2（P2.0P2.7）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。4P3口功能表，如表2.1所示。表2.1 P3口的功能表P3口各个位的第二功能P3口的位第二功能说明P3.0RXD