數(shù)字氣壓計的設計

1、數(shù)字氣壓計的設計摘要：本文介紹基于氣壓傳感器MPX4105的精密數(shù)字氣壓計系統(tǒng)的軟、硬件實現(xiàn)方法。通過氣壓傳感器MPX4105獲得與氣壓相對的模擬電壓值，并經過電壓/頻率（V/F）轉換模塊轉換為數(shù)字脈沖，通過單片機對此脈沖序列的計數(shù)等處理后獲得實際的氣壓值，并通過數(shù)碼管顯示電路顯示。闡述了系統(tǒng)的軟件設計，以C語言為開發(fā)工具，進行了詳細設計和編碼?？傮w目標是實現(xiàn)系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、安全性和經濟性。 關鍵詞：氣壓傳感器，電壓/頻率轉換，單片機The Design of Numeral-barometerAbstract：Introduces a precise numerical baromet

2、er system based on MPX4105, giving the achieve-method of soft and hardware Obtain the value of analog voltage according to the air pressure via MPX4105, and convert it into numerical pulse by the voltage/frequency conversion. Recur to the take count of the pulse-sequence and relevant management by t

3、he SCM, an actual air-pressure value is obtained. On the system software design, development tools is C language, a detailed design and coding. The overall objective is to achieve system reliability, stability, security and economy.Key words: Gs pressure transducer，Voltage / frequency conversion，SCM

4、1引言1.1課題背景數(shù)字氣壓計是利用壓敏元件將待測氣壓直接變換為容易檢測、傳輸?shù)碾娏骰螂妷盒盘枺缓笤俳涍^后續(xù)電路處理并進行實時顯示的一種設備。其中的核心元件就是氣壓傳感器，它在監(jiān)視壓力大小、控制壓力變化以及物理參量的測量等方面起著重要作用。運用于氣壓計的氣壓傳感器基本都是依靠不同高度時的氣壓變化來獲取氣壓值的。相對比于普通的水銀氣壓計，有準確易讀，易攜帶的優(yōu)點。氣象學研究表明，在垂直方向上氣壓隨高度增加而降低。例如在低層，每上升100m氣壓便降低10hPa；在56km的高空，高度每增加100m，氣壓便會降低7hPa；而當高度進一步增加時，即到910km的高空之后，高度每增加100m，氣壓便會

5、降低5hPa；同樣，若空氣中有下降氣流時，氣壓會增加；若空氣中有上升氣流時，作用于空氣柱底部的氣壓就會減小。一般把作用于單位面積上空氣柱的重量稱為大氣壓力。數(shù)字氣壓計大量應用在各種工礦企業(yè)，野外作業(yè)，消費類電子產品等等的地方。需求極為廣泛。1.2 本課題國內外研究現(xiàn)狀常見氣壓計有液體氣壓計和盒式氣壓計。飛機上使用的高度計實際上是用盒式氣壓計改裝成的。常見的液體氣壓計有水銀氣壓計和酒精氣壓計2種，這2種都是老式的氣壓計，體積大，精度低，不方便攜帶且容易壞，當今社會科技高速發(fā)展，各行各業(yè)不斷出現(xiàn)新技術新材料，氣壓測量這塊也是這樣，盒式氣壓計的出現(xiàn)部分的解決了液體氣壓計所無法解決的缺點，比如體積、方

6、便攜帶等等。人類社會進入20世紀90年代以后微電子行業(yè)發(fā)展極為迅速，各種各樣的電子傳感器被發(fā)明且被運用到各行各業(yè)，為人們的生產生活創(chuàng)造了極大的便利。數(shù)字氣壓傳感器亦已出現(xiàn)，并大量被運用，甚至現(xiàn)在很多手持設備中都已經加入了氣壓計功能，比如手機，GPS等，方便了人們的出行旅游。目前國際國內很多公司都推出了其數(shù)字氣壓傳感器，如摩托羅拉公司的MPX4105和Intersema公司的MS5534b另外還有華普微電子的HP03系列數(shù)字氣壓傳感器。眾多數(shù)字氣壓傳感器的出現(xiàn)使得多樣化的數(shù)字化氣壓測量裝置、用品大量出現(xiàn)，并越來越普及，精度也越來越高。數(shù)字氣壓計一般不會只有測量氣壓一種功能，一般都有其他的功能，比

7、如測溫度、指南針、碼表等等的功能。微控制器是將微型計算機的主要部分集成在一個芯片上的單芯片微型計算機。微控制器誕生于20世紀70年代中期，經過20多年的發(fā)展，其成本越來越低，而性能越來越強大，這使其應用已經無處不在，遍及各個領域。例如電機控制、條碼閱讀器掃描器、消費類電子、游戲設備、電話、HVAC、樓宇安全與門禁控制、工業(yè)控制與自動化和白色家電(洗衣機、微波爐)等。本次設計也將采用微控制器作為電子氣壓計的數(shù)據(jù)采集處理和控制元件。微控制器可從不同方面進行分類：根據(jù)數(shù)據(jù)總線寬度可分為8位、16位和32位機；根據(jù)存儲器結構可分為Harvard結構和Von Neumann結構；根據(jù)內嵌程序存儲器的類別

8、可分為OTP、掩膜、EPROMEEPROM和閃存Flash；根據(jù)指令結構又可分為CISC(Complex Instruction Set Computer)和RISC(Reduced Instruction Set Computer)微控制器。氣壓傳感器和微電子控制器的結合，可以創(chuàng)造出很多應用，可以說只要能有好的想法，一般都可以實現(xiàn)，氣壓計已經由以前的只有專業(yè)場合專業(yè)人士才能使用的測量器具變成今天的隨處可見，方便使用的電子產品，并集成到眾多的電子產品中，都歸功于電子行業(yè)技術發(fā)展和很多有創(chuàng)新精神開發(fā)者。1.3本課題的研究意義本課題是要設計一個利用微控制和數(shù)字化氣壓傳感器為核心元件組成的電子氣壓計

9、系統(tǒng)。微控制和數(shù)字化氣壓傳感器的結合可以使得氣壓計的設計更具靈活性，測量精度相對于液體氣壓計也有了顯著提高。測量結果的顯示也更直觀，并可靈活的加入超壓、低壓報警等特殊功能，以滿足某些特定需要。通過本次設計也較好的鍛煉了本人的動手能力，為將來的工作打下了一定的基礎，同時可以充分利用課堂所學知識進行本課題的設計，在運用這些知識的過程中，加深了對這些知識的理解。由原先的機械記憶變?yōu)轭I會本質。1.4 本課題相關理論綜述在設計電子氣壓計之前首先要搞清楚氣壓的定義。氣壓是作用在單位面積上的大氣壓力，即等于單位面積上向上延伸到大氣上界的垂直空氣柱的重量。氣壓以百帕（hPa）為單位，取一位小數(shù)。國際制單位：帕

10、斯卡，簡稱帕，符號是Pa。常用單位：標準大氣壓。表示氣壓的單位，習慣上常用水銀柱高度。例如，一個標準大氣壓等于760毫米高的水銀柱的重量，它相當于一平方厘米面積上承受1.0336公斤重的大氣壓力。由于各國所用的重量和長度單位不同，因而氣壓單位也不統(tǒng)一，這不便于對全球的氣壓進行比較分析。因此，國際上統(tǒng)一規(guī)定用百帕作為氣壓單位。經過換算：一個標準大氣壓1013百帕（毫巴）1毫米水銀(汞柱）柱高4/3百帕（毫巴）1個標準大氣壓760mm水銀(汞柱）柱高。氣壓產生的原因：從分子動理論可知，氣體的壓強是大量分子頻繁地碰撞容器壁而產生的。單個分子對容器壁的碰撞時間極短，作用是不連續(xù)的，但大量分子頻繁的碰撞

11、器壁，對器壁的作用力是持續(xù)的、均勻的，這個壓力與器壁面積的比值就是壓強大小。 影響壓強的因素：氣壓的大小與海拔高度、大氣溫度 、大氣密度等有關，一般隨高度升高按指數(shù)律遞減。氣壓有日變化和年變化。一年之中，冬季比夏季氣壓高。一天中，氣壓有一個最高值、一個最低值，分別出現(xiàn)在910時和1516時，還有一個次高值和一個次低值，分別出現(xiàn)在2122時和34時。氣壓日變化幅度較小，一般為0.10.4千帕，并隨緯度增高而減小。氣壓變化與風、天氣的好壞等關系密切，因而是重要氣象因子。通常所用的氣壓單位有帕(Pa)、毫米水銀柱高(mmHg)、毫巴(mb)。它們之間的換算關系為：100帕1毫巴34毫米水銀柱高。氣象

12、觀測中常用的測量氣壓的儀器有水銀氣壓表、空盒氣壓表、氣壓計。溫度為0時760毫米垂直水銀柱高的壓力,標準大氣壓最先由意大利科學家 托里拆利 測出。2系統(tǒng)總體設計2.1 設計思路分析 （1） 設計方案一：采用單片機主控，通過壓力傳感器、A/D轉換采集數(shù)據(jù)信息，經過含有單片機的檢測系統(tǒng)檢測，將結果傳送到單片機控制的主控器，數(shù)據(jù)通過顯示器顯示。原理框圖如圖2.1所示。顯示器單片機控制的主控制器總線單片機控制的檢測系統(tǒng)A/D轉換器壓力傳感器圖2.1 方案一原理圖 （2） 設計方案二：采用集成的單片機主控，通過壓力傳感器將氣壓信號送入帶A/D轉換的單片機中，以及在相關模擬分立元件的輔助下進行A/D轉換以

13、及其它的數(shù)據(jù)處理，將處理的結果送顯示部分進行顯示。原理框圖如圖2.2所示。氣壓傳感器顯示器微處理器89C52 圖2.2 方案二原理圖綜上所述，方案一電路雖然與方案二類似，都較方案一調整方便、可兼顧的指標多，但方案一利用PC機平臺實現(xiàn)軟件操作，在操作運行復雜，并且性價較底，因為耗費較大，所以在實際應用中一般不用，所以我們選擇第二種方案。設計51單片機數(shù)字氣壓計系統(tǒng)時，需要考慮下面4個方面的內容。選擇合適的氣壓傳感器芯片，這要根據(jù)實際需要以及各種氣壓傳感器的性能參數(shù)來決定。選擇合適的A/D轉換器件，它的作用是將氣壓傳感器輸出的模擬電流或電壓信號轉換為數(shù)字信號。設計單片機和A/D轉換器件的接口電路。

14、實現(xiàn)氣壓信息采集并輸出的軟件設計。2.2 系統(tǒng)總體結構本系統(tǒng)的總體結構框圖如圖2.3所示?；趩纹瑱C的數(shù)字氣壓計設計初始化模塊A/D轉換模塊數(shù)據(jù)處理模塊顯示模塊圖2.3 單片機數(shù)字氣壓計系統(tǒng)結構框圖由圖2.3可知，整個系統(tǒng)的工作流程如下。測量時被測氣壓由氣壓傳感器轉換為模擬的電壓輸出，此輸出信號不能直接交由單片機處理。因此，需要經過V/F轉換模塊把氣壓傳感器輸出的模擬電壓信號轉換為數(shù)字脈沖（其頻率隨輸入電壓呈線性變化）。通過單片機接收該脈沖信號，得到單位時間內獲得的脈沖數(shù)，依據(jù)電壓與頻率的線性關系式計算出所對應的實際氣壓值，最后通過數(shù)碼管顯示電路顯示給用戶。2.3系統(tǒng)各功能模塊的設計思想通過對

15、單片機各個端口的設置，以及定時器工作方式和串行口工作方式的選擇，并對定時器和串行口進行初始化用以實現(xiàn)對單片機和各個功能模塊芯片之間通訊聯(lián)絡的設定。在主程序模塊中我們關鍵是使單片機初始化，以及分配地址空間交代程序中各個變量等。其中最為關鍵的是連接子程序的各個功能模塊。2.3.1 A/D轉換模塊單片機接受傳感器的電壓值為模擬信號，它要和A/D轉換模塊的鋸齒波發(fā)生裝置發(fā)送過來的標準模擬信號相比較，即通過P1.0和P1.1引腳進行比較，同時開發(fā)定時器0，當待測模擬信號超過標準模擬信號時，P3.6引腳信號將會發(fā)生變化，此時的定時器0的值通過量綱轉化就得到了相應的數(shù)字信號。2.3.2 數(shù)據(jù)處理模塊數(shù)據(jù)處理

16、模塊主要是對A/D轉換模塊的數(shù)據(jù)進行多次采集，并且對采集的數(shù)據(jù)進行處理，此處理過程主要是對采集的數(shù)據(jù)進行初值定義以及相應的移位處理，并且把處理好的數(shù)據(jù)送入相應的緩沖區(qū)，為后面的顯示模塊作好準備。2.3.3 顯示模塊用單片機芯片AT89C52的P0.0/AD0P0.7/AD7端口接數(shù)碼管的ah端，8位數(shù)碼管的S1S5通過AT89C52的P2.0P2.4端口來控制選通每個數(shù)碼管的位選端。在數(shù)據(jù)的顯示模塊中，我們采用的是LED動態(tài)顯示的方式。其具體的實現(xiàn)過程在上述設計思想中詳細說明。7段數(shù)碼管選用共陽連接方式，通過端口輸出編碼后的段碼，對應筆畫為“高電平“時點亮。2.4氣壓傳感器的選擇氣壓傳感器對于

17、數(shù)字氣壓計設計的實現(xiàn)至關重要，需要綜合實際的需求和各類氣壓傳感器的性能參數(shù)加以選擇。氣壓傳感器的主要性能參數(shù)如下。測量范圍即所能測量的大氣壓力范圍，單位為kPa。測量精度測量結果（電流或電壓）的精度。溫度補償范圍一般要選用具有溫度補償能力的氣壓傳感器，因為溫度補償特性可以克服半導體壓力敏感器件存在的溫度漂移問題。測量的是否是絕對氣壓值絕對氣壓值對應的即是實際的氣壓值，顯然要實現(xiàn)數(shù)字氣壓計需要測量絕對氣壓值的氣壓傳感器。數(shù)字氣壓計顯示的是絕對氣壓值，同時為了簡化電路，提高穩(wěn)定性和抗干擾能力，要求使用具有溫度補償能力的氣壓傳感器7。經過綜合考慮，我們選用美國摩托羅拉公司的集成壓力傳感器芯片MPX4

18、105作為氣壓傳感器。MPX4105可以產生于所加氣壓呈線性關系的高精度模擬輸出電壓，它具有以下特點：供電范圍：4.855.35V，典型值為5.1V。測量范圍：15105kPa。工作溫度范圍：085。溫度補償范圍：-40+125。測量精度為1.7%VFSS。最低氣壓對應的輸出電壓VOFF為0.1840.428V，典型值為0.306V；最高氣壓對應的輸出電壓VOFF為4.8044.988V，典型值為4.896V；滿刻度輸出電壓間距VFSS的典型值為4.590V。理想的微處理器接口。2.5 A/D轉換器件的選擇氣壓傳感器MPX4105輸出的是模擬電壓，因此，必須進行A/D轉換才能交由單片機處理。關

19、于A/D轉換，其模塊的特點是：轉換分辨率為10位，最多含8個輸入通道和一個內部溫度傳感器。我采用一種電壓/頻率（V/F）轉換電路來實現(xiàn)模擬電壓的數(shù)字化處理。V/F轉換電路由V/F器件實現(xiàn)。V/F器件的作用是將輸入電壓的幅值轉換成頻率與輸入電壓幅值成正比的脈沖序列，雖然V/F器件本身還不能算做量化器，但加上定時器與計數(shù)器以后也可以實現(xiàn)A/D轉換。V/F器件的突出特點就是它能夠把模擬電壓轉換成抗干擾能力強、可遠距離傳送并能直接輸入單片機接口的脈沖序列。通過測試V/F的輸出頻率?？梢詫崿F(xiàn)A/D轉換功能。針對電路的實際需要，并考慮到外圍電路實現(xiàn)的難易程度和相應的性能指標，我選用國家半導體公司的芯片LM

20、331來實現(xiàn)A/D轉換。LM331是一款高精度電壓/頻率轉換芯片，它具有以下特點：最大非線性誤差為0.01%?？蓡?、雙電源供電，電壓范圍為540V。脈沖輸出可兼容任何邏輯形式。內部具有溫度補償能隙基準電路，因而具有極佳的溫度穩(wěn)定性，最大溫漂為50ppm/。寬的滿量程頻率范圍：1Hz100KHz。2.6 三端穩(wěn)壓器本設計中的LM331工作電源采用+15V，但是單片機、MPX4105等其他芯片需要+5V供電，因此還需要設計專門的供電電路以滿足整個系統(tǒng)的電源需求。選用摩托羅拉公司的三端低電流線性穩(wěn)壓芯片MC78L05作為電源電路。其輸入電壓范圍：2.624V，輸出+5V 固定電壓；具有內部短路電路限

21、制和熱過載保護功能，無需外部元器件。2.7 數(shù)碼管顯示2.7.1 數(shù)碼管靜態(tài)顯示當顯示器顯示某一個字符時，相應的發(fā)光二極管恒定的導通或截止，這種顯示方式每一位都需要一個8位輸出口控制。靜態(tài)顯示時，較小的電流能得到較高的亮度且字符不閃爍，當顯示器位數(shù)較少時，采用靜態(tài)顯示的方法是合適的。2.7.2數(shù)碼管動態(tài)顯示一位一位地輪流點亮顯示器各個位，對于顯示器的某一位來說，每隔一段時間點亮一次。利用人的視覺暫留功能可以看到整個顯示，但必須保證掃描速度足夠快，字符才不閃爍。顯示器的亮度既與導通電流有關，也與點亮時間和間隔時間的比例有關。若顯示器的位數(shù)不大于8，則控制顯示器公共極電位只需一個I/O口，控制顯示

22、器的各位所顯示的字型也只需一個8位口。單個LED是由段發(fā)光二極管構成的顯示單元。有10個引腳，對應于個段、1個小數(shù)點和2個公共端9。本設計中需要用5個LED組成顯示單元，共陰極接法，所以我們采用數(shù)碼管動態(tài)顯示。2.8 系統(tǒng)配置我們以AT89C52單片機為整個系統(tǒng)的核心，通過氣壓傳感器對氣壓信號的采集、控制、放大等處理完成氣壓參數(shù)的自動獲取，以及進行數(shù)字顯示等等。在此過程中需要利用AT89C52單片機內部的定時器對其進行度量，再使用軟件模塊對其進行處理，即得到了A/D轉換的結果。進行多次A/D轉換后，我們就可以采集到一脈沖序列的數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進行適當?shù)奶幚?，最后通過數(shù)碼管顯示電路顯示給用戶，進

23、而達到了我們對整個系統(tǒng)設計的基本要求。3硬件電路設計經過之前的分析,單片機系統(tǒng)中的數(shù)碼管顯示電路，它通常由譯碼器、驅動器和顯示器等部分組成，是將采集到得氣壓值通過數(shù)碼管顯示的電路。硬件電路離不開功能性器件，因此首先來看看本數(shù)字胎壓計所采用的主要器件。3.1單片機電路部分3.1.1 主要芯片介紹89C52單片機89C52單片機的40條引腳按功能來分，可以分為3部分，電源及時鐘引腳、控制引腳和輸入/輸出引腳。如下圖3.1所示： 圖3.1 單片機引腳圖 89C52單片機引腳功能主電源及時鐘引腳此類引腳包括電源引腳Vcc、Vss、時鐘引腳XTAL1、XTAL2。 （1）Vcc（40腳）：接+5V電源，

24、為單片機芯片提供電能。 （2）Vss（20腳）接地。 （3）XTAL1（19腳）在單片機內部，它是一個反向放大器的輸入端，該放大器構成了片內的振蕩器，可提供單片機的時鐘控制信號。 （4）XTAL2（18腳）在單片機內部，接至上述振蕩器的反向輸出端?？刂埔_此類引腳包括RESET（即RSR/VPD）、ALE/PROG、PSEN、EA/VPP，可以提供控制信號，有些具有復用功能。 （1）RSR/ VPD（9腳）：復位信號輸入端，高電平有效，當振蕩器運行時，在此引腳加上兩個機器周期的高電平將使單片機復位（REST）。復位后應使此引腳電平保持為不高于0.5V的低電平，以保證單片機正常工作。掉電期間，此

25、引腳可接上備用電源（VPD），以保持內部RAM中的數(shù)據(jù)不丟失。當Vcc下降到低于規(guī)定值，而VPD在其規(guī)定的電壓范圍內（50.5V）時，VPD就向內部RAM提供備用電源。 （2）ALE/PROG（30腳）：ALE為地址鎖存允許信號。當單片機訪問外部存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖的下降沿用于鎖存16位地址的低8位。即使不訪問外部存儲器，ALE端仍有周期性正脈沖輸出，其頻率為振蕩器頻率的1/6。但是每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，在兩個機器周期中ALE只出現(xiàn)一次，即丟失一個ALE脈沖。ALE端可以驅動8個LSTTL負載。 （3）PSEN（29腳）：程序存儲器允許輸出控制端。此輸出為單片內訪問外部

26、程序存儲器的讀選通信號。在從外部程序存儲器取指令（或取常數(shù)）期間，每個機器周期均PSEN兩次有效。但在此期間，每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的PSEN信號將不會出現(xiàn)。PSEN同樣可以驅動8個LSTTL負載。 （4）EA/VPP（31腳）：EA功能為內外程序存儲器選擇控制端。當EA端保持高電平時，單片機訪問內部程序存儲器，但在PC（程序計數(shù)器）值超過0FFFH時將自動轉向執(zhí)行外部程序存儲器內的程序。輸入/輸出引腳此類引腳包括P0口、P1口、P2口和P3口。 （1）P0（P0.0P0.7）是一個8位三態(tài)雙向I/O口，在不訪積壓處部存儲器時，做通用I/O口使用，用于傳送CPU的輸入/輸出數(shù)據(jù)，

27、當訪問外部存儲器時，此口為地址總路線低8位及數(shù)據(jù)總路線分時復用口，可帶8個LSTTL負載。 （2）P1（P1.0P2.7）是一個8位準雙向I/O口（作為輸入時，口鎖存器置1），帶有內部上拉電阻，可帶4個LSTTL負載。 （3）P2（P2.0P2.7）是一個8位準雙向I/O口，與地址總路線高8位復用，可驅動4個LSTTL負載。 （4）P3口功能表，如下表3.1所示。表3.1 P3口功能表P3口各個位的第二功能P3口的位第二功能說明P3.0RXD串行數(shù)據(jù)接收口P3.1TXD串行數(shù)據(jù)發(fā)射口P3.2INT0外部中斷0輸入P3.3INT1外部中斷1輸入P3.4T0計數(shù)器0計數(shù)輸入P3.5T1計數(shù)器1計數(shù)

28、輸入P3.6WR外部RAM寫信號P3.7RD外部RAM讀信號3.2 氣壓傳感和V/F轉換電路部分MPX4105壓力傳感芯片氣壓傳感器選用摩托羅拉公司生產地集成壓力傳感芯片MPX4105，其引腳分布如圖3.2所示。 MPX4100123456VOUT GND VCC NC NC NC圖3.2 MPX4105引腳分布圖各引腳功能說明如下：VOUT(1腳)：電壓輸出腳。GND（2腳）：接地端。NC（4、5、6腳）：空引腳，用于芯片內部連接，懸空不適用。LM331電壓/頻率轉換器電壓/頻率轉換器選用國家半導體公司的高精度V/F轉換芯片LM331，其引腳分布如圖3.3所示。LM33112347665CO

29、 RefCFOGNDVCCCmpInThreR/C 圖3.3 LM331引腳分布圖各引腳功能說明如下：CO(1腳)：電流輸出腳。RefC（2腳）：基準電流腳。此引腳可接一固定電阻串聯(lián)一個可變電阻器的組合，用于調整轉換增益。FO（3腳）：脈沖序列輸出腳。該序列的頻率值對應于輸入電壓的脈沖序列。GND（4腳）：接地端。R/C（5腳）：組容網(wǎng)絡引腳。Thre（6腳）：閾值電壓腳。芯片內部的電壓比較器會對此引腳上的電壓和7腳CmpIn上的電壓作比較。CmpIn(7腳)：比較器電壓輸入腳。需要進行V/F轉換的電壓經過低通濾波后由此引腳輸入。VCC（8腳）：電源腳?？刹捎脝?、雙電源供電，輸入電壓540V。

30、MC78L05電源電路由于數(shù)字胎壓計采用的是+15V電源供電，LM331工作于+15V，但是單片機、MPX4105等其他芯片需要+5V供電，因此還需要設計專門的供電電路以滿足整個系統(tǒng)的電源需求。電源電路選用摩托羅拉公司的三端低電流線性穩(wěn)壓芯片MC78L05。MC78L05具有以下特點：輸入電壓范圍：2.624V，輸出+5V固定電壓；具有內部短路電路限制和熱過載保護功能；無須外部器件。其引腳分布如圖3.3所示。各引腳功能說明如下：Vout(1腳)：+5V固定電壓輸出腳。GND(2腳)：接地端。Vin(3腳)：電壓輸入腳，可輸入的電壓范圍為2.624V。 MC78L05123Vout GND Vi

31、n 圖3.4 MC78L05引腳分布圖數(shù)字胎壓計的硬件電路可分為4個部分：氣壓傳感器、V/F轉換電路、單片機電路和電源電路。氣壓傳感和V/F轉換電路的原理圖如圖3.5所示。圖3.5 基于MPX4105的數(shù)字胎壓計系統(tǒng)氣壓傳感及V/F轉換電路原理圖圖3.5中，U3為氣壓傳感芯片MPX4105，它工作于+5V電壓，將被測電壓轉換為輸出電壓（對應圖中網(wǎng)絡標號為Vin），送至V/F轉換電路。電阻R5和電容C7構成典型的去耦合濾波電路。U2為V/F轉換芯片LM331，它工作于+15V電壓，此電路的設計可參考LM331的芯片資料。在此電路中，電壓Vin和輸出脈沖FO的頻率fo的轉換關系滿足公式（1）。Fo

32、=Kvin (1) 其中，K=, Rs=R2+R3 （2）電路中，Rt、Ct和RL的典型值分別為6.8k、0.01pf和100k，Rs由一個定值電阻R2和一個可變電路R3串聯(lián)組成，其中，R2為22k，R3的最大阻值為12k，通過可變電阻R3調節(jié)Rs的阻值可以實現(xiàn)對電路轉換增益的調整。氣壓的變化引起Vin的變化，而Vin在滿刻度輸出電壓間距V內變化，V典型值為4.590V，所以Vin變化范圍很小，那么根據(jù)fo=KVin的關系式，必須增大K值，才能提高測量的精度。fo通過單片機的定時/計數(shù)器1的計數(shù)測得，該計數(shù)器的計數(shù)范圍為065536，500ms計數(shù)頻率1次。因此，K值的選取還要考慮到計數(shù)器的計

33、數(shù)范圍。綜合考慮之后，將K值設為2000，這樣代入式（2）計算，可知R3的阻值應調節(jié)到6.424k。圖3.5中，Cin和Rin構成低通濾波器，濾除輸入電壓信號中的干擾脈沖。其中，Cin取0.1，Rin取100k，C的取容值為1的漏極電流小的電容。3.3 胎壓計電源與單片機電路部分數(shù)字胎壓計的設計的電源與單片機電路原理圖如圖3.6所示。圖3.6 基于MPX4105的數(shù)字胎壓計系統(tǒng)設計及單片機電路原理圖圖3.6中，U4為電源轉換芯片MC78L05，它將+15V電壓轉換為+5V電壓，提供單片機和氣壓傳感芯片使用。U1為單片機芯片AT89C52，工作于11.592MHz時鐘，它的P3.5腳（定時/計數(shù)

34、器1外部脈沖輸入端）和FO相連，對脈沖序列計數(shù)，以獲取頻率信息，從而轉換為氣壓值。U1的P0口和P2口是和數(shù)碼管顯示電路的接口，其中，P0口味8位段碼，P2口提供5位位碼（5位7段數(shù)碼管顯示），數(shù)字顯示電路是許多數(shù)字設備不可缺少的部分。數(shù)字顯示電路通常由譯碼器、驅動器和顯示器等部分組成，如圖3.7所示。圖3.7 數(shù)字顯示電路組成方塊圖數(shù)碼的顯示方式一般有三種：第一種是字型重疊式；第二種是分段式；第三種是點陣式。目前以分段式應用最為普遍，主要器件是七段發(fā)光二極管（LED）顯示器。它可分為兩種，一是共陽極顯示器（發(fā)光二極管的陽極都接在一個公共點上），另一是共陰極顯示器（發(fā)光二極管的陽極都接在一個公

35、共點上，使用時公共點接地）。最后給出該課題設計的完整原理圖，如下圖3.8所示： 圖3.8 電路完整原理圖3.4 pcb制作經過前面的努力，數(shù)字胎壓計硬件電路的設計在本人及同組人的共同努力下已經完成， PROTEL99SE是一個全32位的電路板設計軟件，使用該軟件可以容易地設計電路原理圖、畫元件圖、設計電路板圖、畫元件封裝圖和電路仿真。在這里主要用它來繪制電路原理圖和生成印制電路板。下面簡要說明一下我們上面用PROTEL畫好的電路原理圖的設計步驟如下：（1）設置原理圖設計環(huán)境。其中，工作環(huán)境設置是使用Design/Options和Tool和Preferences菜單進行的，畫原理圖環(huán)境的設置主要

36、包括圖紙大小、捕捉柵格、電氣柵格、模板設置等。（2）放置元件，將電氣和電子元件放置在圖紙上。（3）原理圖布線。元件一旦放置在原理圖上，不需要用導線將元件連接起來，連接時一定要符合電氣規(guī)則。（4）編輯和調整。編輯元件的屬性。包括元件名、參數(shù)、封裝圖等。調整元件和導線的位置等操作。（5）檢查原理圖。使用電氣規(guī)則功能(ERC)檢查原理圖的連接是否合理和正確。給出檢查報告，若有錯誤則要根據(jù)錯誤進行改正。（6）生成網(wǎng)絡表。所謂網(wǎng)絡表就是元件名、封裝、參數(shù)及元件之間的連接表，通過該表可以確認各個元件和它們之間的關系。（7）打印原理圖。對電路板的設計主要分為以下幾個步驟；（1）使用原理圖編輯器設計原理圖，進

37、行電氣檢查(ERC)并生成原理圖的網(wǎng)絡表。（2）進入電路板(PCB)環(huán)境，使用電路向導確定電路板的層數(shù)、尺寸等電路板參數(shù)。（3）使用Design/Netlist菜單，調入網(wǎng)絡表。（4）布置元件，就是將元件合理地分布在電路板上。自動布置元件或人工布置元件，多次布置直到自己滿意為止。（5）完成修飾等工作，完成整個電路板的設計。4軟件設計就該設計的單片機而言，它的輸入信號是具有一定頻率的脈沖序列，通過單片機內部的計數(shù)器可以獲得此脈沖序列的頻率，此頻率對應于某個氣壓值，如何將頻率換算成該氣壓值是軟件設計首先需要考慮的問題。4.1用C語言開發(fā)單片機的優(yōu)勢C語言是一種編譯型的結構化程序設計語言，具有簡單的

38、語法結構和強大的處理功能，具有運行速度快、編譯效率高，移植性好和可讀性強等多種優(yōu)點，可以實現(xiàn)對系統(tǒng)便件的直接操作。用C語言來編寫目標系統(tǒng)軟件，可以大大縮短開發(fā)周期，且明顯地增加軟件的可讀性，便于改進和擴充，從而開發(fā)出大規(guī)模、高性能的應用系統(tǒng)11。其優(yōu)勢如下：（1）可以大幅度加快開發(fā)進度，程序量越大，用C語言就越有優(yōu)勢。（2）無需精通單片機指令集和具體的硬件，也能夠編出符合硬件實際專業(yè)水平的程序。（3）可以實現(xiàn)軟件的結構化編程，使得軟件的邏輯結構變得清晰、有條理、便于開發(fā)小組計劃任務、分工合作。源程序的可讀性和可維護性都很好。（4）省去了人工分配單片機資源的工作，在匯編語言中要為每一個子程序分配

39、單片機的資源。在使用C語言后，只要在代碼中申明一下變量的類型，編譯器就會自動分配相關資源，根本不需要人工干預，從而有效地避免了人工分配單片機資源的差錯。（5）匯編語言的可移植性很差，而C語言只要將一些與硬件相關的代碼作適當?shù)男薷?，就可以方便地移植到其它種類的單片機上。（6）C語言提供auto、static、flash等存儲類型，針對單片機的程序存儲空間、數(shù)據(jù)存儲空間及EEPROM空間自動為變量合理地分配空間，而且C語言提供復雜的數(shù)據(jù)類型，極大地增強了程序處理能力和靈活性。C編譯器能夠自動實現(xiàn)中斷服務程序的現(xiàn)場保護和恢復，并且提供常用的標準函數(shù)庫，供用戶使用。并且C編譯器能自動生成一些硬件的初始

40、化代碼。（7）對于一些復雜系統(tǒng)的開發(fā)，可以通過移植(或C編譯器提供)的實時操作系統(tǒng)來實現(xiàn)。正由于C語言在系統(tǒng)開發(fā)中的優(yōu)勢，這次設計的所有程序設計都將采用C語言編寫。4.2 如何由頻率計算出氣壓值信號每一步的變換過程如下：第一步，被測氣壓經過氣壓傳感器MPX4105轉換成電壓輸出，根據(jù)MPX4105的芯片資料可知，輸出電壓VOUT和大氣壓P的關系如下VOUT=VCC(0.01P-0.09) （3）這里VCC為+5V，因此可得：VOUT=5(0.01P-0.09) （4）第二步，MPX4105的輸出電壓VOUT作為輸入電壓Vin，經過V/F轉換電路轉變?yōu)榫哂袑l率fo的脈沖序列FO。Vin和FO

41、的這種對應關系如上一節(jié)的式（1）所示。綜合式（1）和式（4），根據(jù)VOUT=Vin,可得：P=+9 （5）式（5）中，fo的單位為Hz，P的單位為kPa，K為V/F轉換增益，設計中K值為2000。在軟件中，根據(jù)式（5）編程計算得到氣壓值P。程序設定如下：T0為定時器，基本的定時時基50ms。T1為計數(shù)器運用內部中斷0可保證T0定時滿500ms后就讀取此時計數(shù)器的值以計算氣壓值，使T0、T1均工作于方式1并在P0口送字型碼，同時可用P2.0P2.4提供片選碼。4.3程序流程圖單片機實現(xiàn)數(shù)字氣壓計的程序流程如圖4.1所示。開 始設置計時器0設置計數(shù)器1While(1);50ms定時器0服務子程序E

42、T0=0;count+;Count=10?ET0=1;TR1=1;調用顯示函數(shù)計算氣壓值TR1=0;count=0;圖4.1 單片機實現(xiàn)數(shù)字氣壓計的程序流程圖5系統(tǒng)調試與仿真本次設計由我和黃歡歡同學共同完成，本人主要負責硬件方面的工作，而黃歡歡同學主要負責本次設計的軟件部分。我們這個設計的仿真軟件主要講述的是Keil軟件與Proteus軟件的結合與應用。5.1 Keil軟件介紹Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用。Keil C51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能

43、強大的集成開發(fā)調試工具，全Windows界面。Keil可以完成編輯、編譯、連接、調試、仿真等整個開發(fā)流程。開發(fā)人員可用IDE本身或其它編輯器編輯C或匯編源文件。然后分別由C51及A51編譯器編譯生成目標文件(.OBJ)。目標文件可由LIB51創(chuàng)建生成庫文件，也可以與庫文件一起經L51連接定位生成絕對目標文件(.ABS)。ABS文件由OH51轉換成標準的Hex文件，以供調試器dScope51或tScope51使用進行源代碼級調試，也可由仿真器使用直接對目標板進行調試，也可以直接寫入程序存儲器中。Keil u Vision2 ADE是Keil software公司的產品，它集項目管理、編譯工具、代

44、碼編寫工具、代碼調試以及完全仿真于一體，適合個人開發(fā)或人數(shù)少、對開發(fā)過程的管理還不成熟的開發(fā)團體。 u Vision2本身自帶項目管理器，其開發(fā)流程步驟如下：開啟u Vision2，建立工程文件并且從器件數(shù)據(jù)庫里挑選出項目實際使用的器件。建立一個新的源文件，并且把這個源文件添加到工程中去。為單片機添加并且設置啟動代碼。設置硬件相關的選項。編譯整個工程并且生成下載到存儲器用的HEX文件。5.2 PROTEUS軟件介紹Proteus與其它單片機仿真軟件不同的是，它不僅能仿真單片機CPU的工作情況，也能仿真單片機外圍電路或沒有單片機參與的其它電路的工作情況。因此在仿真和程序調試時，關心的不再是某些語

45、句執(zhí)行時單片機寄存器和存儲器內容的改變，而是從工程的角度直接看程序運行和電路工作的過程和結果。對于這樣的仿真實驗，從某種意義上講，是彌補了實驗和工程應用間脫節(jié)的矛盾和現(xiàn)象。Proteus提供了比較豐富的測試信號用于電路的測試。這些測試信號包括模擬信號和數(shù)字信號。對于單片機硬件電路和軟件的調試，Proteus提供了兩種方法：一種是系統(tǒng)總體執(zhí)行效果，一種是對軟件的分步調試以看具體的執(zhí)行情況。 對于總體執(zhí)行效果的調試方法，只需要執(zhí)行debug菜單下的execute菜單項或F12快捷鍵啟動執(zhí)行，用debug菜單下的pause animation菜單項或pause鍵暫停系統(tǒng)的運行；或用debug菜單下的

46、stop animation菜單項或shift-break組合鍵停止系統(tǒng)的運行。其運行方式也可以選擇工具欄中的相應工具進行。對于軟件的分步調試，應先執(zhí)行debug菜單下的start/restart debugging菜單項命令，此時可以選擇stepover、step into和step out命令執(zhí)行程序(可以用快捷鍵F10、F11和ctrl+F11)，執(zhí)行的效果是單句執(zhí)行、進入子程序執(zhí)行和跳出子程序執(zhí)行。在執(zhí)行了start / restart debuging命令后，在debug菜單的下面要出現(xiàn)仿真中所涉及到的軟件列表和單片機的系統(tǒng)資源等，可供調試時分析和查看。運行proteus的ISIS程

47、序后，進入該仿真軟件的主界面。在工作前，要設置view菜單下的捕捉對齊和system下的顏色、圖形界面大小等項目。通過工具欄中的p(從庫中選擇元件命令)命令，在pick devices窗口中選擇電路所需的元件，放置元件并調整其相對位置，元件參數(shù)設置，元器件間連線，編寫程序；在source菜單的Definecode generation tools菜單命令下，選擇程序編譯的工具、路徑、擴展名等項目；在source菜單的Add/removesource files命令下，加入單片機硬件電路的對應程序；通過debug菜單的相應命令仿真程序和電路的運行情況。5.3 單片機調試仿真這里我們采用prote

48、us的系統(tǒng)總體執(zhí)行效果調試方法，調試單片機的供應電源和復位電路部分。這里單片機時鐘工作在11.0592MHZ，電源電路、晶振電路和復位電路是整個系統(tǒng)正常工作的基礎，應首先保證它們的正常工作。如下圖5.1所示： 圖5.1單片機調試仿真5.4原理圖檢查調試應用Protel軟件使用電氣規(guī)則功能(ERC)檢查原理圖的連接是否合理和正確。給出檢查報告，若有錯誤則要根據(jù)錯誤進行改正。如下圖5.2所示。 圖5.2 原理圖檢查5.5 器件連接調試電路中各器件的元件名、封裝、參數(shù)及元件之間的連接通過網(wǎng)絡表進行檢查，通過該表可以確認各個元件和它們之間的關系。如下圖5.3所示。 圖5.3 器件連接檢查5.6 PCB

49、檢查對于PCB圖的檢查主要從這幾個方面進行檢查：PCB設計檢查、PCB電氣特性檢查、PCB物理特性檢查、PCB印制板的設計要求檢查、PCB導線圖形檢查。檢查后設計的PCB圖如下圖5.4，圖5.5（3D正面），圖5.6（3D反面）所示。圖5.4 PCB檢查圖5.5 3D圖5.6 3D6畢業(yè)設計總結6.1主要成果本次畢業(yè)設計在自己的努力，同學的幫助，老師的指點下已全部完成，結果重要，過程也很珍貴，在做畢業(yè)設計的過程中我學到了好多知識和經驗，仔細認真的想想總結一下將對自己是個質的提升。現(xiàn)先將此次畢業(yè)設計的成果簡要匯報如下：完整的數(shù)字氣壓計設計方案如何選擇合適的氣壓傳感器利用V/F轉換來實現(xiàn)模數(shù)的轉換

50、所需使用的電壓轉換電路提供+5V電源低成本6.2 經驗總結和感謝當畢業(yè)論文寫到這里的時候，為期四個月的畢業(yè)設計基本要畫上句號了。在李博老師的耐心指導下，自己可謂有了一個全新的提高。畢業(yè)設計也較順利圓滿地完成了。此次我的畢業(yè)設計的課題是“基于單片機的數(shù)字氣壓計的設計”，一開始拿到這個課題是一頭的霧水，不知道該如何的下手，也就在畢業(yè)設計的開始階段，李老師為我們指出了此課題的大概方向和需要查閱的相關書籍以及在后面會遇到的主要問題，可謂受益頗多。在學習了相關本次設計的知識后，我便開始了實際的設計部分，在這個過程中遇到了相當多的問題和困難，比如選用什么樣的氣壓傳感器以及A/D轉換芯片，傳感器電路及A/D

51、轉換和單片機的接口電路、氣壓顯示電路如何去設計等，在此要感謝李老師在此過程中給與我們的耐心指導。到此畢業(yè)設計就此完成。實踐是檢驗真理的唯一標準，經過幾年的理論學習和這次在即將走向工作崗位的時候能將理論與實踐相結合的來鍛煉自己可謂是難得的一次提高，在此感謝學校為我們安排的這個教學環(huán)節(jié)，也感謝在此次設計過程中給與我極大幫助和理解的李老師和幫助過我的同學。參考文獻1ATMEL公司 AT89C51的技術手冊2深圳市中源單片機發(fā)展有限公司 AT89C52 DATASHEET3復旦大學出版社 單片微型機原理、應用和實驗 張友德等4.張洪潤等，電子線路與電子技術，北京：清華大學出版社，2005；5.王松武等，電子創(chuàng)新設計與實踐，北京：國防工業(yè)出版社，2005；6.李建忠，單片機原理及應用，西安：西安電子科技大學出版社，2002；7.黃智偉等，全國大學生電子設計競賽訓練教程，北京：電子工業(yè)出版社，2004；8.樊昌信等.通信原理.北京：國防工業(yè)出版社，2001；9.單片機的C語言程序設計馬忠梅等 北京航空航天出版社 1999年10.何希才，新型集成電路及應用實例，北京：科學出版社，200211HP