数字气压计.docx

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数字气压计

教学单位宝鸡文理学院

学生学号201095034039

编号

本科毕业设计

题　　目数字气压计设计

学生姓名　谭升国

专业名称　自动化

指导教师　李雅莉

2014年5月5日

数字气压计设计

摘要:

气压计被广泛应用于国防领域、工业领域、医疗领域以及我们日常家庭生活中。

本设计中就介绍了一种气压的实时显示设备。

它是利用软、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。

本文详尽的描述了基于MPX4250气压计的软硬件实现过程,它满足数字气压计采集，控制和数据处理的需求，可提高系统稳定性和抗干扰能力。

同时，由于大量工作由单片机软件来实现，简化了设计电路，且调整方便，可兼顾指标多，从而大大降低了成本。

本设计是基于气压传感器MPX4250的精密数字气压计系统。

通过气压传感器MPX4250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液晶显示电路显示出实际气压值。

关键词：

单片机；气压传感器；V/F转换器；液晶显示

Designofdigitalbarometer

Abstract：

Barometeriswidelyusedinthedefensesector,industry,medicalfieldsaswellasourdailylife.Usingbasicknowledgeofhardwareandsoftware,andthroughthecombinationofSCMandpressuresensors,ThecurrentatmosphericpressurevalueisdisplayedbytheLCD.ThisarticledescribesindetailthehardwareandsoftwarebasedonMPX4250barometerrealization.Itsatisfiesthedigitalbarometerofacquisition,controlanddataprocessingrequirements,canimprovethesystemstabilityandanti-interferenceability.Atthesametime,duetothelargeamountofworkisrealizedbysoftware,simplifiesthedesigncircuit,convenientadjustment,bothindexes,therebygreatlyreducingthecost.

AnaccuratedigitalbarometersystemisdesignedbasedonpressuresensorMPX4250.ThesystemfirstlygainsthevalueofanalogvoltagecorrespondingtotheatmosphericpressurebysensorMPX4250.Thenthevoltagesignalistransferredintodigitalpulsesusingvoltage/frequencytransferringmodel.Asingle-chipisutilized inreceivingthepulsesignal,measuringthenumberofpulsesreceivedperunitinterval,andincalculatingtheactualmagnitudeofpressureaccordingtothelinearrelationshipbetweenvoltageandfrequency.Finally,controlledbythesingle-chip,theactualvalueofpressureisdisplayedbytheliquidcrystaldisplayingcircuit.

Keywords:

MCU；pressuresensor；V/Ftransferor；LCD

目录

1绪论1

1.1课题背景1

1.2技术概况及发展趋势1

1.2.1传感器的技术性能1

1.3数字气压计系统设计意义2

2系统总体设计3

2.1设计整体思想3

2.2系统总体框图3

2.3数据采集模块4

2.3.1数据采集模块的芯片选择4

2.3.2气压传感器MPX4250的原理图4

2.4数据转换模块5

2.4.1数据转换芯片选择6

2.4.2ADC0832芯片如图所示6

2.4.3ADC0832芯片的特点及接口说明7

2.5数据处理模块8

2.5.1数据处理模块的芯片选择8

2.5.2单片机部分的原理图8

2.5.3AT89C52引脚及功能9

2.6显示模块11

2.6.1显示器LCD部分的原理图11

2.6.2LCD1602原理12

2.6.3电源模块的原理图13

2.6.4芯片78L05原理13

2.7总体原理图15

3软件设计15

3.1程序流程图15

3.2软件开发语言介绍16

4系统调试与仿真17

4.1KEIL-C介绍17

4.2PROTEUS软件介绍19

4.3单片机调试仿真20

参考文献22

致谢23

附录A英文原文24

附录B中文译文27

附录C程序代码32

绪论

1.1课题背景

气压计是一种测量大气压的装置，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。

气象学研究表明，在空间垂直方向上气压随高度增加而降低，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。

本课题要求利用单片机控制实现气压计的功能，而单片机的接口信号必须是数字信号，因此想要用单片机获取气压这类非电信号的信息，必须使用气压传感器。

气压传感器的作用是气压信息转换成电流或电压输出，转换后的电流或电压输出常为模拟信号因此还必须进行A/D转换，以满足单片机接口的需要。

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。

不少传感器由于采用了差动技术，还可使灵敏度增大。

补偿与修正技术：

补偿与修正技术在传感器中得到了广泛的应用。

这种技术的运用大致是针对下列两种情况。

一种是针对传感器本身特性的，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，也是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。

屏蔽、隔离与干扰抑制：

传感器大都要在现场工作的，现场的条件往往是难以充分预料的，有时是极其恶劣的。

各种外界因素要影响传感器的精度与各有关性能的。

为了减小测量误差，保证其原有性能，就应设法削弱或消除外界因素对传感器的影响。

其方法归纳起来有二：

一是减小传感器对影响因素的灵敏度；二是降低外界因素对传感器实际作用的烈度。

对于电磁干扰，可以采用屏蔽、隔离措施，也可用滤波等方法抑制。

对于如温度、湿度、机械振动、气压、声压、辐射、甚至气流等，可采用相应的隔离措施，如隔热、密封、隔振等，或者在变换成为电量后对干扰信号进行分离或抑制，减小其影响。

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是：

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。

为了提高传感器性能的稳定性，应该对材料、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。

1.3数字气压计系统设计意义

气压计被广泛应用于国防领域、工业领域、医疗领域以及我们日常家庭生活中。

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。

传统气压表（空盒式、弯管式等）精度低、显示单一；本系统设计的数字气压计采用单片机控制，具有使用方便、精度高、显示简单和灵活性等优点，而且可以大幅提高被控气压的技术指标，从而能够大大提高产品的质量。

2.系统总体设计

2.1设计整体思想

基于MPX4250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[3]。

通过对设计的了解，选择适合的器件，画出原理图。

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。

图1为系统总框图。

图1为系统总框图

2.3数据采集模块

2.3.1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。

绝对气压值对应的就是实际的气压值，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。

本设计要实现的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，本设计选用美国摩托罗拉公司的集成压力传感器。

MPX4250可以产生与所加气压呈线性关系的高精度模拟输出电压。

2.3.2气压传感器MPX4250的原理

MPX4250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℃。

它的实物如图2所示。

图2MPX4250的实物图

气压传感器MPX4250的管脚说明如表2.1所示：

表2.1气压传感器MPX4250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MPX4250的特性参数如表2.2所示：

表2.2气压传感器MPX4250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

2.4数据转换模块

2.4.1数据转换芯片选择

气压传感器MPX4250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。

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器件本身还不能算作量化器，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、可以远距离传输并能直接输入到单片机接口的脉冲序列。

通过测量V/F输出频率，可以实现A/D转换功能。

数据的采集与处理广泛地应用在自动化领域中,由于应用的场合不同,对数据采集与处理所要求的硬件也不相同.在控制过程中,有时要对几个模拟信号进行采集与处理,这些信号的采集与处理对速度要求不太高,一般采用AD574或ADC0809等芯片组成的A/D转换电路来实现信号的采集与模数转换，而AD574和ADC0809等A/D转换器价格较贵，线路复杂,从而提高了产品价格和项目的费用.在本文中,从实际应用出发,给出了一种应用V/F转换器ADC0832芯片组成的A/D转换电路，V/F转换器ADC0832芯片能够把电压信号转换为频率信号，而且线性度好，通过计算机处理，再把频率信号转换为数字信号，就完成了A/D转换。

它与AD574等电路相比，具有接线简单，价格低廉，转换精度高等特点，使用起来方便了许多。

针对电路的实际需求，并考虑到外围电路实现的难易程度和相应的性能指标，选用芯片ADC0832来实现A/D转换。

ADC0832是一款高精度电压频率转换芯片。

2.4.2ADC0832芯片如图3所示：

图3ADC0832芯片

2.4.3ADC0832芯片的特点及接口说明

ADC0832芯片的特点：

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°Cto+85°C；

芯片接口说明：

CS片选使能，低电平芯片使能。

CH0模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。

CH1模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。

GND芯片参考0电位（地）。

DI数据信号输入，选择通道控制。

DO数据信号输出，转换数据输出。

CLK芯片时钟输入。

Vcc/REF电源输入及参考电压输入（复用）。

2.5数据处理模块

2.5.1数据处理模块的芯片选择

对于ADC0832输出的模拟信号要经过单片机的数据处理，通过频率与气压之间的关系计算出气压值。

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。

本课题中选用AT89C52单片机来实现[4]。

2.5.2单片机部分的原理图

单片机部分的原理如图4所示。

图4单片机部分原理图

2.5.3AT89C52引脚及功能

AT89C52的引脚如图5所示。

图5单片机引脚图

·P0口：

P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。

作为输出口用时,每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻[5]。

·P1口：

P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（TTL）。

Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。

·P2口：

P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。

在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@RI指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器区R2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。

Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其它控制信号。

·P3口：

P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。

P3口输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路。

对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。

作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。

P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表2.3所示：

表2.3P3口第二功能

P3.0

RXD

串行输入口

P3.1

TXD

串行输出口

P3.2

INT0

外部中断0

P3.3

INT1

外部中断1

P3.4

T0

计数器0外部输入

P3.5

T1

计数器1外部输入

P3.6

WR

外部数据存储器写选通

P3.7

RD

外部数据存储器读选通

P3口同时为闪速编程和编程校验接收一些控制信号

·RST复位输入。

当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。

·ALE/PROG：

当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。

即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的l/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。

要注意的是：

每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。

对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。

如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的DO位置位，可禁止ALE操作。

该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活。

此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无。

·PSEN：

程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期有两次PSEN，即输出两个脉冲。

在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有的PSEN信号不出现。

·EA／VPP外部访问允许。

欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H—FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。

需注意的是：

如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。

如EA端为高电平（接VCC端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。

Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。

·XTAL1振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。

·XTAL2振荡器反相放大器的输出端。

·Vcc电源电压

·GND地

2.6显示模块

2.6.1显示器LCD部分的原理图

显示器部分的电路如图6所示。

图6显示模块原理图

2.6.2LCD1602原理

LCD1602是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，LCD1602的外围引脚及作用[6]：

第1脚：

VSS为地电源；

第2脚：

VDD接5V正电源；

第3脚：

V0为液晶显示器对比度调整端，接正极电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度；

第4脚：

RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器；

第5脚：

RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。

当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平，RW为高电平时可以读取忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据；

第6脚：

E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令；

第7-14脚：

D0～D7为8位双向数据线；

第15-16脚：

空脚。

1602液晶显示器内部的控制器共有11条控制指令，如表2.4所示：

表2.41602的内部指令表

序号

指令

RS

R/W

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

1

清显示

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

2

光标返回

0

0

0

0

0

0

0

0

1

*

3

置输入模式

0

0

0

0

0

0

0

1

I/D

S

4

显示开/关控制

0

0

0

0

0

0

1

D

C

B

5

光标或字符移位

0

0

0

0

0

1

S/C

R/L

*

*

6

置功能

0

0

0

0

1

DL

N

F

*

*

7

置字符发生存贮器地址

0

0

0

1

字符发生存贮器地址

8

置数据存贮器地址

0

0

1

显示数据存贮器地址

9

读忙标志或地址

0

1

BF

计数器地址

10

写数到CGRAM或DDRAM）

1

0

要写的数据内容

11

从CGRAM或DDRAM读数

1

1

读出的数据内容

2.6.3电源模块的原理图

电路中的电源部分如图7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7电源模块原理图

2.