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1、基于单片机的数字气压计的设计与实现 学生： 指导教师： 内容摘要：数字气压计的重要组成部分是压敏元件。压敏元件可以将数字气压计需 要测量的气压转化成为一种电流或者是一种电压信号。此时形成的电流或者电压信号 具有容易传输、容易检测的特点。之后，经过后续电路处理这种电流或者是电压信号， 它就可以显示在数字气压计的屏幕上。这就是数字气压计的电流传输、处理、显示与 读数过程。在数字气压计中，气压传感器起着决定性的作用。 数字气压计的设计与实现是一个复杂而繁琐的过程。它的设计需要硬件与软件二者 相结合，再经过系统的仿真调试得以实现。气压传感器起着关键性、决定性的作用。 本设计中我们将采用型号为MPX41
2、05的传感器。通过此型号的传感器测出相对应的具有 模拟性的电压值，之后通过电压/频率（V/F）变换手段将其电压值输入到单片机进行 处理，显示出相对应的气压值。本设计的总体目标是将大学三年多所学的专业知识运 用到实践当中去。在这次设计中可以实现数字气压计系统的所有特性。 关键词：压敏元件 数字气压计 单片机 气压传感器 The Design and Implementation of Digital Barometer Base on Single Chip Microcomputer Abstract:Abstract: Digital barometer is a device that m
3、akes full use of pressure sensitive components,which can make the tested pressure change into current or voltage signal easily. At the same time,pressure sensors is the core component for barometer. The ariticle introduces a excellent way that illustrated digital precision barometer can obtain the f
4、unction of soft and hardware at the same time.The air pressure via MPX4105 which achieving the value of analong voltage,and the signal is converted by V/F converter,then coped with SCM. Finally,the signal can be displayed on LED synchronously.As we can see that this kind of system is reliable,stable
5、 security and economy. Keywords:Keywords:Pressure-sensing element Digital barometer single chip microcomputer Gs pressure transducer 目 录 前言.1 1 系统总体设计.3 1.1 设计整体思想 3 1.2 系统总体框图 3 1.3 元器件的选择 4 1.3.1 气压传感器.4 1.3.2 电压/频率（V/F）转换器.4 1.3.3 三端稳压器.5 1.3.4 单片机.5 1.3.5 LED 显示5 2 硬件电路设计.5 2.1 气压传感和电压/频率（V/F）转换
6、电路部分.5 2.2 单片机电路部分 8 2.2.1 89C52 单片机.9 3 软件设计.11 3.1 软件开发 C 语言介绍11 3.2 运用频率计算出气压值 12 3.3 基于单片机设计的程序流程图 13 4系统调试与仿真 14 4.1 C 语言软件开发系统.14 4.2 PROTEUS 软件介绍14 4.3 联机调试过程 15 5 设计总结.16 5.1 设计成果 16 5.2 感谢 16 参考文献.17 附录 118 附录 219 基于单片机的数字气压计的设计与实现 前言 气压计是一种测量大气压的装置。气压计的重要组成部分是压敏元件。压敏元件 可以将数字气压计需要测量的气压转化成为一
7、种电流或者是一种电压信号。此时形成 的电流或者电压信号具有容易传输、容易检测的特点。之后，经过后续电路处理这种 电流或者是电压信号，它就可以显示在数字气压计的屏幕上。这就是数字气压计的电 流传输、处理、显示与读数过程。在数字气压计中，气压传感器起着决定性的作用。 本课题利用单片机控制的数字气压计设计与实现功能。单片机的接口信号必须是 数字信号，因此想要运用单片机获取气压这类非电信号的信息，需要使用气压传感器。 将气压信息转换成电流或电压输出是气压传感器的作用，转换后的电流或电压输出常 为模拟信号。因此必须进行 A/D 转换，以满足单片机接口的需要。 数字气压计大量应用在各种工矿企业，野外作业，
8、消费类电子产品等地方。它的 需求极为广泛。 常见的气压计有盒式气压计和液体气压计。飞机上使用的高度计实际上是通过盒 式气压计改装而成的。常见的液体气压计有酒精气压计和水银气压计两种。这两种气 压计都是老式气压计，不方便于携带而且容易损坏。 在科技飞速发展的今天，各行各业不断出现新技术新材料。进入 20 世纪 90 年代 以后，微电子行业发展极为迅速，各行各业的电子传感器被发明并运用到各个领域当 中，给人们的生产生活带来了极大的便利。数字气压传感器已经出现，并大量运用到 日常生活中。现在很多手持设备中都植入了气压计功能。例如手机、GPS 等，为人们的 出行旅游带来方便。 目前国际国内很多电子公司
9、都推出了数字气压传感器。如摩托罗拉公司的 MPX4105、Intersema 公司的 MS5534b 及华普微电子公司的 HP03 系列数字气压传感器。 多样化的数字化气压测量装置、用品大量出现，致使此产品越来越普及，精确度也越 来越高。数字气压计除了测量气压一种功能以外，还具备了测量温度、指南针、码表 的功能。 以前电子气压计只是一种专业场合只能通过专业人才能使用的测量器具。现如今， 电子气压计已经成为大众化产品，在大街小巷随处可见。它也成为人们方便携带与利 用的电子产品之一。 气压传感器在数字气压计中起着至关重要的作用。在当今社会中，数字气压计的 运用范围广泛。 在国防领域中，它运用于火箭
10、、导弹升空的气压监测。在工业领域，它运用于汽 车制造方面颇多。在医疗领域，它多运用高压氧舱的气压测量。数字气压计的出现及 广泛使用，为我们平民百姓的日常生活提供了很大的便利条件。 在本次设计与实验的过程中，数字气压计是采用单片机的数字气压计控制。这种 采用单片机的数字气压计使用起来方便，精准度较高，显示的数字易读，方便携带。 产品的质量得以保障。 基于气压传感器的关键性作用。此实验设计首先需要介绍一下气压传感器的相关 知识。为后续的工作奠定一个良好的基础。 首先对于气压传感器的技术性能作出以下介绍。 在气压传感器中，普遍采用的技术是差动技术。差动技术的最大优点是减小大气 温度变化对实验测量的影
11、响。其次它还具有减少外界对实验干扰，影响气压传感器精 确度的优点。 在气压传感器中可以产生一种平均效应。这是由于气压传感器采用了平均技术。 每一个单元都可以感受到数字气压计的测量是它的原理。每一个单元所感受到的误差 值看做随即误差并且服从正态分布的话，总的误差将会显著减小。 在气压传感器中，补偿性修正技术也被广泛应用。在气压传感器本身特性发生变 化时，可以利用补偿性修正技术进行修复。还可以在外界环境允许的条件下，对气压 传感器进行修正的一种技术。 对气压传感器的整体或者材料、元器件进行必要的稳定性处理是为了提高传感器 性能的稳定性。气压传感器在使用的过程中，若测量要求较高，必要时也应对附加的
12、调整元件，后续电路的关键元器件进行老化处理1。 其次对于气压传感器的发展趋势作出以下介绍。 气压传感器的发展不仅仅只涉及到一个领域。它在专业的技术水平发展平台上使 用很多，在选取材料的方法及使用上也有涉及，在工业方面它的应用更加广泛。传感 器集成化也可以称为“多功能一体化” ，它是将传感器的温度补偿、放大及运算多种环 节一体化，并运用它们组装成一个元器件。 当前，各类集成传感器已出现许多系列性产品，广泛应用于生产生活中。传感器 技术发展迅速，集成化成为它发展的一个重要方向。在集成化技术快速发展的前提条 件下，相继出现了各类混合集成和单片集成式压力传感器，大部分已经推广上市。 搞清楚气压的定义是
13、设计电子气压计的首要条件。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，通常运用水银柱高度。一个标注大气压=1013 百帕（毫 巴） ，1 毫米水银(汞柱)柱高=4/3 百帕（毫巴） ，1 个标注大气压=760mm 水银（汞柱） 柱高。 气压产生的原因：依据分子动理论可知，气体的压强是通过大量分子频繁碰撞容 器壁面产生的。大量分子频繁碰撞容器壁，对气壁的作用力是持续、均匀的。压强大 小就是这个压力与气壁面积的比值。 影响压强的因
14、素：海拔因素、大气温度、大气密度都会影响气压的大小。一般随 着高度升高按指数律递减。大气压强的变化有日、月及年的差别。在一天当中，气压 有一个最高值、最低值，分别出现在 910 时和 1516 时。在一年当中，夏季气压低 于冬季气压。水银气压表、空盒气压表、气压计是气象观测中常用的测量气压的仪器。 意大利科学家托里拆利最先测出标准大气压。 1 系统总体设计 1.1 设计整体思想 本次系统设计将采用型号为 MPX4105 的气压传感器。数字气压计的设计思路包含 软件设计及硬件设计2。软件设计包括 C 语言的编程与设计。硬件设计包括传感器、 单片机的技术设计及调试。首先，我应当先对 C 语言进行全
15、面的学习，学会编写程序。 对单片机的选择也需要有自己的一定认识。其次，要将学习的结果运用到整体设计中 去。最后，得出原理图及实现设计的目标。 1.2 系统总体框图 数字气压计的总体设计需要将大气中提供的非电信号数据进行处理。信息采集时 硬件设计的前提条件，数据再通过转换，在硬件元器件中进行处理。最后，将相应的 数据显示在数字气压计的屏幕上。图 1.2-1 为系统总框图。 图 1.2-1 系统总框图 1.3 元器件选择 1.3.1 气压传感器 在气压传感器的选择上，应选择具有温度补偿能力这种特性的仪器。具有这种特 性的气压传感器可以简化电路，提高稳定性和抗干扰能力3。 在系统设计元器件中，我们选
16、择的是型号为 MPX4105 的气压传感器。主要原因是 MPX4105 的特点符合我们的设计材料选取要求。 4.855.35V 是 MPX4105 的供电范围。在此范围内供电会达到安全状态。085 是 MPX4105 的正常温度工作范围。当在测量的过程中，温度在这个给定范围之内，测 试值都会达到理想状态。15105kPa 是 MPX4105 的测量范围。大气压强在此范围之内 都可以精准测量。在试验过程中，我们需要一个微处理器接口，而 MPX4105 刚好符合 我们需要的条件。 由于 MPX4105 这种传感芯片的特点，符合试验要求。所以在综合多方面因素的考 虑之后，我们将选用 MPX4105 作为本次试验的气压传感器。基于 MPX4105 的气压传感 器在气体压力控制方面能发挥很好的作用，输出的电子信号能力强，可供参考性强。 1.3.2 电压/频率（V/F）转换器 在系统总体设计中选择电压/频率（V/F）转换器是至关重要的一个步骤。电压/频 率（V/F）转换器在试验中起着转换电路的作用。所以，转换器的选择为数字气压计读 数是否精准奠定基础。电压/频率（V/
