數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、傳輸的電流或電壓信號，然后再經過后續(xù)電路處理并進行實時顯示的常規(guī)設備。目前，數字氣壓計大量應用于氣象、軍事、航海和航空、工礦企業(yè)，野外作業(yè)以及消費類電子產品等方面，需求極為廣泛。
常見的水銀氣壓計和酒精氣壓計體積大，精度低，攜帶不便且易損壞，因此，數字氣壓計逐漸成為研究熱點。普通的數字氣壓計大都選單片機為主控芯片，將普通壓力傳感器采集的氣壓信息輸入A/D轉換器(模/數轉換器)，再經單片機控制將氣壓值轉換成數字信號，并在顯示屏上進行數據顯示。此方案設計過程繁瑣，電路復雜，成本高，功耗大。此外，很多應用領域在測量氣壓值的同時也會關注環(huán)境溫度，因此，具有同時檢測氣壓和溫度指標的氣壓計具有廣泛需求。鑒于此，本文設計了一種能同時測量氣壓和溫度指標的數字氣壓計，并采用數字氣壓傳感器BMP085制作電路，獲得了滿意的測試結果。
1 系統(tǒng)硬件設計
整個硬件系統(tǒng)由氣壓和溫度采集模塊，單片機主控制模塊和液晶顯示模塊構成。系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。
氣壓和溫度信息采集分別由BMP085芯片和DS18B20芯片完成，而主控芯片采用單片機STC12C5A60S2，經過處理后的結果由液晶顯示模塊NOKIA5110進行顯示。
主控制模塊負責信息采集與傳送，數據運算處理，設備驅動更新等工作。本數字氣壓計選用STC12C5A60S2作為主控制芯片，該芯片是具有A/D轉換功能的新一代8051單片機，其片內的具有大容量程序存儲器且是FLASH工藝的，用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫。STC系列單片機支持串口程序燒寫。這種單片機對開發(fā)設備的要求很低，開發(fā)時間也大大縮短。且STC12C5A60S2的指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍。此外，還具有寬電壓供電，低功耗，超強抗干擾等特點。最主要的是此芯片售價與傳統(tǒng)51相當，且供貨充足，性價比很高。
氣壓采集模塊采用德國BOSCH公司的基于MEMS的BMP085數字氣壓傳感器。該芯片主要由電阻式壓力傳感器、AD轉換器以及控制單元構成，而控制單元則主要涵蓋E2PROM與I2C接口。該芯片采用I2C協(xié)議進行通訊，系統(tǒng)通過I2C接口直接接在處理器上，微控制器發(fā)送開始信號后進行壓力測量，數據信息經過轉換時間器直接通過I2C接口讀出，但BMP085傳送的是未經補償的數值，需用到E2PROM中的標準數據進行補償。此外，該芯片采用1.8V～3.6 V供電電壓，適用的氣壓范圍從300 hPa到1100 hPa(分別對應海拔9 000 m和-500 m)，內含一個溫度測量功能，采用IIC協(xié)議通信。BMP085具備低功耗、低電壓的電學特性，使其非常適用于戶外裝備。此外，該芯片是基于壓阻效應技術的，具有穩(wěn)定的電磁兼容性、高精度、線性性以及穩(wěn)定性等優(yōu)點。
溫度采集模塊DS18B20芯片具有采集精確，抗干擾能力強的特點，與單片機采用獨特的單線接口通信模式，因為只使用了一條總線進行通訊，占用極少的I/O口資源，使得其可以輕松地組建成傳感器網絡。同時，該芯片從通信線上獲取能量，消除了對外部電源的依賴?？偟膩碚f，DS18B20應用在數字氣壓計中，能準確獲取當前環(huán)境溫度信息，既實現了便捷通信又節(jié)約了單片機硬件資源。此外，本設計還充分利用了它的一個由高低電平觸發(fā)的不因電源消失而改變的報警功能，這個報警功能可通過編程實現，為驗證此功能，本設計特地設定了一個34℃的上限報警溫度。
為節(jié)約成本，本數字氣壓計顯示模塊選用穩(wěn)定而廉價的液晶顯示屏NOKIA5110。84x48的點陣LCD，能顯示4行漢字，用串行接口與主處理器進行通信，使得包括電源和接地在
內的信號線減為9條。此外，NOKIA5110采用低壓供電，降低了系統(tǒng)功耗。
另外，電源接入模塊，本系統(tǒng)采用5 V直流供電，電源接入經電容濾波，通過AS1117—3.3 V后產生3.3 V電壓供液晶使用。由于系統(tǒng)功耗較低，故沒有選開關電源作為系統(tǒng)DC-DC轉換方案，而選擇外圍電路簡單，更低噪聲的線性穩(wěn)壓芯片AS1117-3.3 V。
2 系統(tǒng)軟件設計
2.1 主程序部分
主程序設計部分主要負責系統(tǒng)初始化、任務的切換以及實現不同模塊間的參數傳遞。包括的主要程序有：液晶初始化程序LCD5510_Init()，液晶清屏程序LCD_clr_scr()，系統(tǒng)時鐘初始化程序init_T0()，中斷任務程序IntT0() interrupt 1，環(huán)境溫度讀取程序Read Temperature ()，環(huán)境氣壓讀取程序BMP085ReadPressure()，顯示緩存更新程序Up_DESP(Desk1，AirPress，Temperature)，液晶顯示程序LCD_prints(0，0，Desk1)。主要參數有：氣壓變量AirPress，溫度Temperature。其工作主要框圖如2所示。
2.2 功能模塊程序
單片機系統(tǒng)時鐘配置可通過配置定時器，產生固定時間的任務執(zhí)行信號，通過這個信號對任務執(zhí)行進行有效的安排，更加有效與有序的實現系統(tǒng)功能。定時器0采用方式2工作，且TL0和TH0均設置為-250，即250個時鐘脈沖進入一次中斷程序，對任務進行一次動作。
顯示更新的實現可通過建立顯示更新緩存，使顯示更加模塊化與高效。在RAM中建立Desk1[30]區(qū)間，并定時將需要顯示的信息經過十進制轉化后寫到該區(qū)域，并定時用該區(qū)域的信息去更新液晶，最終實現顯示的流程。
氣壓采集與溫度采集的驅動程序都主要實現通信的建立，數據的交換，單位的換算等功能。
3 測試結果及分析
在25～34.5℃溫度范圍環(huán)境下，利用塑料袋擠壓改變氣壓測試范圍為101～110 Kpa。采用與標準溫度計、標準氣壓計比對的方法，對本數字氣壓計進行測試。結果如下表1所示。
根據設計制作，本設計可測試溫度范圍為0～150℃。氣壓可測試范圍為30～110 Kpa。據測試結果可知，在溫度和氣壓測試范圍內，溫度測試精度為1%，氣壓測試精度滿足0.1%的指標。
測試效果圖如圖3所示，圖中液晶顯示第一行P顯示當前氣壓信息，圖中讀數為4.032 5 B，表示環(huán)境大氣壓為4.032 5倍標準大氣壓，即約為400 kPa。第二行T顯示當前溫度信息，圖中讀數為25.8C，表示環(huán)境溫度為25.8℃。第三行status on表示系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，另外，為驗證此功能，程序設置在環(huán)境溫度達到34.0℃時，氣壓測量關閉，溫度下降至低于34.0℃時，氣壓采集重新開啟，所以圖中環(huán)境溫度為25.8℃，氣壓采集開啟。
4 結束語
測試結果表明，基于BMP085的數字氣壓計測量穩(wěn)定性好，精確度高，同時具備氣壓和溫度測試功能，且實現了溫度測試范圍的告警功能。本設計簡化了現有普通數字氣壓結
構，具有低功耗，小型化，低成本，測試精準等特點，滿足廣泛的應用場合要求，實用性強，應用前景廣闊。
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