基于單片機(jī)控制的數(shù)字氣壓計(jì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

   摘要：介紹了一種精密數(shù)字氣壓計(jì)的軟硬件實(shí)現(xiàn)方法。該方法通過氣壓傳感器獲得與大氣壓相對應(yīng)的模擬電壓值，并經(jīng)過V／F變換輸入到單片機(jī)進(jìn)行處理，從而實(shí)時(shí)顯示相應(yīng)的氣壓值。用本文所述的方法制成的氣壓計(jì)攜帶方便，操作簡單，精確度高，完全符合設(shè)計(jì)要求。

    關(guān)鍵詞：氣壓計(jì)；氣壓傳感器；V／F轉(zhuǎn)換器； 單片機(jī)

１　引言

氣壓計(jì)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?，然后再?jīng)過后續(xù)電路處理并進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示的一種設(shè)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(yùn)用于氣壓計(jì)的氣壓傳感器基本都是依靠不同高度時(shí)的氣壓變化來獲取氣壓值的。

氣象學(xué)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５～６ｋｍ的高空，高度每增加１００ｍ，氣壓便會降低７ｈＰａ；而當(dāng)高度進(jìn)一步增加時(shí)，即到９～１０ｋｍ的高空之后，高度每增加１００ｍ，氣壓便會降低５ｈＰａ；同樣，若空氣中有下降氣流時(shí)，氣壓會增加；若空氣中有上升氣流時(shí)，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。

２　氣壓計(jì)的結(jié)構(gòu)

本文研究的氣壓計(jì)結(jié)構(gòu)如圖１所示。其中氣壓傳感器用來將被測氣壓轉(zhuǎn)換為電壓信號；用Ｖ／Ｆ轉(zhuǎn)換器則可把氣壓傳感器輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換成具有一定頻率的脈沖信號；以便用單片機(jī)接收該脈沖信號，并根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)得到的脈沖數(shù)，依據(jù)電壓與頻率的線性關(guān)系式計(jì)算出所對應(yīng)的氣壓值，最后在單片機(jī)控制下由ＬＥＤ顯示出來。

本氣壓計(jì)能夠在氣壓傳感器的線性范圍內(nèi)準(zhǔn)確測量相應(yīng)氣壓值。需要說明的是，其測量值是絕對氣壓值。本文研究的氣壓計(jì)的技術(shù)指標(biāo)如下：

●測量范圍：３００ｈＰａ～１０５０ｈＰａ；

●測量精度：０．１％ＦＳ(２０℃)；

●顯示精度：０．１％，由４個(gè)８段ＬＥＤ顯示實(shí)現(xiàn)；

●工作溫度范圍：０～８５℃；

●電源電壓：９Ｖ。

３　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

在系統(tǒng)構(gòu)建過程中，需要考慮穩(wěn)定性、復(fù)雜程度、造價(jià)和調(diào)試的難易程度等因素。圖１所示框圖中的每一部分就是一個(gè)單元電路，可完成各自的功能。模塊之間沒有復(fù)雜的信號傳輸，且干擾很少，因而系統(tǒng)整體比較穩(wěn)定。

３．１ 氣壓傳感器

氣壓傳感器在氣壓計(jì)中占據(jù)核心位置。設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)測量精度、測量范圍、溫度補(bǔ)償、測量絕對氣壓值等幾個(gè)性能指標(biāo)來選取氣壓傳感器。

由于該氣壓計(jì)顯示的是絕對氣壓值，因而需要選取測量絕對氣壓值的氣壓傳感器。同時(shí)為了簡化電路，提高穩(wěn)定性和抗干擾能力，要求該氣壓傳感器應(yīng)帶有溫度補(bǔ)償。

為此，筆者選用Ｍｏｔｏｒｏｌａ的ＭＡＸ４１００Ａ氣壓傳感器來測量絕對氣壓值。該傳感器的溫度補(bǔ)償范圍為－４０～＋１２５℃；壓力范圍為２０ｋＰａ～１０５０ｋＰａ；輸出電壓信號（Ｖｓ＝５．０Ｖ）范圍為０．３～４．６５Ｖ；測量精度為０．１％ＶＦＳＳ，同時(shí)在２０ｋＰａ～１０５０ｋＰａ時(shí)具有良好的線性，具體輸出關(guān)系如下：

Ｖｏｕｔ＝Ｖｓ(０．０１０５９ Ｐ－０．１５２８)±Ｅｒｒｏｒ

式中，Ｖｓ是工作電壓, Ｐ是大氣壓值，Ｖｏｕｔ為輸出電壓。

３．２ Ｖ／Ｆ變換

Ｖ／Ｆ器件的作用是將輸入電壓的幅值轉(zhuǎn)換成頻率與輸入電壓幅值成正比的脈沖串。雖然Ｖ／Ｆ本身還不能算做量化器，但加上定時(shí)器與計(jì)數(shù)器以后也可以實(shí)現(xiàn)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換。它的突出特點(diǎn)就是把模擬電壓轉(zhuǎn)換成抗干擾能力強(qiáng)，可遠(yuǎn)距離傳送并能直接輸入計(jì)算機(jī)的脈沖串，從而通過測量Ｖ／Ｆ的輸出頻率來實(shí)現(xiàn)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換功能。

考慮到外圍電路實(shí)現(xiàn)的難易程度和相應(yīng)的性能指標(biāo)，筆者選用了ＬＭ３３１電壓／頻率轉(zhuǎn)換芯片。該器件使用了溫度補(bǔ)償能隙基準(zhǔn)電路，因而具有極佳的溫度穩(wěn)定性，最大溫漂為５０ｐｐｍ／℃，同時(shí)該器件的脈沖輸出可與任何邏輯形式兼容；ＬＭ３３１可單、雙電源供電，電壓范圍為５～４０Ｖ；滿量程范圍１Ｈｚ～１００ｋＨｚ；最大非線性誤差為０．０１％。圖２所示是該系統(tǒng)中ＬＭ３３１的外圍電路。在該電路中，基于ＬＭ３３１的壓頻轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

ｆｏ＝Ｋ Ｖｉ

其中，Ｋ＝Ｒｓ／(２．０９ Ｒｔ Ｃｔ ＲＬ)?， Ｒｓ＝Ｒｓ１＋Ｒｓ２

實(shí)際上，電路中的Ｒｓ主要用于調(diào)節(jié)電路的轉(zhuǎn)換增益?Ｒｔ, Ｃｔ，ＲＬ的典型值分別為６．８ｋΩ、０．０１ｐＦ和１００ｋΩ，Ｋ值則可由設(shè)計(jì)者自己決定。該設(shè)計(jì)中，取Ｋ＝２０００，Ｒｓ＝２８．４２４ ｋΩ?主要是考慮到單片機(jī)部分使用測頻率法來測ｆｏ能夠保證頻率信號的測量精度。由于Ｒｓ、ＲＬ、Ｒｔ和電容Ｃｔ會直接影響ｆｏ的轉(zhuǎn)換結(jié)果。因此，對這些元件的參數(shù)有一定的要求，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)換精度適當(dāng)選擇。電容ＣＬ對轉(zhuǎn)換結(jié)果雖然沒有直接影響，但是應(yīng)選擇漏電流小的電容器。用電阻Ｒ１, 電容Ｃ１組成低通濾波器，可減少輸入電壓中的干擾脈沖，提高轉(zhuǎn)換精度。

圖3

    ３．３ 單片機(jī)

本氣壓計(jì)實(shí)現(xiàn)方案需使用單片機(jī)的Ｐ１口和Ｐ３口的一部分以及一個(gè)中斷源、一個(gè)定時(shí)器和一個(gè)計(jì)數(shù)器。因此，筆者選用了ＡＴＭＥＬ的ＡＴ８９Ｃ２０５１單片機(jī)，該器件與８９Ｃ５１兼容，具有２ｋＢ的可重復(fù)編程閃存，２．７Ｖ～６Ｖ的工作電壓范圍，１２８Ｂｙｔｅ的內(nèi)部ＲＡＭ以及兩個(gè)Ｉ／Ｏ口（Ｐ１，Ｐ３）、２個(gè)１６位的計(jì)數(shù)器／定時(shí)器和６個(gè)中斷源，并可直接驅(qū)動ＬＥＤ輸出，同時(shí)帶有可編程的串行通訊口。另外，該單片機(jī)還具有體積小，價(jià)格低等特點(diǎn)。

３．４ ＬＥＤ顯示

單個(gè)ＬＥＤ是由７段發(fā)光二極管構(gòu)成的顯示單元。有１０個(gè)引腳，對應(yīng)于７個(gè)段、一個(gè)小數(shù)點(diǎn)和兩個(gè)公共端。在顯示電路中，這些發(fā)光二極管有兩種接法：共陽極接法和共陰極接法。本設(shè)計(jì)中需要用４個(gè)ＬＥＤ組成顯示單元，并采用動態(tài)顯示方式。由于使用４個(gè)單個(gè)ＬＥＤ進(jìn)行顯示的連線比較復(fù)雜，同時(shí)單片機(jī)的端口驅(qū)動能力也難以保證，而需要加入專門的驅(qū)動芯片。所以，筆者采用了４個(gè)ＬＥＤ連體的、內(nèi)部已將其相應(yīng)段接好的共陽極ＬＥＤ，它具有１２個(gè)引腳，含７個(gè)段和４個(gè)公共端，為提高數(shù)碼管的亮度，可在位選線上加入一個(gè)三極管驅(qū)動電路。

由ＡＴ８９Ｃ２０５１控制的顯示電路如圖３所示。該顯示電路需要選取合適的電阻Ｒ和Ｒａ，才能保證ＬＥＤ的亮度，過大或者過小都無法讓ＬＥＤ正常顯示。設(shè)計(jì)時(shí)取Ｒ為４．７ｋΩ?Ｒａ為５１０Ω比較理想。若考慮印制板布線的方便，可以采用貼片電阻和排阻來節(jié)省空間。另外，也可以用７４ＬＳ２４４和７４ＬＳ０６構(gòu)成驅(qū)動顯示電路，但這樣同樣要加限流電阻。因?yàn)椋罚矗蹋樱埃妒情_漏器件，需要在輸出處加上拉電阻。

４　軟件實(shí)現(xiàn)

通過以上設(shè)計(jì)，便可通過ｆｏ來計(jì)算Ｐ的大小以得到實(shí)時(shí)的氣壓值。硬件電路設(shè)計(jì)完成之后，可使用ＡＥＤＫ５１９６ＰＨ仿真器的仿真環(huán)境進(jìn)行仿真，并可用Ｃ５１語言來編寫處理程序。其基本程序流程如圖４所示。

程序設(shè)定：Ｔ０為定時(shí)器，基本的定時(shí)時(shí)基為５０ｍｓ。Ｔ１為計(jì)數(shù)器，運(yùn)用內(nèi)部中斷０可保證Ｔ０定時(shí)滿５００ ｍｓ后就讀取此時(shí)計(jì)數(shù)器的值，以計(jì)算氣壓值。如使Ｔ１、Ｔ０均工作于方式１，并在Ｐ１口送字型碼，同時(shí)可用Ｐ３．０～Ｐ３．３做位選線，那么，其相應(yīng)的函數(shù)如下：

（１）定時(shí)器Ｔ０中斷函數(shù)：

ｖｏｉｄ ｔｉｍｅｒ０(ｖｏｉｄ) ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ １ ｕｓｉｎｇ １

{ｕｉｎｔ ｘ, ｙ;

ｕｉｎｔ ｃｏｕｎｔ＿ ｐｌｕｓｅ;

ＥＴ０＝０; ／／關(guān)閉Ｔ／Ｃ０中斷

Ｔｃｏｕｎｔ＋＋; ／／中斷次數(shù)

ｉｆ?Ｔｃｏｕｎｔ ＝＝ １０){

ＴＲ１＝０; ／／停止計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)

Ｔｃｏｕｎｔ＝０;

ｘ＝ＴＨ１;

ｙ＝ＴＬ１;

ｃｏｕｎｔ_ｐｕｌｓｅ＝(ｘ＊２５６＋ｙ)＊２;

ｐｈ＝(ｕｉｎｔ)(１０ ＊ ((ｆｌｏａｔ)(ｃｏｕｎｔ ｐｕｌｓｅ＋１５２０)／１０５．９? ?? ／／計(jì)算氣壓值

ＴＨ１ ＝ ０ｘ００;　 ／／重設(shè)計(jì)數(shù)初值

ＴＬ１＝０ｘ００;

}

ＴＨ０ ＝ －５００００／２５６; ／／重設(shè)５０ｍｓ初值

ＴＬ０ ＝ －５００００％２５６;

ｉｆ(ＴＬ０!＝ ０) ＴＨ０－－;

ＥＴ０＝１;

ＴＲ１＝１;

ｒｅｔｕｒｎ;

}

該中斷函數(shù)主要用于完成脈沖的讀取和氣壓值的計(jì)算。ｐｈ是個(gè)全局變量，可用來保存氣壓值。

（２）在顯示函數(shù)里，將氣壓值先按位進(jìn)行分離并保存到數(shù)組，然后送段碼和相應(yīng)位選就可以顯示出相應(yīng)的氣壓值了。具體程序如下：

ｖｏｉｄ ｄｉｓｐｌａｙ(ｕｉｎｔ ｐｈ_ｉｎ)

{ ｕｃｈａｒ ｉ＝０;

ｕｃｈａｒ ｊ＝０;

ｕｃｈａｒ ｓｅｌｅｃｔ_ｂｉｔ＝０; ／／位選

ｄｏ {

ｃｕｒ_ｂｕｆ[ｉ]＝ｐｈ_ｉｎ％１０;

ｉ＋＋;

ｊ＝ｉ;

}ｗｈｉｌｅ(ｐｈ_ｉｎ＝ｐｈ_ｉｎ／１０);? ／／當(dāng)高位為零時(shí)?結(jié)束循環(huán)

ｉ＝０;

ｓｅｌｅｃｔ_ｂｉｔ＝０ｘｆｅ;

ｄｏ

{ Ｐ１＝ｔａｂ[＊ｐ];

Ｐ３＝ｓｅｌｅｃｔ_ｂｉｔ;

ｄｌ_ｍｓ();?

ｓｅｌｅｃｔ_ｂｉｔ＝(ｓｅｌｅｃｔ ｂｉｔ＜＜１)＋１;

／／從最右邊一位開始顯示,循環(huán)左移

ｐ＋＋;

ｉ＋＋;

}ｗｈｉｌｅ(ｉ＜ｊ);

ｐ＝ｃｕｒ_ｂｕｆ; ／／指針歸位

ｒｅｔｕｒｎ;}

這樣，在主程序中，只要在程序第一次運(yùn)行時(shí)進(jìn)行初始化，然后再循環(huán)調(diào)用顯示函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示功能。

５　結(jié)束語

筆者曾用純硬件電路設(shè)計(jì)過氣壓計(jì)。實(shí)踐表明，由于受溫度的影響及硬件參數(shù)的限制，實(shí)時(shí)顯示時(shí)穩(wěn)定性較差，并且精確度不高。而改用Ｖ／Ｆ變換信號及編程的方法實(shí)現(xiàn)該測量則完全克服了上述缺點(diǎn)。結(jié)果表明：該方法具有精度高、穩(wěn)定性好、功能易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，可為儀器及電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供一種新的思路。