开题报告基于单片机的数字气压计设计

学号：学号： 1044643510446435 常常 州州 大大 学学 毕毕业业设设计计（论论文文）开开题题报报告告 （2014 届）届） 题题目目基于单片机的数字气压计设计基于单片机的数字气压计设计 学学生生周亮周亮 学学院院常州大学怀德学院常州大学怀德学院专专 业业 班班 级级电子电子 102102 校内指导教师校内指导教师屈霞屈霞专业技术职务专业技术职务副教授副教授 校外指导老师校外指导老师专业技术职务专业技术职务 二二一一四四年年十十月月 题目：基于单片机基于单片机的的数字气压计设计数字气压计设计 一、前言 1课题研究的背景，国内外研究现状和意义 气压计是利用压敏元件将待测气压直接变换为容易检测、传输的电流或电压信号， 然后再经过后续电路处理并进行实时显示的一种设备。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。随着 科技的飞速发展原始的气压计已经不能满足于日益精确的各种测量仪器的需求，于是 数字式气压计便产生了。数字气压计能准确的测量当地的绝对压力值。具有精度高、 灵敏性强、结构牢固等特点。整台仪器重量轻，便于携带，不怕一般振动及碰撞，性 能稳定可靠。研究的意义：卫星导航技术的飞速发展已逐渐取代了无线电导航、天文 导航等传统导航技术，成为一种普遍采用的导航定位技术，并在精度、实时性、全天 候作业等方面取得了长足进步3。现在不仅应用于物理勘探、电离层测量和航天器导航 等诸多民用领域，在军事领域更是取得了广泛的应用。在弹道导弹、野战指挥系统、 精确弹道测量以及军用地图快速测绘等领域均大量采用了卫星导航定位技术。鉴于卫 星导航技术在民用和军事领域的重要意义，得到了许多国家的关注。 国内外研究现状：常见气压计有液体气压计和盒式气压计。飞机上使用的高度计 实际上是用盒式气压计改装成的。常见的液体气压计有水银气压计和酒精气压计 2 种， 这 2 种都是老式的气压计，体积大，精度低，不方便携带且容易坏，当今社会科技高 速发展，各行各业不断出现新技术新材料，气压测量这块也是这样，盒式气压计的出 现部分的解决了液体气压计所无法解决的缺点，比如体积、方便携带等等。人类社会 进入 20 世纪 90 年代以后微电子行业发展极为迅速，各种各样的电子传感器被发明且 被运用到各行各业，为人们的生产生活创造了极大的便利。数字气压传感器亦已出现， 并大量被运用，甚至现在很多手持设备中都已经加入了气压计功能，比如手机，GPS 等，方便了人们的出行旅游。目前国际国内很多公司都推出了其数字气压传感器，如 摩托罗拉公司的 MPX4105 和 Intersema 公司的 MS5534b 另外还有华普微电子的 HP03 系列数字气压传感器。众多数字气压传感器的出现使得多样化的数字化气压测量装置、 用品大量出现，并越来越普及，精度也越来越高。数字气压计一般不会只有测量气压 一种功能，一般都有其他的功能，比如测温度、指南针、码表等等的功能。气压传感 器和微电子控制器的结合，可以创造出很多应用，可以说只要能有好的想法，一般都 可以实现，气压计已经由以前的只有专业场合专业人士才能使用的测量器具变成今天 的随处可见，方便使用的电子产品，并集成到众多的电子产品中，都归功于电子行业 技术发展和很多有创新精神开发者。 意义：本课题是要设计一个利用微控制和数字化气压传感器为核心元件组成的电子气 压计系统。微控制和数字化气压传感器的结合可以使得气压计的设计更具灵活性，测 量精度相对于液体气压计也有了显著提高。测量结果的显示也更直观，并可灵活的加 入超压、低压报警等特殊功能，以满足某些特定需要。 通过本次设计也较好的锻炼了本人的动手能力，为将来的工作打下了一定的基础， 同时可以充分利用课堂所学知识进行本课题的设计，在运用这些知识的过程中，加深 了对这些知识的理解。由原先的机械记忆变为领会本质。 2课题的研究目标、内容和相关理论综述 目标：设计基于单片机的数字气压计。 内容：系统分为采集部分、数据处理部分、显示部分这三大部分。采集部分应采用集 成传感器来采集大气压力信号。数据处理部分使用 A/D 芯片实现将模拟信号转变为数 字信号，然后经由单片机处理输出到 LCD 显示部分。 要求： (1) 测量范围：300hPa1100hPa (2) 测量精度：0.1%FS（20） 。 (3) 工作温度范围：085。 (4) 电源电压：5V。 相关理论综述： 在设计电子气压计之前首先要搞清楚气压的定义。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，习惯上常用水银柱高度。例如，一个标准大气压等于 760 毫 米高的水银柱的重量，它相当于一平方厘米面积上承受 1.0336 公斤重的大气压力。由 于各国所用的重量和长度单位不同，因而气压单位也不统一，这不便于对全球的气压 进行比较分析。因此，国际上统一规定用百帕作为气压单位。经过换算： 一个标准大气压1013 百帕（毫巴） 1 毫米水银(汞柱）柱高4/3 百帕（毫巴） 1 个标准大气压760mm 水银(汞柱）柱高。 气压产生的原因：从分子动理论可知，气体的压强是大量分子频繁地碰撞容器壁而产 生的。单个分子对容器壁的碰撞时间极短，作用是不连续的，但大量分子频繁的碰撞 器壁，对器壁的作用力是持续的、均匀的，这个压力与器壁面积的比值就是压强大小。 影响压强的因素：气压的大小与海拔高度、大气温度 、大气密度等有关，一般 随高度升高按指数律递减。气压有日变化和年变化。一年之中，冬季比夏季气压高。 一天中，气压有一个最高值、一个最低值，分别出现在 910 时和 1516 时，还有一 个次高值和一个次低值，分别出现在 2122 时和 34 时。气压日变化幅度较小，一 般为 0.10.4 千帕，并随纬度增高而减小。气压变化与风、天气的好坏等关系密切， 因而是重要气象因子。通常所用的气压单位有帕(Pa)、毫米水银柱高(mmHg)、毫巴 (mb)。它们之间的换算关系为：100 帕1 毫巴34 毫米水银柱高。气象观测中常用 的测量气压的仪器有水银气压表、空盒气压表、气压计。温度为 0时 760 毫米垂直水 银柱高的压力,标准大气压最先由意大利科学家 托里拆利 测出。 二、设计方案的确定 1设计思路分析 （1）设计方案一： 采用单片机主控，通过压力传感器、A/D 转换采集数据信息，经过含有单片机的检测 系统检测，将结果传送到单片机控制的主控器，数据通过显示器显示。原理框图如图 2.1 所示。 图 2.1 方案一原理图 （2） 设计方案二： 采用单片机主控，通过压力传感器、A/D 转换采集数据信息，经过含有单片机的检测 系统检测，将结果传送到单片机控制的主控器，数据通过显示器显示。原理框图如图 2.1 所示。 图 2.2 方案二原理图 综上所述，方案一电路虽然与方案二类似，都较方案一调整方便、可兼顾的指标 多，但方案一利用 PC 机平台实现软件操作，在操作运行复杂，并且性价较底，因为耗 费较大，所以在实际应用中一般不用，所以我们选择第二种方案。 设计 51 单片机数字气压计系统时，需要考虑下面 4 个方面的内容。 选择合适的气压传感器芯片，这要根据实际需要以及各种气压传感器的性能参 数来决定。 选择合适的 A/D 转换器件，它的作用是将气压传感器输出的模拟电流或电压信 号转换为数字信号。 设计单片机和 A/D 转换器件的接口电路。 压 力 传 感 器 A/ D 转 换 单片 机控 制的 检测 系统 单片 机控 制的 主控 制器 显 示 器 总线 气 压 传 感 器 显 示 器 微 处 理 器 89C52 实现气压信息采集并输出的软件设计。 2. 系统总体结构 本系统的总体结构框图如图 2.3 所示。 基于单片机的 数字气压计设计 初始化模块A/D 转换模块数据处理模块显示模块 图 2.3单片机数字气压计系统结构框图 由图 2.3 可知，整个系统的工作流程如下。 测量时被测气压由气压传感器转换为模拟的电压输出，此输出信号不能直接交由 单片机处理。因此，需要经过 V/F 转换模块把气压传感器输出的模拟电压信号转换为 数字脉冲（其频率随输入电压呈线性变化） 。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 通过数码管显示电路显示给用户。 2.1 A/D 转换模块 单片机接受传感器的电压值为模拟信号，它要和 A/D 转换模块的锯齿波发生装置 发送过来的标准模拟信号相比较，即通过 P1.0 和 P1.1 引脚进行比较，同时开发定时 器 0，当待测模拟信号超过标准模拟信号时，P3.6 引脚信号将会发生变化，此时的定 时器 0 的值通过量纲转化就得到了相应的数字信号。 2.2 数据处理模块 数据处理模块主要是对 A/D 转换模块的数据进行多次采集，并且对采集的数据进 行处理，此处理过程主要是对采集的数据进行初值定义以及相应的移位处理，并且把 处理好的数据送入相应的缓冲区，为后面的显示模块作好准备。 2.3 显示模块 用单片机芯片 AT89C52 的 P0.0/AD0P0.7/AD7 端口接数码管的 ah 端， 8 位数码 管的 S1S5 通过 AT89C52 的 P2.0P2.4 端口来控制选通每个数码管的位选端。在数 据的显示模块中，我们采用的是 LED 动态显示的方式。 3.气压传感器的选择 气压传感器对于数字气压计设计的实现至关重要，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。 气压传感器的主要性能参数如下。 测量范围 即所能测量的大气压力范围，单位为 kPa。 测量精度 测量结果（电流或电压）的精度。 温度补偿范围 一般要选用具有温度补偿能力的气压传感器，因为温度补偿特性可以克服半导体 压力敏感器件存在的温度漂移问题。 测量的是否是绝对气压值 绝对气压值对应的即是实际的气压值，显然要实现数字气压计需要测量绝对气压 值的气压传感器。 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 7。经过综合考虑，我们选用美国摩托罗拉公 司的集成压力传感器芯片 MPX4105 作为气压传感器。 MPX4105 可以产生于所加气压呈线 性关系的高精度模拟输出电压，它具有以下特点： 供电范围：4.855.35V，典型值为 5.1V。 测量范围：15105kPa。 工作温度范围：085。 温度补偿范围：-40+125。 测量精度为1.7%VFSS。 最低气压对应的输出电压 VOFF 为 0.1840.428V，典型值为 0.306V；最高气压 对应的输出电压 VOFF 为 4.8044.988V，典型值为 4.896V；满刻度输出电压间距 VFSS 的典型值为 4.590V。 理想的微处理器接口。 4. A/D 转换器件的选择 气压传感器 MPX4105 输出的是模拟电压，因此，必须进行 A/D 转换才能交由单片机处 理。关于 A/D 转换，其模块的特点是：转换分辨率为 10 位，最多含 8 个输入通道和一 部温度传感器。我采用一种电压/频率（V/F）转换电路来实现模拟电压的数字化处理。 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 器件本身还不能算做量化器，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、可远距离传送并能直接输入单片机接口的脉冲序列。通过测试 V/F 的输出频率。可以实现 A/D 转换功能。 针对电路的实际需要，并考虑到外围电路实现的难易程度和相应的性能指标，我 选用国家半导体公司的芯片 LM331 来实现 A/D 转换。LM331 是一款高精度电压/频率转 换芯片，它具有以下特点： 最大非线性误差为 0.01%。 可单、双电源供电，电压范围为 540V。 脉冲输出可兼容任何逻辑形式。 内部具有温度补偿能隙基准电路，因而具有极佳的温度稳定性，最大温漂为 50ppm/。 宽的满量程频率范围：1Hz100KHz。 5. 三端稳压器 本设计中的LM331工作电源采用+15V，但是单片机、MPX4105等其他芯片需要+5V供 电，因此还需要设计专门的供电电路以满足整个系统的电源需求。选用摩托罗拉公司 的三端低电流线性稳压芯片MC78L05作为电源电路。其输入电压范围：2.624V，输出 +5V 固定电压；具有内部短路电路限制和热过载保护功能，无需外部元器件。 6. 数码管显示 6.1 数码管静态显示 当显示器显示某一个字符时，相应的发光二极管恒定的导通或截止，这种显示方 式每一位都需要一个8位输出口控制。静态显示时，较小的电流能得到较高的亮度且字 符不闪烁，当显示器位数较少时，采用静态显示的方法是合适的。 6.2 数码管动态显示 一位一位地轮流点亮显示器各个位，对于显示器的某一位来说，每隔一段时间点 亮一次。利用人的视觉暂留功能可以看到整个显示，但必须保证扫描速度足够快，字 符才不闪烁。显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。 若显示器的位数不大于8，则控制显示器公共极电位只需一个I/O口，控制显示器的各 位所显示的字型也只需一个 8 位口。 单个LED是由段发光二极管构成的显示单元。有10个引脚，对应于个段、1个 小数点和2个公共端 9。本设计中需要用5个LED组成显示单元，共阴极接法，所以我们 采用数码管动态显示。 7. 系统配置 我们以 AT89C52 单片机为整个系统的核心，通过气压传感器对气压信号的采集、 控制、放大等处理完成气压参数的自动获取，以及进行数字显示等等。在此过程中需 要利用 AT89C52 单片机内部的定时器对其进行度量，再使用软件模块对其进行处理， 即得到了 A/D 转换的结果。进行多次 A/D 转换后，我们就可以采集到一脉冲序列的数 据，对这些数据进行适当的处理，最后通过数码管显示电路显示给用户，进而达到了 我们对整个系统设计的基本要求。 8设计步骤 (1)查找资料，熟悉数字气压计系统的原理与组成； (2)查找相关文献，提出几套系统设计方案； (3)比较各种方案，综合考虑设计需求，确定系统的硬件方案与控制方案； (4)根据硬件方案选择液晶显示器、单片机等硬件； (5)用相关仿真软件对系统方案仿真； (6)制作并调试硬件电路； (7)功能测试与实验结果； (6)撰写论文。 三、阶段性设计计划、