毕业设计（论文）-基于单片机的数字气压计设计.doc

建筑电气与智能化 1 目目 录录 1 设计要求设计要求.2 1.1 课题背景课题背景.2 1.21.2 技术概况及发展趋势技术概况及发展趋势.3 1.3 数字胎压计系统设计的意义数字胎压计系统设计的意义.4 1.4 国内外相关技术国内外相关技术.4 2 系统总体设计系统总体设计.5 2.1 设计思路分析设计思路分析.5 2.1.1 设计方案一：设计方案一： .5 2.1.2 设计方案二：设计方案二： .5 2.2 系统总体结构系统总体结构.6 2.3 系统各功能模块的设计思想系统各功能模块的设计思想.6 2.3.1 A/D 转换模块转换模块.7 2.3.2 数据处理模块数据处理模块 .7 2.3.3 显示模块显示模块 .7 2.4 气压传感器的选择气压传感器的选择.7 2.5 A/D 转换器件的选择转换器件的选择.8 2.6 三端稳压器三端稳压器.9 2.7 数码管显示数码管显示.9 2.7.1 数码管静态显示数码管静态显示 .9 2.7.2 数码管动态显示数码管动态显示 .9 2.8 系统配置系统配置.10 3 硬件电路设计硬件电路设计.11 3.1 单片机电路部分单片机电路部分.11 3.1.1 主要芯片介绍主要芯片介绍 .11 3.2 气压传感和气压传感和 V/F 转换电路部分转换电路部分.14 3.3 胎压计电源与单片机电路部分胎压计电源与单片机电路部分.17 3.4 PCB制作制作.18 4 软件设计软件设计.20 4.1 用用 C 语言开发单片机的优势语言开发单片机的优势.20 4.2 如何由频率计算出气压值如何由频率计算出气压值.21 4.3 程序流程图程序流程图.21 5 系统调试与仿真系统调试与仿真.23 5.1 KEIL软件介绍软件介绍 .23 5.2 PROTEUS 软件介绍软件介绍.24 5.3 单片机调试仿真单片机调试仿真.25 5.4 原理图检查调试原理图检查调试.26 5.5 器件连接调试器件连接调试.26 5.6 PCB 检查检查.27 参考文献参考文献.31 附录附录 1.32 完整原理图：完整原理图：.32 建筑电气与智能化 2 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 1 设计要求设计要求 1.1 课题背景课题背景 如今，随着高速公路网的蓬勃兴起，交通的日趋发达，车辆行驶速度的不断攀升， 交通隐患的防范问题迫在眉睫，如因车胎漏气和爆炸等原因造成的交通事故，很多是由 轮胎的工作温度过高或者不合理胎压引起的。研究汽车轮胎胎压计，就对现代汽车行驶 时的经济性、安全性和操纵稳定性具有尤为重要的现实意义。 在汽车的高速行驶过程中，轮胎故障是所有驾驶者最为担心和最难预防的，也是突 发性交通事故发生的重要原因。据相关统计资料数据表明，目前我国在高速公路上发生 的交通事故有 70%80%是由于轮胎问题引起的，其中将近 50%为爆胎事故。怎样防止爆 胎已成为安全驾驶的一个重要课题。据专家分析，保持标准的车胎气压行驶和及时发现 车胎漏气是防止爆胎的关键。为此，基于解决此类问题的各种胎压监测系统(TPMS)产品 胎压计应运而生。 轮胎气压计属于“事前主动”型安全保护装置，在轮胎出现危险征兆时及时报警， 提醒驾驶员采取措施，将事故消灭在萌芽状态，确保汽车在行驶过程中始终处于安全状 态。同时，利用胎压计获得轮胎信息，可以减少油耗，延长轮胎的使用寿命，也可以为 底盘综合控制系统提供相关的信息和数据。 本设计的是一种基于单片机的数字气压计的设计，主要针对的是汽车轮胎胎压计的 设计。汽车轮胎胎压计是通过气压传感器获得与汽车轮胎胎压相对应模拟电压值，并经 过 VF 变换输入到单片机进行处理，从而实时显示相应气压值。由于使用胎压计有一定 的参数要求，设计数字气压计时要1仔细了解这些参数以防止使用不当而损坏胎压计。 汽车轮胎胎压计采用高性能绝对压力传感器，屏幕显示出高准确度的汽车轮胎胎压，实 现了对轮胎压力的实时监测。当汽车轮胎压力处于非正常状态运行时，通过报警来通知 驾驶员，控制轮胎爆胎发生，以达到安全驾驶的目的。 建筑电气与智能化 3 1.21.2 技术概况及发展趋势技术概况及发展趋势 TPMS (Tire Pressure Monitoring System) 轮胎压力监视系统，主要用于在汽车行 驶时实时的对轮胎气压进行自动监测。目前各国研制的轮胎气压报警系统主要分为两种 类型：一种是间接式，它通过汽车 ABS(防抱制动系统)的轮速传感器及轮胎的力学模型， 间接求出轮胎气压，以达到监视轮胎气压的目地；另一种是直接式，它利用安装在每一 个轮胎里的以锂离子电池为电源的压力传感器来直接测量轮胎的气压，并通过无线调制 发射到安装在驾驶台的监视器上，而监视器随时显示各种轮胎气压，驾驶者可以直观地 了解各个轮胎的气压状况，当轮胎气压太低或有渗漏时，系统就会自动报警，确保行车 安全。 市场研究机构 Strategy Analytics 的预测表明，直接系统技术将成为主流技术， 2008 年后所占份额将超过 95%。因为如果要使用间接式胎压监测系统，前提是车辆必须 有 ABS 系统。加上会影响轮胎转速的因素，除了胎压异常所导致外，行驶的路面也是主 要原因，如行驶于雪地或湿滑路面时，空转会使某一轮胎的旋转次数大幅提高。或者是 当车子高速转弯时，车胎的抓地力已经无法克服过弯时的离心力，外侧轮胎与内侧轮胎 的转动次数便有明显差异，这些情况便会出现错误警告信息。另外，当四条轮胎的胎压 同时下降，系统便失去判定的准则，警告信息自然就不会出现。而且侦测功能仅在车辆 行驶中才能发挥作用，对备胎或当车辆停滞时，便无法判断，还会出现误报现象。 汽车高速行驶中，由于轮胎的压力不正常而造成爆胎是驾驶员难以预防的，也是突 发性和恶性交通事故发生的重要原因。引起轮胎漏气和爆胎的原因主要有：(1)轮胎工作 温度过高；(2)轮胎气压过大；(3)轮胎使用时间过长；(4)轮胎负荷过大；(5)汽车行驶 速度过快。为使汽车能够处于安全的驾驶状态，驾驶者必须在行车过程中实时了解轮胎 的超压、欠压、温度等工作状态，我们设计的基于单片机的汽车轮胎胎压计具有以下的 功能：(1)实时监测轮胎的压力情况；(2)当某个轮胎处于欠压状态时，相应的欠压报警 指示灯亮。当汽车轮胎压力处于非正常状态运行时，通过报警来通知驾驶员，控制轮胎 爆胎发生，以达到安全驾驶的目的。 建筑电气与智能化 4 1.3 数字胎压计系统设计的意义数字胎压计系统设计的意义 由于汽车的迅速普及，人们对驾驶安全性与舒适性的追求越来越高，随车携带数字 气压计可以保证人们安全驾驶，有效地降低由于爆胎导致的交通事故发生地概率。而服 务商需要的是一种物美价廉的数字气压计，以满足有车一族的需要。 本设计充分利用了 MPX4105 芯片的功能，它满足数字气压计采集、控制和数据处理 的需要，可提高系统稳定性和抗干扰能力。同时，由于大量的工作由单片机软件来实现， 简化了设计电路，且调整方便、可兼顾的指标多，从而大大降低了成本。另外，作为一 种功能强大的平台，该数字气压计具有很好的功能扩展性，具有精度高、稳定性好、功 能易于扩展等优点，为仪器及电子产品设计后续技术升级，以进一步满足市场的需要提 供了条件。 1.4 国内外相关技术国内外相关技术 对轮胎爆胎进行预警是保障汽车安全行驶的关键所在，已成为汽车行业研究的热点 问题。在轮胎爆胎预警系统及相关技术的研究发面，美国、日本、德国、法国、英国在 近几年都取得了突破性的进展，形成了性能和功能完善5的轮胎压力监测系统产品。从 近年发布的世界新车资料来看，林肯大陆、奔驰、宝马、标志、道奇等中高档车均安装 了轮胎压力监测装置，用于监测汽车行驶过程中轮胎气压，车内主控机板显示模块实时 显示轮胎气压状态。 据中国汽车工业协会相关市场调查表明，国内轮胎爆胎预警系统的相关产品有推出， 但都是技术性能不甚完善简易系统产品，存在以下缺点：系统工作寿命极短；系统 在低温或高温环境下失效；工作可靠性较差。而性能可靠、功能完善、技术成熟的产 品均是一些国外知名公司的品牌产品，但价格较为昂贵。因此，研制性能可靠、功能完 善并且价格能为当前多数国内消费者所接受的轮胎爆胎预警技术产品很有必要。国内汽 车行业正迫切需求成熟的轮胎爆胎预警系统及产品的投放市场以解决因轮胎爆胎而引起 的行驶安全性问题。 建筑电气与智能化 5 2 系统总体设计系统总体设计 2.1 设计思路分析设计思路分析 2.1.1 设计方案一：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。原理框图如下： 图 2-1 方案一原理图 2.1.2 设计方案二：设计方案二： 采用集成的单片机主控，通过压力传感器将气压信号送入带 A/D 转换的单片机中， 以及在相关模拟分立元件的辅助下进行 A/D 转换以及其它的数据处理，将处理的结果送 显示部分进行显示。原理原理框图如下： 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 压 力 传 感 器 A/ D 转 换 器 单片 机控 制的 主控 制器 显 示 器 总线 单片 机控 制的 检测 系统 气 压 传 感 器 显 示 器 微 处 理 器 89C52 建筑电气与智能化 6 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。 实现气压信息采集并输出的软件设计。 2.2 系统总体结构系统总体结构 本系统的总体结构框图如图 2-1 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。 2.3 系统各功能模块的设计思想系统各功能模块的设计思想 通过对单片机各个端口的设置，以及定时器工作方式和串行口工作方式的选择，并 对定时器和串行口进行初始化用以实现对单片机和各个功能模块芯片之间通讯联络的设 定。在主程序模块中我们关键是使单片机初始化，以及分配地址空间交代程序中各个变 量等。其中最为关键的是连接子程序的各个功能模块。 建筑电气与智能化 7 2.3.1 A/D 转换模块转换模块 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。 2.3.2 数据处理模块数据处理模块 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。 2.3.3 显示模块显示模块 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。其具体的实现过程在上 述设计思想中详细说明。7 段数码管选用共阳连接方式，通过端口输出编码后的段码，对 应笔画为“高电平“时点亮。 2.4 气压传感器的选择气压传感器的选择 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 建筑电气与智能化 8 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。 2.5 A/D 转换器件的选择转换器件的选择 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 个内部温度传感器。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 建筑电气与智能化 9 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。 2.6 三端稳压器三端稳压器 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。 2.7 数码管显示数码管显示 2.7.1 数码管静态显示数码管静态显示 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。 2.7.2 数码管动态显示数码管动态显示 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 建筑电气与智能化 10 用数码管动态显示。 2.8 系统配置系统配置 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。 建筑电气与智能化 11 3 硬件电路设计硬件电路设计 经过之前的分析,单片机系统中的数码管显示电路，它通常由译码器、驱动器和显示 器等部分组成，是将采集到得气压值通过数码管显示的电路。 硬件电路离不开功能性器件，因此首先来看看本数字胎压计所采用的主要器件。 3.1 单片机电路部分单片机电路部分 3.1.1 主要芯片介绍主要芯片介绍 89C52 单片机 89C52 单片机的 40 条引脚按功能来分，可以分为 3 部分，电源及时钟引脚、控制引 脚和输入/输出引脚。如下图 3-1 所示： 图 3-1 单片机引脚图 89C52 单片机引脚功能 建筑电气与智能化 12 主电源及时钟引脚 此类引脚包括电源引脚 Vcc、Vss、时钟引脚 XTAL1、XTAL2。 （1）Vcc（40 脚）：接+5V 电源，为单片机芯片提供电能。 （2）Vss（20 脚）接地。 （3）XTAL1（19 脚）在单片机内部，它是一个反向放大器的输入端，该放大器构成 了片内的振荡器，可提供单片机的时钟控制信号。 （4）XTAL2（18 脚）在单片机内部，接至上述振荡器的反向输出端。 控制引脚 此类引脚包括 RESET（即 RSR/VPD） 、ALE/PROG、PSEN、EA/VPP，可以提供控制信号， 有些具有复用功能。 （1）RSR/ VPD（9 脚）：复位信号输入端，高电平有效，当振荡器运行时，在此引 脚加上两个机器周期的高电平将使单片机复位（REST） 。复位后应使此引脚电平保持为不 高于 0.5V 的低电平，以保证单片机正常工作。 掉电期间，此引脚可接上备用电源（VPD） ，以保持内部 RAM 中的数据不丢失。当 Vcc 下降到低于规定值，而 VPD 在其规定的电压范围内（50.5V）时，VPD 就向内部 RAM 提 供备用电源。 （2）ALE/PROG（30 脚）：ALE 为地址锁存允许信号。当单片机访问外部存储器时， ALE（地址锁存允许）输出脉冲的下降沿用于锁存 16 位地址的低 8 位。即使不访问外部 存储器，ALE 端仍有周期性正脉冲输出，其频率为振荡器频率的 1/6。但是每当访问外部 数据存储器时，在两个机器周期中 ALE 只出现一次，即丢失一个 ALE 脉冲。ALE 端可以驱 动 8 个 LSTTL 负载。 （3）PSEN（29 脚）：程序存储器允许输出控制端。此输出为单片内访问外部程序存 储器的读选通信号。在从外部程序存储器取指令（或取常数）期间，每个机器周期均 PSEN 两次有效。但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的 PSEN 信号将不 会出现。PSEN 同样可以驱动 8 个 LSTTL 负载。 （4）EA/VPP（31 脚）：EA 功能为内外程序存储器选择控制端。当 EA 端保持高电平 时，单片机访问内部程序存储器，但在 PC（程序计数器）值超过 0FFFH 时将自动转向执 行外部程序存储器内的程序。 输入/输出引脚 此类引脚包括 P0 口、P1 口、P2 口和 P3 口。 建筑电气与智能化 13 （1）P0（P0.0P0.7）是一个 8 位三态双向 I/O 口，在不访积压处部存储器时，做 通用 I/O 口使用，用于传送 CPU 的输入/输出数据，当访问外部存储器时，此口为地址总 路线低 8 位及数据总路线分时复用口，可带 8 个 LSTTL 负载。 （2）P1（P1.0P2.7）是一个 8 位准双向 I/O 口（作为输入时，口锁存器置 1） ，带 有内部上拉电阻，可带 4 个 LSTTL 负载。 （3）P2（P2.0P2.7）是一个 8 位准双向 I/O 口，与地址总路线高 8 位复用，可驱 动 4 个 LSTTL 负载。 （4）P3 口功能表，如下表 1.1 所示 表 1.1 P3 口功能表 P3 口各个位的第二功能 P3 口的位第二功能说明 P3.0RXD串行数据接收口 P3.1TXD串行数据发射口 P3.2INT0外部中断 0 输入 P3.3INT1外部中断 1 输入 P3.4T0计数器 0 计数输入 P3.5T1计数器 1 计数输入 P3.6WR外部 RAM 写信号 P3.7RD外部 RAM 读信号 建筑电气与智能化 14 3.2 气压传感和气压传感和 V/F 转换电路部分转换电路部分 MPX4105 压力传感芯片 气压传感器选用摩托罗拉公司生产地集成压力传感芯片 MPX4105，其引脚分布如图 3-2 所示。 图 3-2 MPX4105 引脚分布图 各引脚功能说明如下： VOUT(1 脚)：电压输出脚。 GND（2 脚）：接地端。 NC（4、5、6 脚）：空引脚，用于芯片内部连接，悬空不适用。 LM331 电压/频率转换器 电压/频率转换器选用国家半导体公司的高精度 V/F 转换芯片 LM331，其引脚分布如 图 3-3 所示。 LM331 1 2 3 4 7 6 6 5 CO RefC FO GND VCC CmpIn Thre R/C 图 3-3 LM331 引脚分布图 各引脚功能说明如下： CO(1 脚)：电流输出脚。 RefC（2 脚）：基准电流脚。此引脚可接一固定电阻串联一个可变电阻器的组合，用 于调整转换增益。 FO（3 脚）：脉冲序列输出脚。该序列的频率值对应于输入电压的脉冲序列。 GND（4 脚）：接地端。 MPX4100 123456 VOUT GND VCC NC NC NC 建筑电气与智能化 15 R/C（5 脚）：组容网络引脚。 Thre（6 脚）：阈值电压脚。芯片内部的电压比较器会对此引脚上的电压和 7 脚 CmpIn 上的电压作比较。 CmpIn(7 脚)：比较器电压输入脚。需要进行 V/F 转换的电压经过低通滤波后由此引 脚输入。 VCC（8 脚）：电源脚。可采用单、双电源供电，输入电压 540V。 MC78L05 电源电路 由于数字胎压计采用的是+15V 电源供电，LM331 工作于+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。 电源电路选用摩托罗拉公司的三端低电流线性稳压芯片 MC78L05。MC78L05 具有以下特点： 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； 无须外部器件。 其引脚分布如图 3-3 所示。 各引脚功能说明如下： Vout(1 脚)：+5V 固定电压输出脚。 GND(2 脚)：接地端。 Vin(3 脚)：电压输入脚，可输入的电压范围为 2.624V。 MC78L05 123 Vout GND Vin 图 3-4 MC78L05 引脚分布图 数字胎压计的硬件电路可分为 4 个部分：气压传感器、V/F 转换电路、单片机电路和 电源电路。 气压传感和 V/F 转换电路的原理图如图 3-5 建筑电气与智能化 16 图 3-5 气压传感和 V/F 转换电路的原理图 基于 MPX4105 的数字胎压计系统气压传感及 V/F 转换电路原理图图 3-5 中，U3 为气 压传感芯片 MPX4105，它工作于+5V 电压，将被测电压转换为输出电压（对应图中网络标 号为 Vin） ，送至 V/F 转换电路。电阻 R5 和电容 C7 构成典型的去耦合滤波电路。 U2 为 V/F 转换芯片 LM331，它工作于+15V 电压，此电路的设计可参考 LM331 的芯片 资料。在此电路中，电压 Vin 和输出脉冲 FO 的频率 fo 的转换关系满足公式（1） 。 Fo=Kvin （1） 其中， K=, Rs=R2+R3 （2） RtCtR Rs L 1 09 . 2 1 电路中，Rt、Ct 和 RL 的典型值分别为 6.8k、0.01pf 和 100k，Rs 由一个定值电 阻 R2 和一个可变电路 R3 串联组成，其中，R2 为 22k，R3 的最大阻值为 12k，通过可 变电阻 R3 调节 Rs 的阻值可以实现对电路转换增益的调整。 气压的变化引起 Vin 的变化，而 Vin 在满刻度输出电压间距 V内变化，V典型值 FSSFSS 为 4.590V，所以 Vin 变化范围很小，那么根据 fo=KVin 的关系式，必须增大 K 值，才能 提高测量的精度。fo 通过单片机的定时/计数器 1 的计数测得，该计数器的计数范围为 065536，500ms 计数频率 1 次。因此，K 值的选取还要考虑到计数器的计数范围。综合 考虑之后，将 K 值设为 2000，这样代入式（2）计算，可知 R3 的阻值应调节到 6.424k。 建筑电气与智能化 17 图 3-5 中，Cin 和 Rin 构成低通滤波器，滤除输入电压信号中的干扰脉冲。其中， Cin 取 0.1，Rin 取 100k，C 的取容值为 1的漏极电流小的电容。 f L f 3.3 胎压计电源与单片机电路部分胎压计电源与单片机电路部分 数字胎压计的设计的电源与单片机电路原理图如图图 3-6 所示 图 3-6 基于 MPX4105 的数字胎压计系统设计及单片机电路原理图 图 3-6 中，U4 为电源转换芯片 MC78L05，它将+15V 电压转换为+5V 电压，提供单片 机和气压传感芯片使用。U1 为单片机芯片 AT89C52，工作于 11.592MHz 时钟，它的 P3.5 脚（定时/计数器 1 外部脉冲输入端）和 FO 相连，对脉冲序列计数，以获取频率信息， 从而转换为气压值。U1 的 P0 口和 P2 口是和数码管显示电路的接口，其中，P0 口味 8 位 段码，P2 口提供 5 位位码（5 位 7 段数码管显示） ，数字显示电路是许多数字设备不可缺 少的部分。数字显示电路通常由译码器、驱动器和显示器等部分组成 图 3-7 数字显示电路组成方块图 数码的显示方式一般有三种：第一种是字型重叠式；第二种是分段式；第三种是点 阵式。目前以分段式应用最为普遍，主要器件是七段发光二极管（LED）显示器。它可分 为两种，一是共阳极显示器（发光二极管的阳极都接在一个公共点上） ，另一是共阴极显 示器（发光二极管的阳极都接在一个公共点上，使用时公共点接地） 。 最后给出该课题设计的完整原理图，如下图 3-8 所示： 建筑电气与智能化 18 图 3-8 电路完整原理图 3.4 pcb 制作制作 经过前面的努力，数字气压计硬件电路的设计在已经完成， PROTEL99SE 是一个全 32 位的电路板设计软件，使用该软件可以容易地设计电路原理图、画元件图、设计电路 板图、画元件封装图和电路仿真。 在这里主要用它来绘制电路原理图和生成印制电路板。下面简要说明一下我们上面 用 PROTEL 画好的电路原理图的设计步骤如下： （1）设置原理图设计环境。其中，工作环境设置是使用 Design/Options 和 Tool 和 Preferences 菜单进行的，画原理图环境的设置主要包括图纸大小、捕捉栅格、电气栅格、 模板设置等。 （2）放置元件，将电气和电子元件放置在图纸上。 （3）原理图布线。元件一旦放置在原理图上，不需要用导线将元件连接起来，连接 时一定要符合电气规则。 （4）编辑和调整。编辑元件的属性。包括元件名、参数、封装图等。调整元件和导 建筑电气与智能化 19 线的位置等操作。 （5）检查原理图。使用电气规则功能(ERC)检查原理图的连接是否合理和正确。给 出检查报告，若有错误则要根据错误进行改正。 （6）生成网络表。所谓网络表就是元件名、封装、参数及元件之间的连接表，通过 该表可以确认各个元件和它们之间的关系。 （7）打印原理图。 对电路板的设计主要分为以下几个步骤； （1）使用原理图编辑器设计原理图，进行电气检查(ERC)并生成原理图的网络表。 （2）进入电路板(PCB)环境，使用电路向导确定电路板的层数、尺寸等电路板参数。 （3）使用 Design/Netlist 菜单，调入网络表。 （4）布置元件，就是将元件合理地分布在电路板上。自动布置元件或人工布置元件， 多次布置直到自己满意为止。 （5）完成修饰等工作，完成整个电路板的设计。 建筑电气与智能化 20 4 软件设计软件设计 就该设计的单片机而言，它的输入信号是具有一定频率的脉冲序列，通过单片机内 部的计数器可以获得此脉冲序列的频率，此频率对应于某个气压值，如何将频率换算成 该气压值是软件设计首先需要考虑的问题。 4.1 用用 C 语言开发单片机的优势语言开发单片机的优势 C 语言是一种编译型的结构化程序设计语言，具有简单的语法结构和强大的处理功能， 具有运行速度快、编译效率高，移植性好和可读性强等多种优点，可以实现对系统便件 的直接操作。用 C 语言来编写目标系统软件，可以大大缩短开发周期，且明显地增加软 件的可读性，便于改进和扩充，从而开发出大规模、高性能的应用系统11。其优势如 下： （1）可以大幅度加快开发进度，程序量越大，用 C 语言就越有优势。 （2）无需精通单片机指令集和具体的硬件，也能够编出符合硬件实际专业水平的程 序。 （3）可以实现软件的结构化编程，使得软件的逻辑结构变得清晰、有条理、便于开 发小组计划任务、分工合作。源程序的可读性和可维护性都很好。 （4）省去了人工分配单片机资源的工作，在汇编语言中要为每一个子程序分配单片 机的资源。在使用 C 语言后，只要在代码中申明一下变量的类型，编译器就会自动分配 相关资源，根本不需要人工干预，从而有效地避免了人工分配单片机资源的差错。 （5）汇编语言的可移植性很差，而 C 语言只要将一些与硬件相关的代码作适当的修 改，就可以方便地移植到其它种类的单片机上。 （6）C 语言提供 auto、stati