单片机控制的数字气压计的设计与实现 毕业设计(论文)

毕业设计（论文）题目基于单片机的数字气压计的设计与实现系（院）专业班级班学生姓名学号指导教师职称二一三年六月十八日独创声明本人郑重声明所呈交的毕业设计论文，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本声明的法律后果由本人承担。作者签名二一三年六月十八日毕业设计（论文）使用授权声明本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。（保密论文在解密后遵守此规定）作者签名二一三年六月十八日基于单片机的数字气压计的设计与实现摘要数字气压计是用来测量压力由压力传感器,可以直接转换为检测到的电流或电压信号,最后通过显示器显示设计。本设计介绍了压力传感器MPX4115气压计实时数字显示设备。得到的模拟气压值再经过电压/频率的换算电路，最终在LCD中显示出来。关键词89C55单片机；MPX4115传感器；V/F转换器；液晶显示DESIGNANDIMPLEMENTATIONOFDIGITALPRESSUREMETERBASEDONMICROCONTROLLERABSTRACTDIGITALBAROMETERISDESIGNEDTHROUGHTHEPRESSURESENSORWILLBEMEASUREAIRPRESSURE,TRANSFORMFORDIRECTCURRENTORVOLTAGESIGNALCANBEDETECTED,ANDFINALLYDISPLAYEDBYTHEDISPLAYOFADESIGNMPX4115BYPRESSURESENSORSAREINTRODUCEDTHEDESIGNOFTHEREALTIMEDISPLAYOFDIGITALATMOSPHERICPRESSUREMETERSYSTEMEQUIPMENTTHESIMULATIONOFTHEPRESSUREVALUETHROUGHTHEVOLTAGE/FREQUENCYCONVERSIONCIRCUIT,FINALLYDISPLAYEDINTHELCDKEYWORDS89C55SINGLECHIPMICROCOMPUTERMPX4115SENSORV/FCONVERTERLIQUIDCRYSTALDISPLAYLCD目录引言1第一章数字气压计系统论证211数字气压计设计系统212设计思路分析2121设计方案一2122设计方案二2123设计单片机控制的数字气压计系统时的注意事项3第二章系统总体构造的设计421系统总体结构422A/D转换模块423MPX4115传感器模块624数据处理模块7241数据处理模块电路的原理图725显示模块11251LCD1602显示器的介绍1226电源电路模块1327本设计总体电路介绍14271对于数据的转换计算15第三章程序的设计及系统调试与仿真1631由频率算出电压值1632程序流程图1633关于KEIL4和PROTEUS的介绍1734程序仿真图如下1835电路仿真如图所示20总结21参考文献22谢辞24引言随着科学技术的发展，单片机技术、传感器技术以及计算机控制技术的发展正走向逐渐走向成熟。人们的生活和工作也脱离不了科学技术的发展。比如我们的电脑、手机、MP3等等我们日常生活中用到的各种电子设备，几乎都是在单片机的控制下完成的。在我们的实际生活中，各种智能控制的仪器或者机器都是建立在单片机和传感器的基础上的。在在实时监测和自动控制领域,设备和仪器,单片机智能方向已经称为一个不可避免的趋势。这是一个技术进步的象征,也是社会和经济发展的需要。传感器和单片机集成是最为普遍的一种控制系统。随着现代科学技术和自动化智能控制技术的发展，传感器在人们的生活中的地位越来越高。近年来，由于科技发展、环境影响以及人们的需要，传感器在各个部门起到的作用是不容小觑的。当然在工业生产自动化、安全防卫、能源交通、环境保护、灾害预测、医疗卫生等方面所研发的各种传感器，在全球化科技发展中创造了巨大的贡献。其中很重要的一种就是数字气压计的设计为气象预测和气候的判定提供了准确的信息。6传统的数字气压计存在的问题还是很多的。如低精度,表明稳定性差,而设计的微处理器控制的数字气压计,而不是一个复杂的电路和控制系统,设计易于使用,实时显示稳定性好,精度高,抗干扰能力,和技术规格的测量压力已经大大提高。因此，对于单片机控制的数字气压计的设计有非常重要的意义。8第一章数字气压计系统论证11数字气压计设计系统数字气压计系统以AT89C55单片机为微控制器，利用气压传感器实现气压检测，测量外界大气压，以及LM016L液晶显示器来来显示当前地域或者空间的气压值。12设计思路分析121设计方案一使用SCM的主人,获得的压力传感器模拟信号,再经过A/D转换后,由微处理器控制的监控系统,并最终发送一个信号到单片机控制系统,然后通过显示。原理框图如下总线图11方案一原理图122设计方案二采用AT89C55单片机为核心，将获得的信号交由A/D转换器处理后直接送到单片机，最终由显示器显示出来。原理原理框图如下图12方案二原理图综上所述，两种方案虽然电路设计方面相似，但是我们可以看到方案二的设计压力传感器A/D转换器单片机控制的主控制器显示器单片机控制的检测系统气压传感器显示器A/D转换单片机处理更为简单快捷，而且相对于方案一来说性价比高。因此我们选择第二种方案。123设计单片机控制的数字气压计系统时的注意事项在数字气压计的设计过程中，我们要注意一下几个方面。根据正确的方案和参数选择合适的压力传感器。对于A/D转换器的选择，要考虑抗干扰的问题以及设计起来要简单。对于单片机和A/D转换器的电路连接要合理，不能繁琐。对于信息的采集和显示要迅速且实时显示效果要好。第二章系统总体构造的设计21系统总体结构本系统的整体结构框图如图23所示。基于单片机的数字气压计设计初始化模块A/D转换模块块数据处理模块显示模块图23基于单片机控制的数字气压计系统结构整体框图由图23可知，整个系统的工作流程如下。被测信号是电压输出,不能直接由微控制器控制。因此,通过V/F转换器模块的压力传感器输出模拟电压信号转换为数字脉冲其频率与输入电压成线性变化。单片机接收到脉冲信号处理,使用线性关系相应的电压和频率公式计算实际压力值,最后通过液晶显示电路显示。322A/D转换模块单片机接受传感器的电压值为模拟信号，因此要将模拟信号转换为单片机可以识别的数字信号。在本文中,基于各种原因,我选择了V/F转换器LM331芯片构成的A/D转换电路。目前,控制信息处理应用程序主要是A/D转换技术,各种测量仪器通过A/D转换器技术使准确的检测结果,因此最受欢迎的。然而,在一些远距离数据传输需求,准确和更度有限的资金情况下正常的A/D转换技术成本不高,所以我们想到一个V/F变换器代替A/D转换装置。作为MPX4115压力传感器是一个模拟电压输出,有必要对A/D转换器的单片机识别和处理。在A/D转换,利用LM331芯片包含电压/频率V/F转换电路对模拟电压数字处理。V/F转换器是一个模拟电压信号转换成频率信号,精度高和信号稳定性。V/F转换器件与单片机接口有以下特点（1）接口简单。占用单片机内存资源少。抗干扰性能好。有较强的抗干扰能力。（2）有利于远距离传输。通过一定的调制将无线传输变成光传输。这样就在远距离传输过程中是信号准确且不失真。含芯片LM331的V/F转换器如图24CMIN7THR6RC5IOUT1REFI2FOUT3GND4VC8U2LM31R568K15C8001UFC901UFR610KR410K5R32KR210KC101UF50RV112K图24含LM331芯片的V/F转换器各引脚功能说明如下CO1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。R/C（5脚）组容网络引脚。THRE（6脚）阈值电压脚。内部电压比较器会将此引脚上的电压和7脚做比较。CMPIN7脚比较器电压输入脚。输出低通滤波后的V/F转换的电压。VCC（8脚）电源脚。可采用单、双电源供电，输入电压540V。23MPX4115传感器模块这个传感器讲高级的微电机技术和薄膜镀金属结合起来。还未高水准模拟输出信号提供了一个均衡压力。7它的实物图如图所示气压传感器MPX4115的各引脚如下表25气压传感器MPX4115的管脚说明123456VOUTGNDVSN/SN/SN/S9气压传感器仿真图如下图所示1023345621M1MPX4115C1150PFR751K5C501UF图26压力传感器MPX4115仿真图24数据处理模块LM331是通过频率和压力计算压力值。选择设计AT89C55为核心,包括算术和控制逻辑组成。AT89C55是一种低能、高性能单片机,其重点是一个常见的八个中央处理器和闪存单元。强大的单片机AT89C55以其高成本,可以灵活地应用于各种控制领域。10241数据处理模块电路的原理图AT89C55是一个低压、高性能的8位单片机,芯片的CMOS包含20K字节,可以反复阅读可重写的FLASH程序内存和256字节的随机存取数据存储器RAM,设备使用爱特梅尔公司公司,生产的高密度非易失性存储器技术,兼容标准通过MCS51汇编语言指令集,块内置万能8中央处理器和闪存单元,强大的单片机AT89C55可以为您提供许多更复杂的系统控制应用程序。5单片机部分的原理如下图所示CMIN7THR6RC5IOUT1REFI2FOUT3GND4VC8U2LM31C32PFC22PF5X1CRYSTALR110KC7150UXTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P00/AD039P01/AD138P02/AD237P03/AD336P04/AD435P05/AD534P06/AD63P07/AD732P10/T21P11/T2EX2P123P134P145P156P167P178P30/RXD10P31/TXD1P32/INT012P33/INT113P34/T014P37/RD17P36/WR16P35/T115P27/A1528P20/A821P21/A92P22/A1023P23/A124P24/A1225P25/A1326P26/A1427U1AT89C5图27单片机部分原理图AT89C55的原理以及各引脚分析XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P00/AD039P01/AD138P02/AD237P03/AD336P04/AD435P05/AD534P06/AD633P07/AD732P10/T21P11/T2EX2P123P134P145P156P167P178P30/RXD10P31/TXD11P32/INT012P33/INT113P34/T014P37/RD17P36/WR16P35/T115P27/A1528P20/A821P21/A922P22/A1023P23/A1124P24/A1225P25/A1326P26/A1427U1AT89C55图28单片机引脚图89C55单片机引脚功能主电源及时钟引脚（1）VCC（40脚）接5V电源。（2）VSS（20脚）接地。（3）XTAL1（19脚）提供单片机控制信号。（4）XTAL2（18脚）接振荡器的反向输出端控制引脚（1）RST复位输入。（2）ALE/PROG当访问外部程序或数据存储器,此端口是一个地址锁存器启动信号。当此端口为低8地址字节。编程闪存设备,这个端口还用于程序脉冲输入。（3）PSEN程序内存允许输出控制终端是一个外部程序存储器读出选通。每当一个外部存储器取指令,然后将会有两次PSEN每个机器周期有效。两个脉冲输出。此外,当外部内存访问,和一些这两个PSEN信号不出现。（4）EA/VPP希望只访问外部存储器的CPU,EA港口必须保持接地。如果EA端口连接VCC,那么CPU执行内部程序内存指令。输入/输出引脚此类引脚包括P0口、P1口、P2口和P3口。P0口当外部数据或程序访问内存,它将把地址和数据总线复用,激活当访问内部上拉电阻。在FLASH编程过程,P0端口将接收指令而在校准过程必须是一个外部上拉电阻。P1口在编写一个端口内部P1高高挽起,可以用来作为输入,P1端口是接地的,将会有电流输出,这是因为包含内部停下电阻器。在FLASH编程和验证,P1端口接收8地址。P2口端口是一个上拉电阻P2与一个8位双向I/O端口,P2港口输出缓冲区可以接收四个TTL栅电流,当P2端口通过写“1”,内部上拉电阻器把它销和作为输入。因为作为输入,外部销将拉低P2端口和输出电流。这是因为有一个内部拉的缘故。当P2端口访问外部程序或16位外部数据存储器地址,P2端口发送输出地址高八。在给定的地址“1”,因为内部上拉电阻优势当八地址外部数据存储器读写,P2端口输出的特殊功能寄存器。P3口此端口是一组P3端口与一个内部上拉电阻8位双向I/O端口,可以得到输出4TTL栅电流。当P3端口写“1”,内部上拉电阻为高,然后可以用来作为输入。作为输入,由于外部下拉到地面,因为原因P3港口拉输出电流TTL。（1）P0（P00P07）CPU的数据输入和输出都要通过此端口。（2）P1（P10P27）是一个8位准双向I/O口，含有上拉电阻。（3）P2（P20P27）地址总线高八位与此端口复用。（4）P3口P3港口针脚8与内部上拉电阻双向I/O端口,可以得到输出4TTL栅电流。当P3端口写“1”,他们是在内部把高,并作为输入。作为输入,由于外部到低,P3端口将输出电流生病,这是由于拉的缘故。4P3口作为AT89C52的一些特殊功能口P3口功能表，如下表11所示P3口各个位的第二功能P3口的位第二功能说明P30RXD串行数据接收口P31TXD串行数据发射口P32INT0外部中断0输入P33INT1外部中断1输入P34T0计数器0计数输入P35T1计数器1计数输入P36WR外部RAM写信号P37RD外部RAM读信号表29AT89C55的一些特殊功能口P3口功能表25显示模块数据显示模块,我选择了液晶显示器,显示是其主要优势是相对晶体管体积小、功耗低、超薄轻质显示内容丰富等。在SCM系统已经被广泛的应用。液晶显示器可以分为三个类别根据功能BIDUAN字符点阵液晶显示器、液晶显示器、点阵液晶显示器、光两种可以显示数字、字符等,和图形点阵液晶显示器可以显示字符和图形。13本设计选择相对负担得起的字符LCD1602液晶显示器可以显示两行16字符,使用5V电源,电路结构简单、廉价和有一个高成本和应用结果。显示器部分的电路如图210所示D714D613D512D41D310D29D18D07E6RW5RS4VS1VD2VE3LCD1LM016L234567891RP1RESPACK855图210显示模块原理图251LCD1602显示器的介绍LCD1602是一种专门用来显示字母、数字、符号等点阵式LCD，实物如图28所示。图211LCD显示器实图LCD1602的外围引脚及作用第1脚VSS为接地电源；第2脚VDD为5V正电源；第3脚V0是调整对比度的液晶显示器端口,和积极的供应连接使弱对比,当功率将停飞,但对比最高对比度太高会产生“重影”,因此,可以用来连接一个10K电位器来调整对比度第4脚RS是寄存器选择端口,当您选择数据寄存器当此端口连接到高级别,指令寄存器在选择这个端口是低第5角RW读写信号线是高当第二个端口将读操作,当第二个端口与低写操作。当RS和RW可以写同时接地指示或显示的地址,当RS与低,可以读取时RW连接到VCC忙信号当RS与VCC,可以写数据第6脚E端口功能的客户端,当E终端端口从高到低,LCD模块将执行命令第714脚D0D7是8位双向数据线；第1516脚空脚。26电源电路模块由于数据转换模块是核心设备LM331为15V,但SCM,MPX4115和其他芯片需要5V电源,它还需要特别设计,以满足供电电路ZHENGGE系统功率需求。电源电路连接如图212所示VI3VO1GND2U378L05155C610NFC410UF图212电源电路模块图27本设计总体电路介绍我们AT89C55单片机作为整个系统的核心,通过压力传感器对空气压力信号采集、控制、放大和其他加工参数自动获得完整的空气压力,最后数字显示等等。在这个过程中需要用一个定时器内部单片机AT89C55被测量,然后处理软件模块,A/D转换结果。14本设计总体电路图如图213所示CMIN7THR6RC5IOUT1REFI2FOUT3GND4VC8U2LM31D71463D5124D31029D1807E6RW5S4VS1D2VE3LCD1LM016L234567891RP1RESPACK8VI3VO1GND2U378L05R568K15C410UF515C8R610KR410KC101UF1023345621M1MPX415C150PFR751K5C501UFC32PFC22PF5X1CRYSTALR110K55C7150U61RV112KR610KXTAL218XTAL119ALE301PSN29RST9P0/AD0391/18P02/AD2373/36P04/AD4355/54P06/AD637/72P10/T21/EX2P12334P14556P16778P30/RXD101/TP32/IN012/IT13P34/014P37/RD176/W65/T15P27/A1528P20/A8211/9P2/A0233/14P24/A2255/1366/47U1AT89C5C901UFR1010K12U4A74LS04C7150U图213总体设计电路图271对于数据的转换计算在此电路中，电压VIN和输出脉冲FO的频率FO的转换关系满足公式（1）。FOKVIN（1）其中，K,RSR2R3（2）RTCSL10921电路中RT、CT和RL值通常是68,001KPF和100K,RS由一个固定电阻器R2和R3串联电路,其中一个变量,R2,R322K阻力最大的12K,调节可变电阻R3电阻RS可以实现增益调节电路开关。1第三章程序的设计及系统调试与仿真31由频率算出电压值信号每一步的变换过程如下第一步,通过压力传感器测量压力成电压输出MPX4115MPX4115显示芯片数据显示输出电压输出电压和大气压力P之间的关系一样输出电压VCC001P0093哪里是5V电压,所以我们可以得到输出电压5001P0094第二步,MPX4115输出电压输出电压和输入电压VIN转变什么,阿文,和佛的一致性作为最后一章的公式1下面。综合式（1）和式（4），根据VOUTVIN,可得P9（5）095KFOFO2式（5）中，FO为频率，P为压强，K为V/F转换增益，令K值为2000。在软件中，根据式（5）算出气压值P。1132程序流程图单片机实现数字气压计的程序流程如图314所示、主程序开始WHILE（1）调用显示程序设置定时器0设置计时器1开中断启动定时器50MS定时中断1服务子程序TIMECOUNT2即1S时间到设置定时器1初值为50MSTIMECOUNTTR00定时器停止TIMECOUNT0，FLAG0计算频率F0计算大气压值PA等待定时中断图314程序流程图1233关于KEIL4和PROTEUS的介绍KEIL软件是C51软件公司研究开发。51系列单片机C语言兼容软件开发系统,与之相比,C语言在功能成为、结构、可读性、可维护性是显而易见的,所以容易学习的目的。您可以完成编程、编译、连接、调试、仿真所以整个开发过程。其开发流程步骤如下开启UVISION4，建立工程文件并且从器件数据库里挑选出项目具体实际使用的器件。建立新的源程序，并且把这个源文件添加到工程中。为单片机添加且设置启动代码。设置硬件想过的选项。编译程序并最终生成可以下载到单片机用的HEX文件。15PROTEUS和其他单片机仿真软件是不同的,它不仅可以仿真单片机CPU的工作,而且还能模拟芯片外围电路工作。因此,在仿真和调试程序,特别关注不再是某些语句执行单片机寄存器和内存内容的变化,但从工程角度直视工作程序运行和电路的过程和结果。对于这个仿真,从某种意义上说,是由一个实验和工程应用脱节的现象和矛盾。PROTEUS提供了一个相对广泛的测试信号用于测试电路。这些测试信号和包括模拟和数字信号。单片机的硬件和软件调试,多变的人提供了两个方法一是影响系统的整体实现,一个是软件一步一步调试,这两个方法依赖于特定的环境下使用。234程序仿真图如下中断返回图315程序仿真图35电路仿真如图所示CMIN7THR6RC5IOUT1REFI2FOUT3GND4VC8U2LM31D714613D51241D31029D1807E6RW5S4VS1D2VE3LCD1LM016L234567891RP1RESPACK8VI3VO1GND2U378L05R568K15C410UF515C8R610KR410KC101UF1023345621M1MPX415C150PFR751K5C501UFC32PFC22PF5X1CRYSTALR110K55C7150U61RV112KR610KXTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0/AD039P01/A138P02/AD237P03/A336P04/AD435P05/A534P06/AD63P07/A732P10/T21P1/T2EX2P123P134P145P156P167P178P30/RXD10P31/TX1P32/INT012P3/IT113P34/T014P37/RD17P36/W16P35/T115P27/A1528P20/A821P21/A92P2/A1023P23/A124P24/A1225P25/A1326P26/A1427U1AT89C5C901UFR1010K12U4A74LS04C1410UF图316整体仿真图总结本文介绍了基于单片机的数字大气压计系统的设计，对于正格硬件电路和软件程序设计做了具体的分析，介绍了关于数字大气压计的设计方案和原理，加深对52单片机的结构、特点等只是的了解，并给出主程序设计的流程图，更加只管的把设计呈现出来，最后用KEIL软件和PROTEUS软件分别对程序和电路进行仿真，验证了设计的正确性和合理性。本设计使用89C55单片机和MPX4115压力传感器进行数据收集,和V/F转换器LM331为数据处理,容易使用,精度高,显示的简单性和灵活性,稳定性好,易于扩展功能,等等。避免了传统的气压计的精度较低,如缺乏一个单一的显示。参考文献1孙艳玲，刘亚丽基于MPX4115芯片的数字气压计设计J中国仪器仪表，200792周润景基于PROTEUS的电路及单片机系统设计与仿真M北京北京航空航天大学出版社，200653沈红卫单片机应用系统设计实例与分析M北京航空航天大学出版社4张毅刚单片机原理及应用M北京高等教育出版社，200365余锡存，曹国华单片机原理及接口技术M陕西西安电子科技大学出版社6林琳，陈金玲便携式气压计的电路与系统设计J程度气象学院学报200087王化祥,张淑英,传感器原理与应用,M,天津,天津大学出版社,200728王晓岚,浅谈数字气压计的设计,J科技信息，2011109唐文彦,传感器,M,北京,机械工业出版社,200710袁捷，韩波,李平基于单片机89C55的气压高度计系统的设计和应用，J，机电工程20051011杨智低功耗数字气压计的设计,J,沈阳航空工业学院学报2007312沈绍祥,胡爱华基于单片机控制的数字气压计设计与实现,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