【《某气压计的系统总体设计案例》3700字】

某气压计的系统总体设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u27686某气压计的系统总体设计案例 1179181.1气压计方案 192891.2气压计总体结构 155981.3元器件的选择与介绍 3276291.3.1单片机的选择与简介 3145371.3.2传感器的选择与简介 4140271.3.3显示器的选择与简介 6气压计方案此设计以单片机控制为核心对气压与温度进行监测以及对湿度进行测量。在我们的日常生中，可以做气压计来测量使用。日常工作时的温度或者气压超出预设的气压或温度时，对应的二极管就会进行闪烁报警，蜂鸣器也会进行鸣响报警，达到视觉与听觉的双重报警功能。传统的设计方案工作原理是，主要通过传感器进行测量和ADC转换器转换来获得采集数据，再将采集得到的数据需要经过一个由单片机控制的检测系统检测后，才能将结果通过总线传送至单片机主控器，单片机主控系统控制显示器对测量值进行显示，此系统电路复杂，操作也较为复杂且性价比低[[]孙艳玲,刘亚丽.基于MPX4105芯片的数字气压计设计[J].中国仪器仪表,2007(11):62-65.]。因此，集成化的单片机出世之后，我们都选择集成化的单片机为控制器。基于对电路复杂性的考虑，所以本次设计选择自带A/D转换的集成数字传感器进行测量。其中数字传感器是用来利用压敏元件将待测量的气候三要素气压、温度和湿度直接转换为容易检测和传输的电流或电压信号，通过单线或I2C两种方式和微处理器连接进行数据的传送。通过输入输出接口与微处理器连接，就可利用微处理器内部计数器测量出周期后计算测量要素，最后由显示器实时显示。气压计方案思路如REF_Ref70855285\h图21所示。[]孙艳玲,刘亚丽.基于MPX4105芯片的数字气压计设计[J].中国仪器仪表,2007(11):62-65.被测要素被测要素传感器单片机LCD显示电池供电图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s11气压计方案图气压计总体结构信息采集部分由BMP180芯片和AM2320芯片完成，而该系统采用STC89C52芯片作为主控芯片（CPU处理器），控制BMP180气压温度传感器和AM2320温湿度传感器进行气压、温度和湿度的实时检测和显示，具有快速实现测量环境气压、温湿度功能。BMP180数字气压传感器和AM2320数字温湿度传感器均是数字式传感器，输出的信号全都是数字信号，用来将待测量的气候三要素（气压、温度和湿度）转换为电压信号，再经过自身集成的模数转换功能把数字传感器输出的电压信号转换为具有一定频率的脉冲信号后由STC89C52单片机的控制和处理，避免了模数转换电路的复杂性。单片机可以根据单位时间内所接收到的脉冲数，根据电压与频率之间的线性关系来计算出对应所需要的气象要素值，最终在单片机的控制下由显示器进行显示出来，如REF_Ref70855314\h图22所示。实现本设计功能需要硬件与软件的结合，硬件部分首先要确定好片机、传感器和其他电子元器件，所有元件材料选择完毕后按照设计好的电路图进行线路布局，以保电路的畅通与正确，然后将所有材料焊接起来，硬件连接完毕后可通过KEIL5软件进行软件设计来控制单片机[[]任向民．卢惠林．汇编语言程序设计使用教程[M]．北京：清华大学出版社，2009．]。[]任向民．卢惠林．汇编语言程序设计使用教程[M]．北京：清华大学出版社，2009．硬件的组成部分有单片机微控制器、按键复位电路、测量电路、晶振电路以及显示器。软件编程采用模块化编程方法，模块化编程则是把各个模块的代码放在不同的.c文件中，在.h文件里提供外部可调用函数声明，其他.c文件想使用其中的代码时，只需要调用即可，所以，使用这种模块化编程方式，可极大的提高代码的可读性、可维护性以及代码的可移植性。微控制模块微控制模块STC89C52显示器模块LCD1602数字传感器BMP180、AM2320按键复位电路报警电路晶振电路图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s12气压计方案图工作过程简要分析：当气压计按下开关按键启动后，测量前首先会先将各模块初始化，各个电路部分就会开始正常工作，测量时的气压和温度由BMP180数字气压传感器芯片进行测量，湿度由AM2320数字温湿度传感器芯片进行测量。测量要素的模拟电压信号通过BMP180内部集成的A/D转换后生成的数字脉冲（频率会伴随电压呈现线性变化）被传送至单片机后，经STC89C52单片机芯片会根据电压与频率之间的线性关系，计算得出相对应的要素值后再将测量结果显示在LCD1602显示器上。可手动设定气压、温度上限值，当此时气压、温度二者其一超过所预设范围值时，则传输一个脉冲信号给单片机控制蜂鸣报警器，报警模块启动对当前气压、温度或者湿度进行报警，发光二极管提示测量要素出现异常。如若系统在运行中发生了出错或置入是操作失败从而导致系统处于死机状态时。为了脱离这种困境状态，可重新整个过程，按复位键即可对其进行初始化复位，重新开始测定当前气压、温度、湿度值。元器件的选择与介绍单片机的选择与简介5G时代是单片机大放光彩，光辉灿烂的时代。单片机微型控制器简称单片机，即把CPU(运算器和控制器集成）、存储器（RAM和ROM）、输入与输出接口(串口与并口)以及其他的一些逻辑部件都集成在一个芯片上的元器件。使得控制系统变得更小，更加容易被集成相对进复杂并且对体积有一定要求的控制装置之中，最早被广泛用于工业领域。经过长期发展，单片机的型号种类繁多，在性能、存储及速度方面都有所提升。本次设计所采用的是STC89C52单片机，虽然现在市场上有更好的单片机芯片选择，例如STM32单片机、MSP430单片机、DSP、AVR、TMS等等。这些单片机和STC系列相比具有强大的控制和通信功能，且运行速度比STC单片机要快，但是不易上手。PIC单片机寄存器分散不集中，而且编程也需要反复选择相对应的存储。AVR单片机则不支持位操作指令，它主要是依靠字节来进行判断，以及对寄存器进行控制。与51单片机相比，它的编程语言有较大差异，并且拥有32个通用寄存器，但是前16个都不能直接与立即数打交道。而51系列单片机均可以。虽然STC单片机功能没有STM32强大，但是它是国内较为出色的单片机，集结了51单片机和AVR的优点，容易上手学习技术门槛低，学习资料多，应用广泛，低功耗，价格低廉且功能直接。其中STC12C5A60S2与STC15W供电范围宽，速度快，自带复位，内置时钟，还可以用USB直接下载，但是担忧内置时钟不准。所以选择使用STC89C52单片机，它还可以方便学弟学妹们入门学习，简单易操作学习的体验是初学者难以忘记的，也希望这种力量能带动更多的人学习单片机知识。STC89C52采用双列直插式封装，是宏晶科技（STC）公司生产51单片机。它是一款低电压功耗、高性能CMOS8位单片机且抗干扰能力强。器件采用高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内CPU使用经典MCS-51内核——8051，还拥有8kbytes（字节）的可反复擦写的Flash只读程序存储器（ROM）和512bytes（字节）的内部随机存取数据存储器（RAM）可以为嵌入式应用提供灵活且有效的解决方案[[]赵德安．单片机原理与应用[M]．北京：机械工业出版社，2009．][[]周航慈．单片机应用程序设计技术．北京：北京航空航天大学出版社，1991，18-27．]。芯片具体介绍见STC芯片说明书。芯片引脚如REF_Ref71042353\h图23所示，引脚说明如与REF_Ref71041240\h表21所示。[]赵德安．单片机原理与应用[M]．北京：机械工业出版社，2009．[]周航慈．单片机应用程序设计技术．北京：北京航空航天大学出版社，1991，18-27．图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s13单片机引脚图表2SEQ表\*ARABIC\s11STC89C52单片机引脚说明传感器的选择与简介本次设计首要解决的就是信息获得中，信息准确性与可靠性问题，这需要通过传感器来把非电学量转化为电学量，方便测传输以及处理。它是信息化时代的必须品之一，在日常生活中，如果我们仔细观察会发现，它与我们的生活密切的联系在一起，例如日常楼梯的触摸开关、菜市场里的电子秤、智能手机的触摸屏以及血压计、温度计等等都有传感器的身影。传感器的存在与发展，让产品变得更具有生命力，使产品拥有触觉、味觉以及嗅觉等感觉器官。由于本次设计所采用的STC89C52单片机内部没有集成ADC转换器，所以单片机需要外接一个模数转换电路。这样会增加电路的复杂性与制作成本，所以我选择使用内置ADC的新型数字气压传感器BMP测量气温以及气压信息，使用AM2320B温湿度传感器测量湿度信息。BMP180是一款由德国博世（BOSCH）公司基于MEMS推出的一款高精度（相对精度为1Pa）、尺寸小（仅有3.6mmx3.8x0.93mm）、超低能耗（3μA）的数字气压传感器。BMP180兼容BMP085，它采用LCC超薄封装，但是在尺寸与数字接口上有所改进。可以对气温（-40-+85℃）和气压（300-1100hPa）进行实时显示，他所具备的I2C总线端口可以与单片机相连，方便单片机对其进行访问，对其进行简单操作就可获得所需信息。主要结构组成如REF_Ref71042408\h图24所示。此传感器具有温度补偿技术，可以减少因环境变化所造成的误差BMP180说明书[[]BoschSensortec.BMP180Digitalpressuresensor,2011:11-14.]。引脚说明如REF_Ref71041361\h表22所示。[]BoschSensortec.BMP180Digitalpressuresensor,2011:11-14.表2SEQ表\*ARABIC\s12BMP180引脚说明图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s14BMP180内部结构AM2320B是一款温湿度复合型传感器。与SHT11相比，AM2320B是国内厂家生产，SHT11为国外盛世瑞恩公司生产的，在价格方面具有优势，且接线引脚较少，性能方面也有所区别。与同公司产品DHT11相比，感湿元件不一样，AM2320B由电容式温湿传感元件测量，DHT11由电阻式感湿元件测量湿度，所以在精度方面，AM2320对湿度测量精度比DHT11高得多（AM2320测湿精度为±3%RH，DHT11为±5%RH），价格一样，测量时的供电电流也比DHT11小（AM2320为950μA，DHT11为0.5-2.5mA），所以选择AM2320作为本设计的湿度测量元件。该产品具有响应快、较强的抗干扰能力、超小体积最优性价比等优点，具体介绍件产品说明书[[]广州奥松电子有限公司.温湿度模块AM2302产品手册[M].Rev1.1,2016.]。引脚如REF_Ref71042445\h图25所示，引脚说明如REF_Ref71041409\h表23AM2320引脚说明所示。[]广州奥松电子有限公司.温湿度模块AM2302产品手册[M].Rev1.1,2016.图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s15AM2320引脚图表2SEQ表\*ARABIC\s13AM2320引脚说明显示器的选择与简介在LCD出现之前一般常用数码管作为显示器，但是数码管可以表现出来的内容十分有限，寿命也短，需要显示较多数字时，硬件电路连线方面增加了复杂度，编程上也变得复杂，制作成本较高。因此随着技术的进步，液晶屏出现后就很少再去使用数码管当作显示屏使用了。有机发光二极管（OLED）虽然在显示性能方面优于LCD（对比度是LCD的3-5倍，频响速度是LCD的千倍等）[[]李继军,聂晓梦,李根生,王安祥,张伟光,郎风超,杨连祥.平板显示技术比较及研究进展[J].中国光学,2018,11(05):695-710.[]李继军,聂晓梦,李根生,王安祥,张伟光,郎风超,杨连祥.平板显示技术比较及研究进展[J].中国光学,2018,11(05):695-710.LCD1602液晶屏（LiquidCrystalDisplay）,它是一种常见液晶显示模块。这款液晶屏很受人们喜爱，随着推广，使用的人数也越来越多[[]WeishengZheng,YimeiLiu.DesignofDigitalBarometerBasedonSingle-ChipMicrocomputer]。这款液晶屏的显示效率和显示速度都很好，显示器内部设有存储器，其存储器中存储了英文字母、数字以及图形等，这些数据共同构成了一个数据库，当显示器工作时，只需调用库中的数据，即可实现对显示屏的编辑，代码的驱动也很简单，只需进行初始化，然后设置显示的字符串即可控制显示屏显示想要的结果。所以这