基于单片机控制的数字气压计设计与实现
基于单片机控制的数字气压计设计与实现 关键词：气压计；气压传感器；
V／F转换器；
单片机 １ 引言 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。
气象学研究表明，在垂直方向上气压随高度增加而降低。例如在低层，每 上升１００ｍ 气压便降低１０ｈＰａ；
在５～６ｋｍ的高空，高度每增加１０ ０ｍ，气压便会降低７ｈＰａ；
而当高度进一步增加时，即到９～１０ｋｍ的高 空之后，高度每增加１００ｍ，气压便会降低５ｈＰａ；
同样，若空气中有下降 气流时，气压会增加；
若空气中有上升气流时，作用于空气柱底部的气压就会减 小。一般把作用于单位面积上空气柱的重量称为大气压力。
２ 气压计的结构 本文研究的气压计结构如图１所示。其中气压传感器用来将被测气压转换 为电压信号；
用Ｖ／Ｆ转换器则可把气压传感器输出的电压信号转换成具有一定 频率的脉冲信号；
以便用单片机接收该脉冲信号，并根据单位时间内得到的脉冲 数，依据电压与频率的线性关系式计算出所对应的气压值，最后在单片机控制下 由ＬＥＤ显示出来。
本气压计能够在气压传感器的线性范围内准确测量相应气压值。需要说明 的是，其测量值是绝对气压值。本文研究的气压计的技术指标如下：
●测量范围：３００ｈＰａ～１０５０ｈＰａ；
●测量精度：０．１％ＦＳ(２０℃)；
●显示精度：０．１％，由４个８段ＬＥＤ显示实现；
●工作温度范围：０～８５℃；
●电源电压：９Ｖ。
３ 系统实现 在系统构建过程中，需要考虑稳定性、复杂程度、造价和调试的难易程度 等因素。图１所示框图中的每一部分就是一个单元电路，可完成各自的功能。模 块之间没有复杂的信号传输，且干扰很少，因而系统整体比较稳定。
３．１ 气压传感器 气压传感器在气压计中占据核心位置。设计时可根据测量精度、测量范围、 温度补偿、测量绝对气压值等几个性能指标来选取气压传感器。
由于该气压计显示的是绝对气压值，因而需要选取测量绝对气压值的气压 传感器。同时为了简化电路，提高稳定性和抗干扰能力，要求该气压传感器应带 有温度补偿。
为此，笔者选用Ｍｏｔｏｒｏｌａ的ＭＡＸ４１００Ａ气压传感器来测量 绝对气压值。该传感器的温度补偿范围为－４０～＋１２５℃；
压力范围为２０ ｋＰａ～１０５０ｋＰａ；
输出电压信号（Ｖｓ＝５．０Ｖ）范围为０．３～４． ６５Ｖ；
测量精度为０．１％ＶＦＳＳ，同时在２０ｋＰａ～１０５０ｋＰａ时 具有良好的线性，具体输出关系如下：
Ｖｏｕｔ＝Ｖｓ(０．０１０５９ Ｐ－０．１５２８)±Ｅｒｒｏｒ 式中，Ｖｓ是工作电压, Ｐ是大气压值，Ｖｏｕｔ为输出电压。
３．２ Ｖ／Ｆ变换 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 比的脉冲串。虽然Ｖ／Ｆ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。它的突出特点就是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计算机的脉冲串，从而通过测量Ｖ／Ｆ的输出频率来实现 Ａ／Ｄ转换功能。
考虑到外围电路实现的难易程度和相应的性能指标，笔者选用了ＬＭ３３ １电压／频率转换芯片。该器件使用了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／℃，同时该器件的脉冲输出可与任何逻辑形式兼容；
ＬＭ３３１可单、双电源供电，电压范围为５～４０Ｖ；
满量程范围 １Ｈｚ～１００ｋＨｚ；
最大非线性误差为０．０１％。图２所示是该系统中Ｌ Ｍ３３１的外围电路。在该电路中，基于ＬＭ３３１的压频转换关系为：
ｆｏ＝Ｋ Ｖｉ 其中，Ｋ＝Ｒｓ／(２．０９ Ｒｔ Ｃｔ ＲＬ) ， Ｒｓ＝Ｒｓ１＋Ｒｓ ２ 实际上，电路中的Ｒｓ主要用于调节电路的转换增益 Ｒｔ, Ｃｔ，ＲＬ 的典型值分别为６．８ｋΩ、０．０１ｐＦ和１００ｋΩ，Ｋ值则可由设计者自 己决定。该设计中，取Ｋ＝２０００，Ｒｓ＝２８．４２４ ｋΩ 主要是考虑 到单片机部分使用测频率法来测ｆｏ能够保证频率信号的测量精度。由于Ｒｓ、 ＲＬ、Ｒｔ和电容Ｃｔ会直接影响ｆｏ的转换结果。因此，对这些元件的参数有 一定的要求，设计时应根据转换精度适当选择。电容ＣＬ对转换结果虽然没有直 接影响，但是应选择漏电流小的电容器。用电阻Ｒ１, 电容Ｃ１组成低通滤波器， 可减少输入电压中的干扰脉冲，提高转换精度。
图3 ３．３ 单片机 本气压计实现方案需使用单片机的Ｐ１口和Ｐ３口的一部分以及一个中 断源、一个定时器和一个计数器。因此，笔者选用了ＡＴＭＥＬ的ＡＴ８９Ｃ２ ０５１单片机，该器件与８９Ｃ５１兼容，具有２ｋＢ的可重复编程闪存，２． ７Ｖ～６Ｖ的工作电压范围，１２８Ｂｙｔｅ的内部ＲＡＭ以及两个Ｉ／Ｏ口 （Ｐ１，Ｐ３）、２个１６位的计数器／定时器和６个中断源，并可直接驱动Ｌ ＥＤ输出，同时带有可编程的串行通讯口。另外，该单片机还具有体积小，价格 低等特点。
３．４ ＬＥＤ显示 单个ＬＥＤ是由７段发光二极管构成的显示单元。有１０个引脚，对应于 ７个段、一个小数点和两个公共端。在显示电路中，这些发光二极管有两种接法：
共阳极接法和共阴极接法。本设计中需要用４个ＬＥＤ组成显示单元，并采用动 态显示方式。由于使用４个单个ＬＥＤ进行显示的连线比较复杂，同时单片机的端口驱动能力也难以保证，而需要加入专门的驱动芯片。所以，笔者采用了４个 ＬＥＤ连体的、内部已将其相应段接好的共阳极ＬＥＤ，它具有１２个引脚，含 ７个段和４个公共端，为提高数码管的亮度，可在位选线上加入一个三极管驱动 电路。
由ＡＴ８９Ｃ２０５１控制的显示电路如图３所示。该显示电路需要选取 合适的电阻Ｒ和Ｒａ，才能保证ＬＥＤ的亮度，过大或者过小都无法让ＬＥＤ正 常显示。设计时取Ｒ为４．７ｋΩ Ｒａ为５１０Ω比较理想。若考虑印制板布 线的方便，可以采用贴片电阻和排阻来节省空间。另外，也可以用７４ＬＳ２４ ４和７４ＬＳ０６构成驱动显示电路，但这样同样要加限流电阻。因为７４ＬＳ ０６是开漏器件，需要在输出处加上拉电阻。
４ 软件实现 通过以上设计，便可通过ｆｏ来计算Ｐ的大小以得到实时的气压值。硬件 电路设计完成之后，可使用ＡＥＤＫ５１９６ＰＨ仿真器的仿真环境进行仿真， 并可用Ｃ５１语言来编写处理程序。其基本程序流程如图４所示。
程序设定：Ｔ０为定时器，基本的定时时基为５０ｍｓ。Ｔ１为计数器， 运用内部中断０可保证Ｔ０定时满５００ ｍｓ后就读取此时计数器的值，以计 算气压值。如使Ｔ１、Ｔ０均工作于方式１，并在Ｐ１口送字型码，同时可用Ｐ ３．０～Ｐ３．３做位选线，那么，其相应的函数如下：
（１）定时器Ｔ０中断函数：
ｖｏｉｄ ｔｉｍｅｒ０(ｖｏｉｄ) ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ １ ｕｓｉｎ ｇ １ {ｕｉｎｔ ｘ, ｙ;
ｕｉｎｔ ｃｏｕｎｔ＿ ｐｌｕｓｅ;
ＥＴ０＝０;
／／关闭Ｔ／Ｃ０中断 Ｔｃｏｕｎｔ＋＋;
／／中断次数 ｉｆ Ｔｃｏｕｎｔ ＝＝ １０){ＴＲ１＝０;
／／停止计数器计数 Ｔｃｏｕｎｔ＝０;
ｘ＝ＴＨ１;
ｙ＝ＴＬ１;
ｃｏｕｎｔ_ｐｕｌｓｅ＝(ｘ＊２５６＋ｙ)＊２;
ｐｈ＝(ｕｉｎｔ)(１０ ＊ ((ｆｌｏａｔ)(ｃｏｕｎｔ ｐｕｌｓｅ＋１ ５２０)／１０５．９ ／／计算气压值 ＴＨ１ ＝ ０ｘ００;
／／重设计数初值 ＴＬ１＝０ｘ００;
} ＴＨ０ ＝ －５００００／２５６;
／／重设５０ｍｓ初值 ＴＬ０ ＝ －５００００％２５６;
ｉｆ(ＴＬ０!＝ ０) ＴＨ０－－;
ＥＴ０＝１;
ＴＲ１＝１;
ｒｅｔｕｒｎ;
} 该中断函数主要用于完成脉冲的读取和气压值的计算。ｐｈ是个全局变量， 可用来保存气压值。
（２）在显示函数里，将气压值先按位进行分离并保存到数组，然后送段 码和相应位选就可以显示出相应的气压值了。具体程序如下：
ｖｏｉｄ ｄｉｓｐｌａｙ(ｕｉｎｔ ｐｈ_ｉｎ){ ｕｃｈａｒ ｉ＝０;
ｕｃｈａｒ ｊ＝０;
ｕｃｈａｒ ｓｅｌｅｃｔ_ｂｉｔ＝０;
／／位选 ｄｏ { ｃｕｒ_ｂｕｆ[ｉ]＝ｐｈ_ｉｎ％１０;
ｉ＋＋;
ｊ＝ｉ;
}ｗｈｉｌｅ(ｐｈ_ｉｎ＝ｐｈ_ｉｎ／１０);
／／当高位为零时 结 束循环 ｉ＝０;
ｓｅｌｅｃｔ_ｂｉｔ＝０ｘｆｅ;
ｄｏ { Ｐ１＝ｔａｂ[＊ｐ];
Ｐ３＝ｓｅｌｅｃｔ_ｂｉｔ;
ｄｌ_ｍｓ();
ｓｅｌｅｃｔ_ｂｉｔ＝(ｓｅｌｅｃｔ ｂｉｔ＜＜１)＋１;
／／从最右边一位开始显示,循环左移 ｐ＋＋;
ｉ＋＋;
}ｗｈｉｌｅ(ｉ＜ｊ);
ｐ＝ｃｕｒ_ｂｕｆ;
／／指针归位ｒｅｔｕｒｎ;} 这样，在主程序中，只要在程序第一次运行时进行初始化，然后再循环调 用显示函数即可实现实时显示功能。
５ 结束语 笔者曾用纯硬件电路设计过气压计。实践表明，由于受温度的影响及硬件 参数的限制，实时显示时稳定性较差，并且精确度不高。而改用Ｖ／Ｆ变换信号 及编程的方法实现该测量则完全克服了上述缺点。结果表明：该方法具有精度高、 稳定性好、功能易于扩展等优点，可为仪器及电子产品设计提供一种新的思路。