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基于單片機(jī)控制的數(shù)字氣壓計(jì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
摘要：介紹了一種精密數(shù)字氣壓計(jì)的軟硬件實(shí)現(xiàn)方法。該方法通過(guò)氣壓傳感器獲得與大氣壓相對(duì)應(yīng)的模擬電壓值，并經(jīng)過(guò)V／F變換輸入到單片機(jī)進(jìn)行處理，從而實(shí)時(shí)顯示相應(yīng)的氣壓值。用本文所述的方法制成的氣壓計(jì)攜帶方便，操作簡(jiǎn)單，精確度高，完全符合設(shè)計(jì)要求。１ 引言
氣壓計(jì)是利用壓敏元件將待測(cè)氣壓直接變換為容易檢測(cè)、傳輸?shù)碾娏骰螂妷盒盘?hào)，然后再經(jīng)過(guò)后續(xù)電路處理并進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示的一種設(shè)備。其中的核心元件就是氣壓傳感器，它在監(jiān)視壓力大小、控制壓力變化以及物理參量的測(cè)量等方面起著重要作用。運(yùn)用于氣壓計(jì)的氣壓傳感器基本都是依靠不同高度時(shí)的氣壓變化來(lái)獲取氣壓值的。
氣象學(xué)研究表明，在垂直方向上氣壓隨高度增加而降低。例如在低層，每上升１００ｍ?氣壓便降低１０ｈＰａ；在５～６ｋｍ的高空，高度每增加１００ｍ，氣壓便會(huì)降低７ｈＰａ；而當(dāng)高度進(jìn)一步增加時(shí)，即到９～１０ｋｍ的高空之后，高度每增加１００ｍ，氣壓便會(huì)降低５ｈＰａ；同樣，若空氣中有下降氣流時(shí)，氣壓會(huì)增加；若空氣中有上升氣流時(shí)，作用于空氣柱底部的氣壓就會(huì)減小。一般把作用于單位面積上空氣柱的重量稱(chēng)為大氣壓力。
２ 氣壓計(jì)的結(jié)構(gòu)
本文研究的氣壓計(jì)結(jié)構(gòu)如圖１所示。其中氣壓傳感器用來(lái)將被測(cè)氣壓轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；用Ｖ／Ｆ轉(zhuǎn)換器則可把氣壓傳感器輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成具有一定頻率的脈沖信號(hào)；以便用單片機(jī)接收該脈沖信號(hào)，并根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)得到的脈沖數(shù)，依據(jù)電壓與頻率的線(xiàn)性關(guān)系式計(jì)算出所對(duì)應(yīng)的氣壓值，最后在單片機(jī)控制下由ＬＥＤ顯示出來(lái)。
本氣壓計(jì)能夠在氣壓傳感器的線(xiàn)性范圍內(nèi)準(zhǔn)確測(cè)量相應(yīng)氣壓值。需要說(shuō)明的是，其測(cè)量值是絕對(duì)氣壓值。本文研究的氣壓計(jì)的技術(shù)指標(biāo)如下：
●測(cè)量范圍：３００ｈＰａ～１０５０ｈＰａ；
●測(cè)量精度：０．１％ＦＳ(２０℃)；
●顯示精度：０．１％，由４個(gè)８段ＬＥＤ顯示實(shí)現(xiàn)；
●工作溫度范圍：０～８５℃；
●電源電壓：９Ｖ。
３ 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
在系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程中，需要考慮穩(wěn)定性、復(fù)雜程度、造價(jià)和調(diào)試的難易程度等因素。圖１所示框圖中的每一部分就是一個(gè)單元電路，可完成各自的功能。模塊之間沒(méi)有復(fù)雜的信號(hào)傳輸，且干擾很少，因而系統(tǒng)整體比較穩(wěn)定。
３．１ 氣壓傳感器
氣壓傳感器在氣壓計(jì)中占據(jù)核心位置。設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)測(cè)量精度、測(cè)量范圍、溫度補(bǔ)償、測(cè)量絕對(duì)氣壓值等幾個(gè)性能指標(biāo)來(lái)選取氣壓傳感器。
由于該氣壓計(jì)顯示的是絕對(duì)氣壓值，因而需要選取測(cè)量絕對(duì)氣壓值的氣壓傳感器。同時(shí)為了簡(jiǎn)化電路，提高穩(wěn)定性和抗干擾能力，要求該氣壓傳感器應(yīng)帶有溫度補(bǔ)償。
為此，筆者選用Ｍｏｔｏｒｏｌａ的ＭＡＸ４１００Ａ氣壓傳感器來(lái)測(cè)量絕對(duì)氣壓值。該傳感器的溫度補(bǔ)償范圍為－４０～＋１２５℃；壓力范圍為２０ｋＰａ～１０５０ｋＰａ；輸出電壓信號(hào)（Ｖｓ＝５．０Ｖ）范圍為０．３～４．６５Ｖ；測(cè)量精度為０．１％ＶＦＳＳ，同時(shí)在２０ｋＰａ～１０５０ｋＰａ時(shí)具有良好的線(xiàn)性，具體輸出關(guān)系如下：
Ｖｏｕｔ＝Ｖｓ(０．０１０５９ Ｐ－０．１５２８)±Ｅｒｒｏｒ
式中，Ｖｓ是工作電壓, Ｐ是大氣壓值，Ｖｏｕｔ為輸出電壓。
３．２ Ｖ／Ｆ變換
Ｖ／Ｆ器件的作用是將輸入電壓的幅值轉(zhuǎn)換成頻率與輸入電壓幅值成正比的脈沖串。雖然Ｖ／Ｆ本身還不能算做量化器，但加上定時(shí)器與計(jì)數(shù)器以后也可以實(shí)現(xiàn)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換。它的突出特點(diǎn)就是把模擬電壓轉(zhuǎn)換成抗干擾能力強(qiáng)，可遠(yuǎn)距離傳送并能直接輸入計(jì)算機(jī)的脈沖串，從而通過(guò)測(cè)量Ｖ／Ｆ的輸出頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換功能。
考慮到外圍電路實(shí)現(xiàn)的難易程度和相應(yīng)的性能指標(biāo)，筆者選用了ＬＭ３３１電壓／頻率轉(zhuǎn)換芯片。該器件使用了溫度補(bǔ)償能隙基準(zhǔn)電路，因而具有極佳的溫度穩(wěn)定性，最大溫漂為５０ｐｐｍ／℃，同時(shí)該器件的脈沖輸出可與任何邏輯形式兼容；ＬＭ３３１可單、雙電源供電，電壓范圍為５～４０Ｖ；滿(mǎn)量程范圍１Ｈｚ～１００ｋＨｚ；最大非線(xiàn)性誤差為０．０１％。圖２所示是該系統(tǒng)中ＬＭ３３１的外圍電路。在該電路中，基于ＬＭ３３１的壓頻轉(zhuǎn)換關(guān)系為：
ｆｏ＝Ｋ Ｖｉ
其中，Ｋ＝Ｒｓ／(２．０９ Ｒｔ Ｃｔ ＲＬ)?， Ｒｓ＝Ｒｓ１＋Ｒｓ２
實(shí)際上，電路中的Ｒｓ主要用于調(diào)節(jié)電路的轉(zhuǎn)換增益?Ｒｔ, Ｃｔ，ＲＬ的典型值分別為６．８ｋΩ、０．０１ｐＦ和１００ｋΩ，Ｋ值則可由設(shè)計(jì)者自己決定。該設(shè)計(jì)中，取Ｋ＝２０００，Ｒｓ＝２８．４２４ ｋΩ?主要是考慮到單片機(jī)部分使用測(cè)頻率法來(lái)測(cè)ｆｏ能夠保證頻率信號(hào)的測(cè)量精度。由于Ｒｓ、ＲＬ、Ｒｔ和電容Ｃｔ會(huì)直接影響ｆｏ的轉(zhuǎn)換結(jié)果。因此，對(duì)這些元件的參數(shù)有一定的要求，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)換精度適當(dāng)選擇。電容ＣＬ對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果雖然沒(méi)有直接影響，但是應(yīng)選擇漏電流小的電容器。用電阻Ｒ１, 電容Ｃ１組成低通濾波器，可減少輸入電壓中的干擾脈沖，提高轉(zhuǎn)換精度。
圖3
３．３ 單片機(jī)
本氣壓計(jì)實(shí)現(xiàn)方案需使用單片機(jī)的Ｐ１口和Ｐ３口的一部分以及一個(gè)中斷源、一個(gè)定時(shí)器和一個(gè)計(jì)數(shù)器。因此，筆者選用了ＡＴＭＥＬ的ＡＴ８９Ｃ２０５１單片機(jī)，該器件與８９Ｃ５１兼容，具有２ｋＢ的可重復(fù)編程閃存，２．７Ｖ～６Ｖ的工作電壓范圍，１２８Ｂｙｔｅ的內(nèi)部ＲＡＭ以及兩個(gè)Ｉ／Ｏ口（Ｐ１，Ｐ３）、２個(gè)１６位的計(jì)數(shù)器／定時(shí)器和６個(gè)中斷源，并可直接驅(qū)動(dòng)ＬＥＤ輸出，同時(shí)帶有可編程的串行通訊口。另外，該單片機(jī)還具有體積小，價(jià)格低等特點(diǎn)。
３．４ ＬＥＤ顯示
單個(gè)ＬＥＤ是由７段發(fā)光二極管構(gòu)成的顯示單元
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