数字气压计

摘要

随着时代的进步和发展，智能仪表已经普及到我们生活、工作、科研、各个领域，已经成为一种比较成熟的技术, 本文主要介绍了一个基于89C51单片机的测温系统，详细描述了利用数字温度传感器DS18B20开发测温系统的过程，重点对传感器在单片机下的硬件连接，软件编程以及各模块系统流程进行了详尽分析，对各部分的电路也一一进行了介绍,该系统可以方便的实现实现温度采集和显示，并可根据需要任意设定上下限报警温度，它使用起来相当方便，具有精度高、量程宽、灵敏度高、体积小、功耗低等优点，适合于我们日常生活和工、农业生产中的温度测量，也可以当作温度处理模块嵌入其它系统中，作为其他主系统的辅助扩展。DS18B20与AT89C51结合实现最简温度检测系统，该系统结构简单，抗干扰能力强，适合于恶劣环境下进行现场温度测量，有广泛的应用前景。

关键字：数字气压计；89C51单片机；DS18B20温度传感器

目录

摘要 ............................................................................................................................ I 1 绪论 .. (1)

1.1数字气压计的简介 (1)

1.2数字气压计的背景和意义 (1)

2 系统的总体设计 (2)

2.1 设计思路分析 (2)

2.2 系统的总体结构 (2)

3 硬件电路设计 (3)

3.1数据采集模块的芯片选择 (3)

3.2 A/D转换模块 (3)

3.3 单片机控制模块 (5)

3.4显示模块 (7)

3.5系统总体原理电路图 (8)

4软件设计 (10)

4.1 用C语言开发单片机的优势 (10)

4.2系统总流程图 (11)

系统总流程图如下图所示： (11)

4.4 显示流程图 (12)

4.5 程序流程图 (13)

5系统调试与仿真 (14)

5.1 Keil软件介绍 (14)

5.2 PROTEUS软件介绍 (14)

5.3 单片机调试仿真 (15)

总结 (17)

参考文献 (18)

附录1 数字气压计源程序 (19)

1 绪论

1.1数字气压计的简介

数字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。相对比于普通的水银气压计，有准确易读，易携带的优点。

1.2数字气压计的背景和意义

数字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。相对比于普通的水银气压计，有准确易读，易携带的优点。

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100m，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。

数字气压计大量应用在各种工矿企业，野外作业，消费类电子产品等等的地方。需求极为广泛。本课题是要设计一个利用微控制和数字化气压传感器为核心元件组成的电子气压计系统。微控制和数字化气压传感器的结合可以使得气压计的设计更具灵活性，测量精度相对于液体气压计也有了显著提高。测量结果的显示也更直观，并可灵活的加入超压、低压报警等特殊功能，以满足某些特定需要。

2系统的总体设计

2.1设计思路分析

基于MPX4115的数字气压计包括软硬件的设计与调试。软件部分通过对C语言的学习和对单片机知识的了解，根据系统的特点编写出单片机程序。硬件部分分为四大块，包括非电信号数据的采集、转换、处理以及显示:。通过对设计的了解，选择适合的器件，画出原理图。

2.2 系统的总体结构

硬件部分由四部分构成，它们分别是：信息采集模块，数据转换模块，信息处理模块和数据显示模块。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。原理框图如图2-1所示。

图2—1原理框图

3 硬件电路设计

3.1数据采集模块的芯片选择

压力传感器对于系统至关重要，需要综合实际的需求和各类压力传感器的性能参数加以选择。一般要选用有温度补偿作用的压力传感器，因为温度补偿特性可以克服半导体压力传感器件存在的温度漂移问题。

本设计要实现的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压力传感器。经过综合考虑，本设计选用美国摩托罗拉公司的集成压力传感器。MPX4115可以产生高精度模拟输出电压。MPX4115系列压电电阻传感器是一个硅压力传感器。这个传感器结合了高级的微电机技术，薄膜镀金属。还能为高水准模拟输出信号提供一个均衡压力。在0℃-85℃的温度下误差不超过1.5%，温度补偿是-40℃-125℃。数据采集模块由压力传感器MPX4115构成。其中1脚是输出信号端，输出的是与气压值相对应的模拟电压信号。MPX4115的实物图如图2-2所示。

图3-1 数字气压计实物图

3.2 A/D转换模块

ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片。由于它体积小，兼容性强，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。学习并使用ADC0832可是使我们了解A/D转换器的原理，有助于我们单片机技术水平的提高。

ADC0832具有以下特点：

● 8位分辨率；

● 双通道A/D转换；

● 输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；

● 5V电源供电时输入电压在0~5V之间；

● 工作频率为250KHZ，转换时间为32μS；

● 一般功耗仅为15mW；

● 8P、14P—DIP（双列直插）、PICC多种封装；

● 商用级芯片温宽为0°C to +70°C?，工业级芯片温宽为40℃ to +85℃

ADC0832 为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0~5V 之间。芯片转换时间仅为32μS，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过DI 数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。

正常情况下ADC0832 与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI 并联在一根数据线上使用。

当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK 和DO/DI 的电平可任意。当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK 输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。

在第1 个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示启始信号。在第2、3个脉冲下沉之前DI端应输入2 位数据用于选择通道功能。

当此2 位数据为“1”、“0”时，只对CH0 进行单通道转换。当2位数据为“1”、“1”时，只对CH1进行单通道转换。

当2 位数据为“0”、“0”时，将CH0作为正输入端IN+，CH1作为负输入端IN-进行输入。当2 位数据为“0”、“1”时，将CH0作为负输入端IN-，CH1 作为正输入端IN+进行输入。

到第3 个脉冲的下沉之后DI端的输入电平就失去输入作用，此后DO/DI端则开始利用数据输出DO进行转换数据的读取。

从第4个脉冲下沉开始由DO端输出转换数据最高位DATA7，随后每一个脉冲下沉DO端输出下一位数据。直到第11个脉冲时发出最低位数据DATA0，一个字节的数据输出完成。也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第11个字节的下沉输出DATA0。

随后输出8位数据，到第19 个脉冲时数据输出完成，也标志着一次A/D转换的结束。

最后将CS置高电平禁用芯片，直接将转换后的数据进行处理就可以了，如图2-3为ADC0832实物图。

图3-2 ADC0832实物图

3.3 单片机控制模块

AT89C51是一个低电压，高性能CMOS8位单片机带有4K字节的可反复擦写的程序存储器（PENROM）。和128字节的存取数据存储器（RAM），这种器件采用ATMEL 公司的高密度、不容易丢失存储技术生产，并且能够与MCS-51系列的单片机兼容。片内含有8位中央处理器和闪烁存储单元，有较强的功能的AT89C51单片机能够被应用到控制领域中。如图3-3为AT89C51单片机实物图。

图3-3AT89C51单片机实物图

管脚介绍：

VCC：电源电压

GND：地

P0口：P0口是一组8位漏极开路双向I/O口，即地址/数据总线复用口。作为输出口时，每一个管脚都能够驱动8个TTL电路。当“1”被写入P0口时，每个管脚都能够作为高阻抗输入端。P0口还能够在访问外部数据存储器或程序存储器时，转换地址和数据总线复用，并在这时激活内部的上拉电阻。

P1口：P1口一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动4个TTL电路。对端口写“1”，通过内部的电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。因为内部有电阻，某个引脚被外部信号拉低时输出一个电流。

P2口：P2口是一个内部带有上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动4个TTL电路。对端口写“1”，通过内部的电阻把端口拉到高电平，此时，可作为输入口。因为内部有电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。

P3口：P3口是一组带有内部电阻的8位双向I/O口，P3口输出缓冲故可驱动4个TTL电路。对P3口写如“1”时，它们被内部电阻拉到高电平并可作为输入端时，被外部拉低的P3口将用电阻输出电流。

P3口除了作为一般的I/O口外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示：

RST：复位输入。当震荡器工作时，RET引脚出现两个机器周期以上的高电平将使单片机复位。

ALE/：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE以时钟震荡频率的1/16输出固定的正脉冲信号，因此它可对输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲时，闪烁存储器编程时，这个引脚还用于输入编程脉冲。如果必要，可对特殊寄存器区中的8EH单元的D0位置禁止ALE操作。这个位置后只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被应用。此外，这个引脚会微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。

PSEN：程序储存允许输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51由外部程序存储器读取指令时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号不出现。

EA/VPP：外部访问允许。欲使中央处理器仅访问外部程序存储器，EA端必须保持低电平。需要注意的是：如果加密位LBI被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平，CPU则执行内部程序存储器中的指令。闪烁存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电压VPP，当然这必须是该器件是使用12V编程电压VPP。

XTAL1：震荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。

XTAL2：震荡器反相放大器的输出端。

3.4显示模块

本设计采用四位一体共阴二极管显示器74SE-MPX4-CC显示，1234为共阴端，其实物图如图3-4所示。

图3-4 74SE-MPX4-CC实物图

本设计采用L ED动态扫描显示，原理如下：

（1）P23、P22、P21、P20输出高电平，关闭所有数码管；

（2）显示个位——把要显示的数据送到P10~P17，P23送低电平，延时5豪秒（时间不能太长，否则数码管会闪烁），P23送高电平；

（3）显示十位——把要显示的数据送到P10~P17，P22送低电平，延时5豪秒（时间不能太长，否则数码管会闪烁），P22送高电平；

（4）显示百位——把要显示的数据送到P10~P17，P21送低电平，延时5豪秒（时间不能太长，否则数码管会闪烁），P21送高电平；

（5）显示千位——把要显示的数据送到P10~P17，P20送低电平，延时5豪秒（时间不能太长，否则数码管会闪烁），P20送高电平。

（6）以此顺序循环，把它做成子程序，在主循环中调用。

3.5系统总体原理电路图

系统的总体电路原理电路由四大部分组成，即气压传感器电路，A/D转换电路，单片机处理电路和显示电路，如下图所示是系统总体原理图：

图3-5 系统总体原理图

4软件设计

4.1 用C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。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、static、flash等存储类型，针对单片机的程序存储空间、数据存储空间及EEPROM空间自动为变量合理地分配空间，而且C语言提供复杂的数据类型，极大地增强了程序处理能力和灵活性。C编译器能够自动实现中断服务程序的现场保护和恢复，并且提供常用的标准函数库，供用户使用。并且C编译器能自动生成一些硬件的初始化代码。

（7）对于一些复杂系统的开发，可以通过移植(或C编译器提供)的实时操作系统来实现。

正由于C语言在系统开发中的优势，这次设计的所有程序设计都将采用C语言编写。

4.2系统总流程图

制作系统流程图的过程是操作员对系统的总体流程的全面了解的情况下对系统所作出的整个概况，系统总流程图如下图所示：

图4-1 系统总流程图

4.3 A/D转换流程图

模数转换器可分为数字和模拟两部分，模拟部分是一个调制器，以远大于奈奎

斯特频率的采样率对模拟信号进行采样和量化输出以为的数字位流；数字部分是一

个数字滤波器，实现低通滤波和减取样的功能，作用是滤除大部分经过调制器整形

后的量化噪声，并对以为的数据流进行减取样，得到最终的量化结果。A/D转换流

程图如下图所示：

图4-2 A/D转换程序流程图

4.4 显示流程图

LED图文显示屏软件系统的功能是实现需要联机动态显示和更新部分或全部LED图文显示屏系统显示内容，动态显示只是对文字而言的，在应用软件的支持下，录入的文字实时由计算机下载给主控制器，并进行实时显示。如下图所示是显示流程图：

图4-3 显示流程图

4.5 程序流程图

程序流程图是程序分析的中最基本、最重要的分析技术，它是进行程序流程分析过程中最基本的工具。程序流程图如下图所示：

图4-4 程序流程图

5系统调试与仿真

5.1 Keil软件介绍

Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统。与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows 界面。Keil可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。然后分别由C51及A51编译器编译生成目标文件(.OBJ)。目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件(.ABS)。ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存储器中。

Keil u Vision2 ADE是Keil software公司的产品，它集项目管理、编译工具、代码编写工具、代码调试以及完全仿真于一体，适合个人开发或人数少、对开发过程的管理还不成熟的开发团体。

u Vision2本身自带项目管理器，其开发流程步骤如下：

·开启u Vision2，建立工程文件并且从器件数据库里挑选出项目实际使用的器件。·建立一个新的源文件，并且把这个源文件添加到工程中去。

·为单片机添加并且设置启动代码。

·设置硬件相关的选项。

·编译整个工程并且生成下载到存储器用的HEX文件。

5.2 PROTEUS软件介绍

Proteus与其它单片机仿真软件不同的是，它不仅能仿真单片机CPU的工作情况，也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况。因此在仿真和程序调试时，关心的不再是某些语句执行时单片机寄存器和存储器内容的改变，而是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。对于这样的仿真实验，从某种意义上

讲，是弥补了实验和工程应用间脱节的矛盾和现象。

Proteus提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。对于单片机硬件电路和软件的调试，Proteus提供了两种方法：一种是系统总体执行效果，一种是对软件的分步调试以看具体的执行情况。对于总体执行效果的调试方法，只需要执行debug菜单下的execute菜单项或F12快捷键启动执行，用debug菜单下的pause animation菜单项或pause键暂停系统的运行；或用debug菜单下的stop animation菜单项或shift-break组合键停止系统的运行。其运行方式也可以选择工具栏中的相应工具进行。对于软件的分步调试，应先执行debug菜单下的start/restart debugging菜单项命令，此时可以选择stepover、step into和step out 命令执行程序(可以用快捷键F10、F11和ctrl+F11)，执行的效果是单句执行、进入子程序执行和跳出子程序执行。在执行了start / restart debuging命令后，在debug 菜单的下面要出现仿真中所涉及到的软件列表和单片机的系统资源等，可供调试时分析和查看。

运行proteus的ISIS程序后，进入该仿真软件的主界面。在工作前，要设置view 菜单下的捕捉对齐和system下的颜色、图形界面大小等项目。通过工具栏中的p(从库中选择元件命令)命令，在pick devices窗口中选择电路所需的元件，放置元件并调整其相对位置，元件参数设置，元器件间连线，编写程序；在source菜单的Definecode generation tools菜单命令下，选择程序编译的工具、路径、扩展名等项目；在source 菜单的Add/removesource files命令下，加入单片机硬件电路的对应程序；通过debug 菜单的相应命令仿真程序和电路的运行情况。

5.3 单片机调试仿真

本设计我采用proteus的系统总体执行效果调试方法进行调试。这里单片机时钟工作在11.0592MHZ。如下图5-1所示为仿真效果图:

图5-1 仿真效果图

总结

通过这次实验，我学会了熟练运用protues，keil，protel等软件，在做本次课程设计的过程中，我用了很长的时间才得以显示出相应数字与字符，我用的显示器和书上的不一样，连图的不一样，结果显示出来的数字和字符不是想要得到的那些，可是跟书上一样的时候没有任何反应，连的跟书上不一样的时候反而显示出大概的数字和字符了，我可以说试了无数次，我一次次改变扫描代码的每一位想从中的出到底是哪位数控制了显示字符中间的那一横，最后还是没有结果，还请教了同学，他们建议我在AT89C51左边接上相应的时钟信号电路图，可是这个电路依然跟我太较真，对我的努力无动于衷，我依然没有放弃，到第二天上课的时候想让老师给我指导一下，老师听了我叙述的问题后，让我试试显示器的其他引脚，回来试的时候真有一种豁然开朗的感觉，我找到了那个横线的控制口，没到十分钟就改成功了，也许很多的时候咱们就需要那么指点一下，省很多时间。谢谢老师，也许这次只会了这一种类型，但是我对它印象深刻，同时也深深体会到keilc这门课的目的和应用。我觉得我的收获是很大了。也可以说是受益终身。虽然说没有阅读大量书籍与资料，但是对它的反复修改和调试也是对那些资料的应用呀，这次的课设也算是受益匪浅了。

参考文献

[1] 赵继文. 传感器与应用电路设计科学出版社，2006

[2] 胡汉才.单片机原理及其接口技术[M]．北京：清华大学出版社

[3] 戴佳. 51单片机C语言应用程序设计实例精讲电子工业出版社，2006

[4] 马忠梅. 单片机的C语言应用程序设计北京航空航天大学出版社，2006

[5] 严天峰. 单片机应用系统设计与仿真调试北京航空航天大学出版社，2001