毕业论文基于单片机的气压传感器研制

本设计介绍了一种基于单片机和气压传感芯片MPX4115A的数字式气压传感器的软、硬件实现方法。通过气压传感芯片MPX4115A获得被测环境中的气压值并输出相应的模拟电压值，此电压经过以LM331芯片为核心的V/F转换电路输出相应数字脉冲信号，输入到单片机的计数器。单片机在单位时间获得该信号的脉冲数值,计算出脉冲信号的频率。根据电压与频率的线性关系计算出对应的实际气压值，最后通过液晶显示屏LCD1062显示出来，并进行了软硬件调试。
1MSP430系列单片机是美国仪器（TI）生产的单片机芯片。此芯片是一款具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器，其处理能力极强、运算速度快、功耗超低、片资源丰富且有方便高效的开发环境。然而，其价格比较昂贵且采用TPFQ贴片封装，不利于焊接，需要制作成PCB板，但这将大大增加了成本和开发周期[7]。
在工业领域，气压传动控制是工业中经常用到的一种控制方式，它采用气压完成传递能量的过程。因为气压传动控制方式的灵活性和便捷性，气压控制在工业上受到广泛的重视。气压传动是研究以有压流体为能源介质，来实现各种机械和自动控制的学科。气压传动利用这种元件来组成所需要的各种控制回路，再由若干回路有机组合成为完成一定控制功能的传动系统来完成能量的传递、转换和控制[1]。数字式的气压计能直接接入工业自动控制系统中，对工业生雪等万千气象都跟大气运动有紧密的关系，而造成大气运动的动力来源就是大气压分布的不平衡和气压分布的经常变化。由于地球表面不同地方在太阳照射下受热情况不同，各地的空气温度就有较大差别。在同一水平面上，如果气压分布不均匀，空气就要从高气压地区向低气压地区流动。因此某地区的气压高，该地区的空气就在水平方向上向周围地区流出。高气压地区上方的空气就要下降。由于大气压随高度的减小而增大，所以高处空气下降时，它所受到的压强增大，它的体积减小，温度升高，空气中的凝结物就蒸发消散。所以，高气压中心地区不利于云雨的形成，常常是晴天。如果某地区的气压低，周围地区的空气就在水平方向上向该地区流入，结果使该地区的空气上升，上升的空气因所受的压强减小而膨胀，温度降低，空气中的水汽凝结，所以，低气压中心地区常常是阴雨天[2]。由于气压跟天气有密切的关系，所以各气象哨所每天都按统一规定的时刻观测当地的大气压，报告给气象中心，作为天气预报的依据之一。
上面介绍了本设计的工作原理流程图，如图1.2是系统的原理框图。这是系统的硬件设计的基础，从图中可以看出硬件电路的基本架构。电源电路为其它电路提供工作电源，气压传感芯片、V/F转换芯片、单片机、LCD显示屏将按图1.1所示的流程实现系统的功能。
图1.2系统原理框图
第三节 元件选取
一、单片机的选型
20世纪80年代以来，单片机的反战非常迅速。就通用单片机而言，世界上一些著名的计算机厂家已投放市场的产品就有几十个系列，数百个品种。其中有Motorola公司的6801、6802。此外，还有荷兰的Philips公司、日本的NEC公司、日立公司，相继也推出了各自的单片机品种，许多国外公司以MCS-51系列单片机的核为基础，推出了与MCS-51系列单片机相兼容的衍生产品[6]。所以，可以供我们选用的单片机厂商众多，单片机芯片也有很多种，常见的有以下几种：
[Key words]Microcontroller Air pressure sensor chip LCD1602
V / F converter chip
前 言
气压是作用在单位面积上的大气压力，即等于单位面积上向上延伸到大气上界的垂直空气柱的重量。著名的马德堡半球实验证明了它的存在。气压的国际制单位是帕斯卡，简称帕，符号是Pa。最古老的气压测量方法有水银柱气压计和无液气压计。但是这两种气压计往往体积比较大不利于携带，还具有对气压测量时无法直观的读出其大小、不能将气压值送入数字电路进行处理、测量精度差、容易受环境影响的缺点。所以它们都不能应对二十一世纪这个信息技术高度发展的时代，因此对数字式气压计的研究和设计有了十分实际的意义。随着微电子制造技术的发展，诞生了数字化、小型化的气压传感芯片。而单片机的大面积普与应用，更使得我们设计基于单片机的小型化数字式便携式气压计成为可能。数字式的小型化气压计将使得各个领域对气压的测量更加方便和直观。
2STC89C52单片机是宏晶科技生产的单片机芯片。此芯片是一种低功耗、高性能CMOS 8位微处理器，具有8K在系统可编程Flash存储器、512字节RAM、32位I/O口、看门狗定时器、置4KB EEPROM、MAX810复位电路等[8]。
[关键词]单片机 气压传感芯片 液晶显示屏 V/F转换芯片
ABSTRACT
Air pressure is a big step forward for the Human Sciences Research, human being have a long history of study air pressure. TheMagdeburghemispheres experimental proofed the existence of the air pressure. The application of air pressure is relatively early, such as the steamengine is a notable example of human being application of air pressure. Barometer use in real life is not very obvious, most of the people in their lives with little or no contact with barometer. Actually, barometer is an indispensable equipment in certain areas of work, such as the field of national defense, industrial fields，the medical field and the field of meteorology.
第二节 实现方案
本设计采用单片机作为主控芯片，通过模拟气压传感芯片采集气压数据输出相应的模拟电压，该电压经过V/F转换电路得到具有一定频率的数字脉冲信号，该频率与输入的电压成一定关系，将脉冲信号送入单片机进行处理，将处理的结果送显示器显示。本设计的工作原理流程图如图1.1所示。
图1.1 系统工作原理流程图
本论文共分为四章：
第一章，系统的总体方案设计，介绍了本系统的设计思想和原理，给出了系统的总体方案，选定了方案所用的各个器件。
第二章，系统的硬件部分，介绍了所用到的芯片的性能以与使用方法，详细地设计了各个功能模块的电路图，并给出了系统的总体硬件设计电路图。
第三章，软件部分的设计，在系统总体设计方案的框架下，构思了软件部分设计的流程方案，并绘出流程图；完成了系统的软件部分设计。
This design based on microcontroller STC89C52 and pressure sensor chip MPX4115A, and introduced how its software and hardware works. We can get analog output voltage which corresponds to the measured pressure, by pressure sensor chip MPX4115A. This voltage go through the V / F converter circuit unit which based on LM331, output digital pulse signal ,then input the digital pulse signal to the microcontroller STC89C52 counter. Microcontroller STC89C52 within a unit time obtains the signal pulse values and calculates the frequency of the pulse signal, Calculate the actual pressure value, according to the linear relationship between the voltage and frequency, then display it by LCD1062.
另外，随着改革开放特别是近年来经济的快速发展，越来越多的中国家庭购买了小轿车，我国正加快步入汽车社会，而轮胎安全是影响汽车安全性能的一个重要因数，轮胎的爆胎由于其具有不可预测性和不可控制的特点而成为突发性交通事故发生的重要原因，造成巨大的经济损失和人员伤亡，极威胁着汽车的行驶安全。为了保证汽车安全、平稳地行驶，适当的轮胎充气压力是必须的。在汽车的行驶中，如果胎压过高则会使得轮胎与轮胎圈容易受到不平地面的冲击而变形，甚至会导致爆胎；胎压过低会导致轮胎不正常磨损、轮胎部损伤和轮胎温度升高从而导致爆胎[3]。现在，对行驶中的汽车的胎压进行实时监测越来越受到广大车主的关注。由此可见，气压计的应用十分宽广,它和我们的生活生产息息相关。
本设计达到了实时显示被测环境的绝对压值的功能，具有便于携带、体积小、功耗低、经济性好、成本较低、良好的环境适应能力和抗干扰能力强和一定温度补偿能力等特点。本设计充分利用了微机械加工技术和微电子技术的发展成果。随着微机械加工技术的新兴发展和微电子技术的日益成熟，各种基于MEMS（微型机电系统，Micro Electro-Mechanical System）技术的元器件应运而生，他们有着体积小、质量轻、成本低、功耗低、可靠性和工作效率高的特点，易于实现数字化、小型化和批量生产，目前已经在各行各业得到广泛的应用[5]。本系统选用的气压传感器是Motorola公司生产的新型MEMS器件MPX4115A单片集成硅压力传感器。
16k字节的系统可编程flash具有同时读写的能力即rww512字节eeprom1k字节sram32个通用io口线32个通用工作寄存器用于边界扫描的jtag接口支持片调试与编程三个具有比较模式的灵活的定时器计数器tc片外中断可编程串行usart有起始条件检测器的通用串行接口8路10位具有可选差分输入级可编程增益的adc具有片振荡器的可编程看门狗定时器一个spi串行端口以及六个可以通过软件进行选择的省电模式尽管单片机的品种很多但是在我国使用最多的是intel公司的mcs51系列单片机及其增强型扩展型的衍生机型