基于單片機的氣壓傳感器研制畢業設計論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 路提供工作電源，氣壓傳感芯片、 V/F 轉換芯片、單片機、 LCD 顯示屏將按圖 所示的流程實現系統的功能。 氣 壓 傳 感芯 片V / F 轉 換 芯片單 片 機L C D 顯 示 屏電源電路 圖 系統原理框圖 第三節 元件選取 一、 單片機的選型 20 世紀 80 年代以來，單片機的反戰非常迅速。就通用單片機而言，世界上一些著名的計算機廠家已投放市場的產品就有幾十個系列，數百個品種。其中有 Motorola公司的 680 6802。此外，還有荷蘭的 Philips 公司、日本的 NEC 公司、日立公司，相繼也推出了各自的單片機品種，許多國外公司以 MCS51 系列單片機的內核為基礎，推出了與 MCS51 系列單片機相兼 容的衍生產品 【 6】 。所以，可以供我們選用的單片機廠商眾多，單片機芯片也有很多種，常見的有以下幾種： 重慶郵電大學本科畢業設計（論文） 5 ① MSP430 系列單片機是美國德州儀器（ TI）生產的單片機芯片。此芯片是一款具有精簡指令集（ RISC）的混合信號處理器，其處理能力極強、運算速度快、功耗超低、片內資源豐富且有方便高效的開發環境。然而，其價格比較昂貴且采用 TPFQ貼片封裝，不利于焊接，需要制作成 PCB 板，但這將大大增加了成本和開發周期 【 7】 。 ② STC89C52 單片機是宏晶科技有限公司生產的單片機芯片。此芯片是一種低功耗、高性能 CMOS 8 位微處理 器，具有 8K在系統可編程 Flash 存儲器、 512 字節RAM、 32 位 I/O 口、看門狗定時器、內置 4KB EEPROM、 MAX810 復位電路等 【 8】 。 ③ ATmega16 單片機是基于增強的 AVR RISC 結構的低功耗 8 位 CMOS 微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執行時間， ATmega16 的數據吞吐率高達 1 MIPS/MHz，從而可以減緩系統在功耗和處理速度之間的矛盾。 ATmega16 有如下特點 :16K 字節的系統內可編程 Flash(具有同時讀寫的能力，即 RWW)， 512 字節EEPROM， 1K 字 節 SRAM， 32 個通用 I/O 口線， 32 個通用工作寄存器，用于邊界掃描的 JTAG 接口，支持片內調試與編程，三個具有比較模式的靈活的定時器 / 計數器 (T/C),片內 /外中斷，可編程串行 USART，有起始條件檢測器的通用串行接口， 8 路10 位具有可選差分輸入級可編程增益的 ADC ，具有片內振蕩器的可編程看門狗定時器，一個 SPI 串行端口，以及六個可以通過軟件進行選擇的省電模式 【 9】 。 盡管單片機的品種很多，但是在我國使用最多的是 Intel 公司的 MCS51 系列單片機及其增強型、擴展型的衍生機型。又由于筆者學 習過 MCS51 系列單片機，而且考慮到開發難度和成本，本系統選取 STC89C52 單片機作為處理器。 二、 氣壓傳感器 氣壓傳感器對于數字氣壓計設計的實現至關重要，需要綜合實際的需求和各類氣壓傳感器的性能參數加以選擇。 氣壓傳感器的主要性能參數如下： ① 測量范圍 即所能測量的大氣壓力范圍，單位為 KPa。 ② 測量精度 測量結果（電流或電壓）的精度。 ③ 溫度補償范圍 一般要選用具有溫度補償能力的氣壓傳感器，因為溫度補償特性可以克服半導體壓力敏感器件存在的溫度漂移的問題。 ④ 測量的是否是絕對氣壓值 絕對氣壓值對應的即是實際的氣 壓值，顯然要實現數字氣壓計需要測量絕對氣壓值的氣壓傳感器。 重慶郵電大學本科畢業設計（論文） 6 數字氣壓計顯示的是絕對氣壓值，同時為了簡化電路，提高穩定性和抗干擾能力，要求使用具有溫度補償能力的氣壓傳感器。經過綜合考慮，本系統選用美國摩托羅拉公司的集成壓力傳感器芯片 MPX4115A 作為氣壓傳感器。 MPX4115 系列壓電電阻傳感器是一個硅壓力傳感器。這個傳感器結合了高級的微電機技術，薄膜鍍金屬技術。還能為高水準模擬輸出信號提供一個均衡壓力。在 0℃~85℃ 的溫度下誤差不超過 %，溫度補償是 40℃ ~125℃ 【 10】 。 MPX4115A 具有溫 度補償、穩定性高和抗干擾能力強等特點。而且，可以產生與所加氣壓成線性關系的高精度模擬輸出電壓。具體關系如下： Vout=Vs()177。Error 式中， Vs 是工作電壓， P 是大氣壓值， Vout 為輸出電壓。 三、 V/F 轉換芯片 氣壓傳感器 MPX4115A 輸出的是模擬電壓，因此，必須進行 A/D 轉換才能交由單片機處理。本系統采用一種電壓 /頻率（ V/F）轉換電路來實現模擬電壓的數字化處理。 V/F 轉換電路由 V/F 器件實現。 V/F 器件的作用是將輸入電壓的幅值轉換成頻率與輸入電壓幅值成線性關系的脈 沖序列，雖然 V/F 器件本身還不能算做量化器，但加上單片機定時器與計數器處理以后也可以實現 A/D 轉換功能。針對電路的實際需要，并考慮到外圍電路實現的難易程度和相應的性能指標，本系統選用國家半導體公司的芯片 LM331 來實現 A/D 轉換。 LM331 是一款高精度電壓 /頻率轉換芯片，它具有以下特點： ① 最大非線性誤差為 %。 ② 可單、雙電源供電，電壓范圍為 5~40V。 ③ 脈沖輸出可兼容任何邏輯形式。 ④ 內部具有溫度補償能隙基準電路，因而具有極佳的溫度穩定性，最大溫漂為177。50ppm/℃ 。 ⑤ 寬的滿量程頻率范圍： 1Hz~100KHz。 四、 顯示器 目前，市場上的顯示模塊種類繁多，功能各異，常見的有以下幾種： ① 帶字庫的 LCD12864 液晶顯示屏。 LCD12864 是一款通用的液晶顯示屏，能夠顯示大部分常用的漢字及 ASCII 碼，而且能夠繪制圖片、描點畫線、設計出比較理想的結果。 ② 液晶 LCD1602 顯示屏， LCD1602 是一款比較通用的字符液晶顯示屏，能顯重慶郵電大學本科畢業設計（論文） 7 示字符和數字等信息，但不能顯示圖畫，其具有價格低廉、操作方便、功耗低、編程簡單的特點。 ③ LED7 段數碼顯示管，數碼管實際上是由七個發光管組成 8 字形構成的，其成本低，但只能顯示數字和少量字 符。 液晶顯示屏比數碼顯示管的功耗低，顯示也更直觀，易于軟件編程。考慮到價格因素以及顯示需求， LCD1602 液晶顯示屏是最佳的選擇 【 11】 。 五、 三端穩壓器 由于在本設計中 LM331 需要 +15V 的工作電源，但是單片機、 MPX4115A 和LCD1602 等其他元件的工作電源為 +5V，所以，為了滿足整個系統的正常工作的需要，我們還需要設計專門的電源電路。在這里，筆者選用了摩托羅拉公司生產的三端低電流線性穩壓芯片 MC78L05 作為 +15V電壓轉 +5V 電壓的芯片。根據數據手冊的介紹，其輸入電壓范圍： ~24V，輸出 +5V 固定電壓；其無需外部保護電路，具有內部短路電路限制和熱過載保護功能。 第四節 本章小結 本章主要介紹本系統的設計要求，并選取了符合要求的設計方案，講解了被選取方案的設計思想及工作原理。本章還討論了系統各元件的介紹及選取。本章的工作為后面的具體實現打下了良好的基礎，后面章節都是在這章的總體方案設計的基礎上展開的。所以，這章的工作很重要。 重慶郵電大學本科畢業設計（論文） 8 第二章 硬件系統的設計與實現 第一節 單片機電路 一、 單片機概述 單片機就是在一塊半導體硅片上集成了微處理器（ CPU），存儲器（ RAM， ROM，EPROM）和各種輸入、輸出接口（定時器 /計數器，并行 I/O 口，串行口， A/D 轉換器以及脈寬調制器 PWM 等）的具有一臺計算機屬性的集成電路芯片。單片機的發展歷史大概可以分為四個階段。第一階段（ 1974 年 —1976 年）：單片機誕生的階段；第二階段（ 1976 年 —1978 年）：低性能單片機階段；第三階段（ 1978 年 —現在）：高性能單片機階段；第四階段（ 1982 年 —現在）： 8 位單片機鞏固發展及 16 位單片機、 32位單片機推出階段。單片機以其卓越的性能、價格低廉、高可靠性，得到了廣泛的應用。在檢測控制領域，由于其小巧靈活、低成 本、易于產品化，它能方便的組裝成各種智能測控設備及各種智能儀器儀表。在本系統中，就是利用了他的這一特點，來做氣壓檢測儀表。另外其還廣泛應用于工業自動化、消費類電子產品、通信器材、國防工業等領域，單片機的出現大大的推進了社會智能化的進程 【 12】 。 二、 單片機片內結構、引腳及封裝 STC89C52 和 MCS51 系列單片機相似，這里以 MCS51 單片機的片內結構來介紹 STC89C52，如圖 所示 。 C P U（ 運 算 器 ）（ 控 制 器 ）數 據 存 儲 器R A MP 0 P 2程 序 存 儲 器R O M / E P R O M特 殊 功 能寄 存 器（ S F R ）P 1串行口定 時 器 /計 數 器中 斷系 統P 3 X T A L 1X T A L 2A L EP S E NE AR E S E T888 8 重慶郵電大學本科畢業設計（論文） 9 圖 MCS51 單片機片內結構圖 由圖可見，單片機內部包含了微處理器（ CPU）、數據存儲器（ RAM）、 程序存儲器（ ROM/EPROM）、中斷系統、定時器、計數器、特殊功能寄存器以及各種借口。它們通過一條總線連接在一起。 １ .CPU（微處理器） MCS51 單片機中有 1 個 8 位的 CPU，與通用的 CPU 基本相同，同樣包括了運算器和控制放大器兩大部分，只是增加了面向控制的處理能力，不僅可處理字節數據，還可以進行位變量的處理。 ２ .數據存儲器（ RAM） 片內為 128B，片外最多可外擴 64KB。數據存儲器用來存儲單片機運行期間的工作變量、運算的中間結果、數據暫存和緩沖、標志位等。 ３ .程序存儲器（ ROM/EPROM） 用來存儲程序， 8031 無此部件； 8051 為 4KBROM； 8751 則為 4KBEPROM。如果片內只讀存儲器的容量不夠，則需要用外擴展只讀存儲器，片外最多可外擴至64KB。 ４ .中斷系統 具有 5 個中斷源， 2 級中斷優先權。 ５ .定時器 /計數器 片內有 2 個 16 位的定時器 /計數器，具有 4 種工作方式。在單片機的應用中，往往需要精確的定時，或對外部事件進行技術，因而需要在單片機的內部設置定時器 /計數器部件。 ６ .串行口 1 個全雙工的串行口，具有 4 種工作方式。可用來進行串行通信，擴展并行 I/O口，甚至與多個單片機相連構成舵 機系統，從而使單片機的功能更強且應用更廣。 ７ .P1 口、 P2 口、 P3 口、 P0 口 為 4 個并行 8 位 I/O 口。 ８ .特殊功能寄存器（ SFR） 特殊功能寄存器共有 21 個，用于 CPU對片內外各功能部件進行管理、控制、監視。實際上是片內各功能部件的控制寄存器和狀態寄存器，是一個具有特殊功能的RAM 區 【 13】 。 重慶郵電大學本科畢業設計（論文） 10 要掌握單片機因先了解它的引腳及功能。制造工藝為 HMOS 的單片機采用 40 只引腳的雙列直插封裝（ DIP）方式， STC89C52 的引腳如圖 所示 。 圖 STC89C52 封裝引腳圖 三、 89C52 單片機引腳 功能 1． 主電源及時鐘引腳 此類引腳包括電源引腳 Vcc、 Vss、時鐘引腳 XTAL XTAL2。 ① Vcc（ 40 腳）：接 +5V電源，為單片機芯片提供電能。 ② Vss（ 20 腳）接地。 ③ XTAL1（ 19 腳）在單片機內部，它是一個反向放大器的輸入端，該放大器構成了片內的振蕩器，可提供單片機的時鐘控制信號。 ④ XTAL2（ 18 腳）在單片機內部，接至上述振蕩器的反向輸出端。 2． 控制引腳 ⑤ RSR/ VPD（ 9 腳）：復位信號輸入端，高電平有效，當振蕩器運行時，在此引腳加上兩個機器周期的高電平將使單片機復位（ REST）。復位后 應使此引腳電平保持為不高于 的低電平，以保證單片機此類引腳包括 RESET（即 RSR/VPD）、ALE/PROG、 PSEN、 EA/VPP，可以提供控制信號，有些具有復用功能。 ⑥ 掉電期間，此引腳可接上備用電源（ VPD），以保持內部 RAM 中的數據不丟重慶郵電大學本科畢業設計（論文） 11 失。當 Vcc 下降到低于規定值，而 VPD 在其規定的電壓范圍內（ 5177。）時， VPD就向內部 RAM 提供備用電源。 ⑦ ALE/PROG（ 30 腳）： ALE 為地址鎖存允許信號。當單片機訪問外部存儲器時， ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖的下降沿用于鎖存 16 位地址的低 8 位。即 使不訪問外部存儲器， ALE 端仍有周期性正脈沖