基于单片机的数字气压计设计

目录
摘要 (I)
A BSTRACT ...................................................................................................................... I I 前言.. (1)
第一章概述 (2)
1.1课题背景 (2)
1.2 技术概况及发展趋势 (2)
1.3数字胎压计系统设计的意义 (3)
1.4国内外相关技术 (3)
第二章系统总体设计 (5)
2.1设计思路分析 (5)
2.1.1设计方案一： (5)
2.1.2 设计方案二： (5)
2.2系统总体结构 (6)
2.3系统各功能模块的设计思想 (6)
2.3.1 A/D转换模块 (6)
2.3.2 数据处理模块 (6)
2.3.3 显示模块 (6)
2.4气压传感器的选择 (7)
2.5A/D转换器件的选择 (7)
2.6三端稳压器 (8)
2.7数码管显示 (8)
2.7.1 数码管静态显示 (8)
2.7.2数码管动态显示 (8)
2.8系统配置 (8)
第三章硬件电路设计 (10)
3.1单片机电路部分 (10)
3.1.1 主要芯片介绍 (10)
3.2气压传感和V/F转换电路部分 (12)
3.3胎压计电源与单片机电路部分 (15)
3.4 pcb制作 (16)
第四章软件设计 (18)
4.1用C语言开发单片机的优势 (18)
4.2如何由频率计算出气压值 (18)
4.3程序流程图 (19)
第五章系统调试与仿真 (20)
5.1K EIL软件介绍 (20)
5.2PROTEUS软件介绍 (20)
5.3 单片机调试仿真 (21)
5.4原理图检查调试 (22)
5.5 器件连接调试 (22)
5.6 PCB检查 (23)
5.7程序调试仿真 (25)
第六章毕业设计总结 (26)
6.1主要成果 (26)
6.2经验总结和感谢 (26)
参考文献 (27)
致谢 ....................................................................................... 错误!未定义书签。

附录1 . (29)
基于单片机数字气压计设计
本文介绍基于气压传感器MPX4105的精密数字气压计系统的软、硬件实现方法。

通过气压传感器MPX4105获得与汽车胎压相对的模拟电压值，并经过电压/频率（V/F）转换模块转换为数字脉冲，通过单片机对此脉冲序列的计数等处理后获得实际的气压值，并通过数码管显示电路显示。

阐述了系统的软件设计，以C语言为开发工具，进行了详细设计和编码。

总体目标是实现系统的可靠性、稳定性、安全性和经济性。

关键词：气压传感器；电压/频率转换；单片机；
The Design of Numeral-barometer Based on SMC
—Hardware system design
Abstract
Introduces a precise numerical barometer system based on MPX4105, giving the achieve-method of soft and hardware Obtain the value of analog voltage according to the air pressure via MPX4105, and convert it into numerical pulse by the voltage/frequency conversion. Recur to the take count of the pulse-sequence and relevant management by the SCM, an actual air-pressure value is obtained. On the system software design, development tools is C language, a detailed design and coding. The overall objective is to achieve system reliability, stability, security and economy.
Key words:Gs pressure transducer；V oltage / frequency conversion；SCM
前言
轮胎是汽车行驶系统的重要部件，其性能的优劣直接影响汽车行驶的可操纵性、安全性和舒适性。

目前，中国正进入家庭汽车的高速增长期，轮胎安全是汽车安全性能评价的重要指标，轮胎爆胎由于其不可预测性和不可控制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，极大地威胁着汽车的行驶安全。

恰当的轮胎充气压力是保证汽车安全、平稳行驶的关键因素。

及时准确地对超过或低于轮胎压力标准范围的异常状态进行报警，是减少由轮胎爆胎引发的交通事故的有效途径。

随着高新技术的发展和现代汽车不断趋向高性能化,汽车用的轮胎也从长期的性能时代,开始进入功能化的新时期。

当然，现代汽车的安全配置也在不断得到完善，如安全带、安全气囊、防撞杆等被广泛运用，不过这些都是属于交通事故发生后，才能对人、车起到保护作用的被动安全装置。

然而本文研制的轮胎爆胎预警系统，则不同于上述的装置，它在轮胎一出现危险征兆时就能够及时发现并同时报警，最大限度地将事故消灭在萌芽状态，从而极大地提升了车辆高速行驶的安全性，这一优势在高速公路上表现更为明显。

第一章概述
1.1课题背景
如今，随着高速公路网的蓬勃兴起，交通的日趋发达，车辆行驶速度的不断攀升，交通隐患的防范问题迫在眉睫，如因车胎漏气和爆炸等原因造成的交通事故，很多是由轮胎的工作温度过高或者不合理胎压引起的。

研究汽车轮胎胎压计，就对现代汽车行驶时的经济性、安全性和操纵稳定性具有尤为重要的现实意义。

在汽车的高速行驶过程中，轮胎故障是所有驾驶者最为担心和最难预防的，也是突发性交通事故发生的重要原因。

据相关统计资料数据表明，目前我国在高速公路上发生的交通事故有70%～80%是由于轮胎问题引起的，其中将近50%为爆胎事故。

怎样防止爆胎已成为安全驾驶的一个重要课题。

据专家分析，保持标准的车胎气压行驶和及时发现车胎漏气是防止爆胎的关键。

为此，基于解决此类问题的各种胎压监测系统(TPMS)产品——胎压计应运而生。

轮胎气压计属于“事前主动”型安全保护装置，在轮胎出现危险征兆时及时报警，提醒驾驶员采取措施，将事故消灭在萌芽状态，确保汽车在行驶过程中始终处于安全状态。

同时，利用胎压计获得轮胎信息，可以减少油耗，延长轮胎的使用寿命，也可以为底盘综合控制系统提供相关的信息和数据。

我们的设计的是一种基于单片机的数字气压计的设计，主要针对的是汽车轮胎胎压计的设计。

汽车轮胎胎压计是通过气压传感器获得与汽车轮胎胎压相对应模拟电压值，并经过V／F变换输入到单片机进行处理，从而实时显示相应气压值。

由于使用胎压计有一定的参数要求，设计数字气压计时要[1]仔细了解这些参数以防止使用不当而损坏胎压计。

汽车轮胎胎压计采用高性能绝对压力传感器，屏幕显示出高准确度的汽车轮胎胎压，实现了对轮胎压力的实时监测。

当汽车轮胎压力处于非正常状态运行时，通过报警来通知驾驶员，控制轮胎爆胎发生，以达到安全驾驶的目的。

1.2 技术概况及发展趋势
TPMS (Tire Pressure Monitoring System)轮胎压力监视系统，主要用于在汽车行驶时实时的对轮胎气压进行自动监测。

目前各国研制的轮胎气压报警系统主要分为两种类型：一种是间接式，它通过汽车ABS(防抱制动系统)的轮速传感器及轮胎的力学模型，间接求出轮胎气压，以达到监视轮胎气压的目地；另一种是直接式，它利用安装在每一个轮胎里的以锂离子电池为电源的压力传感器来直接测量轮胎的气压，并通过无线调制发射到安装在驾驶台的监视器上，而监视器随时显示各种轮胎气压，驾驶者可以直观地了解各个轮胎的气压状况，当轮胎气压太低或有渗漏时，系统就会自动报警，确保行车安全。

市场研究机构Strategy Analytics的预测表明，直接系统技术将成为主流技术，2008年后所占份额将超过95%。

因为如果要使用间接式胎压监测系统，前提是车辆必须有ABS系统。

加上会影响轮胎转速的因素，除了胎压异常所导致外，行驶的路面也是主要原因，如行驶于雪地或湿滑路面时，空转会使某一轮胎的旋转次数大幅提高。

或者是当车子高速转弯时，车胎的抓地力已经无法克服过弯时的离心力，外侧轮胎与内侧轮胎的转动次数便有明显差异，这些情况便会出现错误警告信息。

另外，当四条轮胎的胎压同时下降，系统便失去判定的准则，警告信息自然就不会出现。

而且侦测功能仅在车辆行驶中才能发挥作用，对备胎或当车辆停滞时，便无法判断，还会出现误报现象。

汽车高速行驶中，由于轮胎的压力不正常而造成爆胎是驾驶员难以预防的，也是突发
性和恶性交通事故发生的重要原因。

引起轮胎漏气和爆胎的原因主要有：(1)轮胎工作温
度过高；(2)轮胎气压过大；(3)轮胎使用时间过长；(4)轮胎负荷过大；(5)汽车行驶速度
过快。

为使汽车能够处于安全的驾驶状态，驾驶者必须在行车过程中实时了解轮胎的超压、欠压、温度等工作状态，我们设计的基于单片机的汽车轮胎胎压计具有以下的功能：(1)
实时监测轮胎的压力情况；(2)当某个轮胎处于欠压状态时，相应的欠压报警指示灯亮。

当汽车轮胎压力处于非正常状态运行时，通过报警来通知驾驶员，控制轮胎爆胎发生，以
达到安全驾驶的目的。

1.3数字胎压计系统设计的意义
由于汽车的迅速普及，人们对驾驶安全性与舒适性的追求越来越高，随车携带数字气
压计可以保证人们安全驾驶，有效地降低由于爆胎导致的交通事故发生地概率。

而服务商
需要的是一种物美价廉的数字气压计，以满足有车一族的需要。

本课题设计充分利用了MPX4105芯片的功能，它满足数字气压计采集、控制和数据处
理的需要，可提高系统稳定性和抗干扰能力。

同时，由于大量的工作由单片机软件来实现，简化了设计电路，且调整方便、可兼顾的指标多，从而大大降低了成本。

另外，作为一种
功能强大的平台，该数字气压计具有很好的功能扩展性，具有精度高、稳定性好、功能易
于扩展等优点，为仪器及电子产品设计后续技术升级，以进一步满足市场的需要提供了条件。

1.4 国内外相关技术
对轮胎爆胎进行预警是保障汽车安全行驶的关键所在，已成为汽车行业研究的热点问题。

在轮胎爆胎预警系统及相关技术的研究发面，美国、日本、德国、法国、英国在近几
年都取得了突破性的进展，形成了性能和功能完善[5]的轮胎压力监测系统产品。

从近年发
布的世界新车资料来看，林肯大陆、奔驰、宝马、标志、道奇等中高档车均安装了轮胎压
力监测装置，用于监测汽车行驶过程中轮胎气压，车内主控机板显示模块实时显示轮胎气
压状态。

据中国汽车工业协会相关市场调查表明，国内轮胎爆胎预警系统的相关产品有推出，但都是技术性能不甚完善简易系统产品，存在以下缺点：①系统工作寿命极短；②系统在低温或高温环境下失效；③工作可靠性较差。

而性能可靠、功能完善、技术成熟的产品均是一些国外知名公司的品牌产品，但价格较为昂贵。

因此，研制性能可靠、功能完善并且价格能为当前多数国内消费者所接受的轮胎爆胎预警技术产品很有必要。

国内汽车行业正迫切需求成熟的轮胎爆胎预警系统及产品的投放市场以解决因轮胎爆胎而引起的行驶安全性问题。

第二章系统总体设计
2.1 设计思路分析
2.1.1设计方案一：
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。

原理框图如下：
图2-1 方案一原理图
2.1.2 设计方案二：
采用集成的单片机主控，通过压力传感器将气压信号送入带A/D转换的单片机中，以及在相关模拟分立元件的辅助下进行A/D转换以及其它的数据处理，将处理的结果送显示部分进行显示。

原理原理框图如下：
图2-2 方案二原理图
综上所述，方案一电路虽然与方案二类似，都较方案一调整方便、可兼顾的指标多，但方案一利用PC机平台实现软件操作，在操作运行复杂，并且性价较底，因为耗费较大，所以在实际应用中一般不用，所以我们选择第二种方案。

设计51单片机数字气压计系统时，需要考虑下面4个方面的内容。

·选择合适的气压传感器芯片，这要根据实际需要以及各种气压传感器的性能参数来决定。

·选择合适的A/D转换器件，它的作用是将气压传感器输出的模拟电流或电压信号转换为数字信号。

·设计单片机和A/D转换器件的接口电路。

·实现气压信息采集并输出的软件设计。

2.2 系统总体结构
本系统的总体结构框图如图2-1所示。

图2-1单片机数字气压计系统结构框图
由图2-1可知，整个系统的工作流程如下。

测量时被测气压由气压传感器转换为模拟的电压输出，此输出信号不能直接交由单片机处理。

因此，需要经过V/F转换模块把气压传感器输出的模拟电压信号转换为数字脉冲（其频率随输入电压呈线性变化）。

通过单片机接收该脉冲信号，得到单位时间内获得的脉冲数，依据电压与频率的线性关系式计算出所对应的实际气压值，最后通过数码管显示电路显示给用户。

2.3系统各功能模块的设计思想
通过对单片机各个端口的设置，以及定时器工作方式和串行口工作方式的选择，并对定时器和串行口进行初始化用以实现对单片机和各个功能模块芯片之间通讯联络的设定。

在主程序模块中我们关键是使单片机初始化，以及分配地址空间交代程序中各个变量等。

其中最为关键的是连接子程序的各个功能
模块。

2.3.1A/D转换模块
单片机接受传感器的电压值为模拟信号，它要和A/D转换模块的锯齿波发生装置发送过来的标准模拟信号相比较，即通过P1.0和P1.1引脚进行比较，同时开发定时器0，当待测模拟信号超过标准模拟信号时，P3.6引脚信号将会发生变化，此时的定时器0的值通过量纲转化就得到了相应的数字信号。

2.3.2数据处理模块
数据处理模块主要是对A/D转换模块的数据进行多次采集，并且对采集的数据进行处理，此处理过程主要是对采集的数据进行初值定义以及相应的移位处理，并且把处理好的数据送入相应的缓冲区，为
后面的显示模块作好准备。

2.3.3显示模块
用单片机芯片AT89C52的P0.0/AD0－P0.7/AD7端口接数码管的a－h端，8位数码管的S1－S5通过AT89C52的P2.0－P2.4端口来控制选通每个数码管的位选端。

在数据的显示模块中，我们采用的是LED动态显示的方式。

其具体的实现过程在上述设计思想中详细说明。

7段数码管选用共阳连接方式，通过端口输出编码后的段码，对应笔画为“高电平“时点
亮。

2.4气压传感器的选择
气压传感器对于数字气压计设计的实现至关重要，需要综合实际的需求和各类气压传感器的性能参数加以选择。

气压传感器的主要性能参数如下。

·测量范围
即所能测量的大气压力范围，单位为kPa。

·测量精度
测量结果（电流或电压）的精度。

·温度补偿范围
一般要选用具有温度补偿能力的气压传感器，因为温度补偿特性可以克服半导体压力敏感器件存在的温度漂移问题。

·测量的是否是绝对气压值
绝对气压值对应的即是实际的气压值，显然要实现数字气压计需要测量绝对气压值的气压传感器。

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气压传感器[7]。

经过综合考虑，我们选用美国摩托罗拉公司的集成压力传感器芯片MPX4105作为气压传感器。

MPX4105可以产生于所加气压呈线性关系的高精度模拟输出电压，它具有以下特点：·供电范围：4.85~5.35V，典型值为5.1V。

·测量范围：15~105kPa。

·工作温度范围：0~85℃。

·温度补偿范围：-40~+125℃。

·测量精度为±1.7%VFSS。

·最低气压对应的输出电压VOFF为0.184~0.428V，典型值为0.306V；最高气压对应的输出电压VOFF为4.804~4.988V，典型值为4.896V；满刻度输出电压间距VFSS的典型值为4.590V。

·理想的微处理器接口。

2.5 A/D转换器件的选择
气压传感器MPX4105输出的是模拟电压，因此，必须进行A/D转换才能交由单片机处理。

关于A/D 转换，其模块的特点是：转换分辨率为10位，最多含8个输入通道和一个内部温度传感器。

我采用一种电压/频率（V/F）转换电路来实现模拟电压的数字化处理。

V/F转换电路由V/F器件实现。

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序列，虽然V/F器件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。

V/F器件的突出特点就是它能够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单
片机接口的脉冲序列。

通过测试V/F的输出频率。

可以实现A/D转换功能。

针对电路的实际需要，并考虑到外围电路实现的难易程度和相应的性能指标，我选用国家半导体公司的芯片LM331来实现A/D转换。

LM331是一款高精度电压/频率转换芯片，它具有以下特点：·最大非线性误差为0.01%。

·可单、双电源供电，电压范围为5~40V。

·脉冲输出可兼容任何逻辑形式。

·内部具有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/℃。

·宽的满量程频率范围：1Hz~100KHz。

2.6 三端稳压器
本设计中的LM331工作电源采用+15V，但是单片机、MPX4105等其他芯片需要+5V供电，因此还需要设计专门的供电电路以满足整个系统的电源需求。

选用摩托罗拉公司的三端低电流线性稳压芯片
MC78L05作为电源电路。

其输入电压范围：2.6~24V，输出+5V 固定电压；具有内部短路电路限制和热过载保护功能，无需外部元器件。

2.7 数码管显示
2.7.1数码管静态显示
当显示器显示某一个字符时，相应的发光二极管恒定的导通或截止，这种显示方式每一位都需要一个8位输出口控制。

静态显示时，较小的电流能得到较高的亮度且字符不闪烁，当显示器位数较少时，采用静态显示的方法是合适的。

2.7.2数码管动态显示
一位一位地轮流点亮显示器各个位，对于显示器的某一位来说，每隔一段时间点亮一次。

利用人的视觉暂留功能可以看到整个显示，但必须保证扫描速度足够快，字符才不闪烁。

显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。

若显示器的位数不大于8，则控制显示器公共极电位只需一个I/O口，控制显示器的各位所显示的字型也只需一个8位口。

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、1个小数点和2个公共端[9]。

本设计中需要用5个LED组成显示单元，共阴极接法，所以我们采用数码管动态显示。

2.8 系统配置
我们以AT89C52单片机为整个系统的核心，通过气压传感器对气压信号的采集、控制、放大等处理完成气压参数的自动获取，以及进行数字显示等等。

在此过程中需要利用AT89C52单片机内部的定时器对其进行度量，再使用软件模块对其进行处理，即得到了A/D转换的结果。

进行多次A/D转换后，我们就可以采集到一脉冲序列的数据，对这些数据进行适当的处理，最后通过数码管显示电路显示给用户，
进而达到了我们对整个系统设计的基本要求。

第三章硬件电路设计
经过之前的分析,单片机系统中的数码管显示电路，它通常由译码器、驱动器和显示器等部分组成，是将采集到得气压值通过数码管显示的电路。

硬件电路离不开功能性器件，因此首先来看看本数字胎压计所采用的主要器件。

3.1单片机电路部分
3.1.1主要芯片介绍
89C52单片机
89C52单片机的40条引脚按功能来分，可以分为3部分，电源及时钟引脚、控制引脚和输入/输出引脚。

如下图3-1所示：
图3-1 单片机引脚图
89C52单片机引脚功能
主电源及时钟引脚
此类引脚包括电源引脚Vcc、Vss、时钟引脚XTAL1、XTAL2。

（1）Vcc（40脚）：接+5V电源，为单片机芯片提供电能。

（2）Vss（20脚）接地。

（3）XTAL1（19脚）在单片机内部，它是一个反向放大器的输入端，该放大器构成了片内的振荡器，可提供单片机的时钟控制信号。

（4）XTAL2（18脚）在单片机内部，接至上述振荡器的反向输出端。

控制引脚
此类引脚包括RESET（即RSR/VPD）、ALE/PROG、PSEN、EA/VPP，可以提供控制信号，有些具有复用功能。

（1）RSR/ VPD（9脚）：复位信号输入端，高电平有效，当振荡器运行时，在此引脚加上两个机器周期的高电平将使单片机复位（REST）。

复位后应使此引脚电平保持为不高于0.5V的低电平，以保证单片机正常工作。

掉电期间，此引脚可接上备用电源（VPD），以保持内部RAM中的数据不丢失。

当Vcc下降到低于规定值，而VPD在其规定的电压范围内（5±0.5V）时，VPD就向内部RAM提供备用电源。

（2）ALE/PROG（30脚）：ALE为地址锁存允许信号。

当单片机访问外部存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲的下降沿用于锁存16位地址的低8位。

即使不访问外部存储器，ALE端仍有周期性正脉冲输出，其频率为振荡器频率的1/6。

但是每当访问外部数据存储器时，在两个机器周期中ALE只出现一次，即丢失一个ALE脉冲。

ALE端可以驱动8个LSTTL负载。

（3）PSEN（29脚）：程序存储器允许输出控制端。

此输出为单片内访问外部程序存储器的读选通信号。

在从外部程序存储器取指令（或取常数）期间，每个机器周期均PSEN两次有效。

但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不会出现。

PSEN同样可以驱动8个LSTTL负载。

（4）EA/VPP（31脚）：EA功能为内外程序存储器选择控制端。

当EA端保持高电平时，单片机访问内部程序存储器，但在PC（程序计数器）值超过0FFFH时将自动转向执行外部程序存储器内的程序。

输入/输出引脚
此类引脚包括P0口、P1口、P2口和P3口。

（1）P0（P0.0~P0.7）是一个8位三态双向I/O口，在不访积压处部存储器时，做通用I/O口使用，用于传送CPU的输入/输出数据，当访问外部存储器时，此口为地址总路线低8位及数据总路线分时复用口，可带8个LSTTL负载。

（2）P1（P1.0~P2.7）是一个8位准双向I/O口（作为输入时，口锁存器置1），带有内部上拉电阻，可带4个LSTTL负载。

（3）P2（P2.0~P2.7）是一个8位准双向I/O口，与地址总路线高8位复用，可驱动4个LSTTL 负载。

（4）P3口功能表，如下表1.1所示：
表1.1 P3口功能表
3.2 气压传感和V/F转换电路部分
MPX4105压力传感芯片
气压传感器选用摩托罗拉公司生产地集成压力传感芯片MPX4105，其引脚分布如图3-2所示。

图3-2 MPX4105引脚分布图
各引脚功能说明如下：
VOUT(1脚)：电压输出脚。

GND（2脚）：接地端。

NC（4、5、6脚）：空引脚，用于芯片内部连接，悬空不适用。

LM331电压/频率转换器
电压/频率转换器选用国家半导体公司的高精度V/F 转换芯片LM331，其引脚分布如图3-3所示。

图3-3 LM331引脚分布图 各引脚功能说明如下： CO(1脚)：电流输出脚。

RefC （2脚）：基准电流脚。

此引脚可接一固定电阻串联一个可变电阻器的组合，用于调整转换增益。

FO （3脚）：脉冲序列输出脚。

该序列的频率值对应于输入电压的脉冲序列。

GND （4脚）：接地端。

R/C （5脚）：组容网络引脚。

Thre （6脚）：阈值电压脚。

芯片内部的电压比较器会对此引脚上的电压和7脚CmpIn 上的电压作比较。

CmpIn(7脚)：比较器电压输入脚。

需要进行V/F 转换的电压经过低通滤波后由此引脚输入。

VCC （8脚）：电源脚。

可采用单、双电源供电，输入电压5~40V 。

MC78L05电源电路
由于数字胎压计采用的是+15V 电源供电，LM331工作于+15V ，但是单片机、MPX4105等其他芯片需要+5V 供电，因此还需要设计专门的供电电路以满足整个系统的电源需求。

电源电路选用摩托罗拉公司的三端低电流线性稳压芯片MC78L05。

MC78L05具有以下特点：
输入电压范围：2.6~24V ，输出+5V 固定电压； 具有内部短路电路限制和热过载保护功能； 无须外部器件。

其引脚分布如图3-3所示。

各引脚功能说明如下：
Vout(1脚)：+5V 固定电压输出脚。

GND(2脚)：接地端。

Vin(3脚)：电压输入脚，可输入的电压范围为2.6~24V 。

CO
RefC FO
GND
VCC
CmpIn Thre R/C。