基于单片机控制的数字气压计设计与实现

基于单片机控制的数字气压计设计与实现

作者：沈绍祥胡爱华

摘要：介绍了一种精密数字气压计的软硬件实现方法。该方法通过气压传感器获得与大气压相对应的模拟电压值，并经过V／F变换输入到单片机进行处理，从而实时显示相应的气压值。用本文所述的方法制成的气压计携带方便，操作简单，精确度高，完全符合设计要求。

关键词：气压计；气压传感器；V／F转换器；单片机

１引言

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。

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。

２气压计的结构

本文研究的气压计结构如图１所示。其中气压传感器用来将被测气压转换为电压信号；用Ｖ／Ｆ转换器则可把气压传感器输出的电压信号转换成具有一定频率的脉冲信号；以便用单片机接收该脉冲信号，并根据单位时间内得到的脉冲数，依据电压与频率的线性关系式计算出所对应的气压值，最后在单片机控制下由ＬＥＤ显示出来。

本气压计能够在气压传感器的线性范围内准确测量相应气压值。需要说明的是，其测量值是绝对气压值。本文研究的气压计的技术指标如下：

●测量范围：３００ｈＰａ～１０５０ｈＰａ；

●测量精度：０．１％ＦＳ(２０℃)；

●显示精度：０．１％，由４个８段ＬＥＤ显示实现；

●工作温度范围：０～８５℃；

●电源电压：９Ｖ。

３系统实现

在系统构建过程中，需要考虑稳定性、复杂程度、造价和调试的难易程度等因素。图１所示框图中的每一部分就是一个单元电路，可完成各自的功能。模块之间没有复杂的信号传输，且干扰很少，因而系统整体比较稳定。

３．１气压传感器

气压传感器在气压计中占据核心位置。设计时可根据测量精度、测量范围、温度补偿、测量绝对气压值等几个性能指标来选取气压传感器。

由于该气压计显示的是绝对气压值，因而需要选取测量绝对气压值的气压传感器。同时为了简化电路，提高稳定性和抗干扰能力，要求该气压传感器应带有温度补偿。

为此，笔者选用Ｍｏｔｏｒｏｌａ的ＭＡＸ４１００Ａ气压传感器来测量绝对气压值。该传感器的温

度补偿范围为－４０～＋１２５℃；压力范围为２０ｋＰａ～１０５０ｋＰａ；输出电压信号（Ｖｓ＝５．０Ｖ）范围为０．３～４．６５Ｖ；测量精度为０．１％ＶＦＳＳ，同时在２０ｋＰａ～１０５０ｋＰａ时具有良好的线性，具体输出关系如下：

Ｖｏｕｔ＝Ｖｓ(０．０１０５９Ｐ－０．１５２８)±Ｅｒｒｏｒ

式中，Ｖｓ是工作电压, Ｐ是大气压值，Ｖｏｕｔ为输出电压。

３．２Ｖ／Ｆ变换

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串。虽然Ｖ／Ｆ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。它的突出特点就是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计算机的脉冲串，从而通过测量Ｖ／Ｆ的输出频率来实现Ａ／Ｄ转换功能。

考虑到外围电路实现的难易程度和相应的性能指标，笔者选用了ＬＭ３３１电压／频率转换芯片。该器件使用了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／℃，同时该器件的脉冲输出可与任何逻辑形式兼容；ＬＭ３３１可单、双电源供电，电压范围为５～４０Ｖ；满量程范围１Ｈｚ～１００ｋＨｚ；最大非线性误差为０．０１％。图２所示是该系统中ＬＭ３３１的外围电路。在该电路中，基于ＬＭ３３１的压频转换关系为：

ｆｏ＝ＫＶｉ

其中，Ｋ＝Ｒｓ／(２．０９ＲｔＣｔＲＬ)，Ｒｓ＝Ｒｓ１＋Ｒｓ２

实际上，电路中的Ｒｓ主要用于调节电路的转换增益Ｒｔ, Ｃｔ，ＲＬ的典型值分别为６．８ｋΩ、０．０１ｐＦ和１００ｋΩ，Ｋ值则可由设计者自己决定。该设计中，取Ｋ＝２０００，Ｒｓ＝２８．４

２４ｋΩ主要是考虑到单片机部分使用测频率法来测ｆｏ能够保证频率信号的测量精度。由于Ｒｓ、ＲＬ、Ｒｔ和电容Ｃｔ会直接影响ｆｏ的转换结果。因此，对这些元件的参数有一定的要求，设计时应根据转换精度适当选择。电容ＣＬ对转换结果虽然没有直接影响，但是应选择漏电流小的电容器。用电阻Ｒ１, 电容Ｃ１组成低通滤波器，可减少输入电压中的干扰脉冲，提高转换精度。

３．３单片机

本气压计实现方案需使用单片机的Ｐ１口和Ｐ３口的一部分以及一个中断源、一个定时器和一个计数器。因此，笔者选用了ＡＴＭＥＬ的ＡＴ８９Ｃ２０５１单片机，该器件与８９Ｃ５１兼容，具有２ｋＢ的可重复编程闪存，２．７Ｖ～６Ｖ的工作电压范围，１２８Ｂｙｔｅ的内部ＲＡＭ以及两个Ｉ／Ｏ口（Ｐ１，Ｐ３）、２个１６位的计数器／定时器和６个中断源，并可直接驱动ＬＥＤ输出，同时带有可编程的串行通讯口。另外，该单片机还具有体积小，价格低等特点。

３．４ＬＥＤ显示

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、一个小数点和两个公共端。在显示电路中，这些发光二极管有两种接法：共阳极接法和共阴极接法。本设计中需要用４个ＬＥＤ组成显示单元，并采用动态显示方式。由于使用４个单个ＬＥＤ进行显示的连线比较复杂，同时单片机的端口驱动能力也难以保证，而需要加入专门的驱动芯片。所以，笔者采用了４个ＬＥＤ连体的、内部已将其相应段接好的共阳极ＬＥＤ，它具有１２个引脚，含７个段和４个公共端，为提高数码管的亮度，可在位选线上加入一个三极管驱动电路。

由ＡＴ８９Ｃ２０５１控制的显示电路如图３所示。该显示电路需要选取合适的电阻Ｒ和Ｒａ，才能保证ＬＥＤ的亮度，过大或者过小都无法让ＬＥＤ正常显示。设计时取Ｒ为４．７ｋΩＲａ为５１０Ω