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基于單片機控制的數字氣壓計設計與實現
摘要：介紹了一種精密數字氣壓計的軟硬件實現方法。該方法通過氣壓傳感器獲得與大氣壓相對應的模擬電壓值，并經過V／F變換輸入到單片機進行處理，從而實時顯示相應的氣壓值。用本文所述的方法制成的氣壓計攜帶方便，操作簡單，精確度高，完全符合設計要求。關鍵詞：氣壓計；氣壓傳感器；V／F轉換器；單片機
１引言
氣壓計是利用壓敏元件將待測氣壓直接變換為容易檢測、傳輸的電流或電壓信號，然后再經過后續電路處理并進行實時顯示的一種設備。其中的核心元件就是氣壓傳感器，它在監視壓力大小、控制壓力變化以及物理參量的測量等方面起著重要作用。運用于氣壓計的氣壓傳感器基本都是依靠不同高度時的氣壓變化來獲取氣壓值的。
氣象學研究表明，在垂直方向上氣壓隨高度增加而降低。例如在低層，每上升１００ｍ?氣壓便降低１０ｈＰａ；在５～６ｋｍ的高空，高度每增加１００ｍ，氣壓便會降低７ｈＰａ；而當高度進一步增加時，即到９～１０ｋｍ的高空之后，高度每增加１００ｍ，氣壓便會降低５ｈＰａ；同樣，若空氣中有下降氣流時，氣壓會增加；若空氣中有上升氣流時，作用于空氣柱底部的氣壓就會減小。一般把作用于單位面積上空氣柱的重量稱為大氣壓力。
２氣壓計的結構
本文研究的氣壓計結構如圖１所示。其中氣壓傳感器用來將被測氣壓轉換為電壓信號；用Ｖ／Ｆ轉換器則可把氣壓傳感器輸出的電壓信號轉換成具有一定頻率的脈沖信號；以便用單片機接收該脈沖信號，并根據單位時間內得到的脈沖數，依據電壓與頻率的線性關系式計算出所對應的氣壓值，最后在單片機控制下由ＬＥＤ顯示出來。
本氣壓計能夠在氣壓傳感器的線性范圍內準確測量相應氣壓值。需要說明的是，其測量值是絕對氣壓值。本文研究的氣壓計的技術指標如下：
●測量范圍：３００ｈＰａ～１０５０ｈＰａ；
●測量精度：０．１％ＦＳ(２０℃)；
●顯示精度：０．１％，由４個８段ＬＥＤ顯示實現；
●工作溫度范圍：０～８５℃；
●電源電壓：９Ｖ。
３系統實現
在系統構建過程中，需要考慮穩定性、復雜程度、造價和調試的難易程度等因素。圖１所示框圖中的每一部分就是一個單元電路，可完成各自的功能。模塊之間沒有復雜的信號傳輸，且干擾很少，因而系統整體比較穩定。
３．１氣壓傳感器
氣壓傳感器在氣壓計中占據核心位置。設計時可根據測量精度、測量范圍、溫度補償、測量絕對氣壓值等幾個性能指標來選取氣壓傳感器。
由于該氣壓計顯示的是絕對氣壓值，因而需要選取測量絕對氣壓值的氣壓傳感器。同時為了簡化電路，提高穩定性和抗干擾能力，要求該氣壓傳感器應帶有溫度補償。
為此，筆者選用Ｍｏｔｏｒｏｌａ的ＭＡＸ４１００Ａ氣壓傳感器來測量絕對氣壓值。該傳感器的溫度補償范圍為－４０～＋１２５℃；壓力范圍為２０ｋＰａ～１０５０ｋＰａ；輸出電壓信號（Ｖｓ＝５．０Ｖ）范圍為０．３～４．６５Ｖ；測量精度為０．１％ＶＦＳＳ，同時在２０ｋＰａ～１０５０ｋＰａ時具有良好的線性，具體輸出關系如下：
Ｖｏｕｔ＝Ｖｓ(０．０１０５９Ｐ－０．１５２８)±Ｅｒｒｏｒ
式中，Ｖｓ是工作電壓,Ｐ是大氣壓值，Ｖｏｕｔ為輸出電壓。
３．２Ｖ／Ｆ變換
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正比的脈沖串。雖然Ｖ／Ｆ本身還不能算做量化器，但加上定時器與計數器以后也可以實現Ａ／Ｄ轉換。它的突出特點就是把模擬電壓轉換成抗干擾能力強，可遠距離傳送并能直接輸入計算機的脈沖串，從而通過測量Ｖ／Ｆ的輸出頻率來實現Ａ／Ｄ轉換功能。
考慮到外圍電路實現的難易程度和相應的性能指標，筆者選用了ＬＭ３３１電壓／頻率轉換芯片。該器件使用了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５０ｐｐｍ／℃，同時該器件的脈沖輸出可與任何邏輯形式兼容；ＬＭ３３１可單、雙電源供電，電壓范圍為５～４０Ｖ；滿量程范圍１Ｈｚ～１００ｋＨｚ；最大非線性誤差為０．０１％。圖２所示是該系統中ＬＭ３３１的外圍電路。在該電路中，基于ＬＭ３３１的壓頻轉換關系為：
ｆｏ＝ＫＶｉ
其中，Ｋ＝Ｒｓ／(２．０９ＲｔＣｔＲＬ)?，Ｒｓ＝Ｒｓ１＋Ｒｓ２
實際上，電路中的Ｒｓ主要用于調節電路的轉換增益?Ｒｔ,Ｃｔ，ＲＬ的典型值分別為６．８ｋΩ、０．０１ｐＦ和１００ｋΩ，Ｋ值則可由設計者自己決定。該設計中，取Ｋ＝２０００，Ｒｓ＝２８．４２４ｋΩ?主要是考慮到單片機部分使用測頻率法來測ｆｏ能夠保證頻率信號的測量精度。由于Ｒｓ、ＲＬ、Ｒｔ和電容Ｃｔ會直接影響ｆｏ的轉換結果。因此，對這些元件的參數有一定的要求，設計時應根據轉換精度適當選擇。電容ＣＬ對轉換結果雖然沒有直接影響，但是應選擇漏電流小的電容器。用電阻Ｒ１,電容Ｃ１組成低通濾波器，可減少輸入電壓中的干擾脈沖，提高轉換精度。
圖3
３．３單片機
本氣壓計實現方案需使用單片機的Ｐ１口和Ｐ３口的一部分以及一個中斷源、一個定時器和一個計數器。因此，筆者選用了ＡＴＭＥＬ的ＡＴ８９Ｃ２０５１單片機，該器件與８９Ｃ５１兼容，具有２ｋＢ的可重復編程閃存，２．７Ｖ～６Ｖ的工作電壓范圍，１２８Ｂｙｔｅ的內部ＲＡＭ以及兩個Ｉ／Ｏ口（Ｐ１，Ｐ３）、２個１６位的計數器／定時器和６個中斷源，并可直接驅動ＬＥＤ輸出，同時帶有可編程的串行通訊口。另外，該單片機還具有體積小，價格低等特點。
３．４ＬＥＤ顯示
單個ＬＥＤ是由７段發光二極管構成的顯示單元。有１０個引腳，對應于７個段、一個小數點和兩個公共端。在顯示電路中，這些發光二極管有兩種接法：共陽極接法和共陰極接法。本設計中需要用４個ＬＥＤ組成顯示單元，并采用動態顯示方式。由于使用４個單個ＬＥＤ進行顯示的連線比較復雜，同時單片機的端口驅動能力也難以保證，而需要加入專門的驅動芯片。所以，筆者采用了４個ＬＥＤ連體的、內部已將其相應段接好的共陽極ＬＥＤ，它具有１２個引腳，含７個段和４個公共端，為提高數碼管的亮度，可在位選線上加入一個三極管驅動電路。
由ＡＴ８９Ｃ２０５１控制的顯示電路如圖３所示。該顯示電路需要選取合適的電阻Ｒ和Ｒａ，才能保證ＬＥＤ的亮度，過大或者過小都無法讓ＬＥＤ正常顯示。設計時取Ｒ為４．７ｋΩ?Ｒａ為５１０Ω比較理想。若考慮印制板布線的方便，可以采用貼片電阻和排阻來節省空間。另外，也可以用７４ＬＳ２４４和７４ＬＳ０６構成驅動顯示電路，但這樣同樣要加限流電阻。因為７４ＬＳ０６是開漏器件，需要在輸出處加上拉電阻。
４軟件實現
通過以上設計，便可通過ｆｏ來計算Ｐ的大小以得到實時的氣壓值。硬件電路設計完成之后，可使用ＡＥＤＫ５１９６ＰＨ仿真器的仿真環境進行仿真，并可用Ｃ５１語言來編寫處理程序。其基本程序流程如圖４所示。
程序設定：Ｔ０為定時器，基本的定時時基為５０ｍｓ。Ｔ１為計數器，運用內部中斷０可保證Ｔ０定時滿５００ｍｓ后就讀取此時計數器的值，以計算氣壓值。如使Ｔ１、Ｔ０均工作于方式１，并在Ｐ１口送字型碼，同時可用Ｐ３．０～Ｐ３．３做位選線，那么，其相應的函數如下：
（１）定時器Ｔ０中斷函數：
ｖｏｉｄｔｉｍｅｒ０(ｖｏｉｄ)ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ１ｕｓｉｎｇ１
{ｕｉｎｔｘ,ｙ;
ｕｉｎｔｃｏｕｎｔ＿ｐｌｕｓｅ;
ＥＴ０＝０;／／關閉Ｔ／Ｃ０中斷
Ｔｃｏｕｎｔ＋＋;／／中斷次數
ｉｆ?Ｔｃｏｕｎｔ＝＝１０){
ＴＲ１＝０;／／停止計數器計數
Ｔｃｏｕｎｔ＝０;
ｘ＝ＴＨ１;
ｙ＝ＴＬ１;
ｃｏｕｎｔ_ｐｕｌｓｅ＝(ｘ＊２５６＋ｙ)＊２;
ｐｈ＝(ｕｉｎｔ)(１０＊((ｆｌｏａｔ)(ｃｏｕｎｔｐｕｌｓｅ＋１５２０)／１０５．９???／／計算氣壓值
ＴＨ１＝０ｘ００;／／重設計數初值
ＴＬ１＝０ｘ００;
}
ＴＨ０＝－５００００／２５６;／／重設５０ｍｓ初值
ＴＬ０＝－５００００％２５６;
ｉｆ(ＴＬ０!＝０)ＴＨ０－－;
ＥＴ０＝１;
ＴＲ１＝１;
ｒｅｔｕｒｎ;
}
該中斷函數主要用于完成脈沖的讀取和氣壓值的計算。ｐｈ是個全局變量，可用來保存氣壓值。
（２）在顯示函數里，將氣壓值先按位進行分離并保存到數組，然后送段碼和相應位選就可以顯示出相應的氣壓值了。具體程序如下：
ｖｏｉｄｄｉｓｐｌａｙ(ｕｉｎｔｐｈ_ｉｎ)
{ｕｃｈａｒｉ＝０;
ｕｃｈａｒｊ＝０;
ｕｃｈａｒｓｅｌｅｃｔ_ｂｉｔ＝０;／／位選
ｄｏ{
ｃｕｒ_ｂｕｆ[ｉ]＝ｐｈ_ｉｎ％１０;
ｉ＋＋;
ｊ＝ｉ;
}ｗｈｉｌｅ(ｐｈ_ｉｎ＝ｐｈ_ｉｎ／１０);?／／當高位為零時?結束循環
ｉ＝０;
ｓｅｌｅｃｔ_ｂｉｔ＝０ｘｆｅ;
ｄｏ
{Ｐ１＝ｔａｂ[＊ｐ];
Ｐ３＝ｓｅｌｅｃｔ_ｂｉｔ;
ｄｌ_ｍｓ();?
ｓｅｌｅｃｔ_ｂｉｔ＝(ｓｅｌｅｃｔｂｉｔ＜＜１)＋１;
／／從最右邊一位開始顯示,循環左移
ｐ＋＋;
ｉ＋＋;
}ｗｈｉｌｅ(ｉ＜ｊ);
ｐ＝ｃｕｒ_ｂｕｆ;／／指針歸位
ｒｅｔｕｒｎ;}
這樣，在主程序中，只要在程序第一次運行時進行初始化，然后再循環調用顯示函數即可實現實時顯示功能。
５結束語
筆者曾用純硬件電路設計過氣壓計。實踐表明，由于受溫度的影響及硬件參數的限制，實時顯示時穩定性較差，并且精確度不高。而改用Ｖ／Ｆ變換信號及編程的方法實現該測量則完全克服了上述缺點。結果表明：該方法具有精度高、穩定性好、功能易于擴展等優點，可為儀器及電子產品設計提供一種新的思路。
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