利用单片机控制的数字气压计开发与实现

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
        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。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。
    ３．２ Ｖ／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＝Ｋ Ｖｉ
        其中，Ｋ＝Ｒｓ／(２．０９ ＲｔＣｔ ＲＬ)?， 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＝２８．４２４ｋΩ?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。
    ３．４ ＬＥＤ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４．７ｋΩ?Ｒａ为５１０Ω比较理想。若考虑印制板布线的方便，可以采用贴片电阻和排阻来节省空间。另外，也可以用７４ＬＳ２４４和７４ＬＳ０６构成驱动显示电路，但这样同样要加限流电阻。因为７４ＬＳ０６是开漏器件，需要在输出处加上拉电阻。
   
  ４ 软件实现
        通过以上设计，便可通过ｆｏ来计算Ｐ的大小以得到实时的气压值。硬件电路设计完成之后，可使用ＡＥＤＫ５１９６ＰＨ仿真器的仿真环境进行仿真，并可用Ｃ５１语言来编写处理程序。
        程序设定：Ｔ０为定时器，基本的定时时基为５０ｍｓ。Ｔ１为计数器，运用内部中断０可保证Ｔ０定时满５００ｍｓ后就读取此时计数器的值，以计算气压值。如使Ｔ１、Ｔ０均工作于方式１，并在Ｐ１口送字型码，同时可用Ｐ３．０～Ｐ３．３做位选线，那么，其相应的函数如下：
        （１）定时器Ｔ０中断函数：
    ｖｏｉｄｔｉｍｅｒ０(ｖｏｉｄ) ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ１ ｕｓｉｎｇ１
    {ｕｉｎｔｘ, ｙ;
    ｕｉｎｔｃｏｕｎｔ＿ｐｌｕｓｅ;
    ＥＴ０＝０; ／／关闭Ｔ／Ｃ０中断
    Ｔｃｏｕｎｔ＋＋; ／／中断次数
    ｉｆ?Ｔｃｏｕｎｔ＝＝ １０){
    ＴＲ１＝０; ／／停止计数器计数
    Ｔｃｏｕｎｔ＝０;
    ｘ＝ＴＨ１;
    ｙ＝ＴＬ１;
    ｃｏｕｎｔ_ｐｕｌｓｅ＝(ｘ＊２５６＋ｙ)＊２;
    ｐｈ＝(ｕｉｎｔ)(１０＊ ((ｆｌｏａｔ)(ｃｏｕｎｔｐｕｌｓｅ＋１５２０)／１０５．９???／／计算气压值
    ＴＨ１ ＝０ｘ００; ／／重设计数初值
    ＴＬ１＝０ｘ００;
    }
    ＴＨ０ ＝－５００００／２５６; ／／重设５０ｍｓ初值
    ＴＬ０ ＝－５００００％２５６;
    ｉｆ(ＴＬ０!＝０) ＴＨ０－－;
    ＥＴ０＝１;
    ＴＲ１＝１;
    ｒｅｔｕｒｎ;
    }
        该中断函数主要用于完成脉冲的读取和气压值的计算。ｐｈ是个全局变量，可用来保存气压值。
        （２）在显示函数里，将气压值先按位进行分离并保存到数组，然后送段码和相应位选就可以显示出相应的气压值了。具体程序如下：
    ｖｏｉｄｄｉｓｐｌａｙ(ｕｉｎｔｐｈ_ｉｎ)
    {ｕｃｈａｒｉ＝０;
    ｕｃｈａｒｊ＝０;
    ｕｃｈａｒｓｅｌｅｃｔ_ｂｉｔ＝０; ／／位选
    ｄｏ {
    ｃｕｒ_ｂｕｆ[ｉ]＝ｐｈ_ｉｎ％１０;
    ｉ＋＋;
    ｊ＝ｉ;
    }ｗｈｉｌｅ(ｐｈ_ｉｎ＝ｐｈ_ｉｎ／１０);?／／当高位为零时?结束循环
    ｉ＝０;
    ｓｅｌｅｃｔ_ｂｉｔ＝０ｘｆｅ;
    ｄｏ
    {Ｐ１＝ｔａｂ[＊ｐ];
    Ｐ３＝ｓｅｌｅｃｔ_ｂｉｔ;
    ｄｌ_ｍｓ();?
    ｓｅｌｅｃｔ_ｂｉｔ＝(ｓｅｌｅｃｔｂｉｔ＜＜１)＋１;
    ／／从最右边一位开始显示,循环左移
    ｐ＋＋;
    ｉ＋＋;
    }ｗｈｉｌｅ(ｉ＜ｊ);
    ｐ＝ｃｕｒ_ｂｕｆ; ／／指针归位
    ｒｅｔｕｒｎ;}
        这样，在主程序中，只要在程序第一次运行时进行初始化，然后再循环调用显示函数即可实现实时显示功能。
   
  ５ 结束语
        笔者曾用纯硬件电路设计过气压计。实践表明，由于受温度的影响及硬件参数的限制，实时显示时稳定性较差，并且精确度不高。而改用Ｖ／Ｆ变换信号及编程的方法实现该测量则完全克服了上述缺点。结果表明：该方法具有精度高、稳定性好、功能易于扩展等优点，可为仪器及电子产品设计提供一种新的思路。