基于單片機(jī)控制的數(shù)字氣壓計(jì)的設(shè)計(jì)

王建偉

摘要：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制的數(shù)字氣壓計(jì)小巧易攜帶、安全性與穩(wěn)定性好、測(cè)量準(zhǔn)確、簡(jiǎn)單易用，可以精確測(cè)量壓力大小，是一種使用性很強(qiáng)的氣壓測(cè)量工具。本文對(duì)此展開介紹，從結(jié)構(gòu)到軟硬件，再到系統(tǒng)調(diào)試與功能穩(wěn)定的設(shè)計(jì)都作了簡(jiǎn)單介紹。

關(guān)鍵詞：軟件實(shí)現(xiàn)方法;硬件實(shí)現(xiàn)方法;數(shù)字氣壓;單片機(jī)

前言：

通過(guò)壓敏元件把待測(cè)氣壓轉(zhuǎn)變?yōu)橐鬃R(shí)別的電子信號(hào)，并通過(guò)處理后顯示為實(shí)際數(shù)值的儀器就是數(shù)字氣壓計(jì)。氣壓傳感器是數(shù)字氣壓計(jì)的核心部件，它可以檢測(cè)壓力數(shù)值和監(jiān)控壓力變化，在許多物理量的測(cè)量上應(yīng)用十分廣泛。眾所周知，大氣壓力隨著海拔而變化，數(shù)字氣壓計(jì)可以準(zhǔn)確測(cè)量不同海拔的氣壓。隨著海拔的上升大氣壓力會(huì)逐漸降低，但是降低的數(shù)值并不是線性的，在不同的高度大氣壓力降低的數(shù)值也不同。除此之外，大氣壓力還受到氣流的影響，下降氣流會(huì)增加大氣壓力而上升氣流會(huì)在一定程度上降低大氣壓力。而基于單片機(jī)控制的數(shù)字氣壓計(jì)可以實(shí)時(shí)測(cè)量大氣壓力，對(duì)于大氣壓力的研究以及很多需要測(cè)量氣壓的戶外作業(yè)有很大的實(shí)際應(yīng)用意義。

一、基于單片控住的數(shù)字氣壓計(jì)的結(jié)構(gòu)分析

基于單片機(jī)控制的數(shù)字氣壓計(jì)在使用時(shí)氣壓傳感器把測(cè)量氣壓轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，然后通過(guò)V/F轉(zhuǎn)化器將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號(hào)，再傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，最后通過(guò)關(guān)系式自動(dòng)計(jì)算出氣壓值并顯示出具體數(shù)值。整個(gè)流程主要有4個(gè)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)：氣壓傳感器、V/F轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)以及LED顯示屏，注意要根據(jù)測(cè)量不同的氣壓范圍要選擇適合的數(shù)字氣壓計(jì)，數(shù)字氣壓計(jì)的測(cè)量范圍由氣壓傳感器的敏感度覺得，所以要根據(jù)實(shí)際需要選擇，需要說(shuō)明的是數(shù)字氣壓計(jì)測(cè)量出的氣壓值是絕對(duì)值。

二、基于單片控制的數(shù)字氣壓計(jì)的硬件介紹

數(shù)字氣壓計(jì)的制造需要考慮實(shí)用性、成本、穩(wěn)定性以及可維護(hù)性等多方面，接下來(lái)就數(shù)字氣壓計(jì)的硬件構(gòu)成進(jìn)行介紹：

（1）氣壓傳感器：數(shù)字氣壓計(jì)的核心部件是氣壓傳感器，它決定了數(shù)字氣壓計(jì)的測(cè)量范圍、適用高度、測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性等重要指標(biāo)，可以所數(shù)字氣壓計(jì)的應(yīng)用程度都是由氣壓傳感器決定的。因?yàn)閿?shù)字氣壓計(jì)測(cè)量的是絕對(duì)值決定了氣壓傳感器適用的也是絕對(duì)值測(cè)量，由于高度變化環(huán)境溫度也會(huì)產(chǎn)生變化，所以為了避免溫度帶來(lái)的影響，氣壓傳感器還要具有應(yīng)對(duì)溫度變化的能力，以提高數(shù)字氣壓計(jì)的問穩(wěn)定性，此外目前在空中電子信號(hào)非常多，數(shù)字氣壓計(jì)本身是通過(guò)電路連通，所以還需要?dú)鈮簜鞲衅骶哂锌垢蓴_能力。

（2）V/F轉(zhuǎn)化器：氣壓傳感器將被測(cè)氣壓測(cè)出后轉(zhuǎn)化成的是電子信號(hào)，并不能被單片機(jī)直接接收，所以需要V/F轉(zhuǎn)化器將電子信號(hào)轉(zhuǎn)化為成正比的脈沖信號(hào)，并將脈沖信號(hào)傳輸給單片機(jī)。V/F轉(zhuǎn)化器本身并不是量化器，但是通過(guò)外加定時(shí)器與計(jì)數(shù)器配合，可以完成A/D的轉(zhuǎn)化，將電子信號(hào)轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)。脈沖信號(hào)的抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)并且可以被計(jì)算機(jī)直接接受，因此可以通過(guò)測(cè)量V/F的輸出頻率完成A/D轉(zhuǎn)化。

（3）單片機(jī)：在實(shí)際基于單片機(jī)控制的數(shù)字氣壓計(jì)時(shí)單片機(jī)是脈沖信號(hào)的接受實(shí)現(xiàn)部件，為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性需要單片機(jī)具有中斷源、定時(shí)器以及計(jì)數(shù)器，為保障數(shù)字氣壓計(jì)的續(xù)航性和應(yīng)用性還需要單片機(jī)具有低功耗且高性能的特點(diǎn)，此外，為防止意外，單片機(jī)還需要具有斷電自動(dòng)保存功能。

（4）LED顯示屏：LED顯示屏的組成單位是發(fā)光二極管，它的連接方式有兩種：共陽(yáng)極接法與共陰極接法。基于單片控制的數(shù)字氣壓計(jì)顯示比較復(fù)雜，需要實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示，因此LED的接線也比較復(fù)雜，并且單片機(jī)不足以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，因此需要專門加接驅(qū)動(dòng)芯片。電阻值會(huì)影響LED的顯示效果，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的電阻值保障LED的正常顯示。

三、基于單片控制的數(shù)字氣壓計(jì)的軟件介紹

在數(shù)字氣壓計(jì)中單片機(jī)接受的是脈沖信號(hào)，然后通過(guò)算法將根據(jù)脈沖信號(hào)的頻率換算為氣壓值。以下簡(jiǎn)單介紹原理：信號(hào)的整體轉(zhuǎn)化過(guò)程是首先有氣壓傳感器把測(cè)量氣壓轉(zhuǎn)化為電子信號(hào)輸出，然后由V/F轉(zhuǎn)化器接收電子信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)輸出到單片機(jī)，單片機(jī)依據(jù)接收到的脈沖信號(hào)頻率換算為氣壓值并在LED上實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示。單片機(jī)的換算與顯示過(guò)程需要通過(guò)C語(yǔ)言編程的軟件程序?qū)崿F(xiàn)。

C語(yǔ)言是硬件編譯程序語(yǔ)言，可操作系統(tǒng)硬件，在數(shù)字氣壓計(jì)中應(yīng)用C語(yǔ)言編程，方便快捷，可讀性與修改性都很強(qiáng)，對(duì)于數(shù)字氣壓計(jì)的開發(fā)和應(yīng)用的效率都有很大提高。

四、基于單片機(jī)控制的氣壓計(jì)的系統(tǒng)仿真調(diào)試

為保障數(shù)字氣壓計(jì)設(shè)計(jì)可靠穩(wěn)定，在設(shè)計(jì)完成后還應(yīng)對(duì)整體進(jìn)行仿真調(diào)試。一般應(yīng)用Proteus軟件與Keil軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真調(diào)試，調(diào)試內(nèi)容包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)電源輸入、復(fù)位電路以及晶振電路;然后是檢查電氣是否符合連接原理，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤連接要立即改正;接下來(lái)調(diào)試器件連接，針對(duì)所有器件的參數(shù)和連接網(wǎng)絡(luò)全面檢查，確認(rèn)器件關(guān)系合理;之后PCB整體檢查;最后對(duì)系統(tǒng)仿真調(diào)試。

結(jié)束語(yǔ)：

數(shù)字氣壓計(jì)的核心部件是氣壓傳感器需要根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)要求選擇，此外V/F轉(zhuǎn)換器是實(shí)現(xiàn)電子信號(hào)轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)的儀器，單片機(jī)可以接受脈沖信號(hào)并依據(jù)算法得出具體的氣壓值在LED上動(dòng)態(tài)顯示出來(lái)。V/F轉(zhuǎn)化器的數(shù)字氣壓計(jì)相比純硬件解碼的氣壓計(jì)具有對(duì)于溫度的敏感度更低，穩(wěn)定性更高以及精確度更高等優(yōu)點(diǎn)，在復(fù)雜環(huán)境中應(yīng)用范圍更廣。

參考文獻(xiàn)：

[1]曹萬(wàn)丹.基于AVR的智能數(shù)字氣壓計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].武漢：武漢科技大學(xué)，2009.

[2]田海燕，賴春強(qiáng)，賀思橋.基于MS5534C的數(shù)字氣壓計(jì)設(shè)計(jì)[J].兵工自動(dòng)化，2012（9）：86?88.

[3]方劉海，文繼國(guó).基于BMP085的精密數(shù)字氣壓計(jì)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2014（24）：69?71.