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单片机驱动的数字气压传感器设计与实现
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更新于2024-06-23
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本篇毕业论文主要针对"基于单片机的气压传感器研制"这一主题进行深入探讨。论文首先回顾了气压的重要性及其历史,自古至今,人们对气压的研究不断深化,从马德堡半球实验的发现,证实了大气压的存在,再到早期的蒸汽火车等实际应用,气压测量在国防、工业、医疗和气象等领域扮演着关键角色。尽管日常生活中我们可能并不明显察觉到气压传感器,但它在特定领域的价值不容忽视。 本文的核心部分介绍了设计的具体实现方法。采用的是MPX4115A气压传感芯片,它能够将被测环境中的气压转化为模拟电压。这一电压信号随后通过以LM331为核心组成的V/F(电压-频率)转换电路处理,将其转换成数字脉冲信号,输入到单片机的计数器中。单片机通过对这些脉冲的计数,计算出脉冲频率,进而利用电压与频率之间的线性关系,精确地计算出实际的气压值。 设计的关键技术包括硬件设计,即单片机与气压传感芯片、V/F转换器的连接,以及软件编程,涉及数据采集、处理和显示。使用的是液晶显示屏LCD1062来直观地显示气压读数,这不仅增强了设备的可读性,也为用户提供了实时的气压信息。 论文的软硬件调试阶段是必不可少的环节,它确保了系统的稳定性和准确性。通过反复测试和优化,作者验证了所设计的气压传感器能够有效地捕捉和转化气压变化,并能准确无误地传递到用户界面。 这篇毕业论文不仅深入介绍了气压传感器的基本原理和技术细节,还展示了如何将其集成到基于单片机的系统中,具有一定的实用性和创新性,对于相关领域的工程师和研究人员具有参考价值。
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重庆邮电大学本科毕业设计(论文)
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① MSP430 系列单片机是美国德州仪器(TI)生产的单片机芯片。此芯片是一
款具有精简指令集(RISC)的混合信号处理器,其处理能力极强、运算速度快、功
耗超低、片内资源丰富且有方便高效的开发环境。然而,其价格比较昂贵且采用 TPFQ
贴片封装,不利于焊接,需要制作成 PCB 板,但这将大大增加了成本和开发周期
【7】
。
② STC89C52 单片机是宏晶科技有限公司生产的单片机芯片。此芯片是一种低
功耗、高性能 CMOS 8 位微处理器,具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器、512 字节
RAM、32 位 I/O 口、看门狗定时器、内置 4KB EEPROM、MAX810 复位电路等
【8】
。
③ ATmega16 单片机是基于增强的 AVR RISC 结构的低功耗 8 位 CMOS 微控
制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间,ATmega16 的数据吞吐率
高达 1 MIPS/MHz,从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。ATmega16 有
如下特点:16K 字节的系统内可编程 Flash(具有同时读写的能力,即 RWW),512 字
节 EEPROM,1K 字节 SRAM,32 个通用 I/O 口线,32 个通用工作寄存器,用于
边界扫描的 JTAG 接口,支持片内调试与编程,三个具有比较模式的灵活的定时器/
计数器(T/C),片内/外中断,可编程串行 USART,有起始条件检测器的通用串行接口,
8 路 10 位具有可选差分输入级可编程增益的 ADC ,具有片内振荡器的可编程看门狗
定时器,一个 SPI 串行端口,以及六个可以通过软件进行选择的省电模式
【9】
。
尽管单片机的品种很多,但是在我国使用最多的是 Intel 公司的 MCS-51 系列单
片机及其增强型、扩展型的衍生机型。又由于笔者学习过 MCS-51 系列单片机,而且
考虑到开发难度和成本,本系统选取 STC89C52 单片机作为处理器。
二、 气压传感器
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:
① 测量范围
即所能测量的大气压力范围,单位为 KPa。
② 测量精度
测量结果(电流或电压)的精度。
③ 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的问题。
④ 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
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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。经过综合考虑,本系统选用美国摩托罗拉
公司的集成压力传感器芯片 MPX4115A 作为气压传感器。
MPX4115 系列压电电阻传感器是一个硅压力传感器。这个传感器结合了高级的
微电机技术,薄膜镀金属技术。还能为高水准模拟输出信号提供一个均衡压力。在 0
℃~85℃的温度下误差不超过 1.5%,温度补偿是-40℃~125℃
【10】
。
MPX4115A 具有温度补偿、稳定性高和抗干扰能力强等特点。而且,可以产生
与所加气压成线性关系的高精度模拟输出电压。具体关系如下:
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。
三、 V/F 转换芯片
气压传感器 MPX4115A 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。本系统采用一种电压/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
与输入电压幅值成线性关系的脉冲序列,虽然 V/F 器件本身还不能算做量化器,但加
上单片机定时器与计数器处理以后也可以实现 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,本系统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:
① 最大非线性误差为 0.01%。
② 可单、双电源供电,电压范围为 5~40V。
③ 脉冲输出可兼容任何逻辑形式。
④ 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/℃。
⑤ 宽的满量程频率范围:1Hz~100KHz。
四、 显示器
目前,市场上的显示模块种类繁多,功能各异,常见的有以下几种:
① 带字库的 LCD12864 液晶显示屏。LCD12864 是一款通用的液晶显示屏,能
够显示大部分常用的汉字及 ASCII 码,而且能够绘制图片、描点画线、设计出比较理
想的结果。
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② 液晶 LCD1602 显示屏,LCD1602 是一款比较通用的字符液晶显示屏,能显
示字符和数字等信息,但不能显示图画,其具有价格低廉、操作方便、功耗低、编程
简单的特点。
③ LED7 段数码显示管,数码管实际上是由七个发光管组成 8 字形构成的,其
成本低,但只能显示数字和少量字符。
液晶显示屏比数码显示管的功耗低,显示也更直观,易于软件编程。考虑到价格因
素以及显示需求,LCD1602 液晶显示屏是最佳的选择
【11】
。
五、 三端稳压器
由于在本设计中 LM331 需要+15V 的工作电源,但是单片机、MPX4115A 和
LCD1602 等其他元件的工作电源为+5V,所以,为了满足整个系统的正常工作的需要,
我们还需要设计专门的电源电路。在这里,笔者选用了摩托罗拉公司生产的三端低电
流线性稳压芯片 MC78L05 作为+15V 电压转+5V 电压的芯片。根据数据手册的介绍,
其输入电压范围:2.6~24V,输出+5V 固定电压;其无需外部保护电路,具有内部短
路电路限制和热过载保护功能。
第四节 本章小结
本章主要介绍本系统的设计要求,并选取了符合要求的设计方案,讲解了被选取
方案的设计思想及工作原理。本章还讨论了系统各元件的介绍及选取。本章的工作为
后面的具体实现打下了良好的基础,后面章节都是在这章的总体方案设计的基础上展
开的。所以,这章的工作很重要。
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