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单片机与MPX4115A芯片实现的气压传感器设计
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更新于2024-06-24
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“基于单片机的气压传感器研制本科论文.doc” 本文主要探讨了一种基于单片机技术的气压传感器的设计与实现,其核心在于利用气压传感芯片MPX4115A来获取环境气压信息,并通过单片机进行数据处理和显示。在科研、国防、工业、医疗和气象等领域,气压传感器扮演着至关重要的角色,尽管在日常生活中可能并不常见,但它们对于特定行业的应用不可忽视。 设计中,首先,MPX4115A气压传感器能够检测环境中的气压,并将其转化为模拟电压信号。这个信号随后进入由LM331芯片组成的V/F(电压到频率)转换电路,该电路将模拟电压转换成数字脉冲信号。这种转换使得单片机可以通过计数器接收到这些脉冲,进而计算出脉冲的频率。 单片机在预设的时间段内统计脉冲数量,由于电压和频率之间存在线性关系,因此可以根据脉冲频率推算出实际的气压值。计算出的气压值随后通过液晶显示屏LCD1062进行可视化展示,便于用户读取和理解。在系统设计过程中,软件和硬件的调试也是一项关键任务,以确保整个系统的稳定性和准确性。 关键词涉及的方面包括:单片机,这是整个系统的核心,负责数据处理和控制;气压传感芯片,MPX4115A是一种高精度的气压传感器,能提供准确的环境气压信息;液晶显示屏,LCD1062用于直观地呈现气压读数;V/F转换芯片,如LM331,是将模拟信号转换为数字信号的关键组件,使得单片机能够处理非数字的气压信号。 通过这样的设计,不仅可以实现气压的实时监测,还能够提供一种易于读取和理解的气压测量方法。这种基于单片机的气压传感器解决方案对于那些需要精确测量气压的场合具有很高的实用价值,同时也展示了单片机技术在物联网和自动化系统中的广泛潜力。
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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
重庆邮电大学本科毕业设计(论文)
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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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