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1、基于气压检测的高度表的设计学 院： 能源与动力工程学院 专业班级： 测控技术与仪器 学生姓名： 学生学号： 指导教师： 目 录摘 要I前 言II第一章 基于气压检测的高度表简介11.1 基于气压检测的高度表的研究目的11.2 基于气压检测的高度表的工作原理1第二章 基于气压检测的高度表的方案设计22.1 电源的方案选择22.2 单片机的方案选择22.3 传感器的方案选择32.4 模数转换芯片的方案选择32.5 显示器件的方案选择4第三章 基于气压检测的高度表的硬件设计43.1 电源电路设计43.2 单片机最小系统设计43.3 模数转换电路设计53.4 显示电路设计63.5 气压传感器电路设计7
2、1、传感器激励源设计82、信号放大设计8第四章 基于气压检测的高度表的软件设计104.1 主程序设计104.2 模数转换子程序设计114.3 数据处理子程序设计134.4 显示子程序设计13第六章 总 结14参考文献15摘 要对于身处野外的人来说，一个比较关心的问题就是所在地的海拔是多少。而目前市面上这类产品很少，一般都是高端产品才带有此项功能。有的机械式海拔仪虽然价格较低，但精度太低。所以急需研制一种精度高，价格低廉的高度表，以满足大众消费的需求。对于海拔高度的测量，常用的方法。一是GPS全球定位系统;二是通过测量大气压来间接的获得海拔高度。前一种方法成本较高且难度较大，而采用后一种方法相对
3、来说，器件的选择范围要更广一些，因而可以把成本降到最低。本文设计了一种基于气压检测的高度表，该高度表主要由气压检测电路、单片机控制及显示电路组成。高度表通过气压传感器测出气压值，然后根据气压与高度的关系，经单片机的处理计算出高度值，并用液晶显示测得的高度值和气压值。基于气压检测的高度表计价格低廉，可操作性强，功能实用，可用于户外、汽车等场所进行气压值和海拔高度值的监测，具有研究推广价值。关键词:气压传感器 单片机前 言气压传感器就是利用一种特殊的感应原件来感应大气压强度的变化并产生位移变化，再利用机械放大机构将此位移变化放大表示出来能使人很直观的知道大气压强的变化趋势。另外，根据大气压总是随着
4、高度的增加而降低的规律，人们又开发了气压高度表。气压高度表在工业生产和人们的日常生活中有着较为广泛的应用，例如：专业登山队员在登山时往往希望得到有关山峰的海拔高度、气压以及温度的值；飞机在高空执行任务时也需要获得及时的高度值，以便矫正系统的飞行路线。因此，制作一个集显示海拔高度和气压值为一体的气压高度计是十分有意义。本设计采用单片机为主控制器，结合复位电路、晶振电路、液晶显示电路、传感器电路、信号放大电路以及电源电路组成了基于气压检测的高度表的设计。高度表通过气压传感器US9111采集的气压值，然后将气压值经过信号放大电路进行处理，处理后的信号再经过模数转换电路转换成0-5V电压值送给单片机进
5、行处理。单片机从模数转换电路获得电压之后，根据电压与气压、气压与高度的关系，计算出对应的气压值和高度值，并将其通过液晶屏显示出来。该高度计可以测量电压范围（-80.0mv80.0mv），高度范围0.0m6556.3m。由于TLC549分辨率为1/255,所以所测的数据基本能达到我们生活需要。第一章 基于气压检测的高度表简介1.1 基于气压检测的高度表的研究目的气压高度表是常见的测量工具，在人们进行户外旅行、登山运动、野外测量等活动中起到非常重要的作用。气压高度表的设计原理都是利用气压与高度的关系，先通过压力传感器测量出气压的值，然后再通过测量气压来获取高度的。大气压与人们的生活息息相关，与人体
6、的健康息息相关，我们长期生活在某个地区的大气底层，已经适应了该地区的大气压，对气压变化的感觉不大。但是，低气压下的阴雨和下雪天气、夏季雷雨前的高温湿闷天气，也就是大气压在降低，使人抑郁不适，雨后天睛的心情舒畅，就是气压升高的原因。所以，一般根据大气压的变化可以预测天气的变化。我们从报纸或电视中了解到：对于登山运动员，到了高山地区，会出现头痛、恶心、呕吐等症状（所谓的高原反应），高度增加，人的感觉越明显。这就是因为随海拔高度的增高大气压降低，大气压的降低影响了人体内氧气的供应。当大气压下降时，大气中的氧分压、肺泡的氧分压和动脉血氧饱和度都随之下降，导致人体发生一系列生理反应。基于以上原因，本文设
7、计了一款实用的基于大气压检测的高度表，该气压高度表能够方便的时时检测到气压值与高度值。1.2 基于气压检测的高度表的工作原理气压高度表是利用大气压的变化规律，来测量所在地的海拔高度和所在地的大气压变化，以及测量因地域变化发生的相对高度。考虑气压和气温影响时利用气压测量海拔高度的计算公式是:其中：e =2.71828182845905；p气压，单位：帕（Pa）；h海拔高度，单位：米（m）。利用此原理,可得考虑气压和气温影响时的高度计算公式：要使用气压高度表，必须了解以下基本知识：1、大气压强（简称大气压）：即空气作用在所在地面单位面积上的压力（即空气重量）。大气压强的单位有：百帕（hPa）、毫巴
8、（mBr）、毫米汞柱（mmHg）、英寸汞柱（inHg）。2、标准大气压：根据国际假设规定，在标准大气条件下空气作用在单位海平面的大气压力，即海拔0米高度面的大气压强，一个标准大气压大约为1013.25hPa（760mmHg或29.92inHg）。3、海拔高度愈高，压在其上的空气柱愈短，大气压也就愈低。因此，大气压总是随着高度的增加而降低的。第二章 基于气压检测的高度表的方案设计本文设计的基于大气压检测的高度表由单片机、电源电路部分、液晶显示部分、复位部分、晶振部分、传感器部分、模数转换部分组成,其结构框图如图2-1所示, 各部分作用如下：单片机：基于大气压检测的高度表的控制核心，负责整个系统正
9、常运作，包括数据的处理、显示以及数据的传输。复位电路：复位单片机，使单片机从初始状态开始工作。晶振电路：为单片机提供信号源。采用的晶振频率是12MHz。显示电路：显示高度值和气压值。传感器电路：实现气压数据的采集。模数转换电路：实现模拟的气压值信号转换成数字信号给单片机进行处理。图2-1基于大气压检测的高度表结构框图根据设计的基本功能要求，设计方案的选择如下：2.1 电源的方案选择本文设计的是基于气压检测的高度表，考虑用电池供电，常用电池如下：方案一：使用干电池使用干电池，通过串联然后稳压出5V的电压。方案二：使用锂电池使用15V的锂电池，然后经过转换之后得到5V的电压。方案比较：因为使用干电
10、池时间久了电压会不稳定且干电池所需体积较大，而锂电池体积小，能重复充电，故选择方案二。2.2 单片机的方案选择本文设计的基于气压检测的高度表以单片机为核心，常用的单片机有以下几种：方案一：AT89S51AT89S51具有ISP在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境上拔除,可以在线烧写。AT89S51的最高工作频率为33MHz,具有双工UART串行通道, AT89S51内部集成看门狗计时器,具有双数据,具有电源关闭标识。 AT89S51具有全新的加密算法，这使得对于AT89S51的解密变为不可能，程序的保密性大大加强，这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。
11、在兼容性方面，AT89S51向下完全兼容51全部字系列产品。比如8051、89C51等产品。方案二: AT89C51AT89C51的工作最高频率为22MHz。采用FLASHROM，内部具有4KB的存储空间， 能在3V超低压下工作，而且S51单片机完全兼容，但是运用于电路设计中时，由于不具备RSP在线编程技术，当对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能，需要烧入程序时对芯片的多次插拔会对芯片造成一定的损坏。 方案比较：由于AT89S51单片机工作频率高（AT89S51的工作最高频率为33MHz）烧写时无需插拔，相比AT89C51更不易损坏，并且AT89S51具有ISP在线编程功能，
12、在程序调试时方便，兼容AT89C51。所以选择方案一。2.3 传感器的方案选择 本文设计的基于气压检测的高度表需要通过气压传感器采集气压数据，供给模数转换芯片转换。可选用的气压传感器有如下：方案一：气压传感器US9111 在本系统中传感器的选择是非常重要的一环，直接关系到测量的精度以及范围。但由于预算的限制，此传感器具有良好性价比的US9111绝压型气压传感器，它的测量范围为0至103.4kpa，差分输出。 方案二：气压传感器SCP1000-D01 SCP1000-D01是芬兰VTI公司生产的一款基于D-MEMS技术的绝对压力传感器，能在正常条件下达到亚米级别的分辨率和1m的精度。SCP100
13、0-D01提供了高精度、高速度、低功耗、和超级功耗4种模式。可供用户需要自行选择测量方式。SCP1000-D01的测量范围在-100pa+100pa。 方案比较：US9111的测量范围相对SCP1000-D01大，且价格较为便宜，所以本设计选择方案一。2.4 模数转换芯片的方案选择本文设计的基于气压检测的高度表在气压传感器采集到的数据需要经过模数转换后传给单片机，常用的模数转换芯片有以下几种：方案一：TLC0809TLC0809是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行数模转换的器件，其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通一个通道进行A/D转换。方案二：TLC549
14、 TLC549是TI公司生产的一种低价位、高性能的8位A/D转换器，它以8位开关电容逐次逼近的方法实现A/D转换，其转换速度小于17us,最大转换速度为40000HZ,4MHZ典型内部系统时钟，电源为3至6伏。它能方便的采用三线串行接口方式与各种微处理器连接，构成各种廉价的测控应用系统。方案比较：TLC549相对于TLC0809所需要用的端口资源少，能够满足本文设计的需求，所以选择方案二。2.5 显示器件的方案选择本文设计的基于气压检测的高度表需要显示气压值和高度值，显示器件的选择方案如下：方案一：数码管显示数码管显示的数字虽然清楚，但是其耗电量比较大，而且只显示数字，但不能显示些复杂的字符。
15、 方案二：液晶显示液晶显示具有零辐射，低耗能，散热小，纤薄轻巧，精确还原图像等优点，而且能显示星号。方案比较：液晶显示能较方便的显示多个字符，且功耗低，满足本文设计的需求，所以选择方案二。 第三章 基于气压检测的高度表的硬件设计本文设计的基于气压检测的高度表以单片机AT89S51为核心，由电源电路，传感器电路，模数转换电路，显示电路组成。各部分电路的具体设计如下：3.1 电源电路设计本设计采用锂电池供电，然后对电压进行转换，其电路原理如图3-1所示，主要部分是采用线性稳压芯片7805实现稳压,在输入电压存在波动时，输出电压保持恒定的装置，转换后的12V电压供给扩展部分，5V电压供给单片机。图中
16、15V的电压由锂电池提供。 图3-1 电源电路原理图3.2 单片机最小系统设计单片机最小系统是由单片机，晶振电路和复位电路组成，如图3-2所示。AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。单片机复位是使CPU和
17、系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，例如复位后PC0000H，使单片机从第个单元取指令。无论是在单片机刚开始接上电源时，还是断电后或者发生故障后都要复位。在复位期间（即RST为高电平期间），P0口为高组态，P1P3口输出高电平；外部程序存储器读选通信号PSEN无效。地址锁存信号ALE也为高电平。根据实际情况选择如图3-2所示的复位电路，该电路是最简单的复位电路。AT89S51引脚XTAL1和XTAL2与晶体振荡器及电容C3、C2按图3-2所示方式连接。晶振、电容C3C2及片内与非门（作为反馈、放大元件）构成了电容三点式振荡器，振荡信号频率与晶振频率及电容C3、C
18、2的容量有关，但主要由晶振频率决定，范围在033MHz之间，电容C3、C2取值范围在530pF之间。根据实际情况，本设计中采用12MHZ外部晶振，电容取值为30pF。图 3-2 单片机最小系统原理图3.3 模数转换电路设计本文设计的基于气压检测的高度表采用TLC549模数转换芯片对气压数据进行模数转换，TLC549是美国德州仪器公司生产的8位串行A/D转换器芯片，可不通用微处理器、控制器通过CLK、CS、DATA OUT三条口线进行串行接口。具有4MHz片内系统时钟和软、硬件控制电路，转换时间最长17s，TLC549允许的最高转换速率为45500次/s，TLC549为40000次/s。总失调诨
19、差最大为0.5LSB，典型功耗值为6mW。采用差分参考电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围，VREF-接地，VREF+VREF-1V，可用于较小信号的采样。 TLC549的引脚分布图如图3-3所示，每个引脚的功能见表1： 具体电路设计如图3-3所示，P1是气压信号放大后的接口。SCK接单片机的P1.6口，输入串行移位脉冲引脚。DO接单片机P1.5口，输出串行移位数据。CS接单片机P1.7口，输入片选。表 1 引脚功能表图 3-3 TLC549电路设计图3.4 显示电路设计基于气压检测的高度表采用的是1602字符液晶。D0-D7是数据传送口，接单片机P0口，数据传至液晶并显示。RS接单
20、片机P2.0口是写指令和写数据控制脚。RW接单片机P2.1口是单片机读数据和写数据控制脚。E接单片机P2.2口是使能端。VL接出的一个滑动变阻器用来调节液晶的亮度。用LCD显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由68或88点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8字节，还要使每字节的不同位为“1”，其它的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。这样一来就组成某个字符。但由于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可。其电路设计如图3-
21、4所示： 图3-4 LCD1602显示电路图3.5 气压传感器电路设计本文基于气压检测的高度表采用的气压传感器US9111。但由于预算的限制，此次设计选择了具有良好性价比的US9111绝压型气压传感器，它的测量范围为0至103.4kPa，差分输出。具体参数如表2：表2气压传感器us9111参数最小值典型值最大值单位激励电压-510V激励电流-1.002.00mA桥电阻456k量程15psi(高灵敏度型)130170210mV零偏移-30030mV温度系数（电压激励）-0.17-0.22-0.27%FS/温度系数（电流激励）-0.05-0.02+0.05%FS/温度系数（零偏移）-0.05-0.
22、02+0.05%FS/线性度-0.30.1+0.3%FS磁滞度-0.30.1+0.3%FS过压3psi工作温度-40+125储存温度-55+150 引脚及功能如表3所示：表 3 引脚及功能 为了正确测量气压，并将测得的气压值转换成单片机需要的电压信号，需要将传感器输出信号进行处理，处理电路包括激励源电路和信号放大电路两部分，具体设计如下：1、传感器激励源设计由于采用电流激励的温度特性要优于电压激励，因此本设计采取恒流源供电的思路，设计了一个用来给传感器提供1.5mA电流的恒流源。具体电路如图3-5所示，其中稳压二极管选用LM385-1.2，运放选用OP07。 图 3-5电流激励源电路图2、信号
23、放大设计因为气压传感器检测到的信号大概是毫伏级，然而单片机所需要的电压需要+5V，因此在本设计中需要将信号放大。在本设计采用差动放大电路即可满足需求，然而基本的差动放大电路精密度较差，且差动放大电路上变更放大增益时，必须调整两个电阻。但是因为需要有效的调试，所以考虑之后选择了三级放大电路。前级差动放大电路抑制共模干扰，电路如图3-6所示，调节R22可以改变放大倍数（1-10）倍。 图3-6 差动放大共模抑制电路图图中，S-，S+是传感器输出信号，由于信号源的内阻处于理想化，有S+=S-，R4间的电流处于0。调节R22，使电路两边对称既而增强了抗共模干扰的效果。中级差分运算电路如图3-7所示，将
24、前级信号进行差分运算，将信号放大5倍然后送至后置继续放大。 图 3-7差分运算电路图后置放大电路如3-8所示，根据Uo=(1+R15/R14)Ui，得出后置放大系数为3，即为3倍。图 3-8 同比例放大电路图第四章 基于气压检测的高度表的软件设计本文设计的基于气压检测的高度表的软件程序包括主程序，显示子程序，模数转换子程序，数据处理子程序，具体设计如下：4.1 主程序设计主程序流程图如图4-1所示，首先进行状态初始化，LCD显示器上显示初始界面，然后根据输入的信号显示对应的数据。图 4-1 主程序流程图4.2 模数转换子程序设计TLC549是8位串口AD转换芯片，可用单片机控制，通过CLK,C
25、S,DATA OUT，三条口线进行串行接口。当CS为高时，数据输出(DATA OUT)端处于高阻状态，此时I/O CLOCK开起作用。这种CS控制作用允许在同时使用多片TLC549时，共用I/O CLOCK，以减少多路(片)A/D并用时的I/O控制端口。 一组通常的控制时序为：(1)将CS置低。内部电路在测得CS下降沿后，再等待两个内部时钟上升沿和一个下降沿后，然后确认这一变化，最后自动将 前一次转换结果的最高位(D7)位输出到DATA OUT端上。 (2) 前四个I/O CLOCK周期的下降沿依次移出第2、3、4和第5个位(D6、D5、D4、D3)，片上采样保持电路在第4个I/O CLOCK
26、 下降沿开始采样模拟输入。 (3)接下来的3个I/O CLOCK周期的下降沿移出第6、7、8(D2、D1、D0)个转换位。 (4)最后，片上采样保持电路在第8个I/O CLOCK周期的下降沿将移出第6、7、8(D2、D1、D0)个转换位。保持功能将持续4个内部时钟周期，然后开始进行32个内部时钟周期的A/D转换。第8个I/O CLOCK后，CS必须为高，戒I/O CLOCK保持低电平，这种状态需要维持36个内部系统时钟周期以等待保持和转换工作的完成。如果CS为低时I/O CLOCK上出现一个有效干扰脉冲，则微处理器/控制器将不器件的I/O时序失去同步；若CS为高时出现一次有效低电平，则将使引脚
27、重新初始化，从而脱离原转换过程。TLC549的软件设计流程图如图4-2 所示： 图4-2 TLC549转换子程序流程图4.3 数据处理子程序设计对TLC549采集的数据进行处理。流程图如4-3所示： 图 4-3 数据处理子程序流程图4.4 显示子程序设计开 始LCD初始化确认显示位置写入显示数据结束显示完？YN显示子程序中首先确认显示位置，然后写入显示数据。显示子程序流程图如图4-4所示：图 4-4 显示子程序流程图第六章 总 结本文设计的从经济实用的角度出发，采用美国Atmel公司的单片机AT89S51与作为主控芯片，结合外围、显示、报警电路并用C语言编写主控芯片的控制程序，研制了一款可以检
28、测气压以及高度的具有报警功能的便携式气压高度计。使用单片机制作的便携式气压高度计具有软硬件设计简单，易于开发，成本较低，安全可靠，操作方便等特点，可应用于专业登山队员在登山时往往希望得到有关山峰的海拔高度、气压以及温度的值，有一定的实用性。该电路设计控制报警电路等多种功能。本文设计的便携式气压高度计也存在一些缺点，在数值精度需求上存在某些不足，这是本设计的改进方向。参考文献1王忠飞编.MCS-51单片机原理及嵌入式系统应用M.西安:西安电子科技大学出版社,20072侯振鹏编.嵌入式C语言程序设计使用MCS-51M.北京:人民邮电出版社,20063李群芳编.单片机原理与应用实训M.武汉:武汉大学出版社,20064沈永林编.嵌入式单片机技术M.北京:清华大学出版社,20065李朝青编.单片机原理及串行外设接口技术M.北京:北京航空航天大学出版出社,2007原理图：传感器信号处理原理图：
