基于MPX4115的数字气压计设计论文.docx
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基于MPX4115的数字气压计设计论文
摘要
气压计被广泛应用于国防领域、工业领域、医疗领域以及我们日常家庭生活中。
本设计中就介绍了一种气压的实时显示设备。
它是利用软、硬件基础知识，通过单片机与气压传感器的结合，使得在液晶显示器上显示出当前大气压值。
本文详尽的描述了基于MPX4115气压计的软硬件实现过程。
设计是基于气压传感器MPX4115的精密数字气压计系统。
通过气压传感器MPX4115获得与大气压相对应的模拟电压值,并经过电压/频率（V/F）转换模块转换为数字脉冲,通过单片机接收该脉冲信号，得到单位时间内获得的脉冲数，依据电压与频率的线性关系式计算出所对应的实际气压值，最后在单片机的控制下由液晶显示电路显示出实际气压值。
关键词：
单片机；气压传感器；V/F转换器；液晶显示
Abstract
Barometeriswidelyusedinthedefensesector,industry,medicalfieldsaswellasourdailylife.Usingbasicknowledgeofhardwareandsoftware,andthroughthecombinationofSCMandpressuresensors,ThecurrentatmosphericpressurevalueisdisplayedbytheLCD.ThisarticledescribesindetailthehardwareandsoftwarebasedonMPX4115barometerrealization.
AnaccuratedigitalbarometersystemisdesignedbasedonpressuresensorMPX4115.ThesystemfirstlygainsthevalueofanalogvoltagecorrespondingtotheatmosphericpressurebysensorMPX4115.Thenthevoltagesignalistransferredintodigitalpulsesusingvoltage/frequencytransferringmodel.Asingle-chipisutilized inreceivingthepulsesignal,measuringthenumberofpulsesreceivedperunitinterval,andincalculatingtheactualmagnitudeofpressureaccordingtothelinearrelationshipbetweenvoltageandfrequency.Finally,controlledbythesingle-chip,theactualvalueofpressureisdisplayedbytheliquidcrystaldisplayingcircuit.
Keywords:
MCU；pressuresensor；V/Ftransferor；LCD
1绪论
1.1课题背景
气压计是一种测量大气压的装置，一般把作用于单位面积上空气柱的重量称为大气压力，简称气压。
气象学研究表明，在空间垂直方向上气压随高度增加而降低，这种变化的幅度在近表面和高空时又有所不同，近地表时气压随高度增加而降低的幅度最大，越到高空这种变化越缓慢。
气压还会受空气中的气流影响，若空气中有下降气流，气压会增加；若空气中有上升气流，气压会减小。
本课题要求利用单片机控制实现气压计功能，而单片机的接口信号必须是数字信号，因此想要用单片机获取气压这类非电信号的信息，必须使用气压传感器。
气压传感器的作用是气压信息转换成电流或电压输出，转换后的电流或电压输出常为模拟信号因此还必须进行A/D转换，以满足单片机接口的需要。
1.2技术概况及发展趋势
基于传感器在本设计中的重要作用，下面介绍一下传感器的技术性能以及发展趋势。
1.2.1传感器的技术性能
差动技术：
差动技术是传感器中普遍采用的技术。
它的应用可显著地减小温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度的影响，抵消了共模误差，减小非线性误差等。
不少传感器由于采用了差动技术，还可使灵敏度增大。
平均技术：
在传感器中普遍采用平均技术可产生平均效应，其原理是利用若干个传感单元同时感受被测量，其输出则是这些单元输出的平均值，若将每个单元可能带来的误差均可看作随机误差且服从正态分布，根据误差理论，总的误差将减小。
可见，在传感器中利用平均技术不仅可使传感器误差减小，且可增大信号量，即增大传感器灵敏度。
光栅、磁栅、容栅、感应同步器等传感器，由于其本身的工作原理决定有多个传感单元参与工作，可取得明显的误差平均效应的效果。
这也是这一类传感器固有的优点。
另外，误差平均效应对某些工艺性缺陷造成的误差同样起到弥补作用。
在懂得这种道理之后，设计时在结构允许情况下，适当增多传感单元数，可收到很好的效果。
例如圆光栅传感器，若让全部栅线都同时参与工作，设计成“全接收”形式，误差平均效应就可较充分地发挥出来。
补偿与修正技术：
补偿与修正技术在传感器中得到了广泛的应用。
这种技术的运用大致是针对下列两种情况。
一种是针对传感器本身特性的，另一种是针对传感器的工作条件或外界环境的。
对于传感器特性，可以找出误差的变化规律，或者测出其大小和方向，采用适当的方法加以补偿或修正。
针对传感器工作条件或外界环境进行误差补偿，也是提高传感器精度的有力技术措施。
不少传感器对温度敏感，由于温度变化引起的误差十分可观。
为了解决这个问题，必要时可以控制温度，搞恒温装置，但往往费用太高，或使用现场不允许。
而在传感器内引入温度误差补偿又常常是可行的。
这时应找出温度对测量值影响的规律，然后引入温度补偿措施。
在激光式传感器中，常常把激光波长作为标准尺度，而波长受温度、气压、温度的影响，在精度要求较高的情况下，就需要根据这些外界环境情况进行误差修正才能满足要求。
补偿与修正，可以利用电子线路（硬件）来解决，也可以采用微型计算机通过软件来实现。
屏蔽、隔离与干扰抑制：
传感器大都要在现场工作的，现场的条件往往是难以充分预料的，有时是极其恶劣的。
各种外界因素要影响传感器的精度与各有关性能的。
为了减小测量误差，保证其原有性能，就应设法削弱或消除外界因素对传感器的影响。
其方法归纳起来有二：
一是减小传感器对影响因素的灵敏度；二是降低外界因素对传感器实际作用的烈度。
对于电磁干扰，可以采用屏蔽、隔离措施，也可用滤波等方法抑制。
对于如温度、湿度、机械振动、气压、声压、辐射、甚至气流等，可采用相应的隔离措施，如隔热、密封、隔振等，或者在变换成为电量后对干扰信号进行分离或抑制，减小其影响。
稳定性处理：
传感器作为长期测量或反复使用的器件，其稳定性显得特别重要，其重要性甚至胜过精度指标，尤其是对那些很难或无法定期鉴定的场合。
造成传感器性能不稳定的原因是：
随着时间的推移和环境条件的变化，构成传感器的各种材料与元器件性能将发生变化。
为了提高传感器性能的稳定性，应该对材料、元器件或传感器整体进行必要的稳定性处理。
如结构材料的时效处理、冰冷处理、永磁材料的时间老化、温度老化、机械老化及交流稳磁处理，电气元件的老化筛选等。
在使用传感器时，若测量要求较高，必要时也应对附加的调整元件，后续电路的关键元器件进行老化处理[1]。
1.2.2传感器的发展趋势
传感器的发展就如同其他产品的发展一样，不仅取决于专业的技术水平、材料的使用，还取决于工艺等很多方面。
对于新型工艺的使用：
在发展新型传感器中，离不开新工艺的采用。
新工艺的含义范围很广，这里主要指与发展新兴传感器联系特别密切的微细加工技术。
该技术又称微机械加工技术，是近年来随着集成电路工艺发展起来的，它是离子束、电子束、分子束、激光束和化学刻蚀等用于微电子加工的技术，目前已越来越多地用于传感器领域，例如溅射、蒸镀、等离子体刻蚀、化学气体淀积、外延、扩散、腐蚀、光刻等，迄今已有大量采用上述工艺制成的传感器的国内外报道。
以应变式传感器为例。
应变片可分为体型应变片、金属箔式应变片、扩散型应变片和薄膜应变片，而薄膜应变片则是今后的发展趋势，这主要是由于近年来薄膜工艺发展迅速，除采用真空淀积、高频溅射外，还发展了磁控溅射、等离子体增强化学汽相淀积、金属有机化合物化学汽相淀积、分子束外延、光CVD技术，这些对传感器的发展起了很大推动作用。
如目前常见的溅射型应变计，是采用溅射技术直接在应变体即产生应变的柱梁、振动片等弹性体上形成的。
这种应变计厚度很薄，大约为传统的箔式应变计的十分之一以下，故又称薄膜应变计。
溅射型应变计的主要优点是：
可靠性好，精度高，容易做成高阻抗的小型应变计，无迟滞和蠕变现象，具有良好的耐热性和冲击性能等。
用化学气相淀积法制备薄膜，以其成膜温度低、可靠性好、系统简单等优点而发展很快，在制备多晶硅微晶硅传感器方面有许多报道。
硅杯是力敏元件中非常重要的结构。
目前已极少采用机械方法加工硅杯，而改为可控的化学腐蚀方法，如各向异性腐蚀、凸角补偿和etch-step法等，化学腐蚀方法，可做到工艺稳定，硅杯尺寸很小，膜片均匀度很高，结构从C形、E形、双岛发展到梁膜式，性能和生产率都有很大提高。
传感器集成化包括两种定义，一是同一功能的多元件并列化，即将同一类型的单个传感元件用集成工艺在同一平面上排列起来，排成1维的为线性传感器，CCD图象传感器就属于这种情况。
集成化的另一个定义是多功能一体化，即将传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，组装成一个器件。
目前，各类集成化传感器已有许多系列产品，有些已得到广泛应用。
集成化已经成为传感器技术发展的一个重要方向。
随着集成化技术的发展，各类混合集成和单片集成式压力传感器相继出现，有的已经成为商品。
集成化压力传感器有压阻式、电容式、等类型，其中压阻式集成化传感器发展快、应用广。
自从压阻效应发现后，有人把4个力敏电阻构成的全桥做在硅膜上，就成为一个集成化压力传感器。
国内在80年代就研制出了把压敏电阻、电桥、电压放大器和温度补偿电路集成在一起的单块压力传感器，其性能与国外同类产品相当。
由于采用了集成工艺，将压敏部分和集成电路分为几个芯片，然后混合集成为一体。
提高了输出性能及可靠性，有较强的抗干扰能力，完全消除了二次仪表带来的误差。
70年代国外就出现了集成温度传感器，它基本上是利用晶体管作为温度敏感元件的集成电路。
其性能稳定，使用方便，温度范围在。
国内在这方面也有不少进展，例如近年来研制集成热电堆红外传感器等。
集成化温度传感器具有远距离测量和抗干扰能力强等优点，具有很大的实用价值。
传感器的多功能化也是其发展方向之一。
所谓多功能化的典型实例，美国某大学传感器研究发展中心研制的单片硅多维力传感器可以同时测量3个线速度、3个离心加速度（角速度）和3个角加速度。
主要元件是由4个正确设计安装在一个基板上的悬臂梁组成的单片硅结构，9个正确布置在各个悬臂梁上的压阻敏感元件。
多功能化不仅可以降低生产成本，减小体积，而且可以有效的提高传感器的稳定性、可靠性等性能指标。
为同时测量几种不同被测参数，可将几种不同的传感器元件复合在一起，作成集成块。
例如一种温、气、湿三功能陶瓷传感器已经研制成功。
把多个功能不同的传感元件集成在一起，除可同时进行多种参数的测量外，还可对这些参数的测量结果进行综合处理和评价，可反映出被测系统的整体状态。
由上还可以看出，集成化对固态传感器带来了许多新的机会，同时它也是多功能化的基础。
传感器与微处理机相结合，使之不仅具有检测功能，还具有信息处理、逻辑判断、自诊断、以及“思维”等人工智能，就称之为传感器的智能化。
借助于半导体集成化技术把传感器部分与信号预处理电路、输入输出接口、微处理器等制作在同一块芯片上，即成为大规模集成智能传感器。
可以说智能传感器是传感器技术与大规模集成电路技术相结合的产物，它的实现将取决于传感技术与半导体集成化工艺水平的提高与发展。
这类传感器具有多能、高性能、体积小、适宜大批量生产和使用方便等优点，可以肯定地说，是传感器重要的方向之一。
智能传感器又叫灵巧（Smart）传感器。
这一概念最早是由美国宇航局在开发宇宙飞船过程中提出来的。
飞船上天后需要知道其速度、位置、姿态等数据。
为使宇宙员能正常生活，需要控制舱内的温度、湿度、气压、加速度、空气成分等。
为了进行科学考察，需要进行各种测试工作。
所有这些都需要大量的传感器。
众多传感器获得的大量数据需要处理，显然在飞船上安放大型电子计算机是不合适的。
为了不丢失数据，又要降低费用，提出了分散处理这些数据的方法。
即传感器获得的数据自行处理，只送出必要的少量数据。
由此可见，智能传感器是电五官与微电脑的统一体，对外界信息具有检测、数据处理、逻辑判断、自诊断和自适应能力的集成一体化多功能传感器，这种传感器还具有与主机互相对话的功能，也可以自行选择最佳方案。
它还能将已获得的大量数据进行分割处理，实现远距离、高速度、高精度传输等[2]。
1.3数字气压计系统设计意义
气压计被广泛应用于国防领域、工业领域、医疗领域以及我们日常家庭生活中。
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。
传统气压表（空盒式、弯管式等）精度低、显示单一；本系统设计的数字气压计采用单片机控制，具有使用方便、精度高、显示简单和灵活性等优点，而且可以大幅提高被控气压的技术指标，从而能够大大提高产品的质量。
2系统总体设计
2.1设计整体思想
基于MPX4115的数字气压计包括软硬件的设计与调试。
软件部分通过对C语言的学习和对单片机知识的了解，根据系统的特点编写出单片机程序。
硬件部分分为四大块，包括大气压的非电信号数据的采集、转换、处理以及显示[3]。
通过对设计的了解，选择适合的器件，画出原理图。
2.2系统总体框图
气压计硬件部分由四部分构成，它们分别是：
信息采集模块，数据转换模块，信息处理模块和数据显示模块。
图2.1为系统总框图。
图2.1为系统总框图
2.3数据采集模块
2.3.1数据采集模块的芯片选择
气压传感器对于系统至关重要，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。
一般要选用有温度补偿作用的气压传感器，因为温度补偿特性可以克服半导体压力传感器件存在的温度漂移问题。
绝对气压值对应的既是实际的气压值，显然本设计要实现的数字气压计需要能测量绝对气压值的气压传感器。
本设计要实现的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，本设计选用美国摩托罗拉公司的集成压力传感器。
MPX4115可以产生与所加气压呈线性关系的高精度模拟输出电压。
2.3.2数据采集模块的原理图
数据采集模块由气压传感器MPX4115构成，采集的是大气压值。
其中1脚是输出信号端，输出的是与气压值相对应的模拟电压信号。
数据采集模块的原理如图2.2所示。
图2.2数据采集模块原理图
2.3.3气压传感器MPX4115的原理
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。
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℃。
它的实物如图2.3所示。
图2.3MPX4115的实物图
气压传感器MPX4115的管脚说明如表2.1所示：
表2.1气压传感器MPX4115的管脚说明
1
2
3
4
5
6
VOUT
GND
VS
N/S
N/S
N/S
气压传感器MPX4114的特性参数如表2.2所示：
表2.2气压传感器MPX4114的特性参数
参数
符号
最小
典型
最大
单位
压力范围
Pop
15
-
115
KPa
供电电压
Vs
4.85
5.1
5.35
Vdc
供电电流
Lo
-
7.0
10
mAdc
最大压力偏置（0℃～85℃）
@Vs=5.0V
Vpss
0.135
0.204
0.273
Vdc
满量程输出（0℃～85℃）
@Vs=5.0V
Voff
4.725
4.794
4.863
Vdc
满量程比例（0℃～85℃）
@Vs=5.0V
VFSS
4.521
4.590
4.695
Vdc
精度
（0℃～85℃）
-
-
-
±1.5
%VPSS
灵敏度
V/P
-
45.9
-
mV/KPa
响应时间（10%～90%）
tR
-
1.0
-
ms
上升报警时间
-
-
20
-
ms
偏置稳定性
-
-
±0.5
-
%VFSS
2.4数据转换模块
2.4.1数据转换芯片选择
气压传感器MPX4115输出的是模拟电压，因此，必须进行模拟到数字的转换才能交由单片机处理。
关于A/D转换，本课题中采用一种电压频率转换电路来实现模拟电压数字化的处理。
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正比的脉冲序列，虽然V/F器件本身还不能算作量化器，但加上定时器与计数器以后也可以实现A/D转换。
V/F器件的突出特点就是它能够把模拟电压转换成抗干扰能力强、可以远距离传输并能直接输入到单片机接口的脉冲序列。
通过测量V/F输出频率，可以实现A/D转换功能。
数据的采集与处理广泛地应用在自动化领域中,由于应用的场合不同,对数据采集与处理所要求的硬件也不相同.在控制过程中,有时要对几个模拟信号进行采集与处理,这些信号的采集与处理对速度要求不太高,一般采用AD574或ADC0809等芯片组成的A/D转换电路来实现信号的采集与模数转换，而AD574和ADC0809等A/D转换器价格较贵，线路复杂,从而提高了产品价格和项目的费用.在本文中,从实际应用出发,给出了一种应用V/F转换器LM331芯片组成的A/D转换电路，V/F转换器LM331芯片能够把电压信号转换为频率信号，而且线性度好，通过计算机处理，再把频率信号转换为数字信号，就完成了A/D转换。
它与AD574等电路相比，具有接线简单，价格低廉，转换精度高等特点，而且LM331芯片在转换过程中不需要软件程序驱动，这与AD574等需要软件程序控制的A/D转换电路相比，使用起来方便了许多。
针对电路的实际需求，并考虑到外围电路实现的难易程度和相应的性能指标，选用芯片LM331来实现A/D转换。
LM331是一款高精度电压频率转换芯片。
2.4.2数据转换电路部分电路原理图
LM331构成的V/F转换器的电路如图2.4。
其中图中的7号引脚Vin是数据转换模块的数据输入端，接到上一个数据采集模块的输出端。
而3号引脚F0是数据转换模块的输出端。
图2.4数据转换模块原理图
2.4.3LM331的原理
LM331是性能价格比比较高的集成芯片。
它是当前最简单的一种高精度V/F转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器以及其它相关的器件。
其引脚图如图2.5所示。
图2.5LM331引脚图
LM331各引脚功能说明如下：
脚1为脉冲电流输出端,内部相当于脉冲恒流源,脉冲宽度与内部单稳态电路相同；脚2为输出端脉冲电流幅度调节,RS越小,输出电流越大；脚3为脉冲电压输出端,OC门结构,输出脉冲宽度及相位同单稳态,不用时可悬空或接地；脚4为地；脚5为单稳态外接定时时间常数RC；脚6为单稳态触发脉冲输入端,低于脚7电压触发有效,要求输入负脉冲宽度小于单稳态输出脉冲宽度Tw；脚7为比较器基准电压,用于设置输入脉冲的有效触发电平高低；脚8为电源Vcc,正常工作电压范围为4～40V。
线性度好,最大非线性失真小于0.01%,工作频率低到0.1Hz时尚有较好的线性；变换精度高数字分辨率可达12位；外接电路简单,只需接入几个外部元件就可方便构成V/F或F/V等变换电路,并且容易保证转换精度。
2.5数据处理模块
2.5.1数据处理模块的芯片选择
对于LM331输出的频率信号要经过单片机的数据处理，通过频率与气压之间的关系计算出气压值。
AT89C52单片机最为核心的部分是中央处理器CPU，它由运算器和控制逻辑构成，其中包括若干特殊功能寄存器。
AT89C52是一款低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C52单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。
本课题中选用AT89C52单片机来实现[4]。
2.5.2单片机部分的原理图
单片机部分的原理如图2.6所示。
图2.6单片机部分原理图
2.5.3AT89C52引脚及功能
AT89C52的引脚如图2.7所示。
图2.7单片机引脚图
·P0口：
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时,每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。
在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻[5]。
·P1口：
P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。
作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（TTL）。
Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。
·P2口：
P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@RI指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器区R2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。
Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其它控制信号。
·P3口：
P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路。
对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。
作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。
P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表2.3所示：
表2.3P3口第二功能
P3.0
RXD
串行输入口
P3.
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