【正文】 感器相繼出現(xiàn)，有的已經(jīng)成為商品。集成化壓力傳感器有壓阻式、電容式、等類型，其中壓阻式集成化傳感器發(fā)展快、應用廣。自從壓阻效應發(fā)現(xiàn)后，有人把 4 個力敏電阻構(gòu)成的全橋做在硅膜上，就成為一個集成化壓力傳感器。國內(nèi)在 80 年代就研制出了把壓敏電阻、電橋、電壓放大器和溫度補償電路集成在一起的單塊壓力傳感器，其性能與國外同類產(chǎn)品相當。由于采用了集成工藝，將壓敏部分和集成電路分為幾個芯片，然后混合集成為一體。提高了輸出性能及可靠性，有較強的抗干擾能力，完全消除了二次儀表帶來的誤差。傳感器的多功能化也是其發(fā)展方向之一。為同時測量幾種不同被測參數(shù)，可將幾種不同的傳感器元件復合在一起，作成集成塊。例如一種溫、氣、濕三功能陶瓷傳感器已經(jīng)研制成功。把多個功能不同的傳感元件集成在一起，除可同時進行多種參數(shù)的測量外，還可對這些參數(shù)的測量結(jié)果進行綜合處理和評價，可反映出被測系統(tǒng)的整體狀態(tài)。由上還可以看出，集成化對固態(tài)傳感器帶來了許多新的機會，同時它也是多功能化的基礎(chǔ)。傳感器與微處理機相結(jié)合，使之不僅具有檢測功能，還具有信息處理、邏輯判斷、自診斷、以及“思維”等人工智能，就稱之為傳感器的智能化。借助于半導體集成化技術(shù)把傳感器部分與信號預處理電路、輸入輸出接口、微處理器等制作在同一塊芯片上，即成為大規(guī)模集成智能傳感器?？梢哉f智能傳感器是傳感器技術(shù)與大規(guī)模集成電路技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它的實現(xiàn)將取決于傳感技術(shù)與半導體集成化工藝水平的提高與發(fā)展。這類傳感器具有多能、高性能、體積小、適宜大批量生產(chǎn)和使用方便等優(yōu)點，可以肯定地說，是傳感器重要的方向之一 。]3[ 數(shù)字式大氣壓計系統(tǒng)設(shè)計意義隨著我國經(jīng)濟的不斷成長，國家越來越重視電子測量相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，先進的測量儀器成為現(xiàn)代化產(chǎn)品開發(fā)的必備條件，也是電子行業(yè)發(fā)展的重中之重，而氣壓計被廣泛應用于科研和工業(yè)等領(lǐng)域以及我們?nèi)粘＜彝ド钪?。傳統(tǒng)的氣壓計(空盒式、彎管式等)精度低、實時顯示時穩(wěn)定性較差，而采用單片機控制的數(shù)字氣壓計，使用方便、顯示簡單、精度高、抗干擾能力強、擴展性方面可靈活的加入超壓、低壓報警、無線傳輸?shù)忍厥夤δ埽铱梢源蠓岣弑豢貧鈮旱募夹g(shù)指標。因此，對高精度便攜式數(shù)字大氣壓計的研究有著非常重要的意義。2 系統(tǒng)總體設(shè)計 整體設(shè)計思想在系統(tǒng)構(gòu)建過程中, 需要考慮穩(wěn)定性、復雜程度、造價和調(diào)試的難易程度等因素。 所示框圖中的每一部分就是一個單元電路, 可完成各自的功能。模塊之間沒有復雜的信號傳輸,且干擾很少,因而系統(tǒng)整體比較穩(wěn)定。本設(shè)計是基于MPX4115的數(shù)字大氣壓計，包括軟、硬件的設(shè)計與調(diào)試。軟件部分通過對C語言的學習和對單片機知識的了解，根據(jù)系統(tǒng)的特點編寫出單片機程序。硬件部分分為四大塊，包括大氣壓的非電信號數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換、處理以及顯示。通過對設(shè)計的了解，選擇適合的器件，畫出原理圖。 系統(tǒng)總體框圖氣壓計硬件部分由五部分構(gòu)成，它們分別是：數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊以及電源模塊。圖 單片機數(shù)字大氣壓計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖由圖 可知，整個系統(tǒng)的工作流程如下：測量時被測氣壓由氣壓傳感器轉(zhuǎn)換為模擬的電壓輸出，此輸出信號不能直接交由單片機處理。因此，需要經(jīng)過V/F轉(zhuǎn)換模塊把氣壓傳感器輸出的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖（其頻率隨輸入電壓呈線性變化）。通過單片機接收該脈沖信號，得到單位時間內(nèi)獲得的脈沖數(shù)，依據(jù)電壓與頻率的線性關(guān)系式計算出所對應的實際氣壓值，最后通過顯示電路顯示給用戶。 系統(tǒng)各功能模塊的設(shè)計思想通過對單片機各個端口的設(shè)置，以及定時器工作方式和串行口工作方式的選擇，并對定時器和串行口進行初始化用以實現(xiàn)對單片機和各個功能模塊芯片之間通訊聯(lián)絡(luò)的設(shè)定。在主程序模塊中我們關(guān)鍵是使單片機初始化，以及分配地址空間交代程序中各個變量等。其中最為關(guān)鍵的是連接子程序的各個功能模塊。? 數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)采集模塊，主要核心是由氣壓傳感器構(gòu)成，其主要功能是對被測氣壓進行實時穩(wěn)定的測量，并以模擬電壓的形式輸出，交由后面的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化模塊處理。? A/D 轉(zhuǎn)換模塊A/D 轉(zhuǎn)換模塊，主要功能是將氣壓傳感器輸出的模擬電壓信號經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換為單片機能直接處理的數(shù)字信號。? 數(shù)據(jù)處理模塊數(shù)據(jù)處理模塊，主要是對 A/D 轉(zhuǎn)換模塊的數(shù)據(jù)進行多次采集，并且對采集的數(shù)據(jù)進行處理， 數(shù)據(jù)采集模塊（氣壓傳感器）A/D 轉(zhuǎn)換模塊（V/F 轉(zhuǎn)換器） 電源模塊數(shù)據(jù)處理模塊（單片機） 數(shù)據(jù)顯示模塊（液晶顯示器）此處理過程主要是對采集的數(shù)據(jù)進行初值定義以及相應的移位處理，并且把處理好的數(shù)據(jù)送入相應的緩沖區(qū)，為后面的顯示模塊作好準備。? 數(shù)據(jù)顯示模塊數(shù)據(jù)顯示模塊，主要是對單片機處理后的數(shù)據(jù)進行實時顯示，顯示內(nèi)容，即為測量氣壓值。該模塊，可使用 7 段 LED 數(shù)碼管構(gòu)成，也可以使用字符液晶顯示器件構(gòu)成。3 硬件電路設(shè)計 數(shù)據(jù)采集模塊 數(shù)據(jù)采集模塊的芯片選擇氣壓傳感器對于系統(tǒng)至關(guān)重要，需要綜合實際的需求和各類氣壓傳感器的性能參數(shù)加以選擇。一般要選用有溫度補償作用的氣壓傳感器，因為溫度補償特性可以克服半導體壓力傳感器件存在的溫度漂移問題。絕對氣壓值對應的既是實際的氣壓值，顯然本設(shè)計要實現(xiàn)的數(shù)字氣壓計需要能測量絕對氣壓值的氣壓傳感器。本設(shè)計要實現(xiàn)的數(shù)字大氣壓計顯示的是絕對氣壓值，同時為了簡化電路，提高穩(wěn)定性和抗干擾能力，要求使用具有溫度補償能力的氣壓傳感器。經(jīng)過綜合考慮，本設(shè)計選用美國摩托羅拉公司的集成壓力傳感器。MPX4115可以產(chǎn)生與所加氣壓呈線性關(guān)系的高精度模擬輸出電壓。具體輸出關(guān)系如下：Vout = Vs ( 0. 01059 P 0. 09528) 177。Error (31)式中， Vs 是工作電壓,，P 是大氣壓值,，Vout 為輸出電壓 。]4[ 數(shù)據(jù)采集模塊的原理圖數(shù)據(jù)采集模塊由氣壓傳感器 MPX4115 構(gòu)成，采集的是大氣壓值。其中 1 腳是輸出信號端，輸出的是與氣壓值相對應的模擬電壓信號。數(shù)據(jù)采集模塊的原理如圖 所示。圖 數(shù)據(jù)采集模塊原理圖 氣壓傳感器 MPX4115 的原理MPX4115 系列壓電電阻傳感器是一個硅壓力傳感器。這個傳感器結(jié)合了高級的微電機技術(shù)，薄膜鍍金屬。還能為高水準模擬輸出信號提供一個均衡壓力。在 0℃85℃的溫度下誤差不超過 %，溫度補償是40℃125℃。圖 MPX4115 實物圖及引腳排列圖氣壓傳感器 MPX4115 的管腳說明如表 所示：表 氣壓傳感器 MPX4115的管腳說明1 2 3 4 5 6VOUT GND VS N/S N/S N/S氣壓傳感器 MPX4114 的特性參數(shù)如表 所示：表 氣壓傳感器 MPX4114的特性參數(shù)? MPX41001 2 3 4 5 6VOUT GND VCC NC NC NC參 數(shù) 符 號 最 小 典 型 最 大 單 位壓力范圍 Pop 15 115 KPa供電電壓 Vs Vdc供電電流 Lo 10 mAdc最大壓力偏置 （0℃～85℃）@Vs=Vpss Vdc滿量程輸出 （0℃～85℃）@Vs=Voff Vdc滿量程比例 （0℃～85℃）@Vs=VFSS Vdc精度（0℃～85℃） 177。 %VPSS靈敏度 V/P mV/KPa響應時間（10%～90%） tR ms上升報警時間 20 ms偏置穩(wěn)定性 177。 %VFSS 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片選擇氣壓傳感器 MPX4115 輸出的是模擬電壓，因此，必須進行模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換才能交由單片機處理。關(guān)于 A/D 轉(zhuǎn)換，本設(shè)計中采用一種電壓頻率轉(zhuǎn)換電路來實現(xiàn)模擬電壓數(shù)字化的處理。V/F轉(zhuǎn)換電路由V/F 器件實現(xiàn)。V/F 器件的作用是將輸入電壓的幅值轉(zhuǎn)換成頻率與輸入電壓幅值成正比的脈沖序列，雖然V/F器件本身還不能算作量化器，但加上定時器與計數(shù)器以后也可以實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。V/F 器件的突出特點就是它能夠把模擬電壓轉(zhuǎn)換成抗干擾能力強、可以遠距離傳輸并能直接輸入到單片機接口的脈沖序列。通過測量V/F輸出頻率，可以實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換功能。針對電路的實際需求，并考慮到外圍電路實現(xiàn)的難易程度和相應的性能指標，選用芯片LM331來實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。LM331是一款由美國NS公司生產(chǎn)的高精度電壓頻率轉(zhuǎn)換芯片，由于采用新的溫度補償能隙基準電路, 電源電壓下都有極高的精度 。]5[ 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路部分電路原理圖LM331 構(gòu)成的 V/F 轉(zhuǎn)換器的電路如圖 。其中圖中的 7 號引腳 Vin 是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊的數(shù)據(jù)輸入端，接到上一個數(shù)據(jù)采集模塊的輸出端。而 3 號引腳 F0 是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊的輸出端。圖 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊原理圖 LM331 的結(jié)構(gòu)LM331是一種非常理想的精密電壓/頻率轉(zhuǎn)換器，可用于制作簡潔、低成本的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，特長積分周期的數(shù)字積分器，線性頻率調(diào)制與解調(diào)及其他各功能電路。當作為電壓/頻率轉(zhuǎn)換器使用時，其輸出脈沖鏈的頻率精確地與輸入端施加的電壓成比例變化，體現(xiàn)了電壓/頻率轉(zhuǎn)換器的特有優(yōu)勢。由于LM331采用了新的溫度補償能隙基準電路，壓下都有極高的精度。內(nèi)部精密計時器電路在很低偏置電流的情況下，也不會降低對100KHz電壓/頻率轉(zhuǎn)換器的響應。LM331的輸出可驅(qū)動3個TTL負載，其輸出端可承受高達40V的電壓沖擊。其引腳圖如圖 所示。圖 LM331 引腳圖LM331 各引腳功能說明如下：CO(1 腳)：電流輸出腳。內(nèi)部相當于脈沖恒流源，脈沖寬度與內(nèi)部單穩(wěn)態(tài)電路相同。RefC（2 腳）：基準電流腳。此引腳可接一固定電阻串聯(lián)一個可變電阻器的組合，用于調(diào)整轉(zhuǎn)換增益。FO（3 腳）：脈沖序列輸出腳。該序列的頻率值對應于輸入電壓的脈沖序列，OC 門結(jié)構(gòu),輸出脈沖寬度及相位同單穩(wěn)態(tài),不用時可懸空或接地。GND（4 腳）：接地端。R/C（5 腳）：阻容網(wǎng)絡(luò)引腳。外接定時時間常數(shù) RC。Thre（6 腳）：閾值電壓腳。芯片內(nèi)部的電壓比較器會對此引腳上的電壓和 7 腳 CmpIn 上的電壓作比較，低于腳 7 電壓觸發(fā)有效,要求輸入負脈沖寬度小于單穩(wěn)態(tài)輸出脈沖寬度 Tw。CmpIn(7 腳) ：比較器電壓輸入腳。需要進行 V/F 轉(zhuǎn)換的電壓經(jīng)過低通濾波后由此引腳輸入。VCC（8 腳）：電源腳?？刹捎脝?、雙電源供電，輸入電壓 4~40V。LM331 的性能特點：（1）變換精度高，數(shù)字分辨率可達 12 位；（2）數(shù)字脈沖輸出端電平與所有 5V 的標準邏輯電路兼容；（3) 線性度好, 最大非線性失真小于 0. 01 % , 工作頻率低到 0. 1Hz 時尚有較好的線性；（4）外接電路簡單, 只需接入幾個外部元件就可方便構(gòu)成 V/F 或 F/V 等變換電路,并且容易保證轉(zhuǎn)換精度；（5）低成本，低功耗。 數(shù)據(jù)處理模塊 數(shù)據(jù)處理模塊的芯片選擇對于 LM331 輸出的頻率信號要經(jīng)過單片機的數(shù)據(jù)處理，通過頻率與氣壓之間的關(guān)系計算出氣壓值。本設(shè)計中選用 STC89C52 單片機來實現(xiàn)，STC89C52 單片機最為核心的部分是中央處理器CPU，它由運算器和控制邏輯構(gòu)成，其中包括若干特殊功能寄存器。STC89C52 是一個低功耗，高性能 CMOS 8 位單片機片內(nèi)含 8kbytes ISP(Insystem programmable)的可反復擦寫 1000 次的 Flash只讀存儲器，該器件采用高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標準 MCS51 指令系統(tǒng)及 80C51 引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用的 8 位中央處理器和 ISP Flash 存儲單元。功能強大 STC89C52 單片機以其超高的性價比，可靈活應用于各種控制領(lǐng)域。STC89C52 具有以下標準功能：8k 字節(jié) Flash，512 字節(jié) RAM，32 位 I/O 口線，看門狗定時器，2 個數(shù)據(jù)指針，三個 16 位定時器/計數(shù)器，一個 6 向量 2 級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，STC89C52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU 停止工作，允許 RAM、定時器/ 計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止 。]6[本設(shè)計中，電路仿真選用 AT89C52 代替 STC89C52，兩者功能及編程方式基本一致，只是AT89C52 不支持在線編程，而 S 系列支持。 數(shù)據(jù)處理模塊電路的原理圖單片機部分的原理如下圖所示： 圖 數(shù)據(jù)處理模塊原理圖 STC89C52 引腳及功能圖 單片機引腳圖P0口： P0 口是一組8 位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復用口。作為輸出口用時,每位能驅(qū)動8個TTL邏輯門電路，對端口寫“1”可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低8 位）和數(shù)據(jù)總線復用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在Flash 編程時，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。 P1口： P1 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向