【正文】 敏感材料,是近幾年人們極為關(guān)注的具有應(yīng)用潛力的新型敏感材料,可制成熱敏、光敏、氣敏、濕敏、力敏、離子敏和生物敏等傳感器。傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展,也促進了更新型材料的開發(fā),如納米材料等。例如美國NRC公司已開發(fā)出納米ZrO2氣體傳感器,控制機動車輛尾氣的排放。 數(shù)字氣壓計系統(tǒng)的設(shè)計意義隨著我國經(jīng)濟的不斷成長，國家越來越重視氣壓計項目相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，“十二五”期間氣壓計產(chǎn)業(yè)的重點領(lǐng)域及其投資機會研究成為熱點問題。先進的測量儀器成為現(xiàn)代化產(chǎn)品開發(fā)的必備條件，氣壓計被廣泛應(yīng)用于我們?nèi)祟惛脑熳匀坏暮芏囝I(lǐng)域以及我們?nèi)粘＜彝ド钪?。本課題是要設(shè)計一個利用微控制和數(shù)字化氣壓傳感器為核心元件組成的電子氣壓計系統(tǒng)。其中核心元件就是氣壓傳感器，它在監(jiān)視壓力大小、控制壓力變化以及物理參量的測量等方面起著重要作用。運用于氣壓計的氣壓傳感器基本都是依靠不同高度時的氣壓變化來獲取氣壓值的。傳統(tǒng)氣壓表(空盒式、彎管式等)精度低、顯示單一；本課題設(shè)計的數(shù)字氣壓計采用單片機控制，具有使用方便、精度高、顯示簡單靈活等優(yōu)點，并可靈活的加入超壓、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(biāo)。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 設(shè)計整體思想在系統(tǒng)構(gòu)建過程中, 需要考慮穩(wěn)定性、復(fù)雜程度、造價和調(diào)試的難易程度等因素。圖21 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(fù)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(xué)習(xí)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四部分構(gòu)成，它們分別是：信息采集模塊，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，信息處理模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊。下圖為系統(tǒng)總框圖：氣壓傳感器V/F轉(zhuǎn)換器電源模塊單片機液晶顯示器 單片機數(shù)字氣壓計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖由圖21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(yīng)的實際氣壓值，最后通過數(shù)碼管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(mpx4115),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（ADC0832），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(AT89C52)，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，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(yīng)的移位處理，并且把處理好的數(shù)據(jù)送入相應(yīng)的緩沖區(qū)，為后面的顯示模塊作好準(zhǔn)備。 數(shù)據(jù)顯示模塊數(shù)據(jù)顯示模塊（LCD1602）,主要對單片機處理后的數(shù)據(jù)進行實時顯示，顯示內(nèi)容為測量氣壓值。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(dǎo)體壓力傳感器件存在的溫度漂移問題。絕對氣壓值對應(yīng)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及氣壓傳感器的主要性能參數(shù)如下：①、測量范圍即所能測量的大氣壓力范圍，單位為kPa。測量精度②、測量結(jié)果（電流或電壓）的精度。③、溫度補償范圍一般要選用具有溫度補償能力的氣壓傳感器，因為溫度補償特性可以克服半導(dǎo)體壓力敏感器件存在的溫度漂移問題。④、測量的是否是絕對氣壓值絕對氣壓值對應(yīng)的即是實際的氣壓值，顯然要實現(xiàn)數(shù)字氣壓計需要測量絕對氣壓值的氣壓傳感器。數(shù)字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[7]。經(jīng)過綜合考慮，我們選用美國摩托羅拉公司的集成壓力傳感器芯片MPX4105作為氣壓傳感器。MPX4105可以產(chǎn)生于所加氣壓呈線性關(guān)系的高精度模擬輸出電壓，它具有以下特點：供電范圍：~。測量范圍：15~115kPa。工作溫度范圍：0~85℃。溫度補償范圍：40~+125℃。測量精度為177。%VFSS。~，；~，；。根據(jù)MPX4115的氣壓線性關(guān)系，可以列出具體輸出關(guān)系如下:Vout = Vs ( P – ) 177。（Press ErrorVs）式中, Vs 是工作電壓, P 是大氣壓值, Vout 為輸出電壓。 數(shù)據(jù)采集的仿真原理圖數(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(yīng)的模擬電壓信號。數(shù)據(jù)采集模塊的仿真原理如圖32所示。 數(shù)據(jù)采集模塊仿真原理圖 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(zhǔn)模擬輸出信號提供一個均衡壓力。在0℃85℃%，溫度補償是40℃125℃。氣壓傳感器MPX4115的管腳說明如表31所示：表31 氣壓傳感器MPX4115的管腳說明123456VOUTGNDVSN/SN/SN/S氣壓傳感器MPX4114的特性參數(shù)如表32所示：表32 氣壓傳感器MPX4114的特性參數(shù)參 數(shù)符 號最 小典 型最 大單 位壓力范圍Pop15115KPa供電電壓VsVdc供電電流Lo10mAdc最大壓力偏置 （0℃～85℃）@Vs=VpssVdc滿量程輸出 （0℃～85℃）@Vs=VoffVdc滿量程比例 （0℃～85℃）@Vs=VFSSVdc精度（0℃～85℃）177。%VPSS靈敏度V/PmV/KPa響應(yīng)時間（10%～90%）tRms上升報警時間20ms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，本課題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。關(guān)于A/D轉(zhuǎn)換，其模塊的特點是：轉(zhuǎn)換分辨率為10位，最多含8個輸入通道和一個內(nèi)部溫度傳感器。我采用一種電壓/頻率（V/F）轉(zhuǎn)換電路來實現(xiàn)模擬電壓的數(shù)字化處理。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器件本身還不能算做量化器，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、可遠距離傳送并能直接輸入單片機接口的脈沖序列。通過測試V/F的輸出頻率?？梢詫崿F(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換功能。針對電路的實際需要，并考慮到外圍電路實現(xiàn)的難易程度和相應(yīng)的性能指標(biāo)，我選用的是ADC0832。ADC0832是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種8位分辨率、雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片。由于它體積小，兼容性強，性價比高而深受單片機愛好者及企業(yè)歡迎，其目前已經(jīng)有很高的普及率。 　　ADC0832具有以下特點： ● 8位分辨率； ● 雙通道A/D轉(zhuǎn)換； ● 輸入輸出電平與TTL/CMOS相兼容； ● 5V電源供電時輸入電壓在0~5V之間； ● 工作頻率為250KHZ，轉(zhuǎn)換時間為32μS； ● 一般功耗僅為15mW； ● 8P、14P—DIP（雙列直插）、PICC多種封裝； ● 商用級芯片溫寬為0176。C to +70176。C，工業(yè)級芯片溫寬為40℃ to +85℃ 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路部分電路原理圖ADC構(gòu)成的A/D轉(zhuǎn)換器的電路如圖33所示,其中圖中的2號引腳是數(shù)據(jù)采集后的輸入，5號引腳和6號引腳是轉(zhuǎn)換后信號的輸出。 ADC0832原理圖 ADC0832的原理ADC0832為8位分辨率A/D轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達256級，可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復(fù)用，使得芯片的模擬電壓輸入在0~5V之間。芯片轉(zhuǎn)換時間僅為32μS，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強。獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過DI數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實現(xiàn)通道功能的選擇。　　正常情況下ADC0832與單片機的接口應(yīng)為4條數(shù)據(jù)線，分別是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端與DI端在通信時并未同時有效并與單片機的接口是雙向的，所以電路設(shè)計時可以將DO和DI并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。如圖33所示，ADC0832芯片接口說明： ● 片選使能，低電平使能；● CHO 模擬輸入通道0，或作為IN+/使用； ● CH1 模擬輸入通道1，或作為IN+/使用； ● GND 芯片參考0電位（地）；● D1 數(shù)據(jù)信號輸入，選擇通道控制；● D0 數(shù)據(jù)信號輸入，轉(zhuǎn)換通道控制； ● CLK 芯片時鐘輸入；● VCC 電源輸入及參考電壓輸入（復(fù)用）； 數(shù)據(jù)處理模塊 數(shù)據(jù)處理模塊的芯片選擇對于ADC0832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。AT89C52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。AT89C52 是一款低電壓，高性能CMOS8 位單片機，片內(nèi)含4k bytes 的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和128 bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM ），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)， 兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8 位中央處理器（CPU）和Flash 存儲單元，功能強大AT89C52 單片機可為您提供許多高性價比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。本課題中選用AT89C52單片機來實現(xiàn)。 單片機部分的原理圖 。 單片機部分的原理圖 AT89C52引腳及功能AT89C52是美國Atmel公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含8KB的可反復(fù)檫寫的程序存儲器和12B的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)配置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，功能強大的AT89C52單片機可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。AT89C52單片機屬于AT89C51單片機的增強型，與Int