【正文】 要部分集成在一個(gè)芯片上的單芯片微型計(jì)算機(jī)。微控制器誕生于 20 世紀(jì) 70 年代中期，經(jīng)過(guò) 20 多年的發(fā)展，其成本越來(lái)越低，而性能越來(lái)越強(qiáng)大，這使其應(yīng)用已經(jīng)無(wú)處不在，遍及各個(gè)領(lǐng)域。例如電機(jī)控制、條碼閱讀器／掃描器、消費(fèi)類電子、游戲設(shè)備、電話、HVAC、樓宇安全與門(mén)禁控制、工業(yè)控制與自動(dòng)化和白色家電(洗衣機(jī)、微波爐)等。本次設(shè)計(jì)也將采用微控制器作為電子氣壓計(jì)的數(shù)據(jù)采集處理和控制元件。 微控制器可從不同方面進(jìn)行分類：根據(jù)數(shù)據(jù)總線寬度可分為 8 位、16 位和 32 位機(jī)；根據(jù)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)可分為 Harvard 結(jié)構(gòu)和 Von Neumann 結(jié)構(gòu)；根據(jù)內(nèi)嵌程序存儲(chǔ)器的類別可分為 OTP、掩膜、EPROM／EEPROM 和閃存 Flash；根據(jù)指令結(jié)構(gòu)又可分為CISC(Complex Instruction Set Computer)和 RISC(Reduced Instruction Set Computer)微控制器。 氣壓傳感器和微電子控制器的結(jié)合，可以創(chuàng)造出很多應(yīng)用，可以說(shuō)只要能有好的想法，一般都可以實(shí)現(xiàn)，氣壓計(jì)已經(jīng)由以前的只有專業(yè)場(chǎng)合專業(yè)人士才能使用的測(cè)量器具變成今天的隨處可見(jiàn)，方便使用的電子產(chǎn)品，并集成到眾多的電子產(chǎn)品中，都?xì)w功于電子行業(yè)技術(shù)發(fā)展和很多有創(chuàng)新精神開(kāi)發(fā)者。 本課題的研究意義 本課題是要設(shè)計(jì)一個(gè)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(jì)系統(tǒng)。微控制和數(shù)字化氣壓傳感器的結(jié)合可以使得氣壓計(jì)的設(shè)計(jì)更具靈活性，測(cè)量精度相對(duì)于液體氣壓計(jì)也有了顯著提高。測(cè)量結(jié)果的顯示也更直觀，并可靈活的加入超壓、低壓報(bào)警等特殊功能，以滿足某些特定需要。通過(guò)本次設(shè)計(jì)也較好的鍛煉了本人的動(dòng)手能力，為將來(lái)的工作打下了一定的基礎(chǔ)，同時(shí)可以充分利用課堂所學(xué)知識(shí)進(jìn)行本課題的設(shè)計(jì)，在運(yùn)用這些知識(shí)的過(guò)程中，加深了對(duì)這些知識(shí)的理解。 本課題相關(guān)理論綜述 在設(shè)計(jì)電子氣壓計(jì)之前首先要搞清楚氣壓的定義。氣壓是作用在單位面積上的大4氣壓力，即等于單位面積上向上延伸到大氣上界的垂直空氣柱的重量。氣壓以百帕（hPa）為單位，取一位小數(shù)。國(guó)際制單位：帕斯卡，簡(jiǎn)稱帕，符號(hào)是 Pa。常用單位：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。表示氣壓的單位，習(xí)慣上常用水銀柱高度。例如，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓等于760 毫米高的水銀柱的重量，它相當(dāng)于一平方厘米面積上承受 公斤重的大氣壓力。由于各國(guó)所用的重量和長(zhǎng)度單位不同，因而氣壓?jiǎn)挝灰膊唤y(tǒng)一，這不便于對(duì)全球的氣壓進(jìn)行比較分析。因此，國(guó)際上統(tǒng)一規(guī)定用＂百帕＂作為氣壓?jiǎn)挝?。?jīng)過(guò)換算：　　一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓＝1013 百帕（毫巴）　　1 毫米水銀(汞柱）柱高＝4/3 百帕（毫巴）　　1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓＝760mm 水銀(汞柱）柱高。氣壓產(chǎn)生的原因：從分子動(dòng)理論可知，氣體的壓強(qiáng)是大量分子頻繁地碰撞容器壁而產(chǎn)生的。單個(gè)分子對(duì)容器壁的碰撞時(shí)間極短，作用是不連續(xù)的，但大量分子頻繁的碰撞器壁，對(duì)器壁的作用力是持續(xù)的、均勻的，這個(gè)壓力與器壁面積的比值就是壓強(qiáng)大小。 影響壓強(qiáng)的因素：氣壓的大小與海拔高度、大氣溫度 、大氣密度等有關(guān)，一般隨高度升高按指數(shù)律遞減。氣壓有日變化和年變化。一年之中，冬季比夏季氣壓高。一天中，氣壓有一個(gè)最高值、一個(gè)最低值，分別出現(xiàn)在 9～10 時(shí)和 15～16 時(shí)，還有一個(gè)次高值和一個(gè)次低值，分別出現(xiàn)在 21～22 時(shí)和 3～4 時(shí)。氣壓日變化幅度較小，一般為 ～ 千帕，并隨緯度增高而減小。氣壓變化與風(fēng)、天氣的好壞等關(guān)系密切，因而是重要?dú)庀笠蜃?。通常所用的氣壓?jiǎn)挝挥信?Pa)、毫米水銀柱高(mmHg)、毫巴(mb)。它們之間的換算關(guān)系為：100 帕＝1 毫巴≈3／4 毫米水銀柱高。氣象觀測(cè)中常用的測(cè)量氣壓的儀器有水銀氣壓表、空盒氣壓表、氣壓計(jì)。溫度為 0℃時(shí) 760 毫米垂直水銀柱高的壓力,標(biāo)準(zhǔn)大氣壓最先由意大利科學(xué)家 托里拆利 測(cè)出。 5 設(shè)計(jì)思路分析 基于 MPX4115 的數(shù)字氣壓計(jì)包括軟硬件的設(shè)計(jì)與調(diào)試。軟件部分通過(guò)對(duì) C 語(yǔ)言的學(xué)習(xí)和對(duì)單片機(jī)知識(shí)的了解，根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)編寫(xiě)出單片機(jī)程序。硬件部分分為四大塊，包括非電信號(hào)數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換、處理以及顯示 :。通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)的了解，選擇適合的器件，畫(huà)出原理圖。 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 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。采用單片機(jī)主控，通過(guò)壓力傳感器、A/D 轉(zhuǎn)換采集數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過(guò)含有單片機(jī)的檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)，將結(jié)果傳送到單片機(jī)控制的主控器，數(shù)據(jù)通過(guò)顯示器顯示。原理框圖如圖 21 所示。 圖 21 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖6設(shè)計(jì) 51 單片機(jī)數(shù)字氣壓計(jì)系統(tǒng)時(shí)，需要考慮下面 4 個(gè)方面的內(nèi)容。選擇合適的氣壓傳感器芯片，這要根據(jù)實(shí)際需要以及各種氣壓傳感器的性能參數(shù)來(lái)決定。選擇合適的 A/D 轉(zhuǎn)換器件，它的作用是將氣壓傳感器輸出的模擬電流或電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。設(shè)計(jì)單片機(jī)和 A/D 轉(zhuǎn)換器件的接口電路。實(shí)現(xiàn)氣壓信息采集并輸出的軟件設(shè)計(jì)。 系統(tǒng)各功能模塊的設(shè)計(jì)思想 數(shù)據(jù)采集模塊的芯片選擇 壓力傳感器對(duì)于系統(tǒng)至關(guān)重要，需要綜合實(shí)際的需求和各類壓力傳感器的性能參數(shù)加以選擇。一般要選用有溫度補(bǔ)償作用的壓力傳感器，因?yàn)闇囟妊a(bǔ)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(wèn)題。本設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)的數(shù)字氣壓計(jì)顯示的是絕對(duì)氣壓值，同時(shí)為了簡(jiǎn)化電路，提高穩(wěn)定性和抗干擾能力，要求使用具有溫度補(bǔ)償能力的壓力傳感器。經(jīng)過(guò)綜合考慮，本設(shè)計(jì)選用美國(guó)摩托羅拉公司的集成壓力傳感器。MPX4115 可以產(chǎn)生高精度模擬輸出電壓。MPX4115 系列壓電電阻傳感器是一個(gè)硅壓力傳感器。這個(gè)傳感器結(jié)合了高級(jí)的微電機(jī)技術(shù)，薄膜鍍金屬。還能為高水準(zhǔn)模擬輸出信號(hào)提供一個(gè)均衡壓力。在 0℃85℃的溫度下誤差不超過(guò) %，溫度補(bǔ)償是40℃125℃。數(shù)據(jù)采集模塊由壓力傳感器MPX4115 構(gòu)成。其中 1 腳是輸出信號(hào)端，輸出的是與氣壓值相對(duì)應(yīng)的模擬電壓信號(hào)。MPX4115 的實(shí)物圖如圖 22 所示。 圖 22 MPX4115 的實(shí)物圖7 A/D 轉(zhuǎn)換模塊 ADC0832 是美國(guó)國(guó)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(qiáng)，性價(jià)比高而深受單片機(jī)愛(ài)好者及企業(yè)歡迎，其目前已經(jīng)有很高的普及率。學(xué)習(xí)并使用 ADC0832 可是使我們了解 A/D 轉(zhuǎn)換器的原理，有助于我們單片機(jī)技術(shù)水平的提高?！　DC0832 具有以下特點(diǎn)： ● 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(shí)輸入電壓在 0~5V 之間； ● 工作頻率為 250KHZ，轉(zhuǎn)換時(shí)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(jí)芯片溫寬為 0176。C to +70176。C?，工業(yè)級(jí)芯片溫寬為 40℃ to +85℃ ADC0832 為 8 位分辨率 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達(dá) 256 級(jí)，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(shí)間僅為 32μS，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗(yàn)，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強(qiáng)。獨(dú)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(guò) DI 數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實(shí)現(xiàn)通道功能的選擇。正常情況下ADC0832