【文章內(nèi)容簡介】 ，該數(shù)字氣壓計具有很好的功能擴展性，具有精度高、穩(wěn)定性好、功能易于擴展等優(yōu)點， 為儀器及電子產(chǎn)品設(shè)計后續(xù)技術(shù)升級以進一步滿足市場的需要提供了條件。 本文完成了胎壓測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 。 全文共分 五 個章節(jié)： 第一部分是緒論，介紹國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和實現(xiàn)意義； 第 二部分 綜述總體設(shè)計思路和設(shè)計方案，包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計等；第 三部分 是硬件設(shè)計部分，具體闡述硬件實現(xiàn)過程，包括各元件簡介以及模塊功能；第 四部分 介紹軟件設(shè)計部分，包括設(shè)計思路 、 頻率與氣壓的換算以及程序流程圖 ； 第 五部分 簡單介紹總體實現(xiàn)過程包括硬件 的測試 和軟件 測試 以及實現(xiàn)結(jié)果。 全文按照總體方案的設(shè)計，首先對硬件各模塊完成了功能設(shè)計，其次利用軟件程 序設(shè)計連接各功能模塊、完善功能，然后通過仿真測試，最終 整體實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)、顯示胎壓、險情預(yù)警并在正常狀態(tài)下可實時顯示日期、時間等功能。 沈陽理工大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 5 1 系統(tǒng)的總體設(shè)計 總體 設(shè)計思路 由于 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 A/D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 LCD顯示電路顯示給用戶。 系統(tǒng)總體框圖如圖 所示： S T C 5 A 6 0 S 2 控 制氣 壓傳 感 器M P XL C D 顯 示按 鍵 控 制電 源D S 1 3 0 2 圖 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和聯(lián)絡(luò)的設(shè)定。在主程序模塊中關(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。 硬件設(shè)計部分 本系統(tǒng)采用集成的單片機主控，通過壓力傳感器將氣壓信號送入帶 A/D 轉(zhuǎn)換的STC5A60S2 單片機中，以及在相關(guān)模擬分立元件的輔助下進行 A/D 轉(zhuǎn)換以及其它的數(shù)據(jù)處理，將處理的結(jié)果送顯示部分進行顯示。另外在設(shè)計過程中，除了以上主要功能外，本系統(tǒng)還加入了顯示時鐘，可時時顯示時間并有斷電保護，增加了硬件的趣味性和美感。沈陽理工大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 6 使數(shù)字氣壓計功能更加完善，外觀更加完美。 A/D 轉(zhuǎn)換 單片機接受傳感器的電壓值為模擬信號，它要和 A/D 轉(zhuǎn)換模塊的鋸齒波發(fā)生裝置發(fā)送過來的標準模擬信號相比較，即通過單片機引腳進行比較，同時開發(fā)定時器 0，當待測模擬信號超過標準模擬信號時， I/O 引腳信號將 會發(fā)生變化，此時定時器 0 的值通過轉(zhuǎn)化就得到了相應(yīng)的數(shù)字信號。 數(shù)據(jù)處理 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，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備 [8]。 氣壓傳感器的選擇 氣壓傳感器對于數(shù)字氣壓計設(shè)計的實現(xiàn)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。 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 k Pa。 (2) 測量精度測量結(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 [9]。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： (1) 供電范圍： ~，典型值為 。 (2) 測量范圍： 15~105kPa。 (3) 工作溫度范圍： 0~85℃ 。 (4) 溫度補償范圍： 40~+125℃ 。 沈陽理工大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 7 (5) 測量精度為 177。%VFSS。 (6) 最低氣壓對應(yīng)的輸出電壓 VOFF 為 ~，典型值為 ；最高氣壓對應(yīng)的輸出電壓 VOFF 為 ~，典型值為 ；滿刻度輸出電壓間距 VFSS 的典型值為 。 (7) 理想的微處理器接口。 三端穩(wěn)壓器的選擇 本設(shè)計中的外部電源是 +9V，但是單片機、 MPX4105 等其他芯片需要 +5V 供電，因此還需要設(shè)計專門的供電電路以滿足整個系統(tǒng)的電源需求。選用摩托羅拉公司的三端低電流線性穩(wěn)壓芯片 MC78L05 作為電源電路。其輸入電壓范圍： ~24V，輸出 +5V 固定電壓；具有內(nèi)部短路電路限制和熱過載保護功能，無需外部元器件。 軟件設(shè)計部分 本系統(tǒng)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和聯(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。 首先設(shè)置計時器 0 和 計數(shù)器 1，當 計數(shù)器處于 0 狀態(tài)時返回，當處于 1 狀態(tài)時進入定時器 0 服務(wù)子程序。 ET0=0 時開始計數(shù)，然后判斷 是否計數(shù)為 10，為 10 就設(shè)定 ET0=TR1=1，不為 10 則設(shè)定 TR1=0、計數(shù)器復(fù)位，之后計算氣壓值、調(diào)用顯示函數(shù)，再 返回 ET0= TR1=1。 流程圖如圖 所示： 圖 程序流程圖 本設(shè)計采用 C 語言作為編程工具。 C 語言是一種編譯型的結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計語言，具沈陽理工大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 8 有簡單的語法結(jié)構(gòu)和強大的 處理功能，具有運行速度快、編譯效率高、移植性好和可讀性強等多種優(yōu)點，可以實現(xiàn)對系統(tǒng)便件的直接操作。用 C 語言來編寫目標系統(tǒng)軟件，可以大大縮短開發(fā)周期，且明顯地增加軟件的可讀性，便于改進和擴充，從而開發(fā)出大規(guī)模、高性能的應(yīng)用系統(tǒng)。此外 C 語言提供 auto、 static、 flash 等存儲類型，針對單片機的程序存儲空間、數(shù)據(jù)存儲空間及 EEPROM 空間自動為變量合理地分配空間，而且C 語言提供復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型，極大地增強了程序處理能力和靈活性。 C 編譯器能夠自動實現(xiàn)中斷服務(wù)程序的現(xiàn)場保護和恢復(fù)，并且提供常用的標準函數(shù)庫，供用 戶使用。并且C 編譯器能自動生成一些硬件的初始化代碼。對于一些復(fù)雜系統(tǒng)的開發(fā)，還可以通過移植 (或 C 編譯器提供 )的實時操作系統(tǒng)來實現(xiàn)。 正由于 C 語言在系統(tǒng)開發(fā)中的優(yōu)勢，這次設(shè)計的所有程序設(shè)計都將采用 C 語言編寫。 沈陽理工大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 9 2 系統(tǒng) 的 硬件設(shè)計 硬件 設(shè)計 思路 數(shù)字胎壓計的硬件電路可分為 4 個部分：氣壓傳感器、 V/F 轉(zhuǎn)換電路、單片機電路和電源電路。 氣壓傳感芯片 MPX4105，它工作于 +5V 電壓，將被測電壓轉(zhuǎn)換為輸出電壓（對應(yīng)圖中網(wǎng)絡(luò)標號為 Vin），送至 V/F 轉(zhuǎn)換電路。電阻 R5 和 電容 C7 構(gòu)成典型的去耦合濾波電路。 電路中，電壓 Vin 和輸出脈沖 FO 的頻率 fo 的轉(zhuǎn)換關(guān)系滿足公式（ ）。 Fo K Vin?? （ ） 其中， 112 .0 9 RsK R l R tCt? ? ?， 23Rs R R?? （ ） 電路中， Rt、 Ct和 RL的典型值分別為 、 和 100k?， Rs 由一個定值電阻 R2 和一個可變電路 R3 串聯(lián)組成，其中， R2 為 22k?， R3 的最大阻值為 12k?，通過可變電阻 R3 調(diào)節(jié) Rs 的阻值可以實現(xiàn)對電路轉(zhuǎn)換增益的調(diào)整。 氣壓的變化引起 Vin 的變化，而 Vin 在滿刻度輸出電壓間距 VFS 內(nèi)變化， VFS 典型值為 ，所以 Vin 變化范圍很小，那么根據(jù) Fo K Vin?? 的關(guān)系式，必須增大 K值，才能提高測量的精度。 fo 通過單片機的定時 /計數(shù)器 1 的計數(shù)測得，該計數(shù)器的計數(shù)范圍為 0~65536， 500ms 計數(shù)頻率 1 次。因此， K 值的選取還要考慮到計數(shù)器的計數(shù)范圍。綜合考慮之后，將 K 值設(shè)為 2021，這樣代入式（ ）計算，可知 R3 的阻值應(yīng)調(diào)節(jié)到 [10]。 Cin 和 Rin 構(gòu)成低通濾波器，濾除輸入電壓信號中的干擾脈沖。 單片機外圍電路 復(fù)位電路 復(fù)位電路的基本功能是：系統(tǒng)上電時提供復(fù)位信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號。為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時才撤銷復(fù)位信號，以防電源開關(guān)或電源插頭分 合過程中引起的抖動而影響復(fù)位。如圖 所示： 沈陽理工大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 10 圖 復(fù)位電路 STC5A60S2 的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實現(xiàn)的。復(fù)位引腳 RST 通過一個斯密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，在每個機器周期的 S5P2，斯密特觸發(fā)器的輸出電平由復(fù)位電路采樣一次，然后才能得到內(nèi)部復(fù)位操作所需要的信號。 復(fù)位電路通常采用上電自動復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。 最簡單的上電自動復(fù)位電路中上電自動復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實現(xiàn)的。只要 Vcc 的上升時間不超過 1ms，就可以實現(xiàn)自動上電復(fù)位。時鐘頻率用 6MHZ時 C 取 22uF， R 取 1KΩ。 除了上電復(fù)位外，有時還需要按鍵手動復(fù)位。本設(shè)計就是 用的按鍵手動復(fù)位。按鍵手動復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復(fù)位是通過 RST 端經(jīng)電阻與電源 Vcc接通而實現(xiàn)的。按鍵手動復(fù)位電路見圖。時鐘頻率選用 6MHZ時， C 取 22uF， Rs 取 200Ω，RK 取 1KΩ。 振蕩電路 在 STC5A60S2單片機中 XTAL1 和 XTAL2 分別為片內(nèi)反相放大器的輸入端和輸出端， XTAL XTAL2 與晶體振蕩器及電容 C C2 如圖 所示連接。晶振、電容及片內(nèi)與非門構(gòu)成了電感三點式振蕩器，振蕩信號頻率與晶振頻率及電容的容量有關(guān)，但主要由晶振頻率決定。 圖 振蕩電路 沈陽理工大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 11 電源部分 由于硬件電路的供電電壓為 5V，因此，需要設(shè)計直流穩(wěn)壓電源，以提供電路穩(wěn)定的 5V直流電壓，電路中電源部分的原理圖如圖 所示 ： 圖 電源原理圖 由圖可知，直流穩(wěn)壓電源以變壓器、橋式整流電路及 7805 為核心，能夠為電路提供穩(wěn)定的 5V 直流電壓。 220V 交流市電通過電源變壓器變換成低壓的交流信號，再經(jīng)過橋式整流電路 D1～ D4 和濾波電容的整流和濾波，在固定式三端穩(wěn)壓器 LM7805 的VIN 和 GND 兩端形成一個并不十分穩(wěn)定的直流電壓，但該電壓常常會因為市電電壓的波動或負載的 變化等原因而發(fā)生變化。此直流電壓經(jīng)過 LM7805 的穩(wěn)壓和電容的濾波便在穩(wěn)壓電源的輸出端產(chǎn)生了精度高、穩(wěn)定度好的直流輸出電壓。本穩(wěn)壓電源可作為 TTL電路或單片機電路的電源。三端穩(wěn)壓器是一種標準化、系列化的通用線性穩(wěn)壓電源集成電路，以其體積小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用簡捷方便等特點，成為目前穩(wěn)壓電源中應(yīng)用最為廣泛的一種單片式集成穩(wěn)壓器件。 按鍵部分 為了使用戶能夠選擇編碼功能和譯碼功能，同時正確輸入將要編碼或者譯碼的二進制序列，系統(tǒng)設(shè)有按鍵功能。 按鍵主要有獨立按鍵和矩陣鍵盤兩種形式，矩陣 鍵盤的原理圖如圖 所示 ： 沈陽理工大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 12 圖 矩陣鍵盤原理圖 在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過一個按鍵加以連接。這樣，一個端口（如 P1 口）就可以構(gòu)成 4*4=16 個按鍵，比之直接將端口線用于鍵盤多出了一倍，而且線數(shù)越多，區(qū)別越明顯，比如再多加一條線就可以構(gòu)成 20 鍵的鍵盤，而直接用端口線則只能多出一鍵（ 9 鍵）。由此可見，在需要的鍵數(shù)比較多時，采用矩陣法來做鍵盤是合理的。 一般的按鍵所用開關(guān)都是機械彈性開關(guān)，由于機械觸點的彈性作用，按鍵開關(guān)在閉合時不會馬上穩(wěn)定地連接，在斷開進也 不會馬上完全的斷開，在閉合和斷開的瞬間均有一連串的抖動。按鍵按下和松開的時候都存在著抖動，抖動時間的長短因按鍵的機械特性不同而有所不同，一般為 5ms～ 10ms。如果不處理鍵抖動，則有可能引起一次按鍵被誤讀成多次，所以為了確保能夠正確地讀到按鍵，必須去除鍵抖動，確保在按鍵的穩(wěn)定閉合和穩(wěn)定斷開的時候來判斷按鍵狀態(tài)，判斷后再做處理。按鍵在去抖動，可用硬件或軟件兩種方法消除。由于使用硬件方法消除鍵抖動，一般會給系統(tǒng)的成本帶來提高，所以通常情況下都是使用