【正文】 傳感器是傳感器技術與大規(guī)模集成電路技術相結合的產物，它的實現將取決于傳感技術與半導體集成化工藝水平的提高與發(fā)展。]3[ 數字式大氣壓計系統(tǒng)設計意義隨著我國經濟的不斷成長，國家越來越重視電子測量相關領域的發(fā)展，先進的測量儀器成為現代化產品開發(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)等領域以及我們日常家庭生活中。因此，對高精度便攜式數字大氣壓計的研究有著非常重要的意義。 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。本設計是基于MPX4115的數字大氣壓計，包括軟、硬件的設計與調試。硬件部分分為四大塊，包括大氣壓的非電信號數據的采集、轉換、處理以及顯示。 系統(tǒng)總體框圖氣壓計硬件部分由五部分構成，它們分別是：數據采集模塊，數據轉換模塊，數據處理模塊和數據顯示模塊以及電源模塊。因此，需要經過V/F轉換模塊把氣壓傳感器輸出的模擬電壓信號轉換為數字脈沖（其頻率隨輸入電壓呈線性變化）。 系統(tǒng)各功能模塊的設計思想通過對單片機各個端口的設置，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對單片機和各個功能模塊芯片之間通訊聯絡的設定。其中最為關鍵的是連接子程序的各個功能模塊。? A/D 轉換模塊A/D 轉換模塊，主要功能是將氣壓傳感器輸出的模擬電壓信號經過 A/D 轉換電路，轉換為單片機能直接處理的數字信號。? 數據顯示模塊數據顯示模塊，主要是對單片機處理后的數據進行實時顯示，顯示內容，即為測量氣壓值。3 硬件電路設計 數據采集模塊 數據采集模塊的芯片選擇氣壓傳感器對于系統(tǒng)至關重要，需要綜合實際的需求和各類氣壓傳感器的性能參數加以選擇。絕對氣壓值對應的既是實際的氣壓值，顯然本設計要實現的數字氣壓計需要能測量絕對氣壓值的氣壓傳感器。經過綜合考慮，本設計選用美國摩托羅拉公司的集成壓力傳感器。具體輸出關系如下：Vout = Vs ( 0. 01059 P 0. 09528) 177。]4[ 數據采集模塊的原理圖數據采集模塊由氣壓傳感器 MPX4115 構成，采集的是大氣壓值。數據采集模塊的原理如圖 所示。這個傳感器結合了高級的微電機技術，薄膜鍍金屬。在 0℃85℃的溫度下誤差不超過 %，溫度補償是40℃125℃。 %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。關于 A/D 轉換，本設計中采用一種電壓頻率轉換電路來實現模擬電壓數字化的處理。V/F 器件的作用是將輸入電壓的幅值轉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器以后也可以實現A/D轉換。通過測量V/F輸出頻率，可以實現A/D轉換功能。LM331是一款由美國NS公司生產的高精度電壓頻率轉換芯片，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 。其中圖中的 7 號引腳 Vin 是數據轉換模塊的數據輸入端，接到上一個數據采集模塊的輸出端。圖 數據轉換模塊原理圖 LM331 的結構LM331是一種非常理想的精密電壓/頻率轉換器，可用于制作簡潔、低成本的模數轉換器，特長積分周期的數字積分器，線性頻率調制與解調及其他各功能電路。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。LM331的輸出可驅動3個TTL負載，其輸出端可承受高達40V的電壓沖擊。圖 LM331 引腳圖LM331 各引腳功能說明如下：CO(1 腳)：電流輸出腳。RefC（2 腳）：基準電流腳。FO（3 腳）：脈沖序列輸出腳。GND（4 腳）：接地端。外接定時時間常數 RC。芯片內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。需要進行 V/F 轉換的電壓經過低通濾波后由此引腳輸入。可采用單、雙電源供電，輸入電壓 4~40V。 數據處理模塊 數據處理模塊的芯片選擇對于 LM331 輸出的頻率信號要經過單片機的數據處理，通過頻率與氣壓之間的關系計算出氣壓值。STC89C52 是一個低功耗，高性能 CMOS 8 位單片機片內含 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、非易失性存儲技術制造，兼容標準 MCS51 指令系統(tǒng)及 80C51 引腳結構，芯片內集成了通用的 8 位中央處理器和 ISP Flash 存儲單元。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 個數據指針，三個 16 位定時器/計數器，一個 6 向量 2 級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及時鐘電路?？臻e模式下，CPU 停止工作，允許 RAM、定時器/ 計數器、串口、中斷繼續(xù)工作。]6[本設計中，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。P0口： P0 口是一組8 位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數據總線復用口。在訪問外部數據存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉換地址（低8 位）和數據總線復用，在訪問期間激活內部上拉電阻。 對端口寫“1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。Flash 編程和程序校驗期間，P1 接收低8 位地址。P2口：P2 是一個帶有內部上拉電阻的8 位雙向I/O口，P2 的輸出緩沖級可驅動4 個TTL 邏輯門電路。在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數據存儲器（例如執(zhí)行MOVX DPTR 指令）時，P2口送出高8 位地址數據。Flash 編程或校驗時，P2 亦接收高位地址和其它控制信號。P3 口： P3 口是一組帶有內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。對 P3 口寫入“1”時，它們被內部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。P3 口除了作為一般的 I/O 口線外，更重要的用途是它的第二功能，如表 所示：表 P3口第二功能口線 功能描述 RXD 串行輸入口 TXD 串行輸出口 INT0 外部中斷 0 INT1 外部中斷 1 T0 計數器 0 外部輸入 T1 計數器 1 外部輸入 WR 外部數據存儲器寫選通 RD 外部數據存儲器讀選通當振蕩器工作時，RST 引腳出現兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。ALE/PROG：當訪問外部程序存儲器或數據存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。要注意的是：每當訪問外部數據存儲器時將跳過一個 ALE 脈沖。 如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的 8EH 單元的 DO 位置位，可禁止 ALE 操作。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應設置 ALE 無 。PSEN：程序儲存允許（ PSEN ）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當 AT89C51 由外部程序存儲器取指令（或數據）時，每個機器周期有兩次 PSEN ，即輸出兩個脈沖。 欲使 CPU 僅訪問外部程序存儲器（地址為 0000H—FFFFH），EA 端必須保持低電平（接地）。 如 EA 端為高電平 （接 VCC 端），CPU 則執(zhí)行內部程序存儲器中的指令。XTAL1 振蕩器反相放大器的及內部時鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2 振蕩器反相放大器的輸出端。Vcc 電源電壓 中斷可以提高 CPU 的工作效率，使 CPU 可以通過分時操作啟動多個外設同時工作，并能對他們進行統(tǒng)一的管理。采用中斷技術能實現以下的功能：(1) 分時操作。CPU 在啟動外設后，便繼續(xù)執(zhí)行主程序，而外設被啟動后，開始進行準備工作。外設在得到服務后，也繼續(xù)進行自己的工作。（2）實時處理。有了中斷系統(tǒng)，CPU 就可以立即響應并加以處理。計算機在運行時會出現一些故障，如電源斷電，存儲器奇偶校驗出錯，運算溢出等。STC89C52 的中斷系統(tǒng)包括六個中斷源，分別為：(1) INT0 — 外部中斷 0 請求，低電平有效，通過 引腳輸入。(3) T0 — 定時器/計數器 0 溢出中斷請求。(5) TX/RX — 串行口中斷請求。對中斷源的開放或屏蔽是由中斷允許寄存器 IE 控制的。三個定時器/ 計數器均可編程設定為定時模式和計數模式兩種，在這兩種模式下又均可設定四種工作方式，其控制和狀態(tài)均在相應的特殊功能寄存器中，通過對控制寄存器的編程，就可方便地選擇適當的工作方式。通過軟件寫入 TMOD 和 TCON 兩個 8 位寄存器來設置定時/計數器的操作模式和控制功能。TF0：T0 溢出標志位，其功能情況同 TF1 TR1：TI 運行控制位。其功能操作情況同 TR1IE1：外部中斷 1 的中斷請求標志IT1：外部中斷 1 的中斷觸發(fā)方式控制位IE：外部中斷 0 的中斷請求標志IT：外部中斷 0 的中斷觸發(fā)方式控制位 數據顯示模塊 顯示模塊的芯片選擇液晶顯示器簡稱 LCD 顯示器，它是利用液晶經過處理后能夠改變光線的傳輸方向的特性實現顯示信息的，液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內容豐富超薄輕巧等優(yōu)點，在單片機應用系統(tǒng)中得到日益廣泛的應用。前兩種能夠顯示數字、字符等，而圖形點陣式液晶顯示器還可以顯示漢字和任意圖形。LCD1602 可以顯示兩行，每行 16 個字符，采用+5V 電源供電，外圍電路配置簡單，價格便宜，具有很高的性價比。圖 LCD1602 實物圖LCD1602 的外圍引腳及作用：第 1 腳：VSS 為地電源；第 2 腳：VDD 接 5V 正電源；第 3 腳：V0 為液晶顯示器對比度調整端，接正極電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高，對比度過高時會產生“鬼影”，使用時可以通過一個 10K 的電位器調整對比度；第 4 腳：RS 為寄存器選擇，高電平時選擇數據寄存器，低電平時選擇指令寄存器；第 5 腳：RW 為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。1602 液晶顯示器內部的控制器共有 11 條控制指令，如表 所示：表 1602的內部指令表序號 指令內容 RS R/W D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D01 清顯示 0 0 0 0 0 0 0 0 0 12 光標返回 0 0 0 0 0 0 0 0 1 *3 置輸入模式 0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S4 顯示開/關控制 0 0 0 0 0 0 1 D C B5 光標或字符移位 0 0 0 0 0 1 S/C R/L * *6 置功能 0 0 0 0 1 DL N F * *7 置字符發(fā)生存貯器地址 0 0 0 1 字符發(fā)生存貯器地址8 置數據存貯器地址 0 0 1 顯示數據存貯器地址9 讀忙標志或地址 0 1 BF 計數器地址10 寫數到 CGRAM 或DDRAM） 1 0 要寫的數據內容11 從 CGRAM 或 DDRAM 讀數 1 1 讀出的數據內容 電源電路模塊 電源模塊的芯片選擇由于數據轉換模塊中核心器件 LM331 工作于+15V，但是單片機、MPX4105 等其他芯片需要+5V供電，因此還需要設計專門的供電電路以滿足整個系統(tǒng)的電源需求。電源電路如圖 所示：圖 電源模塊原理圖 芯片 78L05 原理MC78L05 具有內部短路電路限制和熱過載保護功能的特點，輸入電壓范圍為 —24V，輸出+5V 固定電壓。圖 三端穩(wěn)壓器實物引腳說明如表 所示：表 引腳說明1 2 3INPUT GND OUTPUT最大額定值如表 所示:表 最大額定值參數 符號 額定值 單位功耗 P W輸入電壓 VIN 18 V封裝熱阻抗 ?JA 150（TO92 ） ℃/W烙鐵焊接溫度（10 秒） TLEAD 260 ℃工作溫度范圍 TJ 0to+125 ℃存儲溫度 TSTG 65to+150 ℃靜電防護 VESD KV 總體電路及電路原理圖 氣壓傳感器電路和 V/F 轉換電路的原理圖 氣壓傳感電路和 V/F 轉換電路原理圖氣壓傳感電路和V/，其中U3 為氣壓傳感器芯片MPX4115，工作電壓+5V ，將被測氣壓轉換為輸出電壓（對應圖中網絡標號為Vin），送至V/F 轉換電路。U2 為V/F 轉換芯片 LM331，工作電壓+15V，在此電路中，電壓Vin 和輸出脈沖FO 的頻率fo 的轉換關系滿足公式（32 ）。氣壓的變化引起 Vin 的變化，而 Vin 在滿刻度輸出電壓間距 V 內變化，V 典型值為FSFS，所以 Vin 變化范圍很小，那么根據 fo=KVin 的關系式，必須增大 K 值，才能提高測量的精度。因此，K 值的選取還要考慮到計數器的計數范圍。]7[圖 中，Cin 和 Rin 構成低通濾波器，濾除輸入電壓信號中的干擾脈沖。f?Lf? 單片機及顯示電路的原理圖 單片機及顯示電路原理圖 所示。U1 的P0 口和P2 口是和液晶顯示電路的接口 。 用 C 語言開發(fā)單片機的優(yōu)勢C 語言是一種編譯型的結構化