基于单片机的气压检测装置的设计

基于单片机的大气压检测系统的设计摘要：本系统是以MCS-51单片机为检测中心的大气压检测系统。其总体设计是围绕低成本、模块化、微型化的特点展开的。在硬件选择方面,选择性价比高的AT89系列单片机、MPX4115压力传感器、ADC0832模数转换器、四位一体共阳七段式数码管显示器；在软件方面,采用了功能模块化;源程序由C语言编写，经过KeilμVision软件编译，将hex文件烧录到芯片中。为了降低整个系统的成本,在满足性能要求的前提下,选择低成本元器件,简化系统设计。同时，抗干扰能力强、微型化、微功耗等特点。关键词：大气压检测；MPX4115；ADC0832；C语言程序引言近年来，随着微型计算机的不断发展，它的应用在人们的工作和日常生活中越来越普遍。工业过程控制是计算机的一个重要应用领域。其中由单片机构成的嵌入式系统已经越来越受到人们的关注。随着科学技术的迅猛发展，生产力水平迅速提升，单片机性能不断提高，价格不断降低，技术日趋成熟，单片机广泛的应用于人们生活的多个领域，这些东西都离不开单片机，例如导弹的导航装置，工业自动化过程的实时控制和数据处理，计算机的数据传输以及网络通讯，各种智能IC卡、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及电子琴、电子宠物等等，而基于单片机的大气压检测装置也是这类采用了单片机的电子产品。若使用数字电路完成该设计，那么所设计的电路就会变得十分复杂，大概需要很多片数字集成块，它的功能的实现主要是依赖于数字电路的各个功能模块的组合，价格相对来说比较高，从而成本会提高，并且焊接的过程也比较复杂。在本次设计中之所以采用单片机制作，是因为单片机功能的实现主要是通过软件编程来完成的，同时也使硬件电路简单化，并且其成本也有所降低。本次设计的压力检测装置是通过压力传感器将检测到的压力信号装换为电信号，送至8位A/D转换器，然后将模拟信号转换成单片机可以识别的数字信号，再通过数码管显示输出。基于单片机的压力检测装置，选择的单片机是基于AT89S52单片机的测量与显示，将压力经过压力传感器变为电信号，然后进入A/D转换器将模拟量装换为数字量，这里所采用的A/D转换器为ADC0832，ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨率可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0-5V之间。芯片转换时间仅为32s，具有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性强。1大气压检测技术简介1.1大气压的概念及其研究意义地球周围包着一层厚厚的空气，它主要是由氮气、氧气、二氧化碳相关试验、水蒸气和氦、氖、氩等气体混合组成的，通常把这层空气的整体称之为大气。它上疏下密地分布在地球的周围，总厚度达1000千米，所有浸在大气里的物体都要受到大气作用于它的压强，就像浸在水中的物体都要受到水的压强一样。大气压的变化跟压强和压力的变化注意区别。大气压（通常指大气压强和大气压力）是从宏观来论述，压强和压力是从微观来讲。因而在理解上我们要注意区分不要搞混淆。一般来讲：海拔越高，大气压越小；温度越高，大气压越小；空气越干，大气压越大；纬度越高，大气压越大。1.2压力传感器的分类及特点压力传感器是压力检测系统中的重要组成部分，由各种压力敏感元件将被测压力信号转换成容易测量的电信号作为输出，给显示仪表显示压力值，或供控制和报警使用。科学技术的不断发展极大地丰富了压力测量产品的种类，现在，传感器的敏感原理不仅有电容式、压阻式、金属应变式、霍尔式、振筒式等等但仍以电容式、压阻式和金属应变式传感器最为多见。（1）电容式压力传感器电容式压力传感器，是一种可以利用电容敏感的原件把被测量的压力转换成为跟它有一定的关系的电信号输出的精密测量仪器。它一般是使用圆形金属薄膜或镀金属薄膜来做电容器的其中一个电极。在薄膜感受到压力的时候，它就会变形的，此时薄膜跟固定的电极间所产生的电容量就会发生改变。测量电路就可以输出跟电压形成一定的关系的电信号。电容式压力传感器是极距变化型的电容式传感器,有单电容式和差动电容式之分。单电容式压力传感器它是由圆形的薄膜和固定的电极组成的。当受到压力作用的时候，薄膜就会发生变形，这样就会改变电容器的容量。它的灵敏度大概是跟薄膜与固定的电极之间的距离和薄膜的张力成反比关系的；而跟压力和薄膜的面积成正比关系的。有另外的一种型式，它是跟固定电极取凹形球面状的，而膜片是周围边缘的固定的张紧的平面，膜片能够使用塑料接着镀上金属层的这个方法制造而成的。这一种型式比较适合于测量低压这个工作条件的，它有比较高的过载能力。当然，要测量高压工作条件的话，可使用带有活塞动极膜片制造而成的单电容式压力传感器。这一种型式的传感器可以把膜片的直接的受压面积变小，这样就方便使用比较薄的膜片以致来提高它的灵敏度。把它与各种的保护和补偿部还有放大电路的整体整合在一起，就会提高抗干扰能力。差动电容式压力传感器其受压膜片电极是处于两个固定的电极之间的，可以形成两个电容器。当受到压力的作用的时候，其中一个电容器的容量就会变大，而另一个电容器的容量就会相应地变小，而测量的结果是由差动式的电路输出的。此传感器的固定的电极是由在凹而曲的玻璃的表层上面镀上金属层而制造出来的。当过载的时候，膜片就会受到凹面的保护，所以，它是不会破裂的。相对于单电容式压力传感器来说，它的线性度较好，灵敏度也较高，但是在加工方面就比较困难了，并且它不可以完成对被测的液体或者是气体的隔离，所以，它不适合使用在有杂质的或者是有腐蚀性的流体之中。（2）金属应变片式压力传感器电阻应变片是由金属应变丝或者应变箔、基体材料、引出线以及绝缘保护片等部分组成。电阻应变片的阻值根据不同的用途可按需设计，但是电阻的取值范围应该需要注意：如果阻值太小，所需要的驱动电流就会太大，并且应变片会发热导致自身的温度过高，应变片的阻值会因使用环境不同而变化很大，调零电路过于复杂，会有很明显的输出零点漂移。但是如果电阻太大，阻抗太高，那么它在抗外界的电磁干扰的能力方面就会显得比较差。金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，通常称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可以用下面的式子进行表示：SLR式中：——金属导体的电阻率(mcm2.)L——导体的长度(m)S——导体的截面积(2cm)例如金属丝应变电阻，当金属丝受到外力作用的时候，它的截面积和长度都会发生一些变化，从上述公式中能够看出，它的电阻值就会发生相应的改变，或金属丝受到外力作用而发生压缩时，其长度就会减小而截面积就会增加，那么电阻值从而会相应减小。或金属丝受到外力作用而使其伸长时，它的长度就会增加而截面积就会减少，那么电阻值就会增大。若要获得应变金属丝的应变情况那么只要测出加在电阻的变化，通常是测量电阻两端的电压[1]。（3）压阻式压力传感器压阻式压力传感器通常采用集成电路工艺技术制作，在硅片上制造出四个等值的薄膜电阻并组成电桥电路，当没有受到压力作用的时候，电桥就会处于平衡状态，没有电压输出;当受到压力作用的时候，单晶硅就会产生应变，使直接扩散在上面的应变电阻产生与被测压力成比例的变化，再由桥式电路获得相应的电压输出信号。并且电桥就会失去平衡从而输出电压，且输出的电压与压力成比例[1]。压阻式压力传感器具有以下特点:①压阻式压力传感器的灵敏系数要比金属应变式压力传感器的灵敏度系数要大很多，一般是50-100倍。有的时候压阻式压力传感器的输出不需要放大器就可以直接进行测量。本设计就是应用了此类型的压力传感器。②压力分辨率高，它可以检测出像血压那么小的微压。③由于它是采用集成电路工艺加工，因而结构尺寸小，重量轻、结构简单。④它的频率响应非常好，它可以测量几十千赫兹的脉动压力。⑤传感器的力敏元件及检测元件制在同一块硅片上，所以它工作可靠，综合精度高，且使用寿命长。⑥由于采用半导体材料硅制作，传感器对温度比较敏感，如不采用温度补偿，其温度误差较大。1.3发展趋势现代信息技术的三大基础是信息采集（即传感器技术）、信息传输（通信技术）和信息处理（计算机技术）。传感器属于信息技术的前沿尖端产品，随着硅、微机械加工技术、超大集成电路技术和材料制备与特性研究工作的进展,使得压力传感器在光纤传感器的批量生产、高温硅压阻及压电结传感器的应用成为可能,在生物医学、微型机械等领域,压力传感器有着广泛的应用前景[2]。2基于单片机的大气压检测系统的硬件设计2.1大气压检测系统的原理本次设计是以AT89S52单片机组成的气压测量，系统中必须有前向通道作为电信号的输入通道，用来采集输入信息。气压的测量，需要传感器，利用传感器将压力转换成电信号后，再经A/D转换为数字量后才能由计算机进行有效处理。然后用LED进行显示，设置气压上下限，超过其压力值就报警。使用三极管，电阻和蜂鸣器组成的报警电路。其原理图如图1所示：图1压力检测系统的原理图2.2主电路的设计（1）主电路本气压检测系统装置微处理器采用AT89S52单片机，压力传感器为MPX4115，ADC0832模数转换器进行数据转换，采用单片机直接驱动四位一体共阳七段式数码管进行压力数据的显示。并且系统气压范围为15kpa--110kpa，如果超过气压设置的上下限，系统就会报警。硬件电路原理图如图2所示:气压传感器报警电路A/D转换器AT89S52单片机复位电路数码管显示图2硬件电路原理图（2）MPX4115管脚连接电路图3MPX4115管脚连接图MPX4115气压传感器的1脚接ADC0832的CH0端，2脚接地，3脚接电源。另接一个电压表，作为参考。（3）LED数码管显示电路图4LED数码管显示电路（4）报警电路系统中的报警电路是由三极管、蜂鸣器、和限流电阻组成，并与单片机P1.4相连，其电路图如下：图5报警电路（5）复位电路图6复位电路2.3压力传感器（1）压力传感器的选择压力传感器对于系统至关重要，需要综合实际的需求和各类压力传感器的性能参数加以选择。一般要选用有温度补偿作用的压力传感器，因为温度补偿特性可以克服半导体压力传感器件存在的温度漂移问题。本设计要实现的数字压力显示的是绝对压力值，同时为了简化电路，提高稳定性和抗干扰能力，要求使用具有温度补偿能力的压力传感器。经过综合考虑，本设计选用美国摩托罗拉公司的集成压力传感器,MPX4115压力传感器可以产生高精度模拟输出电压，并且内部含有放大电路，不需要另外加放大电路。（2）压力传感器MPX4115的原理[3]MPX4115系列是压电电阻传感器是一个硅压力传感器。这个传感器结合了高级的微电子技术，薄膜镀金属。还能为高水准模拟输出信号提供一个均衡压力。在0℃-85℃的温度下误差不超过1.5%，温度补偿是-40℃-125℃。小的外形和片上集成的高可靠性，使得它很受欢迎[3]。它的实物如下图所示：图7MPX4115的实物图①压力压传感器MPX4115的管脚说明如表1所示：表1压力传感器MPX4115的管脚说明123456VOUTGNDVSN/SN/SN/SRST②压力传感器MPX4114的特性参数如表2所示：表2压力传感器MPX4115的特性参数2.4A/D转换器模拟量输入通道的任务是将模拟量转换成数字量。能够完成这一任务的器件称为模数转换器，简称A/D转换器。（1）A/D转换器的选择目前单片机在电子产品中已经得到广泛应用，许多类型的单片机内部已带有A/D转换电路，但此类单片机会比无A/D转换功能的单片机在价格上高出很多，我们采用一个普通的单片机加上一个A/D转换器，实现A/D转换功能，可以选择ADC0832、ADC0809等；串行和并行接口模式是A/D转换器诸多分类中得一种，但是却是应用中器件选择的一个重要指标。对A/D转换器的选择我们通过比较ADC0809和ADC0832来决定。这两个转换器都是常见的A/D转换器，其中ADC0809是并行接口A/D转换器，ADC0832是串行接口A/D转换器。本设计选择的是ADC0832，A/D转换在单片机接口中应用广泛，串行A/D转换器具有功耗低、性价