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1 引言 氣壓計(jì)是利用壓敏元件將待測(cè)氣壓直接變換為容易檢測(cè)､傳輸?shù)?a href="http://m.qingdxww.cn/keyword/電流" target="_blank" class="relatedlink">電流或電壓信號(hào),然后再經(jīng)過(guò)后續(xù)電路處理并進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示的一種設(shè)備｡其中的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(cè)量等方面起著重要作用｡運(yùn)用于氣壓計(jì)的氣壓傳感器基本都是依靠不同高度時(shí)的氣壓變化來(lái)獲取氣壓值的｡ 氣象學(xué)研究表明,在垂直方向上氣壓隨高度增加而降低｡例如在低層,每上升100m氣壓便降低10hPa;在5~6km的高空,高度每增加100m,氣壓便會(huì)降低7hPa;而當(dāng)高度進(jìn)一步增加時(shí),即到9~10km的高空之后,高度每增加100m,氣壓便會(huì)降低5hPa;同樣,若空氣中有下降氣流時(shí),氣壓會(huì)增加;若空氣中有上升氣流時(shí),作用于空氣柱底部的氣壓就會(huì)減小｡一般把作用于單位面積上空氣柱的重量稱為大氣壓力｡ 2 氣壓計(jì)的結(jié)構(gòu) 本文研究的氣壓計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示｡其中氣壓傳感器用來(lái)將被測(cè)氣壓轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào);用V/F轉(zhuǎn)換器則可把氣壓傳感器輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成具有一定頻率的脈沖信號(hào);以便用單片機(jī)接收該脈沖信號(hào),并根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)得到的脈沖數(shù),依據(jù)電壓與頻率的線性關(guān)系式計(jì)算出所對(duì)應(yīng)的氣壓值,最后在單片機(jī)控制下由LED顯示出來(lái)｡ 本氣壓計(jì)能夠在氣壓傳感器的線性范圍內(nèi)準(zhǔn)確測(cè)量相應(yīng)氣壓值｡需要說(shuō)明的是,其測(cè)量值是絕對(duì)氣壓值｡本文研究的氣壓計(jì)的技術(shù)指標(biāo)如下: ●測(cè)量范圍:300hPa~1050hPa; ●測(cè)量精度:0.1%FS(20℃); ●顯示精度:0.1%,由4個(gè)8段LED顯示實(shí)現(xiàn); ●工作溫度范圍:0~85℃; ●電源電壓:9V｡ 3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 在系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程中,需要考慮穩(wěn)定性､復(fù)雜程度､造價(jià)和調(diào)試的難易程度等因素｡圖1所示框圖中的每一部分就是一個(gè)單元電路,可完成各自的功能｡模塊之間沒(méi)有復(fù)雜的信號(hào)傳輸,且干擾很少,因而系統(tǒng)整體比較穩(wěn)定｡ 3.1 氣壓傳感器 氣壓傳感器在氣壓計(jì)中占據(jù)核心位置｡設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)測(cè)量精度､測(cè)量范圍､溫度補(bǔ)償､測(cè)量絕對(duì)氣壓值等幾個(gè)性能指標(biāo)來(lái)選取氣壓傳感器｡ 由于該氣壓計(jì)顯示的是絕對(duì)氣壓值,因而需要選取測(cè)量絕對(duì)氣壓值的氣壓傳感器｡同時(shí)為了簡(jiǎn)化電路,提高穩(wěn)定性和抗干擾能力,要求該氣壓傳感器應(yīng)帶有溫度補(bǔ)償｡ 為此,筆者選用Motorola的MAX4100A氣壓傳感器來(lái)測(cè)量絕對(duì)氣壓值｡該傳感器的溫度補(bǔ)償范圍為-40~+125℃;壓力范圍為20kPa~1050kPa;輸出電壓信號(hào)(Vs=5.0V)范圍為0.3~4.65V;測(cè)量精度為0.1%VFSS,同時(shí)在20kPa~1050kPa時(shí)具有良好的線性,具體輸出關(guān)系如下: Vout=Vs(0.01059 P-0.1528)%26;#177;Error 式中,Vs是工作電壓, P是大氣壓值,Vout為輸出電壓｡ 3.2 V/F變換 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串｡雖然V/F本身還不能算做量化器,但加上定時(shí)器與計(jì)數(shù)器以后也可以實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換｡它的突出特點(diǎn)就是把模擬電壓轉(zhuǎn)換成抗干擾能力強(qiáng),可遠(yuǎn)距離傳送并能直接輸入計(jì)算機(jī)的脈沖串,從而通過(guò)測(cè)量V/F的輸出頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換功能｡ 考慮到外圍電路實(shí)現(xiàn)的難易程度和相應(yīng)的性能指標(biāo),筆者選用了LM331電壓/頻率轉(zhuǎn)換芯片｡該器件使用了溫度補(bǔ)償能隙基準(zhǔn)電路,因而具有極佳的溫度穩(wěn)定性,最大溫漂為50ppm/℃,同時(shí)該器件的脈沖輸出可與任何邏輯形式兼容;LM331可單､雙電源供電,電壓范圍為5~40V;滿量程范圍1Hz~100kHz;最大非線性誤差為0.01%｡圖2所示是該系統(tǒng)中LM331的外圍電路｡在該電路中,基于LM331的壓頻轉(zhuǎn)換關(guān)系為: fo=K Vi 其中,K=Rs/(2.09 Rt Ct RL) , Rs=Rs1+Rs2 實(shí)際上,電路中的Rs主要用于調(diào)節(jié)電路的轉(zhuǎn)換增益Rt, Ct,RL的典型值分別為6.8kΩ､0.01pF和100kΩ,K值則可由設(shè)計(jì)者自己決定｡該設(shè)計(jì)中,取K=2000,Rs=28.424 kΩ主要是考慮到單片機(jī)部分使用測(cè)頻率法來(lái)測(cè)fo能夠保證頻率信號(hào)的測(cè)量精度｡由于Rs､RL､Rt和電容Ct會(huì)直接影響fo的轉(zhuǎn)換結(jié)果｡因此,對(duì)這些元件的參數(shù)有一定的要求,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)換精度適當(dāng)選擇｡電容CL對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果雖然沒(méi)有直接影響,但是應(yīng)選擇漏電流小的電容器｡用電阻R1, 電容C1組成低通濾波器,可減少輸入電壓中的干擾脈沖,提高轉(zhuǎn)換精度｡ 3.3 單片機(jī) 本氣壓計(jì)實(shí)現(xiàn)方案需使用單片機(jī)的P1口和P3口的一部分以及一個(gè)中斷源､一個(gè)定時(shí)器和一個(gè)計(jì)數(shù)器｡因此,筆者選用了ATMEL的AT89C2051單片機(jī),該器件與89C51兼容,具有2kB的可重復(fù)編程閃存,2.7V~6V的工作電壓范圍,128Byte的內(nèi)部RAM以及兩個(gè)I/O口(P1,P3)､2個(gè)16位的計(jì)數(shù)器/定時(shí)器和6個(gè)中斷源,并可直接驅(qū)動(dòng)LED輸出,同時(shí)帶有可編程的串行通訊口｡另外,該單片機(jī)還具有體積小,價(jià)格低等特點(diǎn)｡ 3.4 LED顯示 單個(gè)LED是由7段發(fā)光二極管構(gòu)成的顯示單元｡有10個(gè)引腳,對(duì)應(yīng)于7個(gè)段､一個(gè)小數(shù)點(diǎn)和兩個(gè)公共端｡在顯示電路中,這些發(fā)光二極管有兩種接法:共陽(yáng)極接法和共陰極接法｡本設(shè)計(jì)中需要用4個(gè)LED組成顯示單元,并采用動(dòng)態(tài)顯示方式｡ 由于使用4個(gè)單個(gè)LED進(jìn)行顯示的連線比較復(fù)雜,同時(shí)單片機(jī)的端口驅(qū)動(dòng)能力也難以保證,而需要加入專門(mén)的驅(qū)動(dòng)芯片｡所以,筆者采用了4個(gè)LED連體的､內(nèi)部已將其相應(yīng)段接好的共陽(yáng)極LED,它具有12個(gè)引腳,含7個(gè)段和4個(gè)公共端,為提高數(shù)碼管的亮度,可在位選線上加入一個(gè)三極管驅(qū)動(dòng)電路｡ 由AT89C2051控制的顯示電路如圖3所示｡該顯示電路需要選取合適的電阻R和Ra,才能保證LED的亮度,過(guò)大或者過(guò)小都無(wú)法讓LED正常顯示｡設(shè)計(jì)時(shí)取R為4.7kΩRa為510Ω比較理想｡若考慮印制板布線的方便,可以采用貼片電阻和排阻來(lái)節(jié)省空間｡另外,也可以用74LS244和74LS06構(gòu)成驅(qū)動(dòng)顯示電路,但這樣同樣要加限流電阻｡因?yàn)?4LS06是開(kāi)漏器件,需要在輸出處加上拉電阻｡ 4 軟件實(shí)現(xiàn) 通過(guò)以上設(shè)計(jì),便可通過(guò)fo來(lái)計(jì)算P的大小以得到實(shí)時(shí)的氣壓值｡硬件電路設(shè)計(jì)完成之后,可使用AEDK5196PH仿真器的仿真環(huán)境進(jìn)行仿真,并可用C51語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)處理程序｡其基本程序流程如圖4所示｡ 程序設(shè)定:T0為定時(shí)器,基本的定時(shí)時(shí)基為50ms｡T1為計(jì)數(shù)器,運(yùn)用內(nèi)部中斷0可保證T0定時(shí)滿500 ms后就讀取此時(shí)計(jì)數(shù)器的值,以計(jì)算氣壓值｡如使T1､T0均工作于方式1,并在P1口送字型碼,同時(shí)可用P3.0~P3.3做位選線,那么,其相應(yīng)的函數(shù)如下: (1)定時(shí)器T0中斷函數(shù): void timer0(void) interrupt 1 using 1 {uint x, y; uint count_ pluse; ET0=0; //關(guān)閉T/C0中斷 Tcount++; //中斷次數(shù) if Tcount == 10){ TR1=0; //停止計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù) Tcount=0; x=TH1; y=TL1; count_pulse=(x*256+y)*2; ph=(uint)(10 * ((float)(count pulse+1520)/105.9 //計(jì)算氣壓值 TH1 = 0x00; //重設(shè)計(jì)數(shù)初值 TL1=0x00; } TH0 = -50000/256; //重設(shè)50ms初值 TL0 = -50000%256; if(TL0!= 0) TH0--; ET0=1; TR1=1; return; } 該中斷函數(shù)主要用于完成脈沖的讀取和氣壓值的計(jì)算｡ph是個(gè)全局變量,可用來(lái)保存氣壓值｡ (2)在顯示函數(shù)里,將氣壓值先按位進(jìn)行分離并保存到數(shù)組,然后送段碼和相應(yīng)位選就可以顯示出相應(yīng)的氣壓值了｡具體程序如下: void display(uint ph_in) { uchar i=0; uchar j=0; uchar select_bit=0; //位選 do { cur_buf[ i]=ph_in%10; i++; j=i; }while(ph_in=ph_in/10); //當(dāng)高位為零時(shí)結(jié)束循環(huán) i=0; select_bit=0xfe; do { P1=tab[*p]; P3=select_bit; dl_ms(); select_bit=(select bit<<1)+1; //從最右邊一位開(kāi)始顯示,循環(huán)左移 p++; i++; }while(i return;} 這樣,在主程序中,只要在程序第一次運(yùn)行時(shí)進(jìn)行初始化,然后再循環(huán)調(diào)用顯示函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示功能｡ 5 結(jié)束語(yǔ) 筆者曾用純硬件電路設(shè)計(jì)過(guò)氣壓計(jì)｡實(shí)踐表明,由于受溫度的影響及硬件參數(shù)的限制,實(shí)時(shí)顯示時(shí)穩(wěn)定性較差,并且精確度不高｡而改用V/F變換信號(hào)及編程的方法實(shí)現(xiàn)該測(cè)量則完全克服了上述缺點(diǎn)｡結(jié)果表明:該方法具有精度高､穩(wěn)定性好､功能易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn),可為儀器及電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供一種新的思路｡ |
