学号：10446435常州大学毕业设计（论文）开题报告（2014届）题目基于单片机的数字气压计设计学生周亮学院常州大学怀德学院专业班级电子102校内指导教师屈霞专业技术职务副教授校外指导老师专业技术职务二○一四年十月题目：基于单片机的数字气压计设计一、前言1．课题研究的背景，国内外研究现状和意义气压计是利用压敏元件将待测气压直接变换为容易检测、传输的电流或电压信号，然后再经过后续电路处理并进行实时显示的一种设备。
其中的核心元件就是气压传感器，它在监视压力大小、控制压力变化以及物理参量的测量等方面起着重要作用。
运用于气压计的气压传感器基本都是依靠不同高度时的气压变化来获取气压值的。
随着科技的飞速发展原始的气压计已经不能满足于日益精确的各种测量仪器的需求，于是数字式气压计便产生了。
数字气压计能准确的测量当地的绝对压力值。
具有精度高、灵敏性强、结构牢固等特点。
整台仪器重量轻，便于携带，不怕一般振动及碰撞，性能稳定可靠。
研究的意义：卫星导航技术的飞速发展已逐渐取代了无线电导航、天文导航等传统导航技术，成为一种普遍采用的导航定位技术，并在精度、实时性、全天候作业等方面取得了长足进步[3]。
现在不仅应用于物理勘探、电离层测量和航天器导航等诸多民用领域，在军事领域更是取得了广泛的应用。
在弹道导弹、野战指挥系统、精确弹道测量以及军用地图快速测绘等领域均大量采用了卫星导航定位技术。
鉴于卫星导航技术在民用和军事领域的重要意义，得到了许多国家的关注。
国内外研究现状：常见气压计有液体气压计和盒式气压计。
飞机上使用的高度计实际上是用盒式气压计改装成的。
常见的液体气压计有水银气压计和酒精气压计2种，这2种都是老式的气压计，体积大，精度低，不方便携带且容易坏，当今社会科技高速发展，各行各业不断出现新技术新材料，气压测量这块也是这样，盒式气压计的出现部分的解决了液体气压计所无法解决的缺点，比如体积、方便携带等等。
人类社会进入20世纪90年代以后微电子行业发展极为迅速，各种各样的电子传感器被发明且被运用到各行各业，为人们的生产生活创造了极大的便利。
数字气压传感器亦已出现，并大量被运用，甚至现在很多手持设备中都已经加入了气压计功能，比如手机，GPS 等，方便了人们的出行旅游。
目前国际国内很多公司都推出了其数字气压传感器，如摩托罗拉公司的MPX4105和Intersema公司的MS5534b另外还有华普微电子的HP03系列数字气压传感器。
众多数字气压传感器的出现使得多样化的数字化气压测量装置、用品大量出现，并越来越普及，精度也越来越高。
数字气压计一般不会只有测量气压一种功能，一般都有其他的功能，比如测温度、指南针、码表等等的功能。
气压传感器和微电子控制器的结合，可以创造出很多应用，可以说只要能有好的想法，一般都可以实现，气压计已经由以前的只有专业场合专业人士才能使用的测量器具变成今天的随处可见，方便使用的电子产品，并集成到众多的电子产品中，都归功于电子行业技术发展和很多有创新精神开发者。
意义：本课题是要设计一个利用微控制和数字化气压传感器为核心元件组成的电子气压计系统。
微控制和数字化气压传感器的结合可以使得气压计的设计更具灵活性，测量精度相对于液体气压计也有了显著提高。
测量结果的显示也更直观，并可灵活的加入超压、低压报警等特殊功能，以满足某些特定需要。
通过本次设计也较好的锻炼了本人的动手能力，为将来的工作打下了一定的基础，同时可以充分利用课堂所学知识进行本课题的设计，在运用这些知识的过程中，加深了对这些知识的理解。
由原先的机械记忆变为领会本质。
2．课题的研究目标、内容和相关理论综述目标：设计基于单片机的数字气压计。
内容：系统分为采集部分、数据处理部分、显示部分这三大部分。
采集部分应采用集成传感器来采集大气压力信号。
数据处理部分使用A/D芯片实现将模拟信号转变为数字信号，然后经由单片机处理输出到LCD显示部分。
要求：(1)测量范围：300hPa~1100hPa(2)测量精度：0.1%FS（20℃）。
(3)工作温度范围：0~85℃。
(4)电源电压：5V。
相关理论综述：在设计电子气压计之前首先要搞清楚气压的定义。
气压是作用在单位面积上的大气压力，即等于单位面积上向上延伸到大气上界的垂直空气柱的重量。
气压以百帕（hPa）为单位，取一位小数。
国际制单位：帕斯卡，简称帕，符号是Pa。
常用单位：标准大气压。
表示气压的单位，习惯上常用水银柱高度。
例如，一个标准大气压等于760毫米高的水银柱的重量，它相当于一平方厘米面积上承受1.0336公斤重的大气压力。
由于各国所用的重量和长度单位不同，因而气压单位也不统一，这不便于对全球的气压进行比较分析。
因此，国际上统一规定用＂百帕＂作为气压单位。
经过换算：一个标准大气压＝1013百帕（毫巴）1毫米水银(汞柱）柱高＝4/3百帕（毫巴）1个标准大气压＝760mm水银(汞柱）柱高。
气压产生的原因：从分子动理论可知，气体的压强是大量分子频繁地碰撞容器壁而产生的。
单个分子对容器壁的碰撞时间极短，作用是不连续的，但大量分子频繁的碰撞器壁，对器壁的作用力是持续的、均匀的，这个压力与器壁面积的比值就是压强大小。
影响压强的因素：气压的大小与海拔高度、大气温度、大气密度等有关，一般随高度升高按指数律递减。
气压有日变化和年变化。
一年之中，冬季比夏季气压高。
一天中，气压有一个最高值、一个最低值，分别出现在9～10时和15～16时，还有一个次高值和一个次低值，分别出现在21～22时和3～4时。
气压日变化幅度较小，一般为0.1～0.4千帕，并随纬度增高而减小。
气压变化与风、天气的好坏等关系密切，因而是重要气象因子。
通常所用的气压单位有帕(Pa)、毫米水银柱高(mm·Hg)、毫巴(mb)。
它们之间的换算关系为：100帕＝1毫巴≈3／4毫米水银柱高。
气象观测中常用的测量气压的仪器有水银气压表、空盒气压表、气压计。
温度为0℃时760毫米垂直水银柱高的压力,标准大气压最先由意大利科学家托里拆利测出。
3.气压传感器的选择气压传感器对于数字气压计设计的实现至关重要，需要综合实际的需求和各类气压传感器的性能参数加以选择。
气压传感器的主要性能参数如下。
·测量范围即所能测量的大气压力范围，单位为kPa。
·测量精度测量结果（电流或电压）的精度。
·温度补偿范围一般要选用具有温度补偿能力的气压传感器，因为温度补偿特性可以克服半导体压力敏感器件存在的温度漂移问题。
·测量的是否是绝对气压值绝对气压值对应的即是实际的气压值，显然要实现数字气压计需要测量绝对气压值的气压传感器。
数字气压计显示的是绝对气压值，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气压传感器[7]。
经过综合考虑，我们选用美国摩托罗拉公司的集成压力传感器芯片MPX4105作为气压传感器。
MPX4105可以产生于所加气压呈线性关系的高精度模拟输出电压，它具有以下特点：·供电范围：4.85~5.35V，典型值为5.1V。
·测量范围：15~105kPa。
·工作温度范围：0~85℃。
·温度补偿范围：-40~+125℃。
·测量精度为±1.7%VFSS。
·最低气压对应的输出电压VOFF为0.184~0.428V，典型值为0.306V；最高气压对应的输出电压VOFF为4.804~4.988V，典型值为4.896V；满刻度输出电压间距VFSS 的典型值为4.590V。
·理想的微处理器接口。
4.A/D转换器件的选择气压传感器MPX4105输出的是模拟电压，因此，必须进行A/D转换才能交由单片机处理。
关于A/D转换，其模块的特点是：转换分辨率为10位，最多含8个输入通道和一部温度传感器。
我采用一种电压/频率（V/F）转换电路来实现模拟电压的数字化处理。
V/F转换电路由V/F器件实现。
V/F器件的作用是将输入电压的幅值转换成频率与输入电压幅值成正比的脉冲序列，虽然V/F器件本身还不能算做量化器，但加上定时器与计数器以后也可以实现A/D转换。
V/F器件的突出特点就是它能够把模拟电压转换成抗干扰能力强、可远距离传送并能直接输入单片机接口的脉冲序列。
通过测试V/F 的输出频率。
可以实现A/D转换功能。
针对电路的实际需要，并考虑到外围电路实现的难易程度和相应的性能指标，我选用国家半导体公司的芯片LM331来实现A/D转换。
LM331是一款高精度电压/频率转换芯片，它具有以下特点：·最大非线性误差为0.01%。
·可单、双电源供电，电压范围为5~40V。
·脉冲输出可兼容任何逻辑形式。
·内部具有温度补偿能隙基准电路，因而具有极佳的温度稳定性，最大温漂为±50ppm/℃。
·宽的满量程频率范围：1Hz~100KHz。
5.三端稳压器本设计中的LM331工作电源采用+15V，但是单片机、MPX4105等其他芯片需要+5V供电，因此还需要设计专门的供电电路以满足整个系统的电源需求。
选用摩托罗拉公司的三端低电流线性稳压芯片MC78L05作为电源电路。
其输入电压范围：2.6~24V，输出+5V固定电压；具有内部短路电路限制和热过载保护功能，无需外部元器件。
6.数码管显示6.1数码管静态显示当显示器显示某一个字符时，相应的发光二极管恒定的导通或截止，这种显示方式每一位都需要一个8位输出口控制。
静态显示时，较小的电流能得到较高的亮度且字符不闪烁，当显示器位数较少时，采用静态显示的方法是合适的。
6.2数码管动态显示一位一位地轮流点亮显示器各个位，对于显示器的某一位来说，每隔一段时间点亮一次。
利用人的视觉暂留功能可以看到整个显示，但必须保证扫描速度足够快，字符才不闪烁。
显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。
若显示器的位数不大于8，则控制显示器公共极电位只需一个I/O口，控制显示器的各位所显示的字型也只需一个8位口。
单个LED是由７段发光二极管构成的显示单元。
有10个引脚，对应于７个段、1个小数点和2个公共端[9]。
本设计中需要用5个LED组成显示单元，共阴极接法，所以我们采用数码管动态显示。
7.系统配置我们以AT89C52单片机为整个系统的核心，通过气压传感器对气压信号的采集、控制、放大等处理完成气压参数的自动获取，以及进行数字显示等等。
在此过程中需要利用AT89C52单片机内部的定时器对其进行度量，再使用软件模块对其进行处理，即得到了A/D转换的结果。
进行多次A/D转换后，我们就可以采集到一脉冲序列的数据，对这些数据进行适当的处理，最后通过数码管显示电路显示给用户，进而达到了我们对整个系统设计的基本要求。
