基于51單片機控制的數(shù)字氣壓計設(shè)計與實現(xiàn)

１　引言

氣壓計是利用壓敏元件將待測氣壓直接變換為容易檢測、傳輸?shù)碾娏骰螂妷盒盘?，然后再?jīng)過后續(xù)電路處理并進行實時顯示的一種設(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量等方面起著重要作用。運用于氣壓計的氣壓傳感器基本都是依靠不同高度時的氣壓變化來獲取氣壓值的。

氣象學研究表明，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，氣壓便會降低７ｈＰａ；而當高度進一步增加時，即到９～１０ｋｍ的高空之后，高度每增加１００ｍ，氣壓便會降低５ｈＰａ；同樣，若空氣中有下降氣流時，氣壓會增加；若空氣中有上升氣流時，作用于空氣柱底部的氣壓就會減小。一般把作用于單位面積上空氣柱的重量稱為大氣壓力。

２　氣壓計的結(jié)構(gòu)

本文研究的氣壓計結(jié)構(gòu)如圖１所示。其中氣壓傳感器用來將被測氣壓轉(zhuǎn)換為電壓信號；用Ｖ／Ｆ轉(zhuǎn)換器則可把氣壓傳感器輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換成具有一定頻率的脈沖信號；以便用單片機接收該脈沖信號，并根據(jù)單位時間內(nèi)得到的脈沖數(shù)，依據(jù)電壓與頻率的線性關(guān)系式計算出所對應的氣壓值，最后在單片機控制下由ＬＥＤ顯示出來。

本氣壓計能夠在氣壓傳感器的線性范圍內(nèi)準確測量相應氣壓值。需要說明的是，其測量值是絕對氣壓值。本文研究的氣壓計的技術(shù)指標如下：

●測量范圍：３００ｈＰａ～１０５０ｈＰａ；

●測量精度：０．１％ＦＳ(２０℃)；

●顯示精度：０．１％，由４個８段ＬＥＤ顯示實現(xiàn)；

●工作溫度范圍：０～８５℃；

●電源電壓：９Ｖ。

３　系統(tǒng)實現(xiàn)

在系統(tǒng)構(gòu)建過程中，需要考慮穩(wěn)定性、復雜程度、造價和調(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單元電路，可完成各自的功能。模塊之間沒有復雜的信號傳輸，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中占據(jù)核心位置。設(shè)計時可根據(jù)測量精度、測量范圍、溫度補償、測量絕對氣壓值等幾個性能指標來選取氣壓傳感器。

由于該氣壓計顯示的是絕對氣壓值，因而需要選取測量絕對氣壓值的氣壓傳感器。同時為了簡化電路，提高穩(wěn)定性和抗干擾能力，要求該氣壓傳感器應帶有溫度補償。

為此，筆者選用Ｍｏｔｏｒｏｌａ的ＭＡＸ４１００Ａ氣壓傳感器來測量絕對氣壓值。該傳感器的溫度補償范圍為－４０～＋１２５℃；壓力范圍為２０ｋＰａ～１０５０ｋＰａ；輸出電壓信號（Ｖｓ＝５．０Ｖ）范圍為０．３～４．６５Ｖ；測量精度為０．１％ＶＦＳＳ，同時在２０ｋＰａ～１０５０ｋＰａ時具有良好的線性，具體輸出關(guān)系如下：

Ｖｏｕｔ＝Ｖｓ(０．０１０５９ Ｐ－０．１５２８)±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，但加上定時器與計數(shù)器以后也可以實現(xiàn)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換。它的突出特點就是把模擬電壓轉(zhuǎn)換成抗干擾能力強，可遠距離傳送并能直接輸入計算機的脈沖串，從而通過測量Ｖ／Ｆ的輸出頻率來實現(xiàn)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換功能。

考慮到外圍電路實現(xiàn)的難易程度和相應的性能指標，筆者選用了ＬＭ３３１電壓／頻率轉(zhuǎn)換芯片。該器件使用了溫度補償能隙基準電路，因而具有極佳的溫度穩(wěn)定性，最大溫漂為５０ｐｐｍ／℃，同時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)計者自己決定。該設(shè)計中，?。耍剑玻埃埃?，Ｒｓ＝２８．４２４ ｋΩ?主要是考慮到單片機部分使用測頻率法來測ｆｏ能夠保證頻率信號的測量精度。由于Ｒｓ、ＲＬ、Ｒｔ和電容Ｃｔ會直接影響ｆｏ的轉(zhuǎn)換結(jié)果。因此，對這些元件的參數(shù)有一定的要求，設(shè)計時應根據(jù)轉(zhuǎn)換精度適當選擇。電容ＣＬ對轉(zhuǎn)換結(jié)果雖然沒有直接影響，但是應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。