基于單片機(jī)控制的數(shù)字氣壓計(jì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：介紹了一種精密數(shù)字氣壓計(jì)的軟硬件實(shí)現(xiàn)方法。該方法通過氣壓傳感器獲得與大氣壓相對(duì)應(yīng)的模擬電壓值，并經(jīng)過v／f變換輸入到單片機(jī)進(jìn)行處理，從而實(shí)時(shí)顯示相應(yīng)的氣壓值。用本文所述的方法制成的氣壓計(jì)攜帶方便，操作簡單，精確度高，完全符合設(shè)計(jì)要求。 關(guān)鍵詞：氣壓計(jì)；氣壓傳感器；v／f轉(zhuǎn)換器； 單片機(jī)１　引言氣壓計(jì)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?hào)，然后再經(jīng)過后續(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將被測氣壓轉(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。本氣壓計(jì)能夠在氣壓傳感器的線性范圍內(nèi)準(zhǔn)確測量相應(yīng)氣壓值。需要說明的是，其測量值是絕對(duì)氣壓值。本文研究的氣壓計(jì)的技術(shù)指標(biāo)如下：●測量范圍：３００ｈｐａ～１０５０ｈｐａ；●測量精度：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)測量精度、測量范圍、溫度補(bǔ)償、測量絕對(duì)氣壓值等幾個(gè)性能指標(biāo)來選取氣壓傳感器。由于該氣壓計(jì)顯示的是絕對(duì)氣壓值，因而需要選取測量絕對(duì)氣壓值的氣壓傳感器。同時(shí)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(yīng)帶有溫度補(bǔ)償。為此，筆者選用ｍｏｔｏｒｏｌａ的ｍａｘ４１００ａ氣壓傳感器來測量絕對(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)±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，從而通過測量ｖ／ｆ的輸出頻率來實(shí)現(xiàn)ａ／ｄ轉(zhuǎn)換功能?？紤]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