毕业设计论文基于单片机的气压传感器研制(编辑修改稿)

毕业设计论文基于单片机的气压传感器研制(编辑修改稿)内容摘要：

换芯片、单片机、 LCD 显示屏将按图 所示的流程实现系统的功能。 气 压 传 感芯 片V / F 转 换 芯片单 片 机L C D 显 示 屏电源电路 图 系统原理框图 第三节 元件选取 一、 单片机的选型 20 世纪 80 年代以来，单片机的反战非常迅速。 就通用单片机而言，世界上一些著名的计算机厂家已投放市场的产品就有几十个系列，数百个品种。 其中有 Motorola公司的 680 6802。 此外，还有荷兰的 Philips 公司、日本的 NEC 公司、日立公司，相继也推出了各自的单片机品种，许多国外公司以 MCS51 系列单片机的内核为基础，推出了与 MCS51 系列单片机相兼容的衍生产品 【 6】。 所以，可以供我们 选用的单片机厂商众多，单片机芯片也有很多种，常见的有以下几种： 重庆邮电大学本科毕业设计（论文） 5 ① MSP430 系列单片机是美国德州仪器（ TI）生产的单片机芯片。 此芯片是一款具有精简指令集（ RISC）的混合信号处理器，其处理能力极强、运算速度快、功耗超低、片内资源丰富且有方便高效的开发环境。 然而，其价格比较昂贵且采用 TPFQ贴片封装，不利于焊接，需要制作成 PCB 板，但这将大大增加了成本和开发周期 【 7】。 ② STC89C52 单片机是宏晶科技有限公司生产的单片机芯片。 此芯片是一种低功耗、高性能 CMOS 8 位微处理器，具有 8K在系统可编程 Flash 存 储器、 512 字节RAM、 32 位 I/O 口、看门狗定时器、内置 4KB EEPROM、 MAX810 复位电路等 【 8】。 ③ ATmega16 单片机是基于增强的 AVR RISC 结构的低功耗 8 位 CMOS 微控制器。 由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间， ATmega16 的数据吞吐率高达 1 MIPS/MHz，从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。 ATmega16 有如下特点 :16K 字节的系统内可编程 Flash(具有同时读写的能力，即 RWW)， 512 字节EEPROM， 1K 字节 SRAM， 32 个通用 I/O 口线 ， 32 个通用工作寄存器，用于边界扫描的 JTAG 接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器 / 计数器 (T/C),片内 /外中断，可编程串行 USART，有起始条件检测器的通用串行接口， 8 路10 位具有可选差分输入级可编程增益的 ADC ，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个 SPI 串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式 【 9】。 尽管单片机的品种很多，但是在我国使用最多的是 Intel 公司的 MCS51 系列单片机及其增强型、扩展型的衍生机型。 又由于笔者学习过 MCS51 系列单片机，而且考虑 到开发难度和成本，本系统选取 STC89C52 单片机作为处理器。 二、 气压传感器 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： ① 测量范围 即所能测量的大气压力范围，单位为 KPa。 ② 测量精度 测量结果（电流或电压）的精度。 ③ 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的问题。 ④ 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。 重庆邮电大学本科毕业设计（论文） 6 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。 经过综合考虑，本系统选用美国摩托罗拉公司的集成压力传感器芯片 MPX4115A 作为气压传感器。 MPX4115 系列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机技术，薄膜镀金属技术。 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 %，温度补偿是 40℃ ~125℃ 【 10】。 MPX4115A 具有温度补偿、稳定性高和抗干扰能力强等特点。 而且，可以产生与所加气压成线性关系的高精度模拟输出电压。 具体关系如下： Vout=Vs()177。 Error 式中， Vs 是工作电压， P 是大气压值， Vout 为输出电压。 三、 V/F 转换芯片 气压传感器 MPX4115A 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。 本系统采用一种电压 /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线性关系的脉冲序列，虽然 V/F 器件本身还不能算做 量化器，但加上单片机定时器与计数器处理以后也可以实现 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，本系统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： ① 最大非线性误差为 %。 ② 可单、双电源供电，电压范围为 5~40V。 ③ 脉冲输出可兼容任何逻辑形式。 ④ 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177。 50ppm/℃。 ⑤ 宽的满量程频率范围： 1Hz~100KHz。 四、 显示器 目前，市场上的显 示模块种类繁多，功能各异，常见的有以下几种： ① 带字库的 LCD12864 液晶显示屏。 LCD12864 是一款通用的液晶显示屏，能够显示大部分常用的汉字及 ASCII 码，而且能够绘制图片、描点画线、设计出比较理想的结果。 ② 液晶 LCD1602 显示屏， LCD1602 是一款比较通用的字符液晶显示屏，能显重庆邮电大学本科毕业设计（论文） 7 示字符和数字等信息，但不能显示图画，其具有价格低廉、操作方便、功耗低、编程简单的特点。 ③ LED7 段数码显示管，数码管实际上是由七个发光管组成 8 字形构成的，其成本低，但只能显示数字和少量字符。 液晶显示屏比数码显示管的功耗低 ，显示也更直观，易于软件编程。 考虑到价格因素以及显示需求， LCD1602 液晶显示屏是最佳的选择 【 11】。 五、 三端稳压器 由于在本设计中 LM331 需要 +15V 的工作电源，但是单片机、 MPX4115A 和LCD1602 等其他元件的工作电源为 +5V，所以，为了满足整个系统的正常工作的需要，我们还需要设计专门的电源电路。 在这里，笔者选用了摩托罗拉公司生产的三端低电流线性稳压芯片 MC78L05 作为 +15V电压转 +5V 电压的芯片。 根据数据手册的介绍，其输入电压范围： ~24V，输出 +5V 固定电压；其无需外部保护电路 ，具有内部短路电路限制和热过载保护功能。 第四节 本章小结 本章主要介绍本系统的设计要求，并选取了符合要求的设计方案，讲解了被选取方案的设计思想及工作原理。 本章还讨论了系统各元件的介绍及选取。 本章的工作为后面的具体实现打下了良好的基础，后面章节都是在这章的总体方案设计的基础上展开的。 所以，这章的工作很重要。 重庆邮电大学本科毕业设计（论文） 8 第二章 硬件系统的设计与实现 第一节 单片机电路 一、 单片机概述 单片机就是在一块半导体硅片上集成了微处理器（ CPU），存储器（ RAM， ROM，EPROM）和各种输入、输出接口（定时器 /计 数器，并行 I/O 口，串行口， A/D 转换器以及脉宽调制器 PWM 等）的具有一台计算机属性的集成电路芯片。 单片机的发展历史大概可以分为四个阶段。 第一阶段（ 1974 年 —1976 年）：单片机诞生的阶段；第二阶段（ 1976 年 —1978 年）：低性能单片机阶段；第三阶段（ 1978 年 —现在）：高性能单片机阶段；第四阶段（ 1982 年 —现在）： 8 位单片机巩固发展及 16 位单片机、 32位单片机推出阶段。 单片机以其卓越的性能、价格低廉、高可靠性，得到了广泛的应用。 在检测控制领域，由于其小巧灵活、低成本、易于产品化，它能方便的组装成各种 智能测控设备及各种智能仪器仪表。 在本系统中，就是利用了他的这一特点，来做气压检测仪表。 另外其还广泛应用于工业自动化、消费类电子产品、通信器材、国防工业等领域，单片机的出现大大的推进了社会智能化的进程 【 12】。 二、 单片机片内结构、引脚及封装 STC89C52 和 MCS51 系列单片机相似，这里以 MCS51 单片机的片内结构来介绍 STC89C52，如图 所示。 C P U（ 运 算 器 ）（ 控 制 器 ）数 据 存 储 器R A MP 0 P 2程 序 存 储 器R O M / E P R O M特 殊 功 能寄 存 器（ S F R ）P 1串行口定 时 器 /计 数 器中 断系 统P 3 X T A L 1X T A L 2A L EP S E NE AR E S E T888 8 重庆邮电大学本科毕业设计（论文） 9 图 MCS51 单片机片内结构图 由图可见，单片机内部包含了微处理器（ CPU）、数据存储器（ RAM）、程序存储器（ ROM/EPROM）、中 断系统、定时器、计数器、特殊功能寄存器以及各种借口。 它们通过一条总线连接在一起。 １ .CPU（微处理器） MCS51 单片机中有 1 个 8 位的 CPU，与通用的 CPU 基本相同，同样包括了运算器和控制放大器两大部分，只是增加了面向控制的处理能力，不仅可处理字节数据，还可以进行位变量的处理。 ２ .数据存储器（ RAM） 片内为 128B，片外最多可外扩 64KB。 数据存储器用来存储单片机运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等。 ３ .程序存储器（ ROM/EPROM） 用来存储程序， 8031 无此部件； 8051 为 4KBROM； 8751 则为 4KBEPROM。 如果片内只读存储器的容量不够，则需要用外扩展只读存储器，片外最多可外扩至64KB。 ４ .中断系统 具有 5 个中断源， 2 级中断优先权。 ５ .定时器 /计数器 片内有 2 个 16 位的定时器 /计数器，具有 4 种工作方式。 在单片机的应用中，往往需要精确的定时，或对外部事件进行技术，因而需要在单片机的内部设置定时器 /计数器部件。 ６ .串行口 1 个全双工的串行口，具有 4 种工作方式。 可用来进行串行通信，扩展并行 I/O口，甚至与多个单片机相连构成舵机系统，从而使单片机的功能更强且应用 更广。 ７ .P1 口、 P2 口、 P3 口、 P0 口 为 4 个并行 8 位 I/O 口。 ８ .特殊功能寄存器（ SFR） 特殊功能寄存器共有 21 个，用于 CPU对片内外各功能部件进行管理、控制、监视。 实际上是片内各功能部件的控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM 区 【 13】。 重庆邮电大学本科毕业设计（论文） 10 要掌握单片机因先了解它的引脚及功能。 制造工艺为 HMOS 的单片机采用 40 只引脚的双列直插封装（ DIP）方式， STC89C52 的引脚如图 所示。 图 STC89C52 封装引脚图 三、 89C52 单片机引脚功能 1． 主电源及时钟引脚 此类引脚 包括电源引脚 Vcc、 Vss、时钟引脚 XTAL XTAL2。 ① Vcc（ 40 脚）：接 +5V电源，为单片机芯片提供电能。 ② Vss（ 20 脚）接地。 ③ XTAL1（ 19 脚）在单片机内部，它是一个反向放大器的输入端，该放大器构成了片内的振荡器，可提供单片机的时钟控制信号。 ④ XTAL2（ 18 脚）在单片机内部，接至上述振荡器的反向输出端。 2． 控制引脚 ⑤ RSR/ VPD（ 9 脚）：复位信号输入端，高电平有效，当振荡器运行时，在此引脚加上两个机器周期的高电平将使单片机复位（ REST）。 复位后应使此引脚电平保持为不高于 的 低电平，以保证单片机此类引脚包括 RESET（即 RSR/VPD）、ALE/PROG、 PSEN、 EA/VPP，可以提供控制信号，有些具有复用功能。 ⑥ 掉电期间，此引脚可接上备用电源（ VPD），以保持内部 RAM 中的数据不丢重庆邮电大学本科毕业设计（论文） 11 失。 当 Vcc 下降到低于规定值，而 VPD 在其规定的电压范围内（ 5177。 ）时， VPD就向内部 RAM 提供备用电源。 ⑦ ALE/PROG（ 30 脚）： ALE 为地址锁存允许信号。 当单片机访问外部存储器时， ALE（地址锁存允许）输出脉冲的下降沿用于锁存 16 位地址的低 8 位。 即使不访问外部存储器， ALE 端仍有周期 性正脉冲输出，其频率为振荡器频率的 1/6。 但是。