本科毕业设计——基于单片机的数字气压计设计(编辑修改稿)

本科毕业设计——基于单片机的数字气压计设计(编辑修改稿)内容摘要：

3 是突发性和恶性交通事故发生的重要原因。 引起轮胎漏气和爆胎的原因主要有： (1)轮胎工作温度过高； (2)轮胎气压过大； (3)轮胎使用时间过长； (4)轮胎负荷过大； (5)汽车行驶速度过快。 为使汽车能够处于安全的驾驶状态，驾驶者必须在行车过程中实时了解轮胎的超压、欠压、温度 等工作状态，我们设计的基于单片机的汽车轮胎胎压计具有以下的功能： (1)实时监测轮胎的压力情况及温度； (2)当某个轮胎处于欠压状态时，相应的欠压报警指示灯亮。 当汽车轮胎压力处于非正常状态运行时，通过报警来通知驾驶员，控制轮胎爆胎发生，以达到安全驾驶的目的。 国内外相关技术 对轮胎爆胎进行预警是保障汽车安全行驶的关键所在，已 成为汽车行业研究的热点问题。 在轮胎爆胎预警系统及相关技术的研究 方 面，美国、日本、德国、法国、英国在近几年都取得了突破性的进展，形成了性能和功能完善的轮胎压力监测系统产品。 从近年 发布的世界新车资料来看，林肯大陆、奔驰、宝马、标志、道奇等中高档车均安装了轮胎压力监测装置，用于监测汽车行驶过程中轮胎气压，车内主控机板显示模块实时显示轮胎气压状态。 据中国汽车工业协会相关市场调查表明，国内轮胎爆胎预警系统的相关产品有推出，但都是技术性能不甚完善简易系统产品，存在以下缺点： ① 系统工作寿命极短； ② 系统在低温或高温环境下失效； ③ 工作可靠性较差。 而性能可靠、功能完善、技术成熟的产品均是一些国外知名公司的品牌产品，但价格较为昂贵。 因此，研制性能可靠、功能完善并且价格能为当前多数国内消费者所接受的轮 胎爆胎预警技术产品很有必要。 国内汽车行业正迫切需求成熟的轮胎爆胎预警系统及产品的投放市场以解决因轮胎爆胎而引起的行驶安全性问题。 本课题的重点及难点 本课题的重点及难点就是对整体设计方案的选择和各硬件模块的选择，具体表现为整个系统总共包含几个模块，对气压传感器、 A/D 转换器等的选择，还有就是怎样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。 西京学院本科毕业设计（论文） 4 本课题相关理论及 西安地区大气压 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 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 ～ 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(mmHg)、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。 大气压强 随高度升高而降低 在海拔 2020 米范围内 .海拔每升高 12m 降低一个 毫米汞柱。 西安市平均海拔高度： 397 米 .大气压力 ：冬季： 734 毫米汞柱，夏季 718 毫米汞柱。 由公式： 1 毫米汞柱 = 千帕 西京学院本科毕业设计（论文） 5 可得： 734 = 718 = 所以可得，西安地区大 致 气压范围在 — 之间。 西京学院本科毕业设计（论文） 6 第 2 章 系统总体设计 气压计结构 本文研究的气压计结构如图。 其中气压传感器用来将被测气压转换为电压信号；用Ｖ／Ｆ转换器则可把气压传感器输出的电压信号转换成具有一定频率的脉冲信号；以便用单片机接收该脉冲信号，并根据单位时间内得到 的脉冲数，依据电压与频率的线性关系式计算出所对应的气压值，最后在单片机控制下由ＬＥＤ显示出来。 本气压计能够在气压传感器的线性范围内准确测量相应气压值。 需要说明的是，其测量值是绝对气压值。 本文研究的气压计 BMP085的技术指标如 下。 压力范围： 300— 1100hPa（海拔 9000 米 — 500 米 ） 电源电压： — （ VDDA） — （ VDDD） LCC8 封装： 无铅陶瓷载体封装（ LCC） 尺 寸：  低功耗： 5μA 在标准模式 高精度： 低功耗模式下，分辨率为 （ 米 ） 高线性模式下，分辨率为 （ 米 ） 含温度输出 2I C 接口 温度补偿 无铅，符合 RoHS 规范， MSL 1 反应时间： 待机电流： 无需外部时钟电路 图 气压计结构 被 测 气 压 气 压 传 感 器 单 片 机 LCD 显 示 模 块 西京学院本科毕业设计（论文） 7 设计 方案 方案一 采用单片机主控，通过压力传感器、 A/D 转换采集数据信息，经过含有 单片机的检测系统检测，将结果传送到单片机控制的主控器，数据通过显示器显示。 原理框图如图 所示。 图 设计方案一 方案二 采用集成的单片机主控，通过压力传感器将气压信号送入带 A/D 转换的单片机中，以及在相关模拟分立元件的辅助下进行 A/D 转换以及其它的数据处理，将处理的结果送显示部分进行显示。 原理框图如图 所示。 图 设计方案二 综上所述，方案一电路虽然与方案二类似，都较方案 二 调整方便、可兼顾的指标多，但方案一利用 PC 机平台实现软件操作，在操作运行复杂 ，并且性价较 低 ，因此 耗费较大，所以在实际应用中一般不用，所以我们选择第二种方案。 设计 51 单片机数字气压计系统时，需要考虑下面 4 个方面的内容。 选择合适的气压传感器芯片，这要根据实际需要以及各种气压传感器的性能参数来决定。 选择合适的 A/D 转换器件，它的作用是将气压传感器输出的模拟电流或电压信号转换为数字信号。 气 压 传 感 器 A/D 转 换 器 的 检 测 系 统 单 片 机 控 制 总 线 的主控系统 单片机控制 显 示 器 89S52 单 片 机 处 理 气 压 传 感 器 显 示 器 西京学院本科毕业设计（论文） 8 设计单片机和 A/D 转换器件的接口电路。 实现气压信息采集并输出的软件设计。 系统总体结构 本系统的总体结构框图如图 所示。 图 系统总体结构 由图 可 知，整个系统的工作流程如下。 测量前先为各功能模块初始化，测量时被测气压由气压传感器转换为模拟的电压输出，此输出信号不能直接交由单片机处理。 因此，需要经过 V/F 转换模块把气压传感器输出的模拟电压信号转换为数字脉冲（其频率随输入电压呈线性变化）。 通过单片机接收该脉冲信号，得到单位时间内获得的脉冲数，依据电压与频率的线性关系式计算出所对应的实际气压值，最后通过数码管显示电路显示给用户。 如果该气压值不在预设值范围之内，则传送一个脉冲信号给单片机控制蜂鸣器报警，提示用户气压出现异常。 系统各功能模块 初始化模块 1） LCD1602 的初始化 1602 一般初始化（复位）过程 延时 15ms 写指令 38H （不检测忙信号） 延时 5ms 写指令 38H （不检测忙信号） 基于单片机的数字气压计设计 初始化模块 数据处理模块 数码显示模块 警报模块 西京学院本科毕业设计（论文） 9 延时 5ms 写指令 38H （不检测忙信号） 以后每次写指令、读 写数据操作均需要检测忙信号 写指令 38H ：显示模式设置 写指令 08H：显示关闭 写指令 01H：显示清屏 写指令 06H：显示光标移动设置 写指令 0CH：显示开及光标设置 LCD1602 由程序实现软初始化，部分程序如下： void InitLcd()。 //初始化 lcd1602 void WriteDataLCM(uchar dataW)。 void WriteCommandLCM(uchar CMD,uchar Attribc)。 void DisplayOneChar(uchar X,uchar Y,uchar DData)。 void conversion(long temp_data)。 void Single_Write(uchar SlaveAddress,uchar REG_Address,uchar REG_data)。 //单个写入数据 uchar Single_Read(uchar REG_Address)。 //单个读取内部寄存器数据 void Multiple_Read(uchar,uchar)。 //连续的读取内部寄存器数据 2）气压传感器 的初始化 初始化 BMP085，单片机开机进行自检，检查各硬件连接状况，利用蜂 鸣器来判断各个模块状况。 其初始化程序如下： void bmp085Calibration()//BMP085 初始化设置； { ac1 = bmp085ReadInt(0xAA)。 ac2 = bmp085ReadInt(0xAC)。 ac3 = bmp085ReadInt(0xAE)。 ac4 = bmp085ReadInt(0xB0)。 西京学院本科毕业设计（论文） 10 ac5 = bmp085ReadInt(0xB2)。 ac6 = bmp085ReadInt(0xB4)。 b1 = bmp085ReadInt(0xB6)。 b2 = bmp085ReadInt(0xB8)。 mb = bmp085ReadInt(0xBA)。 mc = bmp085ReadInt(0xBC)。 md = bmp085ReadInt(0xBE)。 } 数据处理模块 数 据处理模块主要是对 A/D 转换模块的数据进行多次采集，并且对采集的数据进行处理，此处理过程主要是对采集的数据进行初值定义以及相应的移位处理，并且把处理好的数据送入相应的缓冲 区，为后面的显示模块作好准备。 数码 显示模块 本设计是 用单片机的 P1 口连接一个 LCD1602 液晶显示屏 显示。 通过软件编码，显示当前 的 温度和气压值。 警报电路模块 当气压传感器所测到的气压值超出预设值范围时，即给单片机一个脉冲信号，单片机控制蜂鸣器报警。 由于受条件所限，本次设计没法控制气压，只能控制温度，即当传感器测得温度值大于 30 摄氏度时，单片机控制蜂鸣器报警。 各功能模块的选择 单片机的选择 方案一：选择 arm 系列芯片， arm 系列具有低功耗，高性能的优 点，一个机器周期能处理 32 位数据，可以使气压计的精度更高。 方案二：选择 TI 公司的 MSP430 系列， 430 现在成为比较主流的单片机，在具有低功耗的五 种 模式下，还具有一定的计算能力，一般都为 16 位。 方案三：选择使用八位处理的 51 系类单片机。 西京学院本科毕业设计（论文） 11 综合比较： arm 系 列 虽然处理精度高，但相比较 MSP430 系列和 51 系类价格太高。