基于atp015g气体压力传感器及单片机肺活量测量仪的设计-毕业设计

基于atp015g气体压力传感器及单片机肺活量测量仪的设计-毕业设计内容摘要：

EN 有效。 但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 /PSEN 信号将不出现。 /EA/VPP：当 /EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（ 0000HFFFFH），不管是否有内部程序存储器。 注意加密方式 1时， /EA 将内部锁定为 RESET；当 /EA 端保持高电平时，此间内部程序存储器。 在 FLASH 编程期间，此引脚也用于施加 12V 编程电源（ VPP）。 MAX232 串行通信芯片 主要特点 ： 单 5V电源工作 LinBiCMOSTM 工艺技术 两个驱动器及两个接收器 177。 30V输入电平 低电源电流：典型值是 8mA 符合甚至优于 ANSI 标准 EIA/TIA232E 及 ITU推荐标准 ESD 保护大于 MILSTD883（方 法 3015）标准的 2020V 图 AD620 图 仪表放大电路是由 3个放大器所共同组成，其中的电阻 R与 RX需在放大器 的电阻使用范围内（ 1K10K）。 籍由固定的电阻 R，我们可以调整 RX 来调整放大的增益值，其关系式为 V0=（ 1+2R/RX）（ V1V2） ，唯需注意避免每个放大器的饱和现象（放大器最大输出为其工作电压 177。 Vdc）。 图 一般而言，上述仪表放大器都有包装好的成品可以买到，我们只需要外接一电阻（即 RX）， 依照其特有的关系式去调整至所需的放大倍率即可。 图 所示为 AD620 仪表放大器的脚位图。 其中 8 脚要跨接一电阻来调整放大倍率（作用同 RX）， 7 接脚需提供正负相等的工作电压，由 3 接脚输入的放大的电压即可从接脚 6 输出放大后的电压值。 接脚 5 则是参考基准，如果接地则接脚 6 的输出即为与地之间的相对电压。 图 气体压力传感器 ATP015G 参数 数值 单位 注释 总体 压力 范围 15 Psi 标准规格压力 最大超压 3X 额定压力 电气 @25℃ (77℉ ) 除非有其他规定 激励 5 VDC 输入阻抗 4~6 K 输出阻抗 4~6 K 适用环境 工作温度范围 20~+100 ℃ 4℉ ~+212℉ 储存温度范围 40~+125 ℃ 40℉ ~+257℉ 机械特性 介质兼容性 干净，干燥，无腐蚀性气体 性能 零漂 177。 30 mv 范围 70177。 20 mv 桥阻 4~6 K 线性度 177。 %span 2 迟滞 177。 %span 零漂 温度系数 ~ %span/℃ 温度系数范围 ~ %span/℃ 注释： 5V和 25℃的情况下。 除非有其他规定。 20℃和 100℃。 温度系数为典型值。 表 ATP015G 内部结构图如下： 图 图 中 1 脚与 4 脚分别接激励电压（ +5V）的正端和负端， 2 脚与 5 脚分别是输出电压的正端与 负端。 整体为全桥差动电路，使输出电压的灵敏度比单臂电桥提高了四倍。 并且消除了非线性误差，同时仍然具有温度补偿作用。 3 系统设计 方案 及原理 总体方案 方案一： 直接通过 AWM700 系列气体流量传感器直接测量气体流量，再将传感器的输出电压经由 AD 送到单片机中进行处理，计算得出具体流量。 再送液晶显示模块以及语音模块进行显示和语音播报。 并通过 RS232 与上位机进行通信。 实际设计中并未采用此方案 ，因气体流 量传感器价格普遍较高。 方案二： 在测量时的进气管中放置一电热丝 或类似可被加热的元件，当有气体流过时此被加热的元件温度降低，通过温度传感器对它温度的变化进行测量。 由于气体流速快时温度会降低的程度与气体流速慢时不同，也即是温度传感器的输出反应了气体的流速，由于进气管的截面积一定，则可通过流动速度和时间计算出在测量时间内的气体总流量。 再由液晶模块以及语音模块显示和播报。 并通过 RS232 与上位机进行通信。 实际设计中并未采用此方案，首先，此方案无法达到精度上的要求。 其次实现起来较复杂，而且受外界干扰影响较大。 方案三： 通过气体压力传感器测量一定时间内的气体流量， 将气压传感器置于已知截面积的 细管中，输出电压信号经过 TLC549 A/D 转换再送到 单片机器，结合气压与流速的关系以及测量时间得出总的气体流量。 再经由液晶显示以及语音模块进行语音播报。 并且通过 MAX232 与上位机进行通信。 由于气体压力传感器成本低、精度高， 外界干扰对其影响不大，所以 实际设计中采用此方案。 系统原理 系统原理框图如下： 4 硬件原理与设计 输入部分电路 AD620 传感器 输出 T L C 549 单片机 89S52 液晶 显示 MAX 232 上位机 图 语音 播报 图 图 为整个电路的输入部分，传感器的输出正负端分别接图中 A620的 3 脚与 2 脚 ，由于传感器的输出较小（被测量者吹气时，电压变化大概为 15mv 左右） 电阻 R401 为 100 欧将输入电压放大（电压放大倍数由公式G=+1 算出）。 图中 电容 C401 实现滤波功能。 A/D 转换部分电路 图 传感器的输出经过上面的输入电路部分最后与 TLC549 的 2 脚连接，实现 A/D转换。 图中 TLC431为 TLC549提供一个稳定的基准 电压与 TLC549 的 1脚相连，这样就算 VCC（ +5V）有所波动也不会对转换结果造成影响。 基准 电压的值可由 R002 进行调节。 A/D转换的结果经由 TLC549 的 6 脚与单片机的 口相连，将转换的结果送入单片机。 液晶显示电路 图 串口通信部分电路 图 电源 部分电路 图 在电源部分，由 LM7805CT 提供一个稳定的 5V 电压，并接入 电容 C30 C30C30 C306 滤波。 电路布线 ，调试及故障分析 本系统原理图和 PCB 图布线均用 Protel99 SE 软件完成。 电路板 (PCB)是电子产品电路中元件和器件的连接件，它提供了电路元件 和器件之间的电气连接。 PCB 设计的好坏对抗干扰能力影响很大。 因此，在进行 PCB 设计时。 必须遵守 PCB 设计的一般原则，并应符合抗干扰设计的要求。 PCB 设计一般步骤 一般 PCB 基本设计流程如下： 前期准备→ PCB 结构设计→ PCB 布局→布线→布线优化和丝印→网络和 DRC 检查和结构检查→制版。 第一、前期准备。 这包括准备元件库和原理图。 “工欲善其事，必先利其器”，要做出一块好的板子，除了要设计好原理之外，还要画得好。 在进行 PCB 设计之前，首先要准备好原 理图 SCH的元件库和 PCB 的元件库。 元件库可以用 Protel 自带的库，但一般情况下很难找到合 适的，最好是自己根据所选器件的标准尺寸资料自己做元件库。 原则上先做 PCB 的元件库，再做 SCH 的元件库。 PCB 的元件库要求较高，它直接影响板子的安装； SCH 的元件库要求相对比较松，只要注意定义好管脚属性和与 PCB 元件的对应关系就行。 注意标准库中的隐藏管脚，之后就是原理图的设计，做好后就准备开始做 PCB 设计了。 第二、 PCB 结构设计。 这一步根据已经确定的电路板尺寸和各项机械定位，在 PCB 设计环境下绘制 PCB板面，并按 定位要求放置所需的接插件、按键 /开关、螺丝孔、装配孔等等。 并充分考虑和确定布线区域和非布线区域（如螺丝孔周围多大范围属于非布线区域）。 第三、 PCB 布局。 布局就是在板子上放器件。 这时如果前面讲到的准备工作都做好的话，就可以在原理图上生成网络表（ DesignCreate Netlist），之后在 PCB 图上导入网络表（ DesignLoad Nets），各管脚之间还有飞线提示连接，然后就可以对器件布局了。 一般布局按如下原则进行： （ 1） ．按电气性能合理分区，一般分为：数字电路区 (即怕干扰、又产生干扰 )、模拟电路区 (怕干扰 )、功率驱动区（干扰源）； （ 2） ．完成同一功能的电路，应尽量靠近放置，并调整各元器件以保证连线最为简洁；同时，调整各功能块间的相对位置使功能块间的连线最简洁； （ 3） ．对于质量大的元器件应考虑安装位置和安装强度；发热元件应与温度敏感元件分开放置，必要时还应考虑热对流措施； （ 4） ． I/O 驱动器件尽量靠近印刷板的边、靠近引出接插件； （ 5） ．时钟产生器（如：晶振或钟振）要尽量靠近用到该时钟的器件； （ 6） ．在每个集成电路的电源输入脚和地之间，需加一个去耦电容（一般采用高频性能好的独石电容 ）；电路板空间较密时，也可在几个集成电路周围加一个钽电容。 （ 7） ．继电器线圈处要加放电二极管（ 1N4148 即可）； （ 8） ．布局要求要均衡，疏密有序，不能头重脚轻或一头沉 需要特别注意，在放置元器件时，一定要考虑元器件的实际尺寸大小（所占面积和高度）、元器件之间的相对位置，以保证电路板的电气性能和生产安装的可行性和便利性同时，应该在保证上面原则能够体现的前提下，适当修改器件的摆放，使之整齐美观，如同样的器件要摆放整齐、方向一致，不能摆得“错落有致”。 这个步骤关系到板子整体形象和下一步布线的难易程度，所以一 点要花大力气去考虑。 布局时，对不太肯定的地方可以先作初步布线，充分考虑。 第四、布线。 布线是整个 PCB设计中最重要的工序。 这将直接影响着 PCB 板的性能好坏。 在 PCB的设计过程中，布线一般有这么三种境界的划分：首先是布通，这时 PCB 设计时的最基本的要求。 如果线路都没布通，搞得到处是飞线，那将是一块不合格的板子，可以说还 没入门。 其次是电器性能的满足。 这是衡量一块印刷电路板是否合格的标准。 这是在布通之后，认真调整布线，使其能达到最佳的电器性能。 接着是美观。 假如你的布线布通了，也没有什么影响电器性能的地方，但是一 眼看过去杂乱无章的，加上五彩缤纷、花花绿绿的，那就算你的电器性能怎么好，在别人眼里还是垃圾一块。 这样给测试和维修带来极大的不便。 布线要整齐划一，不能纵横交错毫无章法。 这些都要在保证电器性能和满足其他个别要求的情况下实现，否则就是舍本逐末了。 布线时主要按以下原则进行： （ 1）．一般情况下，首先应对电源线和地线进行布线，以保证电路板的电气性能。 在条件允许的范围内，尽量加宽电源、地线宽度，最好是地线比电源线宽，它们的关系是：地线＞电源线＞信号线，通常信号线宽为： ～ ，最细宽度可达 ～ ，电源线一般为 ～。 对数字电路的 PCB 可用宽的地导线组成一个回路 , 即构成一个地网来使用（模拟电路的地则不能这样使用） （ 2）．预先对要求比较严格的线（如高频线）进行布线，输入端与输出端的边线应避免相邻平行，以免产生反射干扰。 必要时应加地线隔离，两相邻层的布线要互相垂直，平行容易产生寄生耦合。 （ 3）．振荡器外壳接地，时钟线要尽量短，且不能引得到处都是。 时钟振荡电路下面、特殊高速逻辑电路部分要加大地的面积，而不应该走其它信号线，以使周围电场趋近于零； （ 4）．尽可能采用 45186。 的折线布线，不可使用 90186。 折线，以减小高频信号的辐射；（要求高的线还要用双弧线） （ 5）．任何信号线都不要形成环路，如不可避免，环路应尽量小；信号线的过孔要尽量少； （ 6）．关键的线尽量短而粗，并在两边加上保护地。 （ 7）．通过扁平电缆传送敏感信号和噪声场带信号时，要用“地线 信号 地线”的方式引出。 （ 8）．关键信号应预留测试点，以方便生产和维修检测用 （ 9）．原理图布线完成后，应对布线进行优化；同时，经初步网络检查和 DRC 检查无误后，对未布线区域进行地线填充，用大面积铜层作地线用 ,在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用。 或是做成多层板，电源，地线各占用一层。 （ 10） .在进行布 PCB 板的时候，晶振要紧紧的靠在单片机的旁边，如果离的太远，则晶振不能起振。 第五：布线优化和丝印。 一般设计的经验是：优化布线的时间是初次布线的时间的两倍。 感觉没什么地方需要修改之后，就可以铺铜了（ Placepolygon Plane）。 铺铜一般铺地线（注意模拟地和数字地的分离），多层板时还可能需要铺电源。 时对于丝印，要注意不能被器件挡住 或被过孔和焊盘去掉。 同时，设计时正视元件面，底层的字应做 镜像处理，以免混淆层面。 第六：网络和 DRC 检查和结构检查。 首先，在确定电路原理图设计无误的前提下，将所生成的 PCB 网络文件与原理图网络文件。