基於51單片機控制的數字氣壓計設計與實現

2020-12-07 電子產品世界

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、傳輸的電流或電壓信號，然後再經過後續電路處理並進行實時顯示的一種設備。其中的核心元件就是氣壓傳感器，它在監視壓力大小、控制壓力變化以及物理參量的測量等方面起著重要作用。運用於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的高空之後，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，作用於空氣柱底部的氣壓就會減小。一般把作用於單位面積上空氣柱的重量稱為大氣壓力。

２　氣壓計的結構

本文研究的氣壓計結構如圖１所示。其中氣壓傳感器用來將被測氣壓轉換為電壓信號；用Ｖ／Ｆ轉換器則可把氣壓傳感器輸出的電壓信號轉換成具有一定頻率的脈衝信號；以便用單片機接收該脈衝信號，並根據單位時間內得到的脈衝數，依據電壓與頻率的線性關係式計算出所對應的氣壓值，最後在單片機控制下由ＬＥＤ顯示出來。

本氣壓計能夠在氣壓傳感器的線性範圍內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指標如下：

●測量範圍：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；

●工作溫度範圍：０～８５℃；

●電源電壓：９Ｖ。

３　系統實現

在系統構建過程中，需要考慮穩定性、複雜程度、造價和調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。模塊之間沒有複雜的信號傳輸，且幹擾很少，因而系統整體比較穩定。

３．１ 氣壓傳感器

氣壓傳感器在氣壓計中佔據核心位置。設計時可根據測量精度、測量範圍、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。

由於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，提高穩定性和抗幹擾能力，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範圍為－４０～＋１２５℃；壓力範圍為２０ｋＰａ～１０５０ｋＰａ；輸出電壓信號（Ｖｓ＝５．０Ｖ）範圍為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，具體輸出關係如下：

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換成頻率與輸入電壓幅值成正比的脈衝串。雖然Ｖ／Ｆ本身還不能算做量化器，但加上定時器與計數器以後也可以實現Ａ／Ｄ轉換。它的突出特點就是把模擬電壓轉換成抗幹擾能力強，可遠距離傳送並能直接輸入計算機的脈衝串，從而通過測量Ｖ／Ｆ的輸出頻率來實現Ａ／Ｄ轉換功能。

考慮到外圍電路實現的難易程度和相應的性能指標，筆者選用了ＬＭ３３１電壓／頻率轉換晶片。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定性，最大溫漂為５０ｐｐｍ／℃，同時該器件的脈衝輸出可與任何邏輯形式兼容；ＬＭ３３１可單、雙電源供電，電壓範圍為５～４０Ｖ；滿量程範圍１Ｈｚ～１００ｋＨｚ；最大非線性誤差為０．０１％。圖２所示是該系統中ＬＭ３３１的外圍電路。在該電路中，基於ＬＭ３３１的壓頻轉換關係為：

ｆｏ＝Ｋ Ｖｉ

其中，Ｋ＝Ｒｓ／(２．０９ Ｒｔ Ｃｔ ＲＬ)?， Ｒｓ＝Ｒｓ１＋Ｒｓ２

實際上，電路中的Ｒｓ主要用於調節電路的轉換增益?Ｒｔ, Ｃｔ，ＲＬ的典型值分別為６．８ｋΩ、０．０１ｐＦ和１００ｋΩ，Ｋ值則可由設計者自己決定。該設計中，取Ｋ＝２０００，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。由於Ｒｓ、ＲＬ、Ｒｔ和電容Ｃｔ會直接影響ｆｏ的轉換結果。因此，對這些元件的參數有一定的要求，設計時應根據轉換精度適當選擇。電容ＣＬ對轉換結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幹擾脈衝，提高轉換精度。

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