基于气压检测的高度表的设计学 院： 能源与动力工程学院 专业班级： 测控技术与仪器 学生姓名： 学生学号： 指导教师： 目 录摘 要I前 言II第一章 基于气压检测的高度表简介11.1 基于气压检测的高度表的研究目的11.2 基于气压检测的高度表的工作原理1第二章 基于气压检测的高度表的方案设计22.1 电源的方案选择22.2 单片机的方案选择22.3 传感器的方案选择32.4 模数转换芯片的方案选择32.5 显示器件的方案选择4第三章 基于气压检测的高度表的硬件设计43.1 电源电路设计43.2 单片机最小系统设计43.3 模数转换电路设计53.4 显示电路设计63.5 气压传感器电路设计71、传感器激励源设计82、信号放大设计8第四章 基于气压检测的高度表的软件设计104.1 主程序设计104.2 模数转换子程序设计114.3 数据处理子程序设计134.4 显示子程序设计13第六章 总 结14参考文献15摘 要对于身处野外的人来说，一个比较关心的问题就是所在地的海拔是多少。而目前市面上这类产品很少，一般都是高端产品才带有此项功能。有的机械式海拔仪虽然价格较低，但精度太低。所以急需研制一种精度高，价格低廉的高度表，以满足大众消费的需求。对于海拔高度的测量，常用的方法。一是GPS全球定位系统;二是通过测量大气压来间接的获得海拔高度。前一种方法成本较高且难度较大，而采用后一种方法相对来说，器件的选择范围要更广一些，因而可以把成本降到最低。本文设计了一种基于气压检测的高度表，该高度表主要由气压检测电路、单片机控制及显示电路组成。高度表通过气压传感器测出气压值，然后根据气压与高度的关系，经单片机的处理计算出高度值，并用液晶显示测得的高度值和气压值。基于气压检测的高度表计价格低廉，可操作性强，功能实用，可用于户外、汽车等场所进行气压值和海拔高度值的监测，具有研究推广价值。关键词:气压传感器 单片机前 言气压传感器就是利用一种特殊的感应原件来感应大气压强度的变化并产生位移变化，再利用机械放大机构将此位移变化放大表示出来能使人很直观的知道大气压强的变化趋势。另外，根据大气压总是随着高度的增加而降低的规律，人们又开发了气压高度表。气压高度表在工业生产和人们的日常生活中有着较为广泛的应用，例如：专业登山队员在登山时往往希望得到有关山峰的海拔高度、气压以及温度的值；飞机在高空执行任务时也需要获得及时的高度值，以便矫正系统的飞行路线。因此，制作一个集显示海拔高度和气压值为一体的气压高度计是十分有意义。本设计采用单片机为主控制器，结合复位电路、晶振电路、液晶显示电路、传感器电路、信号放大电路以及电源电路组成了基于气压检测的高度表的设计。高度表通过气压传感器US9111采集的气压值，然后将气压值经过信号放大电路进行处理，处理后的信号再经过模数转换电路转换成0-5V电压值送给单片机进行处理。单片机从模数转换电路获得电压之后，根据电压与气压、气压与高度的关系，计算出对应的气压值和高度值，并将其通过液晶屏显示出来。该高度计可以测量电压范围（-80.0mv80.0mv），高度范围0.0m6556.3m。由于TLC549分辨率为1/255,所以所测的数据基本能达到我们生活需要。第一章 基于气压检测的高度表简介1.1 基于气压检测的高度表的研究目的气压高度表是常见的测量工具，在人们进行户外旅行、登山运动、野外测量等活动中起到非常重要的作用。气压高度表的设计原理都是利用气压与高度的关系，先通过压力传感器测量出气压的值，然后再通过测量气压来获取高度的。大气压与人们的生活息息相关，与人体的健康息息相关，我们长期生活在某个地区的大气底层，已经适应了该地区的大气压，对气压变化的感觉不大。但是，低气压下的阴雨和下雪天气、夏季雷雨前的高温湿闷天气，也就是大气压在降低，使人抑郁不适，雨后天睛的心情舒畅，就是气压升高的原因。所以，一般根据大气压的变化可以预测天气的变化。我们从报纸或电视中了解到：对于登山运动员，到了高山地区，会出现头痛、恶心、呕吐等症状（所谓的高原反应），高度增加，人的感觉越明显。这就是因为随海拔高度的增高大气压降低，大气压的降低影响了人体内氧气的供应。当大气压下降时，大气中的氧分压、肺泡的氧分压和动脉血氧饱和度都随之下降，导致人体发生一系列生理反应。基于以上原因，本文设计了一款实用的基于大气压检测的高度表，该气压高度表能够方便的时时检测到气压值与高度值。1.2 基于气压检测的高度表的工作原理气压高度表是利用大气压的变化规律，来测量所在地的海拔高度和所在地的大气压变化，以及测量因地域变化发生的相对高度。考虑气压和气温影响时利用气压测量海拔高度的计算公式是:其中：e =2.71828182845905；p气压，单位：帕（Pa）；h海拔高度，单位：米（m）。利用此原理,可得考虑气压和气温影响时的高度计算公式：要使用气压高度表，必须了解以下基本知识：1、大气压强（简称大气压）：即空气作用在所在地面单位面积上的压力（即空气重量）。大气压强的单位有：百帕（hPa）、毫巴（mBr）、毫米汞柱（mmHg）、英寸汞柱（inHg）。2、标准大气压：根据国际假设规定，在标准大气条件下空气作用在单位海平面的大气压力，即海拔0米高度面的大气压强，一个标准大气压大约为1013.25hPa（760mmHg或29.92inHg）。3、海拔高度愈高，压在其上的空气柱愈短，大气压也就愈低。因此，大气压总是随着高度的增加而降低的。第二章 基于气压检测的高度表的方案设计本文设计的基于大气压检测的高度表由单片机、电源电路部分、液晶显示部分、复位部分、晶振部分、传感器部分、模数转换部分组成,其结构框图如图2-1所示, 各部分作用如下：单片机：基于大气压检测的高度表的控制核心，负责整个系统正常运作，包括数据的处理、显示以及数据的传输。复位电路：复位单片机，使单片机从初始状态开始工作。晶振电路：为单片机提供信号源。采用的晶振频率是12MHz。显示电路：显示高度值和气压值。传感器电路：实现气压数据的采集。模数转换电路：实现模拟的气压值信号转换成数字信号给单片机进行处理。图2-1基于大气压检测的高度表结构框图根据设计的基本功能要求，设计方案的选择如下：2.1 电源的方案选择本文设计的是基于气压检测的高度表，考虑用电池供电，常用电池如下：方案一：使用干电池使用干电池，通过串联然后稳压出5V的电压。方案二：使用锂电池使用15V的锂电池，然后经过转换之后得到5V的电压。方案比较：因为使用干电池时间久了电压会不稳定且干电池所需体积较大，而锂电池体积小，能重复充电，故选择方案二。2.2 单片机的方案选择本文设计的基于气压检测的高度表以单片机为核心，常用的单片机有以下几种：方案一：AT89S51AT89S51具有ISP在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境上拔除,可以在线烧写。AT89S51的最高工作频率为33MHz,具有双工UART串行通道, AT89S51内部集成看门狗计时器,具有双数据,具有电源关闭标识。 AT89S51具有全新的加密算法，这使得对于AT89S51的解密变为不可能，程序的保密性大大加强，这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。在兼容性方面，AT89S51向下完全兼容51全部字系列产品。比如8051、89C51等产品。方案二: AT89C51AT89C51的工作最高频率为22MHz。采用FLASHROM，内部具有4KB的存储空间， 能在3V超低压下工作，而且S51单片机完全兼容，但是运用于电路设计中时，由于不具备RSP在线编程技术，当对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能，需要烧入程序时对芯片的多次插拔会对芯片造成一定的损坏。 方案比较：由于AT89S51单片机工作频率高（AT89S51的工作最高频率为33MHz）烧写时无需插拔，相比AT89C51更不易损坏，并且AT89S51具有ISP在线编程功能，在程序调试时方便，兼容AT89C51。所以选择方案一。2.3 传感器的方案选择 本文设计的基于气压检测的高度表需要通过气压传感器采集气压数据，供给模数转换芯片转换。可选用的气压传感器有如下：方案一：气压传感器US9111 在本系统中传感器的选择是非常重要的一环，直接关系到测量的精度以及范围。但由于预算的限制，此传感器具有良好性价比的US9111绝压型气压传感器，它的测量范围为0至103.4kpa，差分输出。 方案二：气压传感器SCP1000-D01 SCP1000-D01是芬兰VTI公司生产的一款基于D-MEMS技术的绝对压力传感器，能在正常条件下达到亚米级别的分辨率和1m的精度。SCP1000-D01提供了高精度、高速度、低功耗、和超级功耗4种模式。可供用户需要自行选择测量方式。SCP1000-D01的测量范围在-100pa+100pa。 方案比较：US9111的测量范围相对SCP1000-D01大，且价格较为便宜，所以本设计选择方案一。2.4 模数转换芯片的方案选择本文设计的基于气压检测的高度表在气压传感器采集到的数据需要经过模数转换后传给单片机，常用的模数转换芯片有以下几种：方案一：TLC0809TLC0809是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行数模转换的器件，其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通一个通道进行A/D转换。方案二：TLC549 TLC549是TI公司生产的一种低价位、高性能的8位A/D转换器，它以8位开关电容逐次逼近的方法实现A/D转换，其转换速度小于17us,最大转换速度为40000HZ,4MHZ典型内部系统时钟，电源为3至6伏。它能方便的采用三线串行接口方式与各种微处理器连接，构成各种廉价的测控应用系统。方案比较：TLC549相对于TLC0809所需要用的端口资源少，能够满足本文设计的需求，所以选择方案二。2.5 显示器件的方案选择本文设计的基于气压检测的高度表需要显示气压值和高度值，显示器件的选择方案如下：方案一：数码管显示数码管显示的数字虽然清楚，但是其耗电量比较大，而且只显示数字，但不能显示些复杂的字符。 方案二：液晶显示液晶显示具有零辐射，低耗能，散热小，纤薄轻巧，精确还原图像等优点，而且能显示星号。方案比较：液晶显示能较方便的显示多个字符，且功耗低，满足本文设计的需求，所以选择方案二。 第三章 基于气压检测的高度表的硬件设计本文设计的基于气压检测的高度表以单片机AT89S51为核心，由电源电路，传感器电路，模数转换电路，显示电路组成。各部分电路的具体设计如下：3.1 电源电路设计本设计采用锂电池供电，然后对电压进行转换，其电路原理如图3-1所示，主要部分是采用线性稳压芯片7805实现稳压,在输入电压存在波动时，输出电压保持恒定的装置，转换后的12V电压供给扩展部分，5V电压供给单片机。图中15V的电压由锂电池提供。 图3-