便携式气压高度计的设计方案

1 便携式气压高度计的设计方案 第一章 便携式气压高度计简介 便携式气压高度计的研究目的 气压高度计是常见的测量工具，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。气压高度计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便携式高度计的设计法 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便携式气压高度计，该气 压高度计能够方便的时时检测到气压值与高度值，当气压值达到极限值时能够及时限警报，来提醒使用者注意气压环境。 便携式气压高度计的工作原理 气压 高度计 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。 利用气压测量海拔高度的具体原理是： 根据计算和实测的结果表明 ， 在海拔高度 0m +4000m 范围内 ,可近似地认为大气压的降低和海拔高度的升高成反比关系 ,比例系数约为 (12. 3 11. 5) Pa/m， 即 :大约每升高 1m， 大气压力下降约 12利用此原理 ,来实现对高度的计算。 推导计算公式： u=,其中 00 要使用气压高度计， 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（ 毫巴（ 毫米汞柱（ 英寸汞柱（ 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，760 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。据实测，在近地面层中，高度每升高 100米，大气压平均降低约 12 2 第二章 便携式气压高度计的方案设计 本文设计的便携式气压高度计由单片机、电源电路部分、液晶显示部分、复位部分、晶振部分、报警部分、传感器部分、模数转换部分组成 ,其结构框图如图 2 各部分作用如下： 单片机： 便携式气压高度计 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 12 显示电路：显示高度值和气压值。 报警电路：发出声音报警。 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。 单 片 机模数转换传感器复 位 电 路晶 振 电 路报 警 电 路液 晶 电 路电 源 电 路图 2根据设计的基本功能要求，设计方案的选择如下： 电源的方案选择 本文设计的是便携式气压高度计，必须要能够携带方便，因此在电源供电上不能使用稳压源供电，而 要考虑用电池供电，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 5 方案二：使用锂电池 使用 15后经过转换之后得到 5 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。 单片机的方案选择 本文设计的 便携式气压高度计以 单片机为核心，常用的单片机有以下几种： 方案一： 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。 最高工作频率为 33有双工 具有 双数 3 据 ,具有 电源关闭标识。 新的加密算法，这使得对于 89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 ， 下完全兼容 51全部字系列产品。比如 8051、 89 方案二 : 2用 部具有 4 能在 3作，而且 是运用于电路设计中时，由于不具备 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 片机工作频率高（ 工作最高频率为33烧写时无需插拔，相比 不易损坏， 并且 有 线编程功能，在程序调试时方便，兼容 以选择方案一。 传感器的方案选择 本文设计的 便携式气压高度计需要通过气 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 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 压型气压传感器，它的测量范围为 0至 分输出。 方案二：气压传感器 芬兰 司生产的一款基于 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。 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。 10000 方案比较： 测量范围相对 ，且价格较为便宜，所以本设计选择方案一。 模数转换芯片 的 方案 选择 本文设计的 便携式气压高度计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： 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/ 方案二： 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/转换速度小于 17大转换速度为 40000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： 对于 够满足本文设计的需求，所以选择方案二。 4 显示器件的方案选 择 本文设计的 便携式气压高度计需要显示气压值和高度值，显示期价的选择方案如下： 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。 报警电路的方案选择 本文设计的 便携式气压高度计需要实现对气压高度值的上下限给予一定的提醒，所以需要有报警电路，常用报警方 案有以下几种： 方案一：语音芯片 将语音信号通过采样转化为数字，存储在 ，再通过电路将的数字还原成语音信号。 语音芯片能够清楚的报出语音，且能处理好几种语音格式。 方案二：蜂鸣器 蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器 ，单片机的 I/O 口可以通过 宽或者利用定时翻转电平对蜂鸣器进行驱动，操作简单方便。 方案比较：蜂鸣器较语音芯片更好控制，且价格低廉，在本文设计中只需要在气压达到上下限时作一个简单的提示，所以本设计选择方案二。 5 第三章 便携式气压高度计的硬件设计 本文设计的 便携 式气压高度计 以单片机 核心，由电源电路，传感器电路，模数转换电路，显示电路，报警电路组成。各部分电路的具体设计如下： 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15 图 3源电路原理图 单片机最小系统设计 单片机最小系统是由单片机，晶振电 路和复位电路组成，如图 3示。 性能 位单片机，片内含 4k 可反复擦写 1000 次的 件采用 易失性存储技术制造，兼容标准 0片内集成了通用 8 位中央处理器和 储单元，功能强大的微型计算机的 单片机复位是使 都处在一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，例如复位后 0000H，使单片机从第 个单元取指令。无论是在单片机刚开始接上电源时，还是断电后或者发生故障后都要复位 。在复位期间（即 部程序存储器读选通信号 址锁存信号 据实际情况选择如图 3电路在最简单的复位电路。 3、 振、电容 作为反馈、放大元件）构成了电容三点式振荡器，振荡信号频率与晶振频率及电容 主要由晶振频率决定，范围在 0 33容 30据实际情况，本设计中采用 12电容取值为 30 6 图 3单片机最小系统原理图 模数转换电路 设计 本文设计的便携式气压高度计采用 数转换芯片对气压数据进行模数转换， 美国德州仪器公司生产的 8 位串行 A/D 转换器芯片，可不通用微处理器、控制器通过 有 4件控制电路，转换时间最长 17s ， 5500 次 /s， 40000 次 /s。总失调诨差最大为 典型功耗值为 6用差分参考电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围， V ，可用于较小信号的采样。 引脚分布图如图 3个引脚的功能见表 1： 具体电路设计如图 3示， 气压信号放大后的接口。 单片机的 入 串行移位脉冲引脚。 出串行移位数据。入片选。 表 1 引脚功能表 7 引 脚 1引 脚 2引 脚 3引 脚 4引 脚 5引 脚 6引 脚 7引 脚 8R E F + ： 输 入 ， 电 压 为 + 2 5 v 基 准 电 压A N A L O G I N ： 输 人 ， 信 号 输 人 0 + 2 . 5 V 电 压 ：R E F - ： 输 人 ， 负 基 准 电 压 ， 接 地G N D ： 输 人 ， 地 ， 接 地C S ： 输 入 ， 片 选D A T A O U T ： 输 出 ， 串 行 移 位 数 据I / O C L O C K ： 输 人 ， 串 行 移 位 脉 冲V C C ： 输 入 ， 电 源图 3显示电路设计 本文便携式气压高度计采用的是 1602字符液晶。 单片机 ，数据传至液晶并显示。 单片机 是写指令和写数据控制脚。 是单片机读数据和写数据控制脚。 是使能端。 的亮度。 用 为一个字符由 68 或 88 点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示 字节，还要使每字节的不同位为 “1” ，其它的为 “0” ，为 “1” 的点亮，为 “0” 的不亮。这样一来就组成某个字符。但由于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在 立光标，在此送上该字符对应的代码即可。 其电路设计如图 3 8 图 3气压传感器电路设计 本文便携式气压高度计采用的气压传感器 由于预算的限制，此次设计选择了具有良好性价比的 的测量范围为 分输出。 具体参数如表 2： 表 2气压传感器 最小值 典型值 最大值 单位 激励电压 10 V 激励电流 电阻 4 5 6 量程 15灵敏度型 ) 130 170 210 偏移 30 度系数（电压激励 ） 温度系数（电流激励） 温度系数（零偏移） 线性度 滞度 压 3 作温度 +125 储存温度 +150 引脚及功能如表 3所示： 表 3 引脚及功能 9 1 脚2 脚3 脚4 脚5 脚6 脚7 脚8 脚空 脚正 信 号空 脚负 电 源负 电 源负 信 号空 脚正 电 源为了正确测量气压，并将测得的气压值转换成单片机需要的电压信号，需要将传感器输出信号进行处理，处理电路包括激励源电路和信号放大电路两部分，具体设计如下： 1、传感器激励源设计 由于采用电流激励的温度特性要优于电压激励，因此本设计采取恒流源供电的思路，设计了一个用来给传感器提供 流的恒流源。具体电路如图 3中 稳压二极管选用 放选用 图 32、信号放大设计 因为气压 传感器检测到的信号大概是毫伏级，然而单片机所需要的电压需要+5V，因此在本设计中需要将信号放大。 在本设计采用差动放大电路即可满足需求，然而基本的差动放大电路精密度较差，且差动放大电路上变更放大增益时，必须调整两个电阻。但是因为需要有效的调试，所以考虑之后选择了三级放大电路。 10 前级差动放大电路抑制共模干扰，电路如图 3示，调节 以改变放大倍数（ 1。 图 3动放大共模抑制电路图 图中， S+是传感器输出信号，由于信号源的内阻处于理想化，有 S+=4间的电流处于 0。调节 电路两边对称既而增强了抗共模干扰的效果。 中级差分运算电路如图 3示，将前级信号进行差分运算，将信号放大 5倍然后送至后置继续放大。 图 3后置放大电路如 3根据 1+14)出后置放大系数为 3，即为 3倍。 11 图 3比例放大电路图 报警电路的设计 本设计中的报警电路设计采用一个三极管驱动一个蜂鸣器，主要用于当气压达到上下极限值时进行报警提醒。电路如 图 3示 。 图 3警电路图 12 第四章 便携式气压高度计的软件设计 本文设计的便携式气压高度计的软件程序包括主程序，显示子程序，模数转换子程序，数据处理子程序，报警子程序，具体设计如下： 主程序设计 主程序流程图如图 4示，首先进行状态初始化， 示器上显示初始界面，然后根据输入的信号显示对应的数据。然后再对数据进行判断，达到上下限则采取对应的措施。 开 始初 始 化显 示 初 始 字 符数 据 处 理显 示 对 应 数 据结 束判 断 有 无 达 到 上 下 限采 集 气 压 数 据报 警 处 理Y E 图 4程序流程图 13 模数转换子程序设计 49是 8位串口 用单片机控制，通过 S,条口线进行串行接口。 当 高时，数据输出 (处于高阻状态，此时 I/O 起作用。这种 ，共用 I/O 减少多路 (片 )A/。 一组通常的控制时序为： (1)将 低。内部电路在测得 降沿后，再等待两个内部时钟上升沿和一个下降沿后，然后确认这一变化，最后自动将 前一次转换结果的最高位 (输出到 (2) 前四个 I/O 期的下降沿依次移出第 2、 3、 4 和第 5 个位 (5、 片上采样保持电路在第 4个 I/O 降沿开始采样模拟输入。 (3)接下来的 3个 I/O 、 7、 8(转换位。 (4)最后，片上采样保持电路在第 8个 I/O 期的下降沿将移出第 6、7、 8(转换位。保持功能将持续 4个内部时钟周期，然后开始进行32个内部时钟周期的 A/ 8个 I/O I/O 种状态需要维持 36 个内部系统时钟周期以等待保持和转换工作的完成。如果 ，则微处理器 /控制器将不器件的 I/O 时序失去同步；若 高时出现一次有效低电平，则将使引脚重新初始化，从而脱离原转换过程。 49的软件设计流程图如图 4示： 14 开 始是 否 进 入 中 断N 变 量 i = 0 ,a d b l = 0 x 0 0C S = 0C L K = 1a d b l 左 移 一 位D A T A O U T = 1a d b l + +Y E Sa d b l = 0C L K = 0i = 8N Y E = 1返 回 a d b 图 4数据处理子程序设计 对 程图如 4 15 图 4据处理子程序流程图 显示子程序设计 显示子程序中首先确认显示位置，然后写入显示数据。显示子程序流程图如图4 图 4示子程序流程图 报警处理子程序设计 当气压值达到预定值（也就是上下限值）时，单片机向报警电路发出控制信号，驱动蜂鸣器工作，进行报警。报警子程序流程图如图 4 开 始 始化 确认显示位置 写入显示数据 结束 显示完？ Y N 16 开 始判 断 有 无 达 到 上 限Y E 判 断 有 无 到 达 下 限报 警结 束Y E 图 4警处理子程序流程图 17 第五章 便携式气压高度计测试 本文设计的便携式气压高度计的测试电路板如图 5示。主要包括单片机控制电路， 号放大电路和气压调节电路等。 图 5度计检测电路板 在标准大气压下（ 100气压传感器输出电压为 25度值为 0m，测试结果如图 5 图 5准大气压时测量结果 当海拔高度增加时气压降低，测试时通过增大气筒密封部分体积 来模拟气压降低的效果，当测得传感器输出电压为 ，对应气压和高度值的测试结果如图 5示 ： 18 图 5压为 99 19 第六章 总 结 本文设计的 便携式气压高度计 从经济实用的角度出发，采用美国 为主控芯片， 结合外围、显示、报警电路并用 制了一款可以检测气压以及高度的具有报警功能的 便携式气压高度计 。 使用单片机制作的 便携式气压高度计 具有软硬件设计简单，易于开发，成本较低，安全可靠，操作方便等特点，可应 用于 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， 有一定的实用性。该电路设计控制报警电路等多种功能。 本文设计的 便携式气压高度计 也存在一些缺点，在数值精度需求上存在某些不足，这是