基于单片机的数字气压设计与实现

绪论1.1课题研究目的和意义当今时代的测量技术已经发展的愈发成熟，从简单的体温计，有家用等级到实验等级不等的各种形式，且在生活生产中，测量并不是一个单纯的判定技术指标的行为，而是收集产品数据进行现代信息化、数字化的处理，对产品或其他被测量对象的一种发展形式和实时性的分析，同时也是对其未来趋势走向的判断依据。而传统气压计在使用和发展上，已经达到了瓶颈，其不能满足更高等级的使用场景和工业生产。在本课题的载具的轮胎胎压检测方向上，气压的检测一定是有更高的技术指标的，我们不能使用传统的物理气压计应用于此方面，其可以改进的方向在以下几个方面：1.1.1数据可读性传统气压计，例如水银型气压计，根据其物理特性进行测量的方式很容易被外界因素干扰，同时根据个人读数的差距产生测量误差，并且无法使用数字化的方式进行数据收集和整理。本设计实现的气压计可以通过数字化的方式进行数据显示，同时扩展外围后，可以显示更多数据，并且能够进行数据储存和上传，以便于用户数据收集统计和分析，通过数据变化进行优化，实时进行产品改进。1.1.2检测智能化传统气压计的测量单位和物理量是单一的，同时无法进行额外的模块新增删减，缺乏对整体环境的普适性和实用性。本文设计的51单片机的气压计可以根据需要修改设定阈值和其他模块的增添，同时通过通信串口进行数据的上传，保留历史记录供用户进行检查，实现了气压计的智能化。1.1.3实时精度高汽车等载具的气压变化是不稳定的，同时因为其运行性质，需要的精度非常的高，此外其检测方式不能是一次性的，而是连续的，快速响应的。本设计使用的软件方法能够支持其进行实时性的检测和反馈，同时使用的传感器拥有工业级精度反馈，优化测量算法并且使结果精确化。1.1.4高度集成化本设计使用的单片机作为控制系统，其中心和外围电路非常小，同时高度集成，能够实现嵌入操作，不影响汽车的整体形态和重量，对电路系统的影响很小，在提高性能的同时缩小了占用体积，适合各种型号的载具汽车。本设计提出了一种基于51单片机的数字气压计设计方法和仿真，通过单片机的中枢控制，最大化其成本和性能平衡的优点，同时高度集成，结构紧凑，对整体的大型电路的影响降到最低。硬件电路本身预留了各种接口，用户和其他开发者可以根据功能需求进行使用。在软件部分使用C语言进行编程，作为一种底层语言，C语言可实现的功能更多更复杂。测量仪器的数字化、智能化是未来的趋势。结合了嵌入式方法的气压计设计理念对未来的开发和研究具有重要的指导意义。1.2气压计的研究现状在17世纪的意大利就已经出现了水银气压计；并于不久后的法国实现了气压和高度变化观测；而二百年后的福丁式水银气压计的出现，奠定了各类不同物理检测方式的气压计的出现。我们都知道虹吸原理，而虹吸式水银气压计作为上世纪常用的实验室级别的气压监测装置。通过高度不同导致的气压差，将水银柱上升下降的方式进行气压测量。之后出现的施普龙水银气压计结合了天平进行气压测量，而天平的存在使这种气压计可以进行数据的采集记录。而之后便出现了电子式气压计，并沿用至今，电阻式，电容式都是利用物理变化，采用相应的物理装置进行电路属性的改变。唧筒式水银气压计用以校正大气压测量装置，同时圆筒式振动气压计结合了传感器和计算机系统进行压力测量。传感器正如其名字，使用了薄膜构造的圆筒，并抽成真空，这样在外部施加压力时，筒体会产生共振，测量其共振频率即可得到气压值。1.2.1传感器的发展传感器至今已经快发展一百年，根据材料的不同性质，基于其物理、化学、生物反应不同，由不同工艺和多种研究学科，是研究不同信息不同形式规范化研究的一门重要学科。传感器技术在近年来持续发展，并作为垂直化产业的必备技术。传感器技术得以发展，主要依靠：（1）计算机系统的快速发展，人们对大量信息的采集和处理需求增加，传统的人工方式在精度和速度上都已经不符合要求，需要对物理变化进行一个数字化处理的过程。（2）市场和社会的需求冲击带来的全新发展动力。传感器的硬件流程组成如图1.1所示：图1.1传统传感器的工作流程框图其中三部分的作用如下：压敏元件：存在能够直接感受环境物理变化的元器件，通常是经过物理变化影响电流或电压的相关性器件。转换元件：物理测量的信号将通过此元件，通过一定的对应关系转换为适用于后续电路部分的电信号。转换电路：进一步将初始数据通过一定的对应关系转换为便于读取和记录处理的电信号，其种类一般通过转换元件确定。1.2.2传感器研究现状计算机技术的不断发展让传感器技术有了新的发展方向，智能化和环境感知是未来控制理论的研究领域，同时新兴的人工智能和机器学习中，都可以见到新型传感器的身影。智能化是当今时代机电一体的高集成高度自我感知系统的重要特征。而未来的深度网络、模糊控制等都会进一步促进传感器的转型发展，更具备智能化特性。传感器是目前研究方向必不可少的元件部分。智能的感知系统离不开传感器的发展，而我国的传感器发展研究起步晚，研究方向不明确，传感器学科需要我国更进一步的研究发展，主要表现为：（1）传感器的多样化、多平台、融合感知技术的融合研究；（2）建立数据的监控统计机制，提供更科学的研究依据；（3）研究多种算法的发展方案，取长补短。1.3基于51单片机的数字智能轮胎气压监测装置本设计选择了AT89C52的单片机最小系统。其中包括单片机控制中枢、晶振和放大电路、显示部分、传感器部分和供电部分。利用硅压力传感器的压强电压线性关系，通过数据转换后显示在液晶屏幕上。此设计选择的是MPX4115气压传感器，其工作温度范围是0℃-85℃，上下浮动误差为1.5%。1.4课题的研究内容和方法架构1.4.1研究内容本设计主要通过AT89C52单片机完成数字胎压气压计的设计仿真。研究内容如下：①测压的原理介绍。②系统的硬件电路设计，各个模块的电路设计。③系统的软件设计。通过C语言设计能够实现气压测量和显示，并对硬件进行仿真。1.4.2课题研究的方法架构在第一章我们简要阐述了气压计的发展背景，同时分析了传统气压计发展的不足之处，针对其应用方向不能应对当今的数字化智能化的发展方向，我们提出了一种基于51单片机系统的数字气压计系统，并将其用于汽车等载具的轮胎胎压检测，要求其拥有高精度和实时响应。同时介绍了本文的主要工作。第二章我们将分析系统功能并进行总体的设计规划，我们将对其原理进行阐述，同时进行气压计的功能分析，根据我们需要的功能进行系统结构和硬件方面的设计。同时我们将快速简要的介绍AT89C52单片机系统。第三章我们将针对此系统的硬件平台，以此叙述我们根据需求进行的硬件选型和系统组成和功能实现。第四章着重介绍系统的软件部分，包括平台的使用和系统流程以及代码可视化。最后一章我们将展示课题的研究成果和总结，并阐述其完成情况。

2系统功能需求分析和总体设计此设计使用的单片机系统需要我们对其进行功能上的分析和阐述，并搭建系统逻辑框架。2.1系统功能性分析数字气压计通过传感器的物理方式对环境下的大气压进行感知，并转化为模拟电压信号，此时的电压信号较弱，同时极易受到输入电压的影响。在经过信号放大后，使用数模转换器进行数据转换使其标准化。同时测量的气压值和电压值因为传感器的原因是正相关的关系，通过一定的线性关系式，可以确定气压的变化，同时在线性关系上加上标准大气压，我们就能得到准确的气压值，并且此测量是实时的。气压数据在单片机的控制下显示在液晶显示器上。2.2系统组织框架和硬件设计我们对系统的功能分析完成之后，在其基础上，对系统结构进行设计。图2.1是此系统的结构框图：图2.1系统框图根据图中所示，其功能如下：（1）气压传感器：元件可感知环境气压，并转化为电压，改变电路的当前状态以达到测量的目的。（2）放大器：放大微弱的测量信号，并有效的避免干扰。（3）时钟晶振：是单片机的基本电路。（4）通信电路：预留通信位和上位机进行通信，使得获取的数据能够进行实时统计和处理。（5）EEPROM和扩展：可以存储数据。此系统拥有核心模块和扩展模块，外围主要是作为输入和人机交互模块而存在的。2.3中心控制系统的选择2.3.1AT89C52单片机简介此单片机是性能及其优秀的CMOS8位数字控制机，片上系统拥有8k字节大小的Flash高速软体并支持重复擦写，同时高达256字节的片上应用控制存储能够更加流畅的执行系统指令，同时向下兼容传统的MCS系统指令，片尺寸非常小，使得其集成性很高。AT89C52的I/O并行发射支持丰富，同时其中的扩展接口众多，支持片上链接和热写入，配合上位机实时调试能够极大的增强开发效率。同时针对产品需求的不同，此单片机提供了PDIP、PQFP和PLCC的不疼痛封装方式。2.3.2单片机工作特点此单片机为8bit通用微处理器，符合工业标准规范的内核方式，在整个系列中，具有着相同的引脚排布。内部功能完善，片内可直接进行寄存器和存储器的初始化。主要管脚包括XTAL1和XTAL2作为震荡输出，以晶振进行驱动，晶振大小为12MHz。RST可配合外接电阻执行复位。采用双路供电模式。P0-P3是其通用编程管脚，可通过程序定义其功能。2.4单片机组织体系结构介绍2.4.1AT89C52的定时器此单片机的定时器2是一个16bit定时/计数器，可以用于外部事件的计数响应，它存在三种工作方式，而定时器的工作方式由T2CON的controlbit决定。此16bit定时器的组成是由两组高低位寄存器构成的，由于其机器周期的时钟有12个，所以其计数速率在其震荡频率的1/12。在不同的工作方式下采样周期和震荡周期不同，决定了计数速率的不同。2.4.2AT89C52的中断此单片机的中断允许如表2.1所示：表2.1中断允许寄存器IESFRnameAddressBitB7B6B5B4B3B2B1B0IEA8HNameEA-ET2ESET1EX1ET0EX0此表格中，EA是总中断允许控制位，两个外部中断，三个内部定时器中断和一个串口中断。所有中断在高电平下允许中断。一般来说，使用定时器将启动相应定时器的相关控制器TCON，随后设定其工作模式TMOD，查询溢出情况的TF值，溢出后将请求中断。中断的触发情况：外部中断源（2个）：INT0和INT1低电平或者下降沿引起中断；触发方式由特殊功能寄存器TCON的低4位控制；内部中断源（3个）：T0,T1由相应储存器溢出后引起中断；TI/RI串行中断，完成一帧字符发送/接收后引起中断；这三个内部中断源的控制位分别所存在特殊功能寄存器TCON和SCON中（表2.2）。表2.2定时器/计数器中断控制寄存器TCONSFRnameAddressBitB7B6B5B4B3B2B1B0TCON88HNameTF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0这些中断位置在触发后，在中断条件成立时，向CPU申请中断。如果在中断被响应之前的条件发生了改变，那么中断的状态将被立即改变。

3硬件选型和仿真开发本次的硬件设计由三个部分组成：传感器，单片机和以显示等为主的外部电路。系统硬件接口如图3.1所示：图3.1系统硬件接口3.1压力传感器MPX4115本设计使用的气压测量模块是基于智能化、自动化的原理选择的，因此选择了摩托罗拉公司的MPX系列的MPX4115气压检测传感器。此型号的压力传感器可以将精度为0.001kPa单位进行信号转换到0-5V范围的模拟电压信号输出，同时其I/O输出可以进行部分悬空处理，包括4、5、6号的空引脚部分，单引脚进行输入，当然，其输出的信号存在扰动，为了进行滤波可以进行低通滤波操作。此模块在测量范围内的输出具有线性关系，其效果满足：（3-1）其中的out为输出的电压值，P为当前的气压变化，off是基于当前的标准气压标定的基本值，规定灵敏度为0.6mv/kpa。在单片机进行自主的信号放大之后，信号将进入V/F变换模块进行单端变换，整体的电源和地面间需要滤波电容。其内部的放大电路如图所示：图3.2放大电路仿真3.2V/F输入输出变换LM331和数模转换的方式一样，我们得到的测量气压电压电流信号是不能被直接使用的，所以本设计使用了LM331进行了脉冲串转换，虽然和数模转换的原理不同，无法直接得到模拟量，但在单片机中已经存在的定时器等可以直接实现数模转换，同时具备抗干扰能力强的脉冲串特性。本设计中，LM331可以使用两种电源供电方式，配合单片机本身的多路电源接入进行供电，此设备的电压工作范围在5-40V，误差精度在0.0001，其存在的变换关系如下所示：（3-2）其中下图是LM331的外围电路图：图3.3LM331的外围电路连接图在图中的电阻部分影响着电路检测增益，对于元件来说，参数上可能根据元件的使用而产生不同的需求，本设计根据以上提出的实际使用需求进行了参数和精度部分的确定。再次强调，在使用LM331进行数据转换之前，使用低通滤波器进行去干扰处理，能够提高数据精度和稳定性。3.3三端集成稳压器78L05使用此稳压器进行限制电压变化在5V上下，其中优秀的电源管理核心和内部的电流限制过程以及在线关断特性可以应用于我们的汽车轮胎场景，此模块对于在电压过载的情况下，替代了齐纳二极管-电阻排阻，输出阻抗特性得到了改善，加大了偏置电路的电流过滤能力。输入电压的工作范围很高，在30-35V区间，输出在100mA并且无需驱动程序，对于应用中的Co含量不会影响其稳定性，但能很快的改善瞬态响应，在实时更新的场景中是非常好用的。3.4液晶显示器LCD1602我们所使用的显示模块是LCD1602，其显示的字符数量为2*32字节，同时显示数字和字符状态，并且供电显示稳定，方便动态显示开发。经过排阻上拉到单片机的P0口。其电路图如图3.4所示：图3.4LCD显示电路3.5其他外围部分本设计的晶振时钟使用的是12MHZ的片内时钟。系统使用了2416的16KB存储介质进行数据存储。在设计场景中，我们需要考虑到报警和阈值提示，根据此需要我们设计了控制电路，实现了压力上下限报警，如图3.5所示，可进行灯光驱动进行报警提示。图3.5报警电路

4系统软件设计本章在系统软件开发部分和IDE平台应用进行了详尽的阐述。4.1编程平台（编译器）uVision4此次选择的集成开发环境为KeiluVision4作为单片机的编程环境，对C51和ARM环境有着专有的硬件烧写和调试支持。为了增强开发人员的易用性，提高开发人员的生产力和开发效率，keil拥有完美易用的视窗开发和调试可视化系统，在第四代中，将工作区和文本编辑模块整合，形成的共享工作区极大的提高了开发效率，缩短了开发周期，增加了大众化的功能能够增强开发者的使用体验。·多显示器和灵活的窗口管理系统·系统浏览器窗口的显示设备外设寄存器信息·调试还原视图创建并保存多个调试窗口布局·多项目工作区简化与众多的项目4.1.1IDE环境KeiluVision是基于硬件的调试编译平台，其兼容的硬件调试系统完美的实现了C51系列的烧写，同时可以扩展ARM系列的微内核处理器烧写，其基本的编程语言是C语言和汇编语言，是嵌入式系统常用的底层语言。在调试过程中，keil提供了调试逐步，错误反馈和运行逐步以及内存监视窗，方便开发者的使用。4.1.2KeiluVision的使用使用IDE的过程中可以建立一个工作区，创建针对一个项目的不同工程文件，并可以互相调用现成的开发工程和库。每个用户可以定义一个或多个project方案。其工作区如图4.1所示：图4.1KeiluVison工作区界面4.1.3工作区的使用和工程建立（1）新建一个新的工程，我们单击工程按钮，选择新建uVision工程，输入工程名建立相应的工程：图4.2新建工程文件这时选择相应的硬件型号就可以进入工作区了。图4.3选择硬件型号我们新建完工程后，可以发现左侧出现了工程组，右键单击源组，选择“从目录中添加编译文件”。之后就可以看到我们的工程文件了。图4.4选择编程文件当我们编程完毕后，我们需要编译，同时要输出一个hex文件以便之后下载到单片机中：图4.5目标选项设置在工程目标选项中勾选“创建HEX文件”，使用默认的hex编码即可。至此我们已经可以输出一个完整的工程文件，使用相应的烧写工具可以进行对单片机的在线烧写即可使用仿真。4.2集成化应用程序设计在上文中，我们已经完成了相应的硬件电路设计，并使用C语言进行程序的编写。我们的功能都是在软件上进行实现的。通过查阅MPX4115的官方文档可知，我们通过以下公式计算气压变量，满足公式：（4-1）我们根据实际的环境判断标准气压校正进行数值精确化：（4-2）根据当前温度可以得到实际气压。我们的程序流程如下：将定时器设定一个基本间隔时间，为V/F转换提供了缓冲，设定端口为异步并行发射的倍频模式，波特率固定默认，程序流程图如图所示：图4-6主程序流程图主程序如下：#include<reg52.h>#include<string.h>#include<intrins.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitRS=P2^0;sbitRW=P2^1;sbitEN=P2^2;sbitCS=P3^4;sbitCLK=P3^2;sbitDIO=P3^3;ucharyq;uchardis_yq={""};uchardis_lcd11={"asdfff"};//延时voiddelay(uintx){uchari;while(x--)for(i=0;i<120;i++);}////LCD控制//读lcd状态bitlcd_busy_check(){bits;RS=0;RW=1;EN=1;delaynop();s=(bit)(P0&0x80);EN=0;returns}ucharread_lcd_state(){ucharstate;RS=0;RW=1;EN=1;delay(1);state=P0;EN=0;delay(1);returnstate;}////忙等待voidlcd_busy_wait(){while((read_lcd_state()&0x80)==0x80);delay(5);}////向LCD写数据voidwrite_lcd_data(uchardat){while(lcd_busy_check());lcd_busy_wait();RS=1;RW=0;EN=0;P0=dat;EN=1;delaynop();EN=0;}////向LCD写指令voidwrite_lcd_cmd(ucharcmd){while(lcd_busy_check());lcd_busy_wait();RS=0;RW=0;EN=0;_nop_();_nop_();P0=cmd;delaynop();EN=1;delaynop();EN=0;}////LCD初始化voidinit_lcd(){write_lcd_cmd(0x38);delay(1);write_lcd_cmd(0x0C);delay(1);write_lcd_cmd(0x06);delay(1);write_lcd_cmd(0x01);delay(1);}////设置液晶显示位置voidset_lcd_pos(ucharp){write_lcd_cmd(p|0x80);}////在LCD上显示字符串voiddis_lcd_string(ucharp,uchar*s)//位置,字符指针{uchari;set_lcd_pos(p);for(i=0;i<16;i++)//16*2{write_lcd_data(s[i]);//delay(1);}}////********************************************************////获取AD转换结果ucharget_AD_result(){uchari,dat1=0,dat2=0;//其实控制位CS=0;CLK=0;DIO=1;_nop_();_nop_();CLK=1;_nop_();_nop_();CLK=0;DIO=1;_nop_();_nop_();CLK=1;_nop_();_nop_();CLK=0;DIO=0;_nop_();_nop_();CLK=1;DIO=1;_nop_();_nop_();CLK=0;DIO=1;_nop_();_nop_();for(i=0;i<8;i++){CLK=1;_nop_();_nop_();CLK=0;_nop_();_nop_();dat1=dat1<<1|DIO;}for(i=0;i<8;i++){dat2=dat2|((uchar)(DIO)<<i);CLK=1;_nop_();_nop_();CLK=0;_nop_();_nop_();}CS=1;return(dat1==dat2)?dat1:0;}//voiddis_lcd_yq(){yq=(get_AD_result()*5.0/255.0/5.1-0.04)/0.00369-3.45;dis_yq[0]=yq/1000+'0';dis_yq[1]=yq%1000/100+'0';dis_yq[2]=yq%100/10+'0';dis_yq[3]=yq%10+'0';dis_lcd_string(0x40,'a');}voidmain(){//dis_lcd_yq();delay(100);dis_lcd_string(0x40,dis_lcd11)

5课题成果和仿真本设计所实现的仿真成果和设计将使用相应软件进行模拟。5.1课题成果本设计的可靠性和鲁棒性并未得到完全验证，需要配合Keil软件和Proteus进行结合式的仿真操作，生成相应的hex硬件测试文件和c文件的源码文件，导入到仿真软件中进行操作，此文件如图所示：图5.1软件生成的文件和临时缓存使用Proteus进行仿真时，我们主要是测试电源供应和复位（供电结束）。单片机的片上电路才是整个系统运行的重中之重，在调试中保持晶振频率在12MHZ，在测试调试中观察通路情况进行电气化检查，检查存在电路冲突的部分，并及时进行改正。调整好的电路中体再进行测试。器件之间的连接要进行全面的检测和评估，同时要对后续可能的工作进行准备，例如PCB制版和其电气特征和物理特性等，最后对整个程序进行调试和仿真。5.2课题完成情况和展示本设计的仿真效果如下所示：图5.2打开仿真的数值此时的数值是在MPX4115的测量值在125mV的显示值，此时对应了的大气压是33kpa。图5.3MPX4115的当前数值和当前电压若我们调整数值呢？可以发现结果如下：当我们调整MPX4115的电压为140mV时，如图所示：图5.4改变MPX4115示数后的电压发现其电压相应的增加了，随之到来的是示数的增大，如图5.5所示：图5.5改变MPX4115测量值后的示数测量的气压为38kpa，我们的仿真是符合实际变化的，同时标准大气压中的气压校正我们也很好的实现了转换和计算。在报警模块中，我们设置了相应的电压阈值模块，在对应气压下的阈值电压小于某一个值或大于某一个值后，显示屏将提示“Error”，并相应的发生声光警报，提醒用户对轮胎进行维修和检查。

总结本设计提出了一种改进传统气压计的硬件设计方法，通过单片机控制进行数字化、智能化、实时化的气压测量，并应用于汽车载具的轮胎胎压检测，保证了司机的安全和产品质量的监测反馈，达到了我们的预期测试，满足了我们的实时监测和集成要求。本文主要完成了以下工作：1、查阅了相关的国内外文献，介绍了气压计的发展过程，提出了传统气压计的不足之处，同时阐述了传感器的发展历史。2、对数字气压计的系统功能和设计进行了总体的规划和设计，包括单片机系统的应用和原理阐述，软硬件的开发流程和原则。分析了单片机控制的成本和性能的最优方案。3、分析了基于单片机的数字气压计的硬件设计，包括传感器和稳压电路以及显示电路等。4、完成了系统软件的流程化设计，实现了阈值报警和数模转换方式，保留了功能开发接口。

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