基于51單片機(jī)控制的數(shù)字氣壓計(jì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

１　引言

氣壓計(jì)是利用壓敏元件將待測氣壓直接變換為容易檢測、傳輸?shù)碾娏骰螂妷盒盘?，然后再?jīng)過后續(xù)電路處理并進(jìn)行實(shí)時顯示的一種設(shè)備。其中的核心元件就是氣壓傳感器，它在監(jiān)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(yùn)用于氣壓計(jì)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(xué)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(dāng)高度進(jìn)一步增加時，即到９～１０ｋｍ的高空之后，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，作用于空氣柱底部的氣壓就會減小。一般把作用于單位面積上空氣柱的重量稱為大氣壓力。

２　氣壓計(jì)的結(jié)構(gòu)

本文研究的氣壓計(jì)結(jié)構(gòu)如圖１所示。其中氣壓傳感器用來將被測氣壓轉(zhuǎn)換為電壓信號；用Ｖ／Ｆ轉(zhuǎn)換器則可把氣壓傳感器輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換成具有一定頻率的脈沖信號；以便用單片機(jī)接收該脈沖信號，并根據(jù)單位時間內(nèi)得到的脈沖數(shù)，依據(jù)電壓與頻率的線性關(guān)系式計(jì)算出所對應(yīng)的氣壓值，最后在單片機(jī)控制下由ＬＥＤ顯示出來。

本氣壓計(jì)能夠在氣壓傳感器的線性范圍內(nèi)準(zhǔn)確測量相應(yīng)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(jì)的技術(shù)指標(biāo)如下：

●測量范圍：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(shí)現(xiàn)；

●工作溫度范圍：０～８５℃；

●電源電壓：９Ｖ。

３　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

在系統(tǒng)構(gòu)建過程中，需要考慮穩(wěn)定性、復(fù)雜程度、造價和調(diào)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。模塊之間沒有復(fù)雜的信號傳輸，且干擾很少，因而系統(tǒng)整體比較穩(wěn)定。

３．１ 氣壓傳感器

氣壓傳感器在氣壓計(jì)中占據(jù)核心位置。設(shè)計(jì)時可根據(jù)測量精度、測量范圍、溫度補(bǔ)償、測量絕對氣壓值等幾個性能指標(biāo)來選取氣壓傳感器。

由于該氣壓計(jì)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(wěn)定性和抗干擾能力，要求該氣壓傳感器應(yīng)帶有溫度補(bǔ)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(bǔ)償范圍為－４０～＋１２５℃；壓力范圍為２０ｋＰａ～１０５０ｋＰａ；輸出電壓信號（Ｖｓ＝５．０Ｖ）范圍為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(guān)系如下：

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(zhuǎn)換成頻率與輸入電壓幅值成正比的脈沖串。雖然Ｖ／Ｆ本身還不能算做量化器，但加上定時器與計(jì)數(shù)器以后也可以實(shí)現(xiàn)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換。它的突出特點(diǎn)就是把模擬電壓轉(zhuǎn)換成抗干擾能力強(qiáng)，可遠(yuǎn)距離傳送并能直接輸入計(jì)算機(jī)的脈沖串，從而通過測量Ｖ／Ｆ的輸出頻率來實(shí)現(xiàn)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換功能。

考慮到外圍電路實(shí)現(xiàn)的難易程度和相應(yīng)的性能指標(biāo)，筆者選用了ＬＭ３３１電壓／頻率轉(zhuǎn)換芯片。該器件使用了溫度補(bǔ)償能隙基準(zhǔn)電路，因而具有極佳的溫度穩(wěn)定性，最大溫漂為５０ｐｐｍ／℃，同時該器件的脈沖輸出可與任何邏輯形式兼容；ＬＭ３３１可單、雙電源供電，電壓范圍為５～４０Ｖ；滿量程范圍１Ｈｚ～１００ｋＨｚ；最大非線性誤差為０．０１％。圖２所示是該系統(tǒng)中ＬＭ３３１的外圍電路。在該電路中，基于ＬＭ３３１的壓頻轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

ｆｏ＝Ｋ Ｖｉ

其中，Ｋ＝Ｒｓ／(２．０９ Ｒｔ Ｃｔ ＲＬ)?， Ｒｓ＝Ｒｓ１＋Ｒｓ２

實(shí)際上，電路中的Ｒｓ主要用于調(diào)節(jié)電路的轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)者自己決定。該設(shè)計(jì)中，?。耍剑玻埃埃埃遥螅剑玻福矗玻?ｋΩ?主要是考慮到單片機(jī)部分使用測頻率法來測ｆｏ能夠保證頻率信號的測量精度。由于Ｒｓ、ＲＬ、Ｒｔ和電容Ｃｔ會直接影響ｆｏ的轉(zhuǎn)換結(jié)果。因此，對這些元件的參數(shù)有一定的要求，設(shè)計(jì)時應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)換精度適當(dāng)選擇。電容ＣＬ對轉(zhuǎn)換結(jié)果雖然沒有直接影響，但是應(yīng)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干擾脈沖，提高轉(zhuǎn)換精度。