方劉海，文繼國

（成都信息工程學(xué)院 電子工程學(xué)院，四川 雙流 610225）

數(shù)字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?shù)碾娏骰螂妷盒盘?，然后再?jīng)過后續(xù)電路處理并進行實時顯示的常規(guī)設(shè)備[1]。目前，數(shù)字氣壓計大量應(yīng)用于氣象、軍事、航海和航空、工礦企業(yè)，野外作業(yè)以及消費類電子產(chǎn)品等方面，需求極為廣泛。

常見的水銀氣壓計和酒精氣壓計體積大，精度低，攜帶不便且易損壞，因此，數(shù)字氣壓計逐漸成為研究熱點。普通的數(shù)字氣壓計大都選單片機為主控芯片，將普通壓力傳感器采集的氣壓信息輸入A/D轉(zhuǎn)換器（模/數(shù)轉(zhuǎn)換器），再經(jīng)單片機控制將氣壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并在顯示屏上進行數(shù)據(jù)顯示[2]。此方案設(shè)計過程繁瑣，電路復(fù)雜，成本高，功耗大。此外，很多應(yīng)用領(lǐng)域在測量氣壓值的同時也會關(guān)注環(huán)境溫度，因此，具有同時檢測氣壓和溫度指標(biāo)的氣壓計具有廣泛需求。鑒于此，本文設(shè)計了一種能同時測量氣壓和溫度指標(biāo)的數(shù)字氣壓計，并采用數(shù)字氣壓傳感器BMP085制作電路，獲得了滿意的測試結(jié)果。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

整個硬件系統(tǒng)由氣壓和溫度采集模塊，單片機主控制模塊和液晶顯示模塊構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 數(shù)字氣壓計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of the digital barometer system

氣壓和溫度信息采集分別由BMP085芯片和DS18B20芯片完成，而主控芯片采用單片機STC12C5A60S2，經(jīng)過處理后的結(jié)果由液晶顯示模塊NOKIA5110進行顯示。

主控制模塊負(fù)責(zé)信息采集與傳送，數(shù)據(jù)運算處理，設(shè)備驅(qū)動更新等工作。本數(shù)字氣壓計選用STC12C5A60S2作為主控制芯片，該芯片是具有A/D轉(zhuǎn)換功能的新一代8051單片機，其片內(nèi)的具有大容量程序存儲器且是FLASH工藝的，用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫。STC系列單片機支持串口程序燒寫。這種單片機對開發(fā)設(shè)備的要求很低，開發(fā)時間也大大縮短。且STC12C5A60S2的指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍[3]。此外，還具有寬電壓供電，低功耗，超強抗干擾等特點。最主要的是此芯片售價與傳統(tǒng)51相當(dāng)，且供貨充足，性價比很高。

氣壓采集模塊采用德國BOSCH公司的基于MEMS的BMP085數(shù)字氣壓傳感器[4]。該芯片主要由電阻式壓力傳感器、AD轉(zhuǎn)換器以及控制單元構(gòu)成，而控制單元則主要涵蓋E2PROM與I2C接口。該芯片采用I2C協(xié)議進行通訊，系統(tǒng)通過I2C接口直接接在處理器上，微控制器發(fā)送開始信號后進行壓力測量，數(shù)據(jù)信息經(jīng)過轉(zhuǎn)換時間器直接通過I2C接口讀出，但BMP085傳送的是未經(jīng)補償?shù)臄?shù)值，需用到E2PROM中的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進行補償。此外，該芯片采用1.8V～3.6 V供電電壓，適用的氣壓范圍從300 hPa到1100 hPa（分別對應(yīng)海拔9 000 m和－500 m），內(nèi)含一個溫度測量功能，采用IIC協(xié)議通信。BMP085具備低功耗、低電壓的電學(xué)特性，使其非常適用于戶外裝備。此外，該芯片是基于壓阻效應(yīng)技術(shù)的，具有穩(wěn)定的電磁兼容性、高精度、線性性以及穩(wěn)定性等優(yōu)點。

溫度采集模塊DS18B20芯片具有采集精確，抗干擾能力強的特點，與單片機采用獨特的單線接口通信模式，因為只使用了一條總線進行通訊，占用極少的I/O口資源，使得其可以輕松地組建成傳感器網(wǎng)絡(luò)[5]。同時，該芯片從通信線上獲取能量，消除了對外部電源的依賴。總的來說，DS18B20應(yīng)用在數(shù)字氣壓計中，能準(zhǔn)確獲取當(dāng)前環(huán)境溫度信息，既實現(xiàn)了便捷通信又節(jié)約了單片機硬件資源。此外，本設(shè)計還充分利用了它的一個由高低電平觸發(fā)的不因電源消失而改變的報警功能，這個報警功能可通過編程實現(xiàn)，為驗證此功能，本設(shè)計特地設(shè)定了一個34℃的上限報警溫度。

為節(jié)約成本，本數(shù)字氣壓計顯示模塊選用穩(wěn)定而廉價的液晶顯示屏NOKIA5110。84×48的點陣LCD，能顯示4行漢字，用串行接口與主處理器進行通信，使得包括電源和接地在內(nèi)的信號線減為9條[6]。此外，NOKIA5110采用低壓供電，降低了系統(tǒng)功耗。

另外，電源接入模塊，本系統(tǒng)采用5 V直流供電，電源接入經(jīng)電容濾波，通過AS1117－3.3 V后產(chǎn)生3.3 V電壓供液晶使用。由于系統(tǒng)功耗較低，故沒有選開關(guān)電源作為系統(tǒng)DCDC轉(zhuǎn)換方案，而選擇外圍電路簡單，更低噪聲的線性穩(wěn)壓芯片 AS1117－3.3 V。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 主程序部分

主程序設(shè)計部分主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)初始化、任務(wù)的切換以及實現(xiàn)不同模塊間的參數(shù)傳遞。包括的主要程序有：液晶初始化程序 LCD5510_Init()，液晶清屏程序 LCD_clr_scr()，系統(tǒng)時鐘初始化程序init_T0()，中斷任務(wù)程序IntT0()interrupt 1，環(huán)境溫度讀取程序Read Temperature()，環(huán)境氣壓讀取程序BMP085ReadPressure()，顯示緩存更新程序 Up_DESP(Desk1,AirPress,Temperature)，液晶顯示程序 LCD_prints(0,0,Desk1)。主要參數(shù)有：氣壓變量 AirPress，溫度 Temperature。其工作主要框圖如2所示。

2.2 功能模塊程序

圖2 工作框圖Fig.2 Working block diagram

單片機系統(tǒng)時鐘配置可通過配置定時器，產(chǎn)生固定時間的任務(wù)執(zhí)行信號，通過這個信號對任務(wù)執(zhí)行進行有效的安排，更加有效與有序的實現(xiàn)系統(tǒng)功能。定時器0采用方式2工作，且TL0和TH0均設(shè)置為－250，即250個時鐘脈沖進入一次中斷程序，對任務(wù)進行一次動作。

顯示更新的實現(xiàn)可通過建立顯示更新緩存，使顯示更加模塊化與高效。在RAM中建立Desk1[30]區(qū)間，并定時將需要顯示的信息經(jīng)過十進制轉(zhuǎn)化后寫到該區(qū)域，并定時用該區(qū)域的信息去更新液晶，最終實現(xiàn)顯示的流程。

氣壓采集與溫度采集的驅(qū)動程序都主要實現(xiàn)通信的建立[7]，數(shù)據(jù)的交換，單位的換算等功能。

3 測試結(jié)果及分析

在25～34.5℃溫度范圍環(huán)境下，利用塑料袋擠壓改變氣壓測試范圍為101～110 Kpa。采用與標(biāo)準(zhǔn)溫度計、標(biāo)準(zhǔn)氣壓計比對的方法，對本數(shù)字氣壓計進行測試。結(jié)果如下表1所示。

表1 溫度氣壓測試數(shù)據(jù)Tab.1 Temperature and pressure test data

根據(jù)設(shè)計制作，本設(shè)計可測試溫度范圍為0～150℃。氣壓可測試范圍為30～110 Kpa。據(jù)測試結(jié)果可知，在溫度和氣壓測試范圍內(nèi)，溫度測試精度為1%，氣壓測試精度滿足0.1%的指標(biāo)。

測試效果圖如圖3所示，圖中液晶顯示第一行P顯示當(dāng)前氣壓信息，圖中讀數(shù)為4.032 5 B，表示環(huán)境大氣壓為4.032 5倍標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，即約為400 kPa。第二行T顯示當(dāng)前溫度信息，圖中讀數(shù)為25.8C，表示環(huán)境溫度為25.8℃。第三行status on表示系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，另外，為驗證此功能，程序設(shè)置在環(huán)境溫度達到34.0℃時，氣壓測量關(guān)閉，溫度下降至低于34.0℃時，氣壓采集重新開啟，所以圖中環(huán)境溫度為25.8℃，氣壓采集開啟。

圖3 實物效果圖Fig.3 Physical renderings

4 結(jié)束語

測試結(jié)果表明，基于BMP085的數(shù)字氣壓計測量穩(wěn)定性好，精確度高，同時具備氣壓和溫度測試功能，且實現(xiàn)了溫度測試范圍的告警功能。本設(shè)計簡化了現(xiàn)有普通數(shù)字氣壓結(jié)構(gòu)，具有低功耗，小型化，低成本，測試精準(zhǔn)等特點，滿足廣泛的應(yīng)用場合要求，實用性強，應(yīng)用前景廣闊。

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