基于单片机的气压检测装置的设计_毕业设计论文

刘强633

基于单片机的大气压检测系统的设计
摘要： 本系统是以MCS-51 单片机为检测中心的大气压检测系统。其总体设计是围绕低成本、模块
" f( s% C8 B% L1 e化、微型化的特点展开的。在硬件选择方面, 选择性价比高的AT89 系列单片机、MPX4115压力传感器、
9 ]8 O5 a+ I% z. ~* q: l2 S9 GADC0832模数转换器、四位一体共阳七段式数码管显示器；在软件方面, 采用了功能模块化; 源程序由C语
7 N" I2 B. \& g- t* f6 H% e  @' M: d+ C言编写，经过Keil μVision 软件编译，将hex 文件烧录到芯片中。为了降低整个系统的成本, 在满足性能
- ~* h8 G2 O* J. K9 g要求的前提下, 选择低成本元器件, 简化系统设计。同时，抗干扰能力强、微型化、微功耗等特点。
; O$ H4 a! H2 f+ M  J0 o3 I! S  q关键词：大气压检测； MPX4115；ADC0832；C语言程序
引言
近年来，随着微型计算机的不断发展， 它的应用在人们的工作和日常生活中越来越普遍。
工业过程控制是计算机的一个重要应用领域。其中由单片机构成的嵌入式系统已经越来越受
到人们的关注。
随着科学技术的迅猛发展， 生产力水平迅速提升， 单片机性能不断提高， 价格不断降低，
技术日趋成熟， 单片机广泛的应用于人们生活的多个领域， 这些东西都离不开单片机， 例如
导弹的导航装置， 工业自动化过程的实时控制和数据处理， 计算机的数据传输以及网络通讯，
6 ?+ z$ l! r" `各种智能IC 卡、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及电子琴、电子宠物等等，而基于单片
& ^4 J3 q  s- @机的大气压检测装置也是这类采用了单片机的电子产品。
若使用数字电路完成该设计， 那么所设计的电路就会变得十分复杂， 大概需要很多片数
( u* T5 R8 p4 u, U字集成块， 它的功能的实现主要是依赖于数字电路的各个功能模块的组合， 价格相对来说比
& U9 j" Z! F6 T" f较高，从而成本会提高， 并且焊接的过程也比较复杂。在本次设计中之所以采用单片机制作，
) L  @8 T9 o: g是因为单片机功能的实现主要是通过软件编程来完成的， 同时也使硬件电路简单化， 并且其
成本也有所降低。
本次设计的压力检测装置是通过压力传感器将检测到的压力信号装换为电信号， 送至8
6 ^  j( ]9 U8 w* [8 @位A/D 转换器，然后将模拟信号转换成单片机可以识别的数字信号， 再通过数码管显示输出。
基于单片机的压力检测装置， 选择的单片机是基于AT89S52单片机的测量与显示， 将压力经
过压力传感器变为电信号，然后进入A/D 转换器将模拟量装换为数字量，这里所采用的A/D
转换器为ADC0832，ADC0832为8 位分辨率A/D 转换芯片，其最高分辨率可达256 级，可以
) ]) P; p( G7 u1 s/ w适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用， 使得芯片的模拟电压输入
在0-5V 之间。芯片转换时间仅为32 s ，具有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误
差，转换速度快且稳定性强。
1 大气压检测技术简介
1.1 大气压的概念及其研究意义
$ w! L& E  y# F5 {6 M6 e! b地球周围包着一层厚厚的空气，它主要是由氮气、氧气、二氧化碳相关试验、水蒸气和
0 e" b) n  U8 e$ X# r5 u氦、氖、氩等气体混合组成的，通常把这层空气的整体称之为大气。它上疏下密地分布在地
球的周围，总厚度达1000 千米，所有浸在大气里的物体都要受到大气作用于它的压强，就
( J9 x) d. q  k+ g像浸在水中的物体都要受到水的压强一样。
大气压的变化跟压强和压力的变化注意区别。大气压（通常指大气压强和大气压力） 是
" u6 t; ?6 w3 E) `3 C2 O2 ^从宏观来论述， 压强和压力是从微观来讲。因而在理解上我们要注意区分不要搞混淆。一般
% Q* R& o" a6 `2 O7 N0 r来讲： 海拔越高， 大气压越小； 温度越高， 大气压越小； 空气越干， 大气压越大； 纬度越高，
大气压越大。
% s/ v" A$ d/ \: [+ G- H1.2 压力传感器的分类及特点
8 ]( B, w( V6 B% K7 G0 @) R4 I4 F压力传感器是压力检测系统中的重要组成部分， 由各种压力敏感元件将被测压力信号转
. R! n; y: M+ Q! `6 P换成容易测量的电信号作为输出， 给显示仪表显示压力值， 或供控制和报警使用。科学技术
4 \! Q/ _! i1 t% k4 h7 i的不断发展极大地丰富了压力测量产品的种类， 现在， 传感器的敏感原理不仅有电容式、压
7 b. d, d- N# ~6 i  h阻式、金属应变式、霍尔式、振筒式等等但仍以电容式、压阻式和金属应变式传感器最为多
见。
（1）电容式压力传感器
电容式压力传感器， 是一种可以利用电容敏感的原件把被测量的压力转换成为跟它有一
定的关系的电信号输出的精密测量仪器。它一般是使用圆形金属薄膜或镀金属薄膜来做电容
器的其中一个电极。在薄膜感受到压力的时候， 它就会变形的， 此时薄膜跟固定的电极间所
6 F# W: o( N& J7 I产生的电容量就会发生改变。测量电路就可以输出跟电压形成一定的关系的电信号。
电容式压力传感器是极距变化型的电容式传感器, 有单电容式和差动电容式之分。
单电容式压力传感器它是由圆形的薄膜和固定的电极组成的。当受到压力作用的时候，
4 u# P1 J( w  E" W! L- T. C; Z薄膜就会发生变形， 这样就会改变电容器的容量。它的灵敏度大概是跟薄膜与固定的电极之
间的距离和薄膜的张力成反比关系的； 而跟压力和薄膜的面积成正比关系的。有另外的一种
8 a: D3 r+ Z" c; Q7 {* p; E型式， 它是跟固定电极取凹形球面状的， 而膜片是周围边缘的固定的张紧的平面， 膜片能够
+ q& V8 b$ B4 s: Y2 K. r7 Q使用塑料接着镀上金属层的这个方法制造而成的。这一种型式比较适合于测量低压这个工作
5 ^5 _' Y+ @2 Q9 X  X6 ], P2 m条件的，它有比较高的过载能力。当然，要测量高压工作条件的话，可使用带有活塞动极膜
$ l6 O5 C: r0 f! G9 [& @片制造而成的单电容式压力传感器。这一种型式的传感器可以把膜片的直接的受压面积变
小，这样就方便使用比较薄的膜片以致来提高它的灵敏度。把它与各种的保护和补偿部还有
" I- }* i6 G: E放大电路的整体整合在一起，就会提高抗干扰能力。
$ h' \8 r1 s' y% R& L差动电容式压力传感器其受压膜片电极是处于两个固定的电极之间的， 可以形成两个电
容器。当受到压力的作用的时候， 其中一个电容器的容量就会变大， 而另一个电容器的容量
就会相应地变小， 而测量的结果是由差动式的电路输出的。此传感器的固定的电极是由在凹
7 H. n! N8 j: @: {: U0 k而曲的玻璃的表层上面镀上金属层而制造出来的。当过载的时候， 膜片就会受到凹面的保护，
" Z* K( K1 y$ W+ `+ C所以， 它是不会破裂的。相对于单电容式压力传感器来说， 它的线性度较好， 灵敏度也较高，
0 h, v/ v' `; g7 \' T1 ]9 {% A但是在加工方面就比较困难了，并且它不可以完成对被测的液体或者是气体的隔离，所以，
它不适合使用在有杂质的或者是有腐蚀性的流体之中。
8 V" _" V4 {; U8 p5 ~" G5 f4 J  H/ O（2）金属应变片式压力传感器
! a+ M5 N+ v$ I! j/ [2 Y电阻应变片是由金属应变丝或者应变箔、基体材料、引出线以及绝缘保护片等部分组成。
电阻应变片的阻值根据不同的用途可按需设计， 但是电阻的取值范围应该需要注意： 如果阻
9 _+ B( O" j" P! e值太小， 所需要的驱动电流就会太大， 并且应变片会发热导致自身的温度过高， 应变片的阻
  t6 ]: E! q/ W1 X# h4 ]1 Q值会因使用环境不同而变化很大， 调零电路过于复杂， 会有很明显的输出零点漂移。但是如
果电阻太大，阻抗太高，那么它在抗外界的电磁干扰的能力方面就会显得比较差。
: t0 s' t/ f" i/ w" A( ?) `金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化
2 k% T9 c  M! |3 Y- t+ N% \的现象， 通常称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可以用下面的式子进行表示：
% l; V5 M0 Y8 V, P4 [' _S
L
R
1 E# ]/ b: g/ O/ t* ?8 V式中： ——金属导体的电阻率 ( cm2 m . )
: k" z4 M7 F) E& J, ^L ——导体的长度( m)
/ o2 d; U* J1 T; G0 u4 g( nS ——导体的截面积( 2 cm )
6 ^3 ?4 H% X9 P# ]- q例如金属丝应变电阻， 当金属丝受到外力作用的时候， 它的截面积和长度都会发生一些
# F' `- F& C2 H8 x. U9 u" I1 l+ ^变化， 从上述公式中能够看出， 它的电阻值就会发生相应的改变， 或金属丝受到外力作用而
1 x3 p& N! A) [4 L发生压缩时， 其长度就会减小而截面积就会增加， 那么电阻值从而会相应减小。或金属丝受
到外力作用而使其伸长时， 它的长度就会增加而截面积就会减少， 那么电阻值就会增大。若
要获得应变金属丝的应变情况那么只要测出加在电阻的变化，通常是测量电阻两端的电压
[1]

$ L6 o) t4 ~  `& B( f: i8 Z  k1 j