氣壓高度計的設(shè)計畢業(yè)論文氣壓高度計的設(shè)計目錄第1章氣壓高度計的簡介 11.1氣壓高度計的研究目的 11.2氣壓高度計的工作原理 1第2章氣壓高度計的設(shè)計方案 32.1電源的方案選擇 32.2溫度傳感器的選擇 32.3壓力傳感器的選擇 42.4RC濾波放大電路 42.5A/D轉(zhuǎn)換芯片 42.6單片機(jī)的選擇 52.7顯示器的選擇 52.8電平轉(zhuǎn)換芯片的選擇 5第3章氣壓高度計的硬件設(shè)計 73.1電源電路設(shè)計 73.2溫度傳感器電路設(shè)計 73.2.1AD590的簡介 73.2.2AD590的性能特點 83.2.3AD590的工作原理 83.2.4AD590的非線性誤差及其補(bǔ)償 93.3壓力傳感器的設(shè)計 133.4RC濾波放大電路 143.4.1LM358的簡介 143.4.2LM358的封裝 153.4.3LM358的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 153.5TLC2543的設(shè)計 163.5.1TLC2543的引腳及功能 163.5.2TLC2543內(nèi)部存放器工作原理 173.5.3TLC2543編程要點 183.5.4TLC2543與單片機(jī)的連接 193.6單片機(jī)89C52 203.6.1單片機(jī)89C52的簡介 203.6.2單片機(jī)89C52引腳及局部功能 213.6.389C52的晶振電路連接 243.6.489C52復(fù)位電路 243.6.5按鍵電路 253.6.6單片機(jī)89C52的設(shè)計連接電路 263.7LCD12864 263.7.1LCD12864的簡介 263.7.2LCD12864管腳及其功能 273.7.3LCD12864的特性 283.7.4LCD12864本次設(shè)計連接方式 283.8232 293.8.1232的簡介 293.8.2232的設(shè)計連接圖 313.9串行通信口設(shè)計 323.9.1串行通信的簡介 323.9.2RS-232標(biāo)準(zhǔn) 323.9.3RS-232的借口引腳定義 333.9.4RS-232的連接方式 33第4章氣壓高度計設(shè)計的軟件設(shè)計 344.1主程序設(shè)計 344.2顯示程序設(shè)計 354.3數(shù)據(jù)處理程序 354.4A/D轉(zhuǎn)換程序 36第5章總結(jié)與展望 38致謝 39參考文獻(xiàn) 40附錄 41第1章氣壓高度計的簡介1.1氣壓高度計的研究目的隨著人們生活水平的提高,戶外運動也越來越受到人們的青睞。對于實時掌握周圍環(huán)境的變化需求越來越大,氣壓、海拔和溫度的變化都需要隨時掌控。這就催生了氣壓高度計的快速開展。與此同時技術(shù)的進(jìn)步,氣壓高度計也逐漸有了新的應(yīng)用。目前隨著社會的開展,氣壓高度計的用途越加的廣泛,這樣對于氣壓高度計的要求越多,更方便快捷,穩(wěn)定性及精確度都是有所要求,例如氣壓式高度表是航空大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)的一局部,它是根據(jù)載體所在處大氣靜壓測量載體的重力勢高度。飛行員依賴他控制飛行器、保持地形許可和與其它飛行器的垂直距離。氣壓高度值將被提供應(yīng)飛行管理系統(tǒng)、自動駕駛儀、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及應(yīng)答機(jī)使用,已成為各類飛行器不可缺少的導(dǎo)航儀表。尤其是當(dāng)高度信息與GPRS信息融合實現(xiàn)組合定位,可以最小本錢提高GPRS定位精度和完好性監(jiān)測性能?；谝陨显?本文設(shè)計了一款氣壓高度計,可以隨時的顯示氣壓、海拔及溫度。通過傳感器對壓力、溫度等參數(shù)的檢測,經(jīng)過信號調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換之后由微處理器經(jīng)行處理,并顯示測量結(jié)果。同時測量數(shù)據(jù)可以上傳給上位機(jī),以便進(jìn)一步的分析。1.2氣壓高度計的工作原理氣壓高度計是利用大氣壓的變化規(guī)律,來測量所在地的海拔高度和所在地的大氣壓變化,以及測量因地域變化發(fā)生的相對高度。利用氣壓測量海拔高度的具體原理是:根據(jù)計算和實測的結(jié)果說明,在海拔高度-100m~0m~+4000m范圍內(nèi),可近似地認(rèn)為大氣壓的降低和海拔高度的升高成反比關(guān)系,比例系數(shù)約為?12.3~11.5Pa/m,即:大約每升高1m,大氣壓力下降約12Pa。利用此原理,來實現(xiàn)對高度的計算。推導(dǎo)計算公式:u1.3P-155(KPa),其中P初始值為100KPa。要使用氣壓高度計,必須了解以下根本知識:大氣壓強(qiáng)(簡稱大氣壓):即空氣作用在所在地面單位面積上的壓力(即空氣重量)。大氣壓強(qiáng)的單位有:百帕(hPa)、毫巴(mBr)、毫米汞柱(mmHg)、英寸汞柱(inHg)。標(biāo)準(zhǔn)大氣壓:根據(jù)國際假設(shè)規(guī)定,在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下空氣作用在單位海平面的大氣壓力,即海拔0米高度面的大氣壓強(qiáng),一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓大約為1013.25hPa(760mmHg或29.92inHg)。海拔高度愈高,壓在其上的空氣柱愈短,大氣壓也就愈低。因此,大氣壓總是隨著高度的增加而降低的。據(jù)實測,在近地面層中,高度每升高100米,大氣壓平均降低約12hPa.第2章氣壓高度計的設(shè)計方案實施方案:通過傳感器對壓力、溫度等參數(shù)的檢測,通過放大電路,對信號進(jìn)行放大處理,在經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換,將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,在傳送到單片機(jī)進(jìn)行處理并輸出。同時將測量數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)經(jīng)行進(jìn)一步的分析。圖2-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.1電源的方案選擇根據(jù)氣壓高度計的設(shè)計要求,此次氣壓高度計盡量的小巧輕便,所所以不能使用穩(wěn)定的電壓源進(jìn)行供電,所以采用電池進(jìn)行供電。方案一:使用普通的干電池使用普通干電池,通過串聯(lián)然后穩(wěn)壓出5V的電壓。方案二:使用鋰電池使用15V的鋰電池,然后經(jīng)過轉(zhuǎn)換之后得到5V的電壓。方案比擬:因為使用干電池時間久了電壓會不穩(wěn)定且干電池所需體積較大,而鋰電池厚度小,重量輕,容量大,平安性能好,對于設(shè)計要求更加的符合,應(yīng)選擇方案二。2.2溫度傳感器的選擇溫度傳感器現(xiàn)在有兩種供選擇,DS18B20和AD590。方案一:DS18B20DS18B20數(shù)字溫度傳感器接線方便,封裝成后可應(yīng)用于多種場合,如管道式,螺紋式,磁鐵吸附式。方案二:AD590AD590是一塊可以根據(jù)外界溫度變化而產(chǎn)生相應(yīng)電流值的集成芯片。AD590的校準(zhǔn)精度可以到達(dá)0.5攝氏度,而當(dāng)其在常問的區(qū)域范圍后,其精度可以到達(dá)0.1攝氏度。方案比擬:根據(jù)設(shè)計要求,最終顯示器上顯示的是以攝氏度為單位的,而方案一溫度傳感器測量的是數(shù)字量,不滿足設(shè)計要求,所以選擇方案二,AD590.2.3壓力傳感器的選擇在氣壓高度計系統(tǒng)的設(shè)計中,氣壓對高度的影響最為直接。方案一:壓力傳感器SCP1000-D01SCP1000-D01是芬蘭VTI公司生產(chǎn)的一款基于D-MEMS技術(shù)的絕對壓力傳感器,能在正常條件下到達(dá)亞米級別的分辨率和1m的精度。SCP1000-D01提供了高精度、高速度、低功耗、和超級功耗4種模式?？晒┯脩粜枰孕羞x擇測量方式。SCP1000-D01的測量范圍在-100pa+100pa。方案二:MPXA6115AMPXA6115A是由摩托羅拉公司生產(chǎn)的,它是一款高溫精確,用來測量絕對壓力的壓力傳感器芯片。在線信號生成時,具有溫度補(bǔ)償?shù)墓δ?。方案比擬:SCP1000-D01此芯片的測量范圍比擬的小,并且MPXA6115A具有溫度補(bǔ)償?shù)墓δ?所以選擇MPXA6115A。2.4RC濾波放大電路方案一:普通的RC濾波放大電路此電路的特點就是簡單,但是誤差比擬的大。方案二:MC33502MC33502是一種單電源,大電流,低電壓,價格昂貴,并且誤差相對較小。方案比擬:使用MC33502測量誤差更小,但是價格太貴,并且此次設(shè)計精度不用太高。2.5A/D轉(zhuǎn)換芯片本文設(shè)計的便攜式氣壓高度計在氣壓傳感器采集到的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳給單片機(jī),常用的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片有以下幾種:方案一:TLC0809TLC0809是采樣分辨率為8位的、以逐次逼近原理進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換的器件,其內(nèi)部有一個8通道多路開關(guān),它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號,只選通一個通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。方案二:TLC2543TLC2543是TI公司生產(chǎn)的一種低價位、高性能的8位A/D轉(zhuǎn)換器,它以8位開關(guān)電容逐次逼近的方法實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換,其轉(zhuǎn)換速度小于17us,最大轉(zhuǎn)換速度為40000HZ,4MHZ典型內(nèi)部系統(tǒng)時鐘,電源為3至6伏。它能方便的采用三線串行接口方式與各種微處理器連接,構(gòu)成各種廉價的測控應(yīng)用系統(tǒng)。方案比擬:TLC2543相對于TLC0809所需要用的端口資源少,能夠滿足本文設(shè)計的需求,所以選擇方案二。2.6單片機(jī)的選擇本文設(shè)計的便攜式氣壓高度計以單片機(jī)為核心,常用的單片機(jī)有以下幾種:方案一:AT89C51AT89C51的工作最高頻率為22MHz。采用FLASHROM,內(nèi)部具有4KB的存儲空間,能在3V超低壓下工作,而且S51單片機(jī)完全兼容,但是運用于電路設(shè)計中時,由于不具備RSP在線編程技術(shù),當(dāng)對電路進(jìn)行調(diào)試時,由于程序的錯誤修改或?qū)Τ绦虻男略龉δ?需要燒入程序時對芯片的屢次插拔會對芯片造成一定的損壞。方案二:AT89C52同AT89C51相比,AT89C52的功能和其是一樣的,但是AT89C52的內(nèi)存更加的大。方案選擇:根據(jù)實際的需要,產(chǎn)品在使用的過程中,可能有較大的計算量,所以選擇內(nèi)存更大的比擬適宜。2.7顯示器的選擇本文設(shè)計的便攜式氣壓高度計需要顯示氣壓值和高度值,顯示期價的選擇方案如下:方案一:數(shù)碼管顯示數(shù)碼管顯示的數(shù)字雖然清楚,但是其耗電量比擬大,而且只顯示數(shù)字,但不能顯示些復(fù)雜的字符。方案二:液晶顯示液晶顯示具有零輻射,低耗能,散熱小,纖薄輕巧,精確復(fù)原圖像等優(yōu)點,而且能顯示星號。方案比擬:液晶能較方便的顯示多個字符,且功耗低,滿足本文設(shè)計的需求,所以選擇方案二。2.8電平轉(zhuǎn)換芯片的選擇232,該產(chǎn)品是由德州儀器公司(TI)推出的一款兼容RS232標(biāo)準(zhǔn)的芯片。由于電腦串口rs232電平是-10v+10v,而一般的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的信號電壓是ttl電平0+5v,232就是用來進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換的,該器件包含2驅(qū)動器、2接收器和一個電壓發(fā)生器電路提供TIA/EIA-232-F電平。因為232是一種比擬常見的電平轉(zhuǎn)換芯片,適用的范圍廣泛,器件容易獲取,所以選擇232。第3章氣壓高度計的硬件設(shè)計本文設(shè)計的氣壓高度計是以AT89C52為核心,由電源電路、溫度傳感器AD590、壓力傳感器MPXA6115A、RC濾波放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、電平轉(zhuǎn)換電路、顯示電路及上位機(jī)通信電路組成。3.1電源電路設(shè)計本設(shè)計采用鋰電池供電,然后對電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換,其電路原理如圖3-1所示,主要局部是采用線性穩(wěn)壓芯片7805實現(xiàn)穩(wěn)壓,在輸入電壓存在波動時,輸出電壓保持恒定的裝置,轉(zhuǎn)換后的12V電壓供應(yīng)擴(kuò)展局部,5V電壓供應(yīng)單片機(jī)。圖中15V的電壓由鋰電池提供。圖3-1電源電路原理圖LM7812系列是三端正電源穩(wěn)壓電路,它的封裝形式為TO-220。它有一系列的固定電壓的輸出,應(yīng)用非常的廣泛。由于內(nèi)部電流的限制,以及過熱保護(hù)及平安工作區(qū)得保護(hù),使它根本上不會損壞。如果能夠提供足夠的散熱片,就能夠提高大于1.5A的輸出電流。雖然是按照固定的電壓值來設(shè)計的,但是當(dāng)接入適當(dāng)?shù)耐獠吭?就能獲取各種不同的電壓和電流。特點:*最大輸出電流為1.5A*輸出電壓為5V;6V;8V;9V;10V;12V;15V;18V;24V*熱過載保護(hù)*短路保護(hù)*輸出晶體管平安區(qū)保護(hù)3.2溫度傳感器電路設(shè)計3.2.1AD590的簡介AD590是美國ANALOGDEVICES公司的單片集成兩端感溫電流源,其輸出電流與絕對溫度成比例。在4V至30V電源電壓范圍內(nèi),該器件可充當(dāng)一個高阻抗、恒流調(diào)節(jié)器,調(diào)節(jié)系數(shù)為1μA/K。片內(nèi)薄膜電阻經(jīng)過激光調(diào)整,可用于校準(zhǔn)器件,使該器件在298.2K25°C時輸出298.2μA電流。AD590適用于150°C以下、目前采用傳統(tǒng)電氣溫度傳感器的任何溫度檢測應(yīng)用。低本錢的單芯片集成電路及無需支持電路的特點,使它成為許多溫度測量應(yīng)用的一種很有吸引力的備選方案。應(yīng)用AD590時,無需線性化電路、精密電壓放大器、電阻測量電路和冷結(jié)補(bǔ)償。除溫度測量外,還可用于分立器件的溫度補(bǔ)償或校正、與絕對溫度成比例的偏置、流速測量、液位檢測以及風(fēng)速測定等。AD590可以裸片形式提供,適合受保護(hù)環(huán)境下的混合電路和快速溫度測量。AD590特別適合遠(yuǎn)程檢測應(yīng)用。它提供高阻抗電流輸出,對長線路上的壓降不敏感。任何絕緣良好的雙絞線都適用,與接收電路的距離可到達(dá)數(shù)百英尺。這種輸出特性還便于AD590實現(xiàn)多路復(fù)用:輸出電流可以通過一個CMOS多路復(fù)用器切換,或者電源電壓可以通過一個邏輯門輸出切換3.2.2AD590的性能特點AD590是一塊可以根據(jù)外界溫度變化而產(chǎn)生相應(yīng)電流值的集成芯片,作為一個高阻抗常量電流的傳感器,該器件可以工作在4-30V的電壓之下,產(chǎn)生1uA/K,應(yīng)用中不需要電源濾波器,導(dǎo)線溫度補(bǔ)償和線性化電路。由于內(nèi)部采用激光微調(diào),器件的一致性和均勻性很好,容易互換。AD590的校準(zhǔn)精度比擬的高,可達(dá)±0.5℃,當(dāng)其在常溫區(qū)范圍內(nèi)校正后,測量精度可達(dá)±0.1℃。在全溫區(qū)范圍內(nèi)(-50℃??+150℃)使用,精度也可以到達(dá)±1.0℃。AD590的主要特征為:線性電流的輸出:1uA/K;較寬的溫度范圍:-50℃??+150℃;器件只有兩個端口:電源電壓輸入,電流輸出;大范圍的電壓支持:4V-30V;敏感元件單獨隔離;低功耗;輸出電阻為710M3.2.3AD590的工作原理AD590是一恒流源器件,輸出的電流值與它所測的絕對溫度有精確的線性關(guān)系。該器件采用了激光微調(diào)來校正集成電路的薄膜電阻,使其在絕對溫度273.2K時輸出電流為273.2μA,靈敏度為1μA/K,當(dāng)其感受溫度升高或降低時,輸出電流以1μA/K的速度增大或減小,從而將被測溫度線性轉(zhuǎn)換為電流形式輸出,在測量電路中,可將其轉(zhuǎn)換為電壓形式來表示對應(yīng)溫度的大小。集成溫度傳感器是利用晶體管PN結(jié)的電流電壓特性與溫度的關(guān)系,把感溫PN結(jié)及有關(guān)電子線路集成在一個小硅片上,構(gòu)成一個小型化、一體化的專用集成電路片.集成溫度傳感器實質(zhì)上是一種半導(dǎo)體集成電路,它是利用晶體管的b-e結(jié)壓降的不飽和值VBE與熱力學(xué)溫度T和通過發(fā)射極電流I的關(guān)系實現(xiàn)對溫度的檢測.目前在集成溫度傳感器中,常采用一對非常匹配的差分對管作為溫度敏感元件圖二是集成溫度傳感器根本原理圖.其中VT1和VT2是互相匹配的晶體管,I1和I2分別是VT1和VT2管的集電極電流,由恒流源提供.VT1和VT2管的兩個發(fā)射極和基極電壓之差ΔUbe可用下式表示,即:ΔUKT/qInI1γ/I21式中:k-是波爾茲曼常數(shù);q-是電子電荷量;γ-是VT1和VT2管發(fā)射結(jié)的面積之比.從上式可看出,如果保證I1/I2恒定,那么ΔUbe就與溫度T成單值線性函數(shù)關(guān)系.這就是集成溫度傳感器的根本工作原理,在此根底上可設(shè)計出各種不同電路以及不同輸出類型的集成溫度傳感器.圖3.2集成溫度傳感器根本原理圖3.2.4AD590的非線性誤差及其補(bǔ)償AD590型集成溫度傳感器在出廠前已經(jīng)校準(zhǔn),但由于客觀因素,使封裝后的靈敏度可能有所偏離,即產(chǎn)生非線性誤差。生產(chǎn)廠家按校準(zhǔn)精度將該器件分為I、J、K、L、M五檔,不同檔的準(zhǔn)確度不同,I檔誤差最大為±10℃,M檔的準(zhǔn)確度最高,非線性誤差僅為±0.3℃。AD590在使用前應(yīng)進(jìn)行準(zhǔn)確度標(biāo)定,標(biāo)定的主要目的是獲得表征準(zhǔn)確度大小的指標(biāo)???線性度,如果存在非線性誤差,那么應(yīng)該進(jìn)行校正???即溫度補(bǔ)償。AD590型集成溫度傳感器在出廠前已經(jīng)校準(zhǔn),并按校準(zhǔn)結(jié)果分為I、J、K、L、M五檔,其中M檔的準(zhǔn)確度最高,在-55-150℃范圍內(nèi)的非線性誤差在±0.3℃;I檔誤差較大,非線性誤差為±10℃?？梢?不同檔AD590的準(zhǔn)確度是不同的,即使是同一檔的AD590,也會由于生產(chǎn)過程中工藝的波動而使準(zhǔn)確度有所不同。因此使用前應(yīng)校正。為了準(zhǔn)確獲知AD590的準(zhǔn)確度大小,使用前要進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定的主要目的是獲得表征準(zhǔn)確度大小的重要指標(biāo)??線性度,以便在使用時采取一定的措施來提高測量準(zhǔn)確度?？梢允褂孟率霾襟E來確定AD590的線性度:將AD590的測量范圍如-55~??150℃或其它分成假設(shè)干點;分別在這些溫度點上測得輸出電流值;根據(jù)測量結(jié)果描繪出一條特性曲線;用擬合的方法確定非線性誤差。常用的求非線性誤差的擬合方法有許多種,如理論擬合、過零旋轉(zhuǎn)擬合、端點連線擬合、端點平移擬合和最小二乘擬合等。在獲得其特性曲線后,就可用這些方法中的任何一種來確定其線性度。獲得了線性度后,為提高測量準(zhǔn)確度,下面的工作便是要對其進(jìn)行誤差修正補(bǔ)償了。誤差修正補(bǔ)償既可以采用硬件電路來實現(xiàn),也可以采用計算機(jī)通過軟件來實現(xiàn),現(xiàn)分別介紹如下。采用硬件電路對AD590進(jìn)行誤差修正補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ峭ㄟ^對外部電阻器進(jìn)行調(diào)整來實現(xiàn)的,最常用的方法有單點溫度補(bǔ)償和雙點溫度補(bǔ)償。單點溫度補(bǔ)償單點溫度補(bǔ)償如圖1所示。圖1b給出了補(bǔ)償前后的誤差大小。圖3-3單點溫度補(bǔ)償實質(zhì)是端點平移的方法,這是最簡單的方法。只要在外接電阻器中串接一個可變電阻器,在25℃時,調(diào)節(jié)可變電阻器使其輸出為298.2mV即可。由于僅在一點上調(diào)整,使得AD590在整個測量范圍上仍有些誤差。采用單點溫度補(bǔ)償時,具體在哪一溫度點上調(diào)整比擬好,要根據(jù)實際測溫范圍來定。雙點溫度補(bǔ)償雙點溫度補(bǔ)償如下列圖所示圖3-4雙點溫度補(bǔ)償即為旋轉(zhuǎn)和平移擬合法,與單點溫度補(bǔ)償方法相比,它可以進(jìn)一步提高AD590的測溫準(zhǔn)確度。圖中的AD581為基準(zhǔn)電壓源,輸出+10V電壓。雙點溫度補(bǔ)償通常是對測量范圍中選取的兩個溫度點進(jìn)行補(bǔ)償,圖3.3中所示的雙點溫度補(bǔ)償是在0℃和100℃兩點進(jìn)行的。在0℃時,調(diào)整R1使運算放大器輸出為0V;在100℃時,調(diào)整R2使運算放大器輸出為10V。調(diào)整后的曲線如圖3.3b所示,由圖可以看出,雙點溫度補(bǔ)償一般其誤差可在0.3℃以下,比單點溫度補(bǔ)償?shù)男Ч?。如果測溫系統(tǒng)使用計算機(jī),那么可通過軟件進(jìn)行補(bǔ)償。這是一種方便又實用的而且準(zhǔn)確度也較高的方法。本次設(shè)計運用AD590溫度傳感器,由+15V的電源電壓進(jìn)行供電,在通過AD590的檢測,會產(chǎn)生相應(yīng)的電流信號,再在輸出的端口串聯(lián)一個電阻,這樣有輸出的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。如左側(cè)圖3.4。圖3-5AD590的連接電路3.3壓力傳感器的設(shè)計摩托羅拉公司生產(chǎn)的MPXA6115A傳感器是集成在芯片上,是一種雙運算放大器,薄膜網(wǎng)絡(luò)電阻提供一個高輸出信號和溫度補(bǔ)償,并且芯片的小型化和高可靠性,是一種比擬合算的產(chǎn)品。這個MPXA6115A系列硅壓阻式傳感器是一種狀態(tài)??接收信號、處理、信號條件、硅壓力傳感器。這個傳感器結(jié)合了先進(jìn)的微加工技術(shù),薄膜金屬化和雙極半導(dǎo)體加工提供準(zhǔn)確、高水平模擬輸出信號與壓力成正比。特性:在高溫的情況下,精度也高;外形較小,利于元件的小型化;在0??85℃的最大誤差是1.5%;適合微處理器和微控制系統(tǒng)的根底系統(tǒng);溫度補(bǔ)償?shù)姆秶?40℃??125℃;外表安裝包??熱塑性塑料;表3-1AD590的特性特性符號 最小值 數(shù)值 最大值 單位壓力范圍 Pop 15 - 115 kPa電源電壓 Vs 4.75 5.0 5.25 Vdc電源電流 Io - 6.0 10 mAdc最小壓力補(bǔ)償 Voff 0.133 0.200 0.268 Vdc滿量程輸出 Vfso 4.633 4.700 4.768 Vdc滿量程跨度 Vfss 4.433 4.500 4.568 Vdc精度 _ _ _ ±1.5 %Vfss靈敏度 V/P _ 45 _ mV/kPa響應(yīng)時間 tR _ 1.0 _ ms上升時間 _ _ 20 _ ms抵消穩(wěn)定 _ _ ±0.25 _ %Vfss本次設(shè)計壓力傳感器MPXA6115A是由摩托羅拉公司生產(chǎn)的,有5V的電源電壓進(jìn)行供電并且在串聯(lián)一個100uF的電阻,然后和地直接相連,穩(wěn)定電源信號。并且在傳感器的輸出端口并臉上一個47pF的電容和一個51K歐姆的電阻,并結(jié)地。下列圖就是本次設(shè)計壓力傳感器MPXA6115A的電路連接方式:圖3.6MPXA6115A的電路連接方式3.4RC濾波放大電路本次設(shè)計對精度的要求不算太高,因此普通的濾波放大器就行,所以選擇了LM358這個普通的放大器。3.4.1LM358的簡介LM358內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運算放大器。適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用,也適用于雙電源工作模式,在推薦的工作條件下,電源電流與電源電壓無關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模組,音頻放大器、工業(yè)控制、DC增益部件和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。3.4.2LM358的封裝LM358的封裝形式有塑封8引線雙列直插式和貼片式。特性Features:*內(nèi)部頻率補(bǔ)償。*直流電壓增益高約100dB?。*單位增益頻帶寬約1MHz?。*電源電壓范圍寬:單電源3?30V;雙電源±1.5一±15V?。*低功耗電流,適合于電池供電。*低輸入偏流。*低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流。*共模輸入電壓范圍寬,包括接地。*差模輸入電壓范圍寬,等于電源電壓范圍。*輸出電壓擺幅大(0至Vcc-1.5V?。??參數(shù)?輸入偏置電流45?nA?輸入失調(diào)電流50?nA?輸入失調(diào)電壓2.9mV輸入共模電壓最大值VCC~1.5?V?共模抑制比80dB?電源抑制比100dB3.4.3LM358的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖圖3-7LM358的內(nèi)部機(jī)構(gòu)圖表引出腳功能表3-2LM358引腳功能引出端序號 管腳功能 引出端序號 管腳功能1 輸出1 5 正向輸入22 反向輸出1 6 反向輸出23 正向輸出1 7 輸出24 地 8 電源本次設(shè)計溫度傳感器和壓力傳感器的輸出都經(jīng)過LM358。其中溫度傳感器AD590根據(jù)你元件性能,轉(zhuǎn)換輸出后是電壓信號,其精度是1μA/開爾文,輸出的信號過于小,所以選擇加上一個放大跟隨器LM358,這樣就可以將信號進(jìn)行放大,得到的輸出信號是100Ma/℃,這樣的信號就足以滿足系統(tǒng)的要求。如下列圖圖3-8AD590的接入的LM358而壓力傳感器MPXA6115A,根據(jù)其資料顯示,其輸出是0.5V-5V,已經(jīng)滿足元件的性能要求,所以不用在放大,跟隨信號就足夠了。圖3-9MPXA6115A接入的LM3583.5TLC2543的設(shè)計3.5.1TLC2543的引腳及功能TLC2543是12位開關(guān)電容逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器,有多封裝種形式,其中DB、DW或N封裝的管腳圖見圖1。TLC2543有20根引腳,其它封裝形式引腳數(shù)及引腳功能相同。引腳的功能簡要分類說明如下:圖3-10TLC25431電源引腳Vcc,20腳:正電源端,一般接+5V。GND,10腳:地。REF+,14腳:正基準(zhǔn)電壓端,一般接+5V。REF-,13腳:這個是負(fù)基準(zhǔn)電壓端,一般接地。2控制引腳非CS,15腳:片選端,由高到低有效,由外部輸入。EOC,19腳:轉(zhuǎn)換結(jié)束端,向外部輸出。I/OCLOCK,18腳:控制輸入輸出的時鐘,由外部輸入。3模擬輸入引腳AIN0-AIN10,1-9腳、11-12腳:11路模擬輸入端,輸入電壓范圍:0.3V-Vcc+0.3V。4控制字輸入引腳DATATNPUT,17腳:控制字輸入端,選擇通道及輸出數(shù)據(jù)格式的控制字由此輸入。5轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出引腳DATAOUT,16腳:A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出的3態(tài)串行輸出端。3.5.2TLC2543內(nèi)部存放器工作原理內(nèi)部控制存放器有8位,內(nèi)部控制存放器的設(shè)定數(shù)據(jù)為高位導(dǎo)前,內(nèi)部控制存放器各個位的根本功能如下:D7-D4:作為片內(nèi)14個通道多路選擇器的控制位用于11路模擬量和3個校準(zhǔn)電壓的選擇以及掉電模式的設(shè)定。D3D2:用于轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)串行輸出位數(shù)的選擇,共有三位數(shù)可供選擇:8位(精度較低,方便單字節(jié)串行數(shù)據(jù)傳輸)、12位(標(biāo)準(zhǔn)位數(shù))、16位(低四位為零,便于16位串行數(shù)據(jù)傳輸)D1:為“0〞時表示輸出數(shù)據(jù)的最大位導(dǎo)前,為“1〞時表示最小位導(dǎo)前。D0:為“0〞時表示輸出數(shù)據(jù)是單極性(無符號二進(jìn)制),為“1〞時表示雙極性(有符號二進(jìn)制)。3.5.3TLC2543編程要點控制字:為從DATAINPUT端串行輸入TLC2543芯片內(nèi)部的8位數(shù)據(jù),它告訴TLC2543要轉(zhuǎn)換的模擬量通道、轉(zhuǎn)換后的輸出數(shù)據(jù)長度、輸出數(shù)據(jù)的格式。其中高4位D7~D4決定通道號,對于0通道至10通道,該4位分別為0000、0001、,、1010,該4位為其它數(shù)字時的功能,用于檢測校正,本文不作具體介紹。低4位決定輸出數(shù)據(jù)長度及格式,其中D3、D2決定輸出數(shù)據(jù)長度,TLC2543的輸出數(shù)據(jù)長度有8位、12位、16位,但由于TLC2543為12位A/D轉(zhuǎn)換芯片,經(jīng)過分析可以看出,8位、16位輸出對TLC2543的應(yīng)用意義不大,宜定在12位輸出,D3、D2兩位為00即可。D1決定輸出數(shù)據(jù)是高位先送出,還是低位先送出,假設(shè)為高位先送出,該位為0,反之為1。D0決定輸出數(shù)據(jù)是單極性二進(jìn)制還是雙極性2的補(bǔ)碼,假設(shè)為單極性,該位為0,反之為1。TLC2543內(nèi)部存放器:從編程角度看,TLC2543內(nèi)部存放器有輸入數(shù)據(jù)存放器與輸出數(shù)據(jù)存放器。輸入數(shù)據(jù)存放器存放從DATAINPUT端移入的控制字。輸出數(shù)據(jù)存放器存放轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù),以供從DATAOUT端移出。TLC2543轉(zhuǎn)換過程:上電后,片選非CS必須從高到低,才能開始一次工作周期,此時EOC為高,輸入數(shù)據(jù)存放器被置為0,輸出數(shù)據(jù)存放器的內(nèi)容是隨機(jī)的。開始時,片選非CS為高,I/OCLOCK、DATAINPUT被禁止,DATAOUT呈高阻狀態(tài),EOC為高。使非CS變低,I/OCLOCK、DATAINPUT使能,DATAOUT脫離高阻狀態(tài)。12個時鐘信號從I/OCLOCK端依次參加,隨著時鐘信號的參加,控制字從DATAINPUT一位一位地在時鐘信號的上升沿時被送TLC2543高位先送入,同時上一周期轉(zhuǎn)換的A/D數(shù)據(jù),即輸出數(shù)據(jù)存放器中的數(shù)據(jù)從DATAOUT一位一位地移出。TLC2543收到第4個時鐘信號后,通道號也已收到,因此,此時TLC2543開始對選定通道的模擬量進(jìn)行采樣,并保持到第12個時鐘的下降沿。在第12個時鐘下降沿,EOC變低,開始對本次采樣的模擬量進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換時間約需10Ls,轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)完成EOC變高,轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)在輸出數(shù)據(jù)存放器中,待下一個工作周期輸出。此后,可以進(jìn)行新的工作周期。3.5.4TLC2543與單片機(jī)的連接目前使用的51系列單片機(jī)沒有SPI或相同的接口能力,為了與TLC2543接口,可以根據(jù)上節(jié)所給出的編程要點,利用軟件合成SPI操作,完成A/D數(shù)據(jù)的采集。圖中給出了TLC2543與51系列接口的一種方式。圖中TLC2543與單片機(jī)之間只用4根線,轉(zhuǎn)換結(jié)束EOF未接入單片機(jī),這是基于二個工作周期之間的單片機(jī)指令一般大于10Ls,轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成,不判斷EOF,也可以通過試驗或計算指令執(zhí)行時間確定轉(zhuǎn)換是否結(jié)束,這樣可以省去一根接線。下一節(jié)將根據(jù)此電路進(jìn)行A/D采集程序的設(shè)計。需要說明的是,圖中僅給出原理圖,圖3.11TLC2543與單片機(jī)的連接圖3.12TLC2543的外部結(jié)構(gòu)連接圖圖中外部的結(jié)構(gòu)是由一個15V的電源供電,然后串聯(lián)一個50歐姆的電阻,供電給放大器,與此同時,在通過一個有3個電容并聯(lián)(10UF,0.1UF,470PF)然后接地,在放大器的另一端也是附加同樣的外部結(jié)構(gòu),但是提供的電源電壓是-15V。這,兩局部外部結(jié)構(gòu)主要是起著平衡電壓的作用,然后由RC濾波放大電路的信號輸入到U1,然后由輸出端輸入到TLC2543的借口AIN0-AIN10,然后由TLC2543的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理。圖3.13TLC2543的設(shè)計電路圖信號經(jīng)由RC濾波放大跟隨器MC33502輸出后進(jìn)入到TLC2543的外部電路,溫度傳感器AD590的信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換后輸入到AD轉(zhuǎn)換器的AIN0口,壓力傳感器MPXA6115A的輸出信號經(jīng)過處理輸入到AIN1口,此外TLC2543的10腳和13腳接地,14腳和20腳接+5V的電源電壓。信號經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換器,將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號然后輸出,其中I/OCLOCK接89C52的P1.2,DATAINPUT接P1.3,DATAOUT接P1.4,非CS接P1.5,信號傳送給單片機(jī)89C52。3.6單片機(jī)89C523.6.1單片機(jī)89C52的簡介STC89C52RC單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的單片機(jī),指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī),12時鐘/機(jī)器周期和6時鐘/機(jī)器周期可以任意選擇。主要特性如下:增強(qiáng)型8051單片機(jī),6時鐘/機(jī)器周期和12時鐘/機(jī)器周期可以任意選擇,指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051.工作電壓:5.5V~3.3V(5V單片機(jī))/3.8V~2.0V(3V單片機(jī))工作頻率范圍:0~40MHz,相當(dāng)于普通8051的0~80MHz,實際工作頻率可達(dá)48MHz用戶應(yīng)用程序空間為8K字節(jié)片上集成512字節(jié)RAM通用I/O口(32個),復(fù)位后為:P1/P2/P3/P4是準(zhǔn)雙向口/弱上拉,P0口是漏極開路輸出,作為總線擴(kuò)展用時,不用加上拉電阻,作為I/O口用時,需加上拉電阻。ISP(在系統(tǒng)可編程)/IAP(在應(yīng)用可編程),無需專用編程器,無需專用仿真器,可通過串口(RxD/P3.0,TxD/P3.1)直接下載用戶程序,數(shù)秒即可完成一片具有EEPROM功能具有看門狗功能共3個16位定時器/計數(shù)器。即定時器T0、T1、T2外部中斷4路,下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路,PowerDown模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒通用異步串行口(UART),還可用定時器軟件實現(xiàn)多個UART工作溫度范圍:-40~+85℃(工業(yè)級)/0~75℃(商業(yè)級)PDIP封裝3.6.2單片機(jī)89C52引腳及局部功能圖3.1489C52的芯片模型89C52的引腳功能說明:VCC(40引腳):電源電壓VSS(20引腳):接地P0端口(P0.0~P0.7,39~32引腳):P0口是一個漏極開路的8位雙向I/O口。作為輸出端口,每個引腳能驅(qū)動8個TTL負(fù)載,對端口P0寫入“1〞時,可以作為高阻抗輸入。在訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時,P0口也可以提供低8位地址和8位數(shù)據(jù)的復(fù)用總線。此時,P0口內(nèi)部上拉電阻有效。在FlashROM編程時,P0端口接收指令字節(jié);而在校驗程序時,那么輸出指令字節(jié)。驗證時,要求外接上拉電阻。P1端口(P1.0~P1.7,1~8引腳):P1口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P1的輸出緩沖器可驅(qū)動(吸收或者輸出電流方式)4個TTL輸入。對端口寫入1時,通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位,這是可用作輸入口。P1口作輸入口使用時,因為有內(nèi)部上拉電阻,那些被外部拉低的引腳會輸出一個電流()。此外,P1.0和P1.1還可以作為定時器/計數(shù)器2的外部技術(shù)輸入(P1.0/T2)和定時器/計數(shù)器2的觸發(fā)輸入(P1.1/T2EX),具體參見:在對FlashROM編程和程序校驗時,P1接收低8位地址表3-3P1.0和P1.1的管腳作用引腳號 功能特性P1.0 T2(定時器/計數(shù)器2外部計數(shù)輸入),時鐘輸出P1.1 T2EX(定時器/計數(shù)器2捕獲/重裝觸發(fā)和方向控制)P2端口(P2.0~P2.7,21~28引腳):P2口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P2的輸出緩沖器可以驅(qū)動(吸收或輸出電流方式)4個TTL輸入。對端口寫入1時,通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平,這時可用作輸入口。P2作為輸入口使用時,因為有內(nèi)部的上拉電阻,那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流()。在訪問外部程序存儲器和16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器(如執(zhí)行“MOVX@DPTR〞指令)時,P2送出高8位地址。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器(如執(zhí)行“MOVX@R1〞指令)時,P2口引腳上的內(nèi)容(就是專用存放器(SFR)區(qū)中的P2存放器的內(nèi)容),在整個訪問期間不會改變。在對FlashROM編程和程序校驗期間,P2也接收高位地址和一些控制信號。P3端口(P3.0~P3.7,10~17引腳):P3是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P3的輸出緩沖器可驅(qū)動(吸收或輸出電流方式)4個TTL輸入。對端口寫入1時,通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位,這時可用作輸入口。P3做輸入口使用時,因為有內(nèi)部的上拉電阻,那些被外部信號拉低的引腳會輸入一個電流。在對FlashROM編程或程序校驗時,P3還接收一些控制信號。P3口除作為一般I/O口外,還有其他一些復(fù)用功能,如所示:表3-4P3口引腳復(fù)用功能引腳號 復(fù)用功能P3.0 RXD(串行輸入口)P3.1 TXD(串行輸出口)P3.2 (外部中斷0)P3.3 (外部中斷1)P3.4 T0(定時器0的外部輸入)P3.5 T1(定時器1的外部輸入)P3.6 (外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)P3.7 (外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通)RST(9引腳):復(fù)位輸入。當(dāng)輸入連續(xù)兩個機(jī)器周期以上高電平時為有效,用來完成單片機(jī)單片機(jī)的復(fù)位初始化操作?？撮T狗計時完成后,RST引腳輸出96個晶振周期的高電平。特殊存放器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能無效。DISRTO默認(rèn)狀態(tài)下,復(fù)位高電平有效。ALE/(30引腳):地址鎖存控制信號(ALE)是訪問外部程序存儲器時,鎖存低8位地址的輸出脈沖。在Flash編程時,此引腳()也用作編程輸入脈沖。在一般情況下,ALE以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖,可用來作為外部定時器或時鐘使用。然而,特別強(qiáng)調(diào),在每次訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時,ALE脈沖將會跳過。如果需要,通過將地址位8EH的SFR的第0位置“1〞,ALE操作將無效。這一位置“1〞,ALE僅在執(zhí)行MOVX或MOV指令時有效。否那么,ALE將被微弱拉高。這個ALE使能標(biāo)志位(地址位8EH的SFR的第0位)的設(shè)置對微控制器處于外部執(zhí)行模式下無效。(29引腳):外部程序存儲器選通信號()是外部程序存儲器選通信號。當(dāng)AT89C51RC從外部程序存儲器執(zhí)行外部代碼時,在每個機(jī)器周期被激活兩次,而訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時,將不被激活。/VPP(31引腳):訪問外部程序存儲器控制信號。為使能從0000H到FFFFH的外部程序存儲器讀取指令,必須接GND。注意加密方式1時,將內(nèi)部鎖定位RESET。為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令,應(yīng)該接VCC。在Flash編程期間,也接收12伏VPP電壓。XTAL1(19引腳):振蕩器反相放大器和內(nèi)部時鐘發(fā)生電路的輸入端。XTAL2(18引腳):振蕩器反相放大器的輸入端3.6.389C52的晶振電路連接AT89S51引腳XTAL1和XTAL2與晶體振蕩器及電容C24、C25按圖3-13所示方式連接。晶振、電容C24/C25及片內(nèi)與非門(作為反應(yīng)、放大元件)構(gòu)成了電容三點式振蕩器,振蕩信號頻率與晶振頻率及電容C24、C25的容量有關(guān),但主要由晶振頻率決定,范圍在0~33MHz之間,電容C3、C2取值范圍在5~30pF之間。根據(jù)實際情況,本設(shè)計中采用12MHZ外部晶振,電容取值為30pF。圖3-15晶振電路3.6.489C52復(fù)位電路單片機(jī)復(fù)位是使CPU和系統(tǒng)中的其他功能部件都處在一個確定的初始狀態(tài),并從這個狀態(tài)開始工作,例如復(fù)位后PC=0000H,使單片機(jī)從第?個單元取指令。無論是在單片機(jī)剛開始接上電源時,還是斷電后或者發(fā)生故障后都要復(fù)位。在復(fù)位期間(即RST為高電平期間),P0口為高組態(tài),P1-P3口輸出高電平;外部程序存儲器讀選通信號PSEN無效。地址鎖存信號ALE也為高電平。根據(jù)實際情況選擇如圖3-13所示的復(fù)位電路,該電路在最簡單的復(fù)位電路。圖3-16復(fù)位電路3.6.5按鍵電路按鍵電路是由3個按鈕開關(guān)、4個LED和電阻構(gòu)成,它分別能顯示三個參數(shù)(溫度、壓力或設(shè)定點)。開關(guān)的三種狀態(tài)(SW1、SW2、SW3)能夠利用單片機(jī)89C52的2根輸入線進(jìn)行編碼形式見下表。表3-5編碼形式開關(guān)/P1 P1.0 P1.1SW1溫度 低 高SW2(壓力) 高 低SW3(設(shè)定點) 低 低圖3-17按鍵電路3.6.6單片機(jī)89C52的設(shè)計連接電路圖3-1889C52的設(shè)計連接圖本設(shè)計的