基于單片機的氣壓傳感器研制

1、. . . . 編 號：審定成績：郵電大學畢業(yè)設(shè)計（論文）設(shè)計（論文）題目：基于單片機的氣壓傳感器研制學 院 名 稱 ：通信與信息工程學院學 生 姓 名 ：專 業(yè) ：電子信息工程班 級 ：學 號 ：指 導 教 師 ：答辯組 負責人 ：填表時間：2013年 6月郵電大學教務(wù)處制55 / 62摘 要人們對氣壓的認識也是人類科學研究的一大進步，人們從很久以前就在研究大氣，并且有人認為有大氣壓值，直到馬德堡半球?qū)嶒?，真正證明了大氣壓的存在。氣壓的應用也是比較早的，如著名的蒸汽火車頭，就是人類應用氣壓的一個顯著例子。氣壓計在現(xiàn)實生活中的使用并不是很明顯，大部分人在一生中很少甚至沒有接觸過氣壓傳感器，但是

2、氣壓傳感器在某些工作領(lǐng)域確實是不可或缺的重要器材，例如國防領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域、醫(yī)療領(lǐng)域以與氣象學領(lǐng)域。本設(shè)計介紹了一種基于單片機和氣壓傳感芯片MPX4115A的數(shù)字式氣壓傳感器的軟、硬件實現(xiàn)方法。通過氣壓傳感芯片MPX4115A獲得被測環(huán)境中的氣壓值并輸出相應的模擬電壓值，此電壓經(jīng)過以LM331芯片為核心的V/F轉(zhuǎn)換電路輸出相應數(shù)字脈沖信號，輸入到單片機的計數(shù)器。單片機在單位時間獲得該信號的脈沖數(shù)值,計算出脈沖信號的頻率。根據(jù)電壓與頻率的線性關(guān)系計算出對應的實際氣壓值，最后通過液晶顯示屏LCD1062顯示出來，并進行了軟硬件調(diào)試。關(guān)鍵詞單片機 氣壓傳感芯片 液晶顯示屏 V/F轉(zhuǎn)換芯片ABSTRAC

3、TAir pressure is a big step forward for the Human Sciences Research, human being have a long history of study air pressure. The Magdeburg hemispheres experimental proofed the existence of the air pressure. The application of air pressure is relatively early, such as the steam engine is a notable exa

4、mple of human being application of air pressure.Barometer use in real life is not very obvious, most of the people in their lives with little or no contact with barometer. Actually, barometer is an indispensable equipment in certain areas of work, such as the field of national defense, industrial fi

5、elds，the medical field and the field of meteorology. This design based on microcontroller STC89C52 and pressure sensor chip MPX4115A, and introduced how its software and hardware works. We can get analog output voltage which corresponds to the measured pressure, by pressure sensor chip MPX4115A. Thi

6、s voltage go through the V / F converter circuit unit which based on LM331, output digital pulse signal ,then input the digital pulse signal to the microcontroller STC89C52 counter. Microcontroller STC89C52 within a unit time obtains the signal pulse values and calculates the frequency of the pulse

7、signal, Calculate the actual pressure value, according to the linear relationship between the voltage and frequency, then display it by LCD1062.Key wordsMicrocontroller Air pressure sensor chip LCD1602 V / F converter chip目 錄前 言1第一章 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計3第一節(jié)整體設(shè)計思想與系統(tǒng)原理3第二節(jié)實現(xiàn)方案3第三節(jié)元件選取4一、 單片機的選型4二、 氣壓傳感器5三、 V/F轉(zhuǎn)

8、換芯片6四、 顯示器6五、 三端穩(wěn)壓器7第四節(jié)本章小結(jié)7第二章 硬件系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)8第一節(jié)單片機電路8一、 單片機概述8二、 單片機片結(jié)構(gòu)、引腳與封裝8三、 89C52單片機引腳功能10四、 單片機的復位電路12五、 單片機的時鐘電路12六、 單片機電路圖13第二節(jié) 氣壓檢測電路14一、 氣壓傳感器MPX4115A的介紹14二、 MPX4115的引腳與功能14三、 電壓/頻率轉(zhuǎn)換器15四、 氣壓檢測部分電路圖15第三節(jié)液晶顯示電路16一、 液晶顯示屏介紹16二、 LCD1602介紹17三、 LCD1602的控制18四、 LCD1602的電路圖19第四節(jié)電源電路19一、 78L05的介紹19二

9、、 78L05的特點20三、 78L05的引腳圖20四、 電源電路圖21第五節(jié)總體電路21第六節(jié)本章小結(jié)22第三章 軟件系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)23第一節(jié)軟件系統(tǒng)設(shè)計的概述23第二節(jié)匯編語言和C語言開發(fā)單片機的優(yōu)缺點比較24第三節(jié)主要模塊程序25一、 主程序25二、 主要子程序模塊27第四節(jié)本章小結(jié)30第四章 系統(tǒng)的調(diào)試31第一節(jié)硬件模塊的測試31一、 電源模塊的測試31二、 氣壓監(jiān)測模塊的測試32三、 單片機與LCD1602模塊33第二節(jié)軟件部分的測試34第三節(jié)本章小結(jié)36結(jié)論37致38參考文獻39附 錄40一、英文原文40二、英文翻譯47三、工程設(shè)計圖紙54四、源程序：55前 言氣壓是作用在單位面

10、積上的大氣壓力，即等于單位面積上向上延伸到大氣上界的垂直空氣柱的重量。著名的馬德堡半球?qū)嶒炞C明了它的存在。氣壓的國際制單位是帕斯卡，簡稱帕，符號是Pa。最古老的氣壓測量方法有水銀柱氣壓計和無液氣壓計。但是這兩種氣壓計往往體積比較大不利于攜帶，還具有對氣壓測量時無法直觀的讀出其大小、不能將氣壓值送入數(shù)字電路進行處理、測量精度差、容易受環(huán)境影響的缺點。所以它們都不能應對二十一世紀這個信息技術(shù)高度發(fā)展的時代，因此對數(shù)字式氣壓計的研究和設(shè)計有了十分實際的意義。隨著微電子制造技術(shù)的發(fā)展，誕生了數(shù)字化、小型化的氣壓傳感芯片。而單片機的大面積普與應用，更使得我們設(shè)計基于單片機的小型化數(shù)字式便攜式氣壓計成為可

11、能。數(shù)字式的小型化氣壓計將使得各個領(lǐng)域?qū)鈮旱臏y量更加方便和直觀。在工業(yè)領(lǐng)域，氣壓傳動控制是工業(yè)中經(jīng)常用到的一種控制方式，它采用氣壓完成傳遞能量的過程。因為氣壓傳動控制方式的靈活性和便捷性，氣壓控制在工業(yè)上受到廣泛的重視。氣壓傳動是研究以有壓流體為能源介質(zhì)，來實現(xiàn)各種機械和自動控制的學科。氣壓傳動利用這種元件來組成所需要的各種控制回路，再由若干回路有機組合成為完成一定控制功能的傳動系統(tǒng)來完成能量的傳遞、轉(zhuǎn)換和控制1。數(shù)字式的氣壓計能直接接入工業(yè)自動控制系統(tǒng)中，對工業(yè)生產(chǎn)有很大幫助。地球表面上的風、云、雨、雪等萬千氣象都跟大氣運動有緊密的關(guān)系，而造成大氣運動的動力來源就是大氣壓分布的不平衡和氣壓

12、分布的經(jīng)常變化。由于地球表面不同地方在太陽照射下受熱情況不同，各地的空氣溫度就有較大差別。在同一水平面上，如果氣壓分布不均勻，空氣就要從高氣壓地區(qū)向低氣壓地區(qū)流動。因此某地區(qū)的氣壓高，該地區(qū)的空氣就在水平方向上向周圍地區(qū)流出。高氣壓地區(qū)上方的空氣就要下降。由于大氣壓隨高度的減小而增大，所以高處空氣下降時，它所受到的壓強增大，它的體積減小，溫度升高，空氣中的凝結(jié)物就蒸發(fā)消散。所以，高氣壓中心地區(qū)不利于云雨的形成，常常是晴天。如果某地區(qū)的氣壓低，周圍地區(qū)的空氣就在水平方向上向該地區(qū)流入，結(jié)果使該地區(qū)的空氣上升，上升的空氣因所受的壓強減小而膨脹，溫度降低，空氣中的水汽凝結(jié)，所以，低氣壓中心地區(qū)常常是

13、陰雨天2。由于氣壓跟天氣有密切的關(guān)系，所以各氣象哨所每天都按統(tǒng)一規(guī)定的時刻觀測當?shù)氐拇髿鈮海瑘蟾娼o氣象中心，作為天氣預報的依據(jù)之一。另外，隨著改革開放特別是近年來經(jīng)濟的快速發(fā)展，越來越多的中國家庭購買了小轎車，我國正加快步入汽車社會，而輪胎安全是影響汽車安全性能的一個重要因數(shù)，輪胎的爆胎由于其具有不可預測性和不可控制的特點而成為突發(fā)性交通事故發(fā)生的重要原因，造成巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡，極威脅著汽車的行駛安全。為了保證汽車安全、平穩(wěn)地行駛，適當?shù)妮喬コ錃鈮毫κ潜仨毜?。在汽車的行駛中，如果胎壓過高則會使得輪胎與輪胎圈容易受到不平地面的沖擊而變形，甚至會導致爆胎；胎壓過低會導致輪胎不正常磨損、輪胎

14、部損傷和輪胎溫度升高從而導致爆胎3。現(xiàn)在，對行駛中的汽車的胎壓進行實時監(jiān)測越來越受到廣大車主的關(guān)注。由此可見，氣壓計的應用十分寬廣,它和我們的生活生產(chǎn)息息相關(guān)。本論文共分為四章：第一章，系統(tǒng)的總體方案設(shè)計，介紹了本系統(tǒng)的設(shè)計思想和原理，給出了系統(tǒng)的總體方案，選定了方案所用的各個器件。第二章，系統(tǒng)的硬件部分，介紹了所用到的芯片的性能以與使用方法，詳細地設(shè)計了各個功能模塊的電路圖，并給出了系統(tǒng)的總體硬件設(shè)計電路圖。第三章，軟件部分的設(shè)計，在系統(tǒng)總體設(shè)計方案的框架下，構(gòu)思了軟件部分設(shè)計的流程方案，并繪出流程圖；完成了系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計。 第四章，系統(tǒng)的調(diào)試，測試系統(tǒng)硬件各個功能模塊并對遇到的問題進行

15、修改，最后順利通過了測試;測試系統(tǒng)的軟件部分，對遇到的問題進行修改，通過測試。第一章 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計第一節(jié)整體設(shè)計思想與系統(tǒng)原理本設(shè)計主要的功能是整個電路能夠完成測量并顯示出被測環(huán)境的絕對氣壓值。設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是，需要考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性、復雜度、整體造價與調(diào)試時的難易程度和系統(tǒng)軟件的復雜程度等因數(shù)。各個模塊之間沒有復雜的信號傳輸，彼此之間的電磁干擾小，在不同的溫度下能正常工作且具有溫度補償能力4。本系統(tǒng)以STC89C52單片機為核心，主要運用了STC89C52單片機的定時計數(shù)器和P0接口與部分P2接口。在MPX4115A氣壓傳感芯片輸出的模擬電壓經(jīng)過以LM331V/F轉(zhuǎn)換芯片為核心的電路轉(zhuǎn)換成

16、具有一定頻率的脈沖信號后，利用STC89C52單片機的定時計數(shù)器在單位時間獲得脈沖數(shù)值，經(jīng)過C語言程序計算出相應的氣壓值并經(jīng)過STC89C52單片機的P0接口輸出到LCD1602液晶顯示屏顯示出來。LCD1602液晶顯示屏的控制由STC89C52單片機P2.0、P2.1、P2.2來實現(xiàn)。從而達到課題的功能和要求。本設(shè)計達到了實時顯示被測環(huán)境的絕對壓值的功能，具有便于攜帶、體積小、功耗低、經(jīng)濟性好、成本較低、良好的環(huán)境適應能力和抗干擾能力強和一定溫度補償能力等特點。本設(shè)計充分利用了微機械加工技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展成果。隨著微機械加工技術(shù)的新興發(fā)展和微電子技術(shù)的日益成熟，各種基于MEMS（微型機電

17、系統(tǒng)，Micro Electro-Mechanical System）技術(shù)的元器件應運而生，他們有著體積小、質(zhì)量輕、成本低、功耗低、可靠性和工作效率高的特點，易于實現(xiàn)數(shù)字化、小型化和批量生產(chǎn)，目前已經(jīng)在各行各業(yè)得到廣泛的應用5。本系統(tǒng)選用的氣壓傳感器是Motorola公司生產(chǎn)的新型MEMS器件MPX4115A單片集成硅壓力傳感器。第二節(jié)實現(xiàn)方案本設(shè)計采用單片機作為主控芯片，通過模擬氣壓傳感芯片采集氣壓數(shù)據(jù)輸出相應的模擬電壓，該電壓經(jīng)過V/F轉(zhuǎn)換電路得到具有一定頻率的數(shù)字脈沖信號，該頻率與輸入的電壓成一定關(guān)系，將脈沖信號送入單片機進行處理，將處理的結(jié)果送顯示器顯示。本設(shè)計的工作原理流程圖如圖1.

18、1所示。圖1.1 系統(tǒng)工作原理流程圖上面介紹了本設(shè)計的工作原理流程圖，如圖1.2是系統(tǒng)的原理框圖。這是系統(tǒng)的硬件設(shè)計的基礎(chǔ)，從圖中可以看出硬件電路的基本架構(gòu)。電源電路為其它電路提供工作電源，氣壓傳感芯片、V/F轉(zhuǎn)換芯片、單片機、LCD顯示屏將按圖1.1所示的流程實現(xiàn)系統(tǒng)的功能。圖1.2系統(tǒng)原理框圖第三節(jié)元件選取一、 單片機的選型20世紀80年代以來，單片機的反戰(zhàn)非常迅速。就通用單片機而言，世界上一些著名的計算機廠家已投放市場的產(chǎn)品就有幾十個系列，數(shù)百個品種。其中有Motorola公司的6801、6802。此外，還有荷蘭的Philips公司、日本的NEC公司、日立公司，相繼也推出了各自的單片機品

19、種，許多國外公司以MCS-51系列單片機的核為基礎(chǔ)，推出了與MCS-51系列單片機相兼容的衍生產(chǎn)品6。所以，可以供我們選用的單片機廠商眾多，單片機芯片也有很多種，常見的有以下幾種：1 MSP430系列單片機是美國儀器（TI）生產(chǎn)的單片機芯片。此芯片是一款具有精簡指令集（RISC）的混合信號處理器，其處理能力極強、運算速度快、功耗超低、片資源豐富且有方便高效的開發(fā)環(huán)境。然而，其價格比較昂貴且采用TPFQ貼片封裝，不利于焊接，需要制作成PCB板，但這將大大增加了成本和開發(fā)周期7。2 STC89C52單片機是宏晶科技生產(chǎn)的單片機芯片。此芯片是一種低功耗、高性能CMOS 8位微處理器，具有8K在系統(tǒng)可

20、編程Flash存儲器、512字節(jié)RAM、32位I/O口、看門狗定時器、置4KB EEPROM、MAX810復位電路等8。3 ATmega16單片機是基于增強的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8 位CMOS微控制器。由于其先進的指令集以與單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega16 的數(shù)據(jù)吞吐率高達1 MIPS/MHz，從而可以減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。ATmega16 有如下特點:16K字節(jié)的系統(tǒng)可編程Flash(具有同時讀寫的能力，即RWW)，512 字節(jié)EEPROM，1K 字節(jié)SRAM，32 個通用I/O 口線，32 個通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG 接口，支持片調(diào)試與編程，三個

21、具有比較模式的靈活的定時器/ 計數(shù)器(T/C),片/外中斷，可編程串行USART，有起始條件檢測器的通用串行接口，8路10位具有可選差分輸入級可編程增益的ADC ，具有片振蕩器的可編程看門狗定時器，一個SPI串行端口，以與六個可以通過軟件進行選擇的省電模式9。盡管單片機的品種很多，但是在我國使用最多的是Intel公司的MCS-51系列單片機與其增強型、擴展型的衍生機型。又由于筆者學習過MCS-51系列單片機，而且考慮到開發(fā)難度和成本，本系統(tǒng)選取STC89C52單片機作為處理器。二、 氣壓傳感器氣壓傳感器對于數(shù)字氣壓計設(shè)計的實現(xiàn)至關(guān)重要，需要綜合實際的需求和各類氣壓傳感器的性能參數(shù)加以選擇。氣壓

22、傳感器的主要性能參數(shù)如下：1 測量圍即所能測量的大氣壓力圍，單位為KPa。2 測量精度測量結(jié)果（電流或電壓）的精度。3 溫度補償圍一般要選用具有溫度補償能力的氣壓傳感器，因為溫度補償特性可以克服半導體壓力敏感器件存在的溫度漂移的問題。4 測量的是否是絕對氣壓值絕對氣壓值對應的即是實際的氣壓值，顯然要實現(xiàn)數(shù)字氣壓計需要測量絕對氣壓值的氣壓傳感器。數(shù)字氣壓計顯示的是絕對氣壓值，同時為了簡化電路，提高穩(wěn)定性和抗干擾能力，要求使用具有溫度補償能力的氣壓傳感器。經(jīng)過綜合考慮，本系統(tǒng)選用美國摩托羅拉公司的集成壓力傳感器芯片MPX4115A作為氣壓傳感器。MPX4115系列壓電電阻傳感器是一個硅壓力傳感器。

23、這個傳感器結(jié)合了高級的微電機技術(shù)，薄膜鍍金屬技術(shù)。還能為高水準模擬輸出信號提供一個均衡壓力。在085的溫度下誤差不超過1.5%，溫度補償是-4012510。MPX4115A具有溫度補償、穩(wěn)定性高和抗干擾能力強等特點。而且，可以產(chǎn)生與所加氣壓成線性關(guān)系的高精度模擬輸出電壓。具體關(guān)系如下：Vout=Vs(0.01059P-0.1528)Error式中，Vs是工作電壓，P是大氣壓值，Vout為輸出電壓。三、 V/F轉(zhuǎn)換芯片氣壓傳感器MPX4115A輸出的是模擬電壓，因此，必須進行A/D轉(zhuǎn)換才能交由單片機處理。本系統(tǒng)采用一種電壓/頻率（V/F）轉(zhuǎn)換電路來實現(xiàn)模擬電壓的數(shù)字化處理。V/F轉(zhuǎn)換電路由V/F

24、器件實現(xiàn)。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線性關(guān)系的脈沖序列，雖然V/F器件本身還不能算做量化器，但加上單片機定時器與計數(shù)器處理以后也可以實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換功能。針對電路的實際需要，并考慮到外圍電路實現(xiàn)的難易程度和相應的性能指標，本系統(tǒng)選用國家半導體公司的芯片LM331來實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。LM331是一款高精度電壓/頻率轉(zhuǎn)換芯片，它具有以下特點：1 最大非線性誤差為0.01%。2 可單、雙電源供電，電壓圍為540V。3 脈沖輸出可兼容任何邏輯形式。4 部具有溫度補償能隙基準電路，因而具有極佳的溫度穩(wěn)定性，最大溫漂為50ppm/。5 寬的滿量程頻率圍：1Hz100KHz。四

25、、 顯示器目前，市場上的顯示模塊種類繁多，功能各異，常見的有以下幾種：1 帶字庫的LCD12864液晶顯示屏。LCD12864是一款通用的液晶顯示屏，能夠顯示大部分常用的漢字與ASCII碼，而且能夠繪制圖片、描點畫線、設(shè)計出比較理想的結(jié)果。2 液晶LCD1602顯示屏，LCD1602是一款比較通用的字符液晶顯示屏，能顯示字符和數(shù)字等信息，但不能顯示圖畫，其具有價格低廉、操作方便、功耗低、編程簡單的特點。3 LED7段數(shù)碼顯示管，數(shù)碼管實際上是由七個發(fā)光管組成8字形構(gòu)成的，其成本低，但只能顯示數(shù)字和少量字符。液晶顯示屏比數(shù)碼顯示管的功耗低，顯示也更直觀，易于軟件編程?？紤]到價格因素以與顯示需求，

26、LCD1602液晶顯示屏是最佳的選擇11。五、 三端穩(wěn)壓器由于在本設(shè)計中LM331需要+15V的工作電源，但是單片機、MPX4115A和LCD1602等其他元件的工作電源為+5V，所以，為了滿足整個系統(tǒng)的正常工作的需要，我們還需要設(shè)計專門的電源電路。在這里，筆者選用了摩托羅拉公司生產(chǎn)的三端低電流線性穩(wěn)壓芯片MC78L05作為+15V電壓轉(zhuǎn)+5V電壓的芯片。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊的介紹，其輸入電壓圍：2.624V，輸出+5V 固定電壓；其無需外部保護電路，具有部短路電路限制和熱過載保護功能。第四節(jié)本章小結(jié)本章主要介紹本系統(tǒng)的設(shè)計要求，并選取了符合要求的設(shè)計方案，講解了被選取方案的設(shè)計思想與工作原理。本章還

27、討論了系統(tǒng)各元件的介紹與選取。本章的工作為后面的具體實現(xiàn)打下了良好的基礎(chǔ)，后面章節(jié)都是在這章的總體方案設(shè)計的基礎(chǔ)上展開的。所以，這章的工作很重要。第二章 硬件系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)第一節(jié)單片機電路一、 單片機概述單片機就是在一塊半導體硅片上集成了微處理器（CPU），存儲器（RAM，ROM，EPROM）和各種輸入、輸出接口（定時器/計數(shù)器，并行I/O口，串行口，A/D轉(zhuǎn)換器以與脈寬調(diào)制器PWM等）的具有一臺計算機屬性的集成電路芯片。單片機的發(fā)展歷史大概可以分為四個階段。第一階段（1974年1976年）：單片機誕生的階段；第二階段（1976年1978年）：低性能單片機階段；第三階段（1978年現(xiàn)在）：高

28、性能單片機階段；第四階段（1982年現(xiàn)在）：8位單片機鞏固發(fā)展與16位單片機、32位單片機推出階段。單片機以其卓越的性能、價格低廉、高可靠性，得到了廣泛的應用。在檢測控制領(lǐng)域，由于其小巧靈活、低成本、易于產(chǎn)品化，它能方便的組裝成各種智能測控設(shè)備與各種智能儀器儀表。在本系統(tǒng)中，就是利用了他的這一特點，來做氣壓檢測儀表。另外其還廣泛應用于工業(yè)自動化、消費類電子產(chǎn)品、通信器材、國防工業(yè)等領(lǐng)域，單片機的出現(xiàn)大大的推進了社會智能化的進程12。二、 單片機片結(jié)構(gòu)、引腳與封裝STC89C52和MCS-51系列單片機相似，這里以MCS-51單片機的片結(jié)構(gòu)來介紹STC89C52，如圖2.1所示。圖2.1 MCS

29、-51單片機片結(jié)構(gòu)圖由圖可見，單片機部包含了微處理器（CPU）、數(shù)據(jù)存儲器（RAM）、程序存儲器（ROM/EPROM）、中斷系統(tǒng)、定時器、計數(shù)器、特殊功能寄存器以與各種借口。它們通過一條總線連接在一起。. CPU（微處理器）MCS-51單片機中有1個8位的CPU，與通用的CPU基本一樣，同樣包括了運算器和控制放大器兩大部分，只是增加了面向控制的處理能力，不僅可處理字節(jié)數(shù)據(jù)，還可以進行位變量的處理。. 數(shù)據(jù)存儲器（RAM）片為128B，片外最多可外擴64KB。數(shù)據(jù)存儲器用來存儲單片機運行期間的工作變量、運算的中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖、標志位等。. 程序存儲器（ROM/EPROM）用來存儲程序，8

30、031無此部件；8051為4KBROM；8751則為4KBEPROM。如果片只讀存儲器的容量不夠，則需要用外擴展只讀存儲器，片外最多可外擴至64KB。. 中斷系統(tǒng)具有5個中斷源，2級中斷優(yōu)先權(quán)。. 定時器/計數(shù)器片有2個16位的定時器/計數(shù)器，具有4種工作方式。在單片機的應用中，往往需要精確的定時，或?qū)ν獠渴录M行技術(shù)，因而需要在單片機的部設(shè)置定時器/計數(shù)器部件。. 串行口1個全雙工的串行口，具有4種工作方式?？捎脕磉M行串行通信，擴展并行I/O口，甚至與多個單片機相連構(gòu)成舵機系統(tǒng)，從而使單片機的功能更強且應用更廣。. P1口、P2口、P3口、P0口為4個并行8位I/O口。. 特殊功能寄存器（S

31、FR）特殊功能寄存器共有21個，用于CPU對片外各功能部件進行管理、控制、監(jiān)視。實際上是片各功能部件的控制寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個具有特殊功能的RAM區(qū)13。要掌握單片機因先了解它的引腳與功能。制造工藝為HMOS的單片機采用40只引腳的雙列直插封裝（DIP）方式，STC89C52的引腳如圖2.2所示。圖2.2STC89C52封裝引腳圖三、 89C52單片機引腳功能1主電源與時鐘引腳此類引腳包括電源引腳Vcc、Vss、時鐘引腳XTAL1、XTAL2。1 Vcc（40腳）：接+5V電源，為單片機芯片提供電能。2 Vss（20腳）接地。3 XTAL1（19腳）在單片機部，它是一個反向放大器的輸入端

32、，該放大器構(gòu)成了片的振蕩器，可提供單片機的時鐘控制信號。4 XTAL2（18腳）在單片機部，接至上述振蕩器的反向輸出端。2控制引腳5 RSR/ VPD（9腳）：復位信號輸入端，高電平有效，當振蕩器運行時，在此引腳加上兩個機器周期的高電平將使單片機復位（REST）。復位后應使此引腳電平保持為不高于0.5V的低電平，以保證單片機此類引腳包括RESET（即RSR/VPD）、ALE/PROG、PSEN、EA/VPP，可以提供控制信號，有些具有復用功能。6 掉電期間，此引腳可接上備用電源（VPD），以保持部RAM中的數(shù)據(jù)不丟失。當Vcc下降到低于規(guī)定值，而VPD在其規(guī)定的電壓圍（50.5V）時，VPD就

33、向部RAM提供備用電源。7 ALE/PROG（30腳）：ALE為地址鎖存允許信號。當單片機訪問外部存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖的下降沿用于鎖存16位地址的低8位。即使不訪問外部存儲器，ALE端仍有周期性正脈沖輸出，其頻率為振蕩器頻率的1/6。但是每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，在兩個機器周期中ALE只出現(xiàn)一次，即丟失一個ALE脈沖。ALE端可以驅(qū)動8個LSTTL負載。8 PSEN（29腳）：程序存儲器允許輸出控制端。此輸出為單片訪問外部程序存儲器的讀選通信號。在從外部程序存儲器取指令（或取常數(shù)）期間，每個機器周期均PSEN兩次有效。但在此期間，每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的PSE

34、N信號將不會出現(xiàn)。PSEN同樣可以驅(qū)動8個LSTTL負載。9 EA/VPP（31腳）：EA功能為外程序存儲器選擇控制端。當EA端保持高電平時，單片機訪問部程序存儲器，但在PC（程序計數(shù)器）值超過0FFFH時將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲器的程序13。3輸入/輸出引腳此類引腳包括P0口、P1口、P2口和P3口。1 P0（P0.0P0.7）是一個8位三態(tài)雙向I/O口，在不訪積壓處部存儲器時，做通用I/O口使用，用于傳送CPU的輸入/輸出數(shù)據(jù)，當訪問外部存儲器時，此口為地址總路線低8位與數(shù)據(jù)總路線分時復用口，可帶8個LSTTL負載。2 P1（P1.0P2.7）是一個8位準雙向I/O口（作為輸入時，口鎖存

35、器置1），帶有部上拉電阻，可帶4個LSTTL負載。3 P2（P2.0P2.7）是一個8位準雙向I/O口，與地址總路線高8位復用，可驅(qū)動4個LSTTL負載。4 P3口功能表，如表2.1所示。表2.1 P3口的功能表P3口各個位的第二功能P3口的位第二功能說明P3.0RXD串行數(shù)據(jù)接收口P3.1TXD串行數(shù)據(jù)發(fā)射口P3.2INT0外部中斷0輸入P3.3INT1外部中斷1輸入P3.4T0計數(shù)器0計數(shù)輸入P3.5T1計數(shù)器1計數(shù)輸入P3.6WR外部RAM寫信號P3.7RD外部RAM讀信號四、 單片機的復位電路STC89C52單片機的復位是由外部的復位電路來實現(xiàn)的，只需向STC89C52單片機的復位引腳

36、RST輸入大于兩個機器周期的高電平就能實現(xiàn)復位功能。復位電路通常采用上電自動復位和按鍵復位兩種方式，本次畢業(yè)設(shè)計采用了按鍵復位方式，復位電路圖如圖2.3所示。圖2.3 單片機復位電路圖五、 單片機的時鐘電路MCS-51單片機各功能部件的運行都是以時鐘信號為基準的，有條不紊地一拍一拍地完成程序。因此，時鐘頻率直接影響單片機運行的速度，時鐘電路的質(zhì)量也直接影響著單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本次畢業(yè)設(shè)計采用的是外部時鐘方式，時鐘電路圖如圖2.4所示14。圖2.4 單片機外部時鐘電路圖六、 單片機電路圖單片機部分電路圖如圖2.5所示。圖2.5 單片機部分電路圖第二節(jié) 氣壓檢測電路一、 氣壓傳感器MPX4115

37、A的介紹隨著微機械加工技術(shù)的新興發(fā)展和微電子技術(shù)的日益成熟，各種基于MEMS（微型機電系統(tǒng)，Micro Electro-Mechanical System）技術(shù)的元器件應運而生，他們有著體積小、質(zhì)量輕、成本低、功耗低、可靠性和工作效率高的特點，易于實現(xiàn)數(shù)字化、小型化和批量生產(chǎn)，目前已經(jīng)在各行各業(yè)得到廣泛的應用。本系統(tǒng)選用的氣壓傳感器是Motorola公司生產(chǎn)的新型MEMS器件MPX4115A單片集成硅壓力傳感器，它集成度高，質(zhì)量小，尺寸小，具有測量精度高，預熱時間段，響應速度快，長期穩(wěn)定，可靠性高和過載能力強等優(yōu)點。MPX4115A的量程為15KPa115KPa，在-40125溫度圍具有溫度補

38、償功能；輸出模擬信號，電壓輸出為0.2V4.8V，可以滿足氣壓的測量。MPX4115A的工作溫度適應條件很寬，工作電壓為5V直流電壓，工作功率35mW，它把壓感單元、溫度補償單元、雅典放大電路、模擬信號輸出單元等集中在一個芯片上，可以方便使用。二、 MPX4115的引腳與功能集成壓力傳感芯片MPX4115A的引腳分布如圖2.6所示。圖2.6 MPX4115A封裝與引腳圖各引腳功能說明如下：VOUT(1腳)：電壓輸出腳。GND（2腳）：接地端。NC（4、5、6腳）：空引腳，用于芯片部連接，懸空不適用。三、 電壓/頻率轉(zhuǎn)換器電壓/頻率轉(zhuǎn)換器選用國家半導體公司的高精度V/F轉(zhuǎn)換芯片LM331，其引腳

39、分布如圖2.7所示。圖2.7 LM331封裝與引腳圖各引腳功能說明如下：CO(1腳)：電流輸出腳。RefC（2腳）：基準電流腳。此引腳可接一固定電阻串聯(lián)一個可變電阻器的組合，用于調(diào)整轉(zhuǎn)換增益。FO（3腳）：脈沖序列輸出腳。該序列的頻率值對應于輸入電壓的脈沖序列。GND（4腳）：接地端。R/C（5腳）：組容網(wǎng)絡(luò)引腳。Thre（6腳）：閾值電壓腳。芯片部的電壓比較器會對此引腳上的電壓和7腳CmpIn上的電壓作比較。CmpIn(7腳)：比較器電壓輸入腳。需要進行V/F轉(zhuǎn)換的電壓經(jīng)過低通濾波后由此引腳輸入。VCC（8腳）：電源腳?？刹捎脝?、雙電源供電，輸入電壓540V。四、 氣壓檢測部分電路圖氣壓傳感

40、和V/F轉(zhuǎn)換電路圖如圖2.8所示。圖2.8氣壓檢測部分電路圖第三節(jié)液晶顯示電路一、 液晶顯示屏介紹在單片機系統(tǒng)中，輸出設(shè)備是用來向用戶提供信息的，常見的如數(shù)碼管。但數(shù)碼管不僅功耗大、體積大，而且只能用于數(shù)字顯示，位數(shù)也不能太多。液晶顯示屏則不僅功耗小、體積小，顯示的信息量也要比數(shù)碼管大的多，在越來越多的場合，液晶屏成為了替代數(shù)碼管的首選設(shè)備。單片機系統(tǒng)中用到的液晶屏（簡稱LCD）有很多類型，但最常用的只有兩種，一種就1602型（即每行可顯示16個字符，同時能顯示2行）的，另一種是12864型（即每行可顯示128個點，每列可顯示64個點）的。一般前一種稱為字符型LCD，后一種稱為點陣型LCD，字

41、符型的只能顯示ASCII碼符號的字形（一般用57點陣來顯示一個字符），而點陣型LCD還可以顯示圖形。LCD1602的實物外形與顯示效果如圖2.9如所示。圖2.9 LCD1602實物圖二、 LCD1602介紹一般來說，絕大多數(shù)LCD1602都是使用日立的HD44780控制芯片或與其兼容的芯片，所以控制方式都是一樣的，只是在一些顯示特性與物理特性的具體參數(shù)上，以與某些電氣特性上，不同廠家的產(chǎn)品可能會有所差別，使用時可先看下說明，這里就不一一羅列了，LCD1602的引腳如圖2.10所示。圖2.10 LCD1602封裝與引腳圖從圖中可以看到，LCD1602采用標準的16腳接口，具體定義如下:第1腳：V

42、SS為地電源。第2腳：VDD接5V正電源。第3腳：V0為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度。第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。第5腳：RW為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和RW共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平RW為高電平時可以讀忙信號，當RS為高電平RW為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。第6腳：E端為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入或讀取命令。第714腳：D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。第1516

43、腳：空腳或背光電源端接口。三、 LCD1602的控制一般來說，可使用單片機的其中一個PORT端口來接LCD的8個雙向數(shù)據(jù)口（D0D7），再使用另一個PORT端口的其中三位（如低三位）來接LCD的三個控制線（即RS、RW和E）。單片機向LCD發(fā)的數(shù)據(jù)有兩種類型，一類是控制指令數(shù)據(jù)（比如清屏、光標定位等），另一類是顯示數(shù)據(jù)（比如要顯示什么字符）。這些數(shù)據(jù)都是通過雙向數(shù)據(jù)口發(fā)送的，為了能分清是指令還是顯示容，在LCD設(shè)置了一個位來鑒別，這位置0就表示從數(shù)據(jù)口接收到的是指令，置1則表示接收到的是顯示容。這一位就是LCD的第4腳（即RS端），所以單片機不僅要通過數(shù)據(jù)口發(fā)送數(shù)據(jù)，同時還要通過寫RS端來告訴

44、LCD發(fā)送的數(shù)據(jù)是指令還是顯示容。由于數(shù)據(jù)口（D0D7）是雙向的，為了分清數(shù)據(jù)是單片機傳給LCD（寫），還是LCD傳給單片機（讀），在LCD端設(shè)置了一個位來描述數(shù)據(jù)的走向，這一位就是LCD的第5腳（即R/W端）。當數(shù)據(jù)是“寫”時，R/W端要置0，當數(shù)據(jù)是“讀”時，R/W端要置1。剛才講過，寫有可能是寫指令，也可能是寫容。但讀一般只是讀容，只有一種情況是讀指令（其實是讀狀態(tài)），即判定LCD是否忙（忙就不能寫），這時要讓RS=0、R/W=1，讀到的最高位（DB7）若是1則表示LCD忙，若是0則表示LCD就緒，可以寫指令或容。一般LCD在接到一條指令到完成它需要約40us1.64ms的時間，所以在寫

45、或讀LCD之前要看一下它是否忙。最后還要解決一個問題，就是要讓LCD知道什么時候?qū)懀ɑ蜃x）。1602器件規(guī)定，當?shù)?腳（即E端）有一個下降沿的跳變時，LCD就把數(shù)據(jù)口上的數(shù)據(jù)寫入到部的寄存器中（或把寄存器中的數(shù)據(jù)放到數(shù)據(jù)線上來）15。歸納一下，1602的基本操作共分四種，分別是：1 狀態(tài)字讀操作輸入：RS=0、R/W=l、E由高變低，輸出：D0D7的狀態(tài)字。2 數(shù)據(jù)讀操作輸入：RS=1、R/W=l、E由高變低，輸出：D0D7的數(shù)據(jù)。3 指令寫入操作輸入：RS=0、R/W=0、E由高變低（無輸出）。4 數(shù)據(jù)寫入操作輸入：RS=1、R/W=0、E由高變低（無輸出）。四、 LCD1602的電路圖LC

46、D1602液晶顯示電路如圖2.11所示。圖2.11 LCD1602部分電路圖第四節(jié)電源電路一、 78L05的介紹78L05是一種固定電壓(5V)三端集成穩(wěn)壓器，其適用于很多應用場合。它提供兩個數(shù)量級的有效的產(chǎn)品改善阻抗，低靜態(tài)電流。這種特性使穩(wěn)壓器可以給本機或板卡提供一個很好的解決噪聲干擾的方案。此外它還可以和其它功率轉(zhuǎn)移器件一起構(gòu)成大電流的穩(wěn)壓電源,如可驅(qū)動輸出電流高達100毫安的穩(wěn)壓器。其卓越的部電流限制和熱關(guān)斷特性使之特別適用于過載的情況，當用于替代傳統(tǒng)的齊納二極管-電阻組的時候,其輸出阻抗得到有效的改善,其偏置電流大大減少。78L05的實物與封裝如圖2.12所示。圖2.12 78L05

47、實物與封裝圖二、 78L05的特點1 輸出電流可達150mA2 輸出電壓5.0V3 輸出精度可達4%4 外圍電路簡單5 靜電防護ESD可達2.7KV三、 78L05的引腳圖78L05的引腳圖如圖2.13所示。圖2.13 78L05封裝與引腳圖各引腳功能說明如下：Vout(1腳)：+5V固定電壓輸出腳。GND(2腳)：接地端。Vin(3腳)：電壓輸入腳，可輸入的電壓圍為2.624V。四、 電源電路圖電源電路如圖2.14所示。圖2.14 電源電路部分圖第五節(jié)總體電路綜合以上各個電路得到本系統(tǒng)的電路原理圖如圖2.15所示。圖2.15 系統(tǒng)總體電路圖第六節(jié)本章小結(jié)本章主要介紹了硬件電路的設(shè)計，包括所選

48、用器件的工作原理、使用方法以與具體的硬件電路圖。在上一章節(jié)總體設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，根據(jù)各個電路模塊的功能詳細地設(shè)計出了電路原理圖，再將各模塊進行組合，得到本系統(tǒng)的硬件電路原理圖。模塊化的設(shè)計思路簡化了硬件設(shè)計過程，易于閱讀、理解，同時也為電路的模塊化焊接和各個功能模塊的檢測打下好的基礎(chǔ)。各個電路模塊工作原理以與控制模式的節(jié)講述，為后續(xù)設(shè)計系統(tǒng)的軟件部分指明了思路。所以，電路設(shè)計的合理性很重要，本章的工作的重要性由此可見一斑。第三章 軟件系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)第一節(jié)軟件系統(tǒng)設(shè)計的概述總體設(shè)計思想，通過主程序調(diào)用相關(guān)子函數(shù)來實現(xiàn)。用C語言實現(xiàn)氣壓計的程序，流程圖如圖3.1所示。圖3.1 程序流程圖本系統(tǒng)的

49、軟件采用C語言編寫，并運用模塊化的設(shè)計思路。各個模塊分別完成LCD1602顯示器的初始化、延時、寫數(shù)據(jù)到LCD1602、寫命令道LCD1602、顯示等功能。這樣程序便于調(diào)試和閱讀。第二節(jié)匯編語言和C語言開發(fā)單片機的優(yōu)缺點比較匯編語言是一種用文字助記符來表示機器指令的符號語言，是最接近機器語言的一種語言。其主要優(yōu)點是占用資源少、程序執(zhí)行效率高。但是不同的CPU其匯編語言可能有所差異，所以不易于移植。C語言是一種結(jié)構(gòu)化的高級語言。其優(yōu)點是可讀性好，易于移植，是普片使用的一種高級語言。缺點是占用資源較多，執(zhí)行效率沒有匯編語言好。用C語言來編寫目標系統(tǒng)軟件，可以大大縮短開發(fā)周期，且明顯地增加軟件的可讀

50、性，便于改進和擴充，從而開發(fā)出大規(guī)模、高性能的應用系統(tǒng)16。其優(yōu)勢如下：1 可以大幅度加快開發(fā)進度，程序量越大，用C語言就越有優(yōu)勢。2 無需精通單片機指令集和具體的硬件，也能夠編出符合硬件實際專業(yè)水平的程序。3 可以實現(xiàn)軟件的結(jié)構(gòu)化編程，使得軟件的邏輯結(jié)構(gòu)變得清晰、有條理、便于開發(fā)小組計劃任務(wù)、分工合作。源程序的可讀性和可維護性都很好。4 省去了人工分配單片機資源的工作，在匯編語言中要為每一個子程序分配單片機的資源。在使用C語言后，只要在代碼中申明一下變量的類型，編譯器就會自動分配相關(guān)資源，根本不需要人工干預，從而有效地避免了人工分配單片機資源的差錯。5 匯編語言的可移植性很差，而C語言只要將

51、一些與硬件相關(guān)的代碼作適當?shù)男薷?，就可以方便地移植到其它種類的單片機上。6 C語言提供auto、static、flash等存儲類型，針對單片機的程序存儲空間、數(shù)據(jù)存儲空間與EPROM空間自動為變量合理地分配空間，而且C語言提供復雜的數(shù)據(jù)類型，極增強了程序處理能力和靈活性。C編譯器能夠自動實現(xiàn)中斷服務(wù)程序的現(xiàn)場保護和恢復，并且提供常用的標準函數(shù)庫，供用戶使用。并且C編譯器能自動生成一些硬件的初始化代碼。7 對于一些復雜系統(tǒng)的開發(fā)，可以通過移植(或C編譯器提供)的實時操作系統(tǒng)來實現(xiàn)。正由于C語言在系統(tǒng)開發(fā)中的優(yōu)勢，這次設(shè)計的所有程序設(shè)計都將采用C語言編寫6。第三節(jié)主要模塊程序一、 主程序主程序是軟

52、件系統(tǒng)的核心，它體現(xiàn)了本軟件系統(tǒng)的工作流程，主程序根據(jù)自己的需要來調(diào)用其他模塊從而實現(xiàn)系統(tǒng)功能。下面介紹主程序重要語句在使用LCD1602之前需要先初始化LCD1602，LCD1602的初始化是由編寫的lcd_init()函數(shù)來實現(xiàn)的，另外在初始化LCD1602時，每次寫數(shù)據(jù)都需要一定時間的延時，這個是它自身決定的。在主函數(shù)過以下語句來調(diào)用LCD1602的初始化程序。lcd_init()函數(shù)將在后面介紹。LCD_RW=0; delay(100); lcd_init();初始化單片機、定時器工作方式的設(shè)定。在MCS-51單片機中有兩個可以編程的定時/計數(shù)器T1、T0。兩個定時/計數(shù)器都具有定時器

53、和計數(shù)器兩種工作模式。計數(shù)器工作模式是對外來脈沖進行技術(shù)。MCS-51芯片有T0和T1兩個輸入引腳，分別是這兩個計數(shù)器的技術(shù)輸入端。每當計數(shù)器的技術(shù)輸入引腳的脈沖發(fā)生負跳變時，計數(shù)器加1.單片機的定時功能也是通過計數(shù)器的計數(shù)來實現(xiàn)的，計數(shù)器的脈沖來自單片機的部。MCS-51的定時器/計數(shù)器具有4種工作方式（方式0、方式1、方式2、方式3）。特殊功能寄存器TMOD的TH0和TL0分別設(shè)定T1和T0的工作方式。特殊功能寄存器TCON的TR位控制T0、T1的啟動和停止計數(shù)，1為啟動0為停止13。計數(shù)器的終端服務(wù)程序?qū)⒃诤竺娼榻B。定時/計數(shù)器的設(shè)定如下： TMOD=0x15;/初始化定時器工作方式 T

54、H0=0; TL0=0;/初始化定時器0值 TH1=(65536-50000)/256;/初始化定時器1值 TL1=(65536-50000)%256; TR1=1;/啟動定時器1 TR0=1;/啟動定時器0 ET0=1;/定時器0使能 ET1=1;/定時器1使能 EA=1;/總中斷允許本系統(tǒng)的核心思想是通過計數(shù)器在單位時間統(tǒng)計的脈沖信號頻率來計算出氣壓值。通過查MPX4115A的數(shù)據(jù)手冊可知被測氣壓P和輸出電壓Vout的關(guān)系為 (3-1)這里VCC為+5V，因此可得 (3-2) MPX4105的輸出電壓VOUT作為輸入電壓Vin，經(jīng)過V/F轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂袑︻l率fo的脈沖序列FO。電壓Vin和輸出脈沖FO的頻率fo的轉(zhuǎn)換關(guān)系滿足 (3-3),由此可得 (3-4)電路中，Rt、Ct和RL的典型值分別為6.8k、0.01pf和100k，Rs由一個定值電阻R2和一個可變電路R3串聯(lián)組成，其中，R2為22k，R3的最大阻值為12k，通過可變電阻R3調(diào)節(jié)Rs的阻值可