1、长 春 大 学 气压高度计的设计装订线I气压高度计的设计目 录第 1 章 气压高度计的简介 .11.1 气压高度计的研究目的 .11.2 气压高度计的工作原理 .1第 2 章 气压高度计的设计方案 .32.1 电源的方案选择 .32.2 温度传感器的选择 .32.3 压力传感器的选择 .42.4 RC 滤波放大电路 .42.5 A/D 转换芯片 .42.6 单片机的选择 .52.7 显示器的选择 .52.8 电平转换芯片的选择 .5第 3 章 气压高度计的硬件设计 .73.1 电源电路设计 .73.2 温度传感器电路设计 .73.2.1 AD590 的简介 .73.2.2 AD590 的性能特
2、点 .83.2.3 AD590 的工作原理 .83.2.4 AD590 的非线性误差及其补偿 .93.3 压力传感器的设计 .133.4 RC 滤波放大电路 .143.4.1 LM358 的简介 .143.4.2 LM358 的封装 .153.4.3 LM358 的内部结构框图 .153.5 TLC2543 的设计 .163.5.1 TLC2543 的引脚及功能 .163.5.2 TLC2543 内部寄存器工作原理 .173.5.3 TLC2543 编程要点 .183.5.4 TLC2543 与单片机的连接 .193.6 单片机 89C52 .203.6.1 单片机 89C52 的简介 .20
3、长 春 大 学 气压高度计的设计装订线II3.6.2 单片机 89C52 引脚及部分功能 .213.6.3 89C52 的晶振电路连接 .243.6.4 89C52 复位电路 .243.6.5 按键电路 .253.6.6 单片机 89C52 的设计连接电路 .263.7 LCD12864.263.7.1 LCD12864 的简介 .263.7.2 LCD12864 管脚及其功能 .273.7.3 LCD12864 的特性 .283.7.4 LCD12864 本次设计连接方式 .283.8 MAX232 .293.8.1 MAX232 的简介 .293.8.2 MAX232 的设计连接图 .31
4、3.9 串行通信口设计 .323.9.1 串行通信的简介 .323.9.2 RS-232 标准 .323.9.3 RS-232 的借口引脚定义 .333.9.4 RS-232 的连接方式 .33第 4 章 气压高度计设计的软件设计 .344.1 主程序设计 .344.2 显示程序设计 .354.3 数据处理程序 .354.4 A/D 转换程序 .36第 5 章 总结与展望 .38致 谢 .39参考文献 .40附 录 .41长 春 大 学 气压高度计的设计共 41 页 第 1 页装订线第 1 章 气压高度计的简介1.1 气压高度计的研究目的随着人们生活水平的提高，户外运动也越来越受到人们的青睐。
5、对于实时掌握周围环境的变化需求越来越大，气压、海拔和温度的变化都需要随时掌控。这就催生了气压高度计的快速发展。与此同时技术的进步，气压高度计也逐渐有了新的应用。目前随着社会的发展，气压高度计的用途越加的广泛，这样对于气压高度计的要求越多，更方便快捷，稳定性及精确度都是有所要求，例如气压式高度表是航空大气数据系统的一部分，它是根据载体所在处大气静压测量载体的重力势高度。飞行员依赖他控制飞行器、保持地形许可和与其它飞行器的垂直距离。气压高度值将被提供给飞行管理系统、自动驾驶仪、惯性导航系统、卫星导航系统及应答机使用，已成为各类飞行器不可缺少的导航仪表。尤其是当高度信息与 GPRS 信息融合实现组合
6、定位，可以最小成本提高 GPRS 定位精度和完好性监测性能。基于以上原因，本文设计了一款气压高度计，可以随时的显示气压、海拔及温度。通过传感器对压力、温度等参数的检测，经过信号调理、A/D 转换之后由微处理器经行处理，并显示测量结果。同时测量数据可以上传给上位机，以便进一步的分析。1.2 气压高度计的工作原理气压高度计是利用大气压的变化规律，来测量所在地的海拔高度和所在地的大气压变化，以及测量因地域变化发生的相对高度。利用气压测量海拔高度的具体原理是：根据计算和实测的结果表明，在海拔高度-100m0m+4000m 范围内,可近似地认为大气压的降低和海拔高度的升高成反比关系,比例系数约为(12.
7、 311. 5) Pa/m，即 :大约每升高 1m，大气压力下降约12Pa。利用此原理,来实现对高度的计算。推导计算公式：u=1.3P-155（KPa）,其中 P 初始值为 100KPa。要使用气压高度计，必须了解以下基本知识：大气压强（简称大气压）：即空气作用在所在地面单位面积上的压力（即空气重量）。大气压强的单位有：百帕（hPa）、毫巴（mBr）、毫米汞柱（mmHg）、英寸汞柱（inHg）。标准大气压：根据国际假设规定，在标准大气条件下空气作用在单位海平面的大气压力，即海拔 0 米高度面的大气压强，一个标准大气压大约为1013.25hPa（760mmHg 或 29.92inHg）。海拔高度
8、愈高，压在其上的空气柱愈短，大气压也就愈低。因此，大气压总是长 春 大 学 气压高度计的设计共 41 页 第 2 页装订线随着高度的增加而降低的。据实测，在近地面层中，高度每升高 100 米，大气压平均降低约 12hPa.长 春 大 学 气压高度计的设计共 41 页 第 3 页装订线第 2 章 气压高度计的设计方案实施方案：通过传感器对压力、温度等参数的检测，通过放大电路，对信号进行放大处理，在经过 A/D 转换，将模拟信号转换成数字信号，在传送到单片机进行处理并输出。同时将测量数据传给上位机经行进一步的分析。图 2-1 系统结构框图2.1 电源的方案选择根据气压高度计的设计要求，此次气压高度
9、计尽量的小巧轻便，所所以不能使用稳定的电压源进行供电，所以采用电池进行供电。方案一：使用普通的干电池使用普通干电池，通过串联然后稳压出 5V 的电压。方案二：使用锂电池使用 15V 的锂电池，然后经过转换之后得到 5V 的电压。方案比较：因为使用干电池时间久了电压会不稳定且干电池所需体积较大，而锂电池厚度小，重量轻，容量大，安全性能好，对于设计要求更加的符合，故选择方案二。2.2 温度传感器的选择温度传感器现在有两种供选择，DS18B20 和 AD590。方案一：DS18B20DS18B20 数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，压力传感器温度传感器RC 滤 波放大电路A
10、/D转换电路89C52TLC2543电平转换模块上位机长 春 大 学 气压高度计的设计共 41 页 第 4 页装订线螺纹式，磁铁吸附式。方案二：AD590AD590 是一块可以根据外界温度变化而产生相应电流值的集成芯片。AD590 的校准精度可以达到 0.5 摄氏度，而当其在常问的区域范围后，其精度可以达到 0.1 摄氏度。方案比较：根据设计要求，最终显示器上显示的是以摄氏度为单位的，而方案一温度传感器测量的是数字量，不满足设计要求，所以选择方案二，AD590.2.3 压力传感器的选择在气压高度计系统的设计中，气压对高度的影响最为直接。方案一：压力传感器 SCP1000-D01SCP1000-
11、D01 是芬兰 VTI 公司生产的一款基于 D-MEMS 技术的绝对压力传感器，能在正常条件下达到亚米级别的分辨率和 1m 的精度。SCP1000-D01 提供了高精度、高速度、低功耗、和超级功耗 4 种模式。可供用户需要自行选择测量方式。SCP1000-D01 的测量范围在-100pa+100pa。方案二：MPXA6115AMPXA6115A 是由摩托罗拉公司生产的，它是一款高温精确，用来测量绝对压力的压力传感器芯片。在线信号生成时，具有温度补偿的功能。方案比较：SCP1000-D01 此芯片的测量范围比较的小，并且 MPXA6115A 具有温度补偿的功能，所以选择 MPXA6115A。2.
12、4 RC 滤波放大电路方案一：普通的 RC 滤波放大电路此电路的特点就是简单，但是误差比较的大。方案二：MC33502MC33502 是一种单电源，大电流，低电压，价格昂贵，并且误差相对较小。方案比较：使用 MC33502 测量误差更小，但是价格太贵，并且此次设计精度不用太高。2.5 A/D 转换芯片本文设计的便携式气压高度计在气压传感器采集到的数据需要经过模数转换后传给单片机，常用的模数转换芯片有以下几种：方案一：TLC0809TLC0809 是采样分辨率为 8 位的、以逐次逼近原理进行数模转换的器件，其内部有一个 8 通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通一个通道进行 A/
13、D 转换。长 春 大 学 气压高度计的设计共 41 页 第 5 页装订线方案二：TLC2543TLC2543 是 TI 公司生产的一种低价位、高性能的 8 位 A/D 转换器，它以 8 位开关电容逐次逼近的方法实现 A/D 转换，其转换速度小于 17us,最大转换速度为40000HZ,4MHZ 典型内部系统时钟，电源为 3 至 6 伏。它能方便的采用三线串行接口方式与各种微处理器连接，构成各种廉价的测控应用系统。方案比较：TLC2543 相对于 TLC0809 所需要用的端口资源少，能够满足本文设计的需求，所以选择方案二。2.6 单片机的选择本文设计的便携式气压高度计以单片机为核心，常用的单片
14、机有以下几种：方案一： AT89C51AT89C51 的工作最高频率为 22MHz。采用 FLASHROM，内部具有 4KB 的存储空间，能在 3V 超低压下工作，而且 S51 单片机完全兼容，但是运用于电路设计中时，由于不具备 RSP 在线编程技术，当对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能，需要烧入程序时对芯片的多次插拔会对芯片造成一定的损坏。方案二：AT89C52同 AT89C51 相比，AT89C52 的功能和其是一样的，但是 AT89C52 的内存更加的大。方案选择：根据实际的需要，产品在使用的过程中，可能有较大的计算量，所以选择内存更大的比较合适。2.7 显示器的选择
15、本文设计的便携式气压高度计需要显示气压值和高度值，显示期价的选择方案如下：方案一：数码管显示数码管显示的数字虽然清楚，但是其耗电量比较大，而且只显示数字，但不能显示些复杂的字符。 方案二：液晶显示液晶显示具有零辐射，低耗能，散热小，纤薄轻巧，精确还原图像等优点，而且能显示星号。方案比较：液晶能较方便的显示多个字符，且功耗低，满足本文设计的需求，所以选择方案二。2.8 电平转换芯片的选择MAX232，该产品是由德州仪器公司（TI）推出的一款兼容 RS232 标准的芯片。由于电脑串口 rs232 电平是-10v +10v，而一般的单片机应用系统的信号电压是 ttl长 春 大 学 气压高度计的设计共
16、 41 页 第 6 页装订线电平 0 +5v,max232 就是用来进行电平转换的,该器件包含 2 驱动器、2 接收器和一个电压发生器电路提供 TIA/EIA-232-F 电平。因为 MAX232 是一种比较常见的电平转换芯片，适用的范围广泛，器件容易获取，所以选择 MAX232。长 春 大 学 气压高度计的设计共 41 页 第 7 页装订线第 3 章 气压高度计的硬件设计本文设计的气压高度计是以 AT89C52 为核心，由电源电路、温度传感器AD590、压力传感器 MPXA6115A、RC 滤波放大电路、A/D 转换电路、电平转换电路、显示电路及上位机通信电路组成。3.1 电源电路设计本设计
17、采用锂电池供电，然后对电压进行转换，其电路原理如图 3-1 所示，主要部分是采用线性稳压芯片 7805 实现稳压,在输入电压存在波动时，输出电压保持恒定的装置，转换后的 12V 电压供给扩展部分，5V 电压供给单片机。图中 15V 的电压由锂电池提供。图 3-1 电源电路原理图LM7812 系列是三端正电源稳压电路，它的封装形式为 TO-220。它有一系列的固定电压的输出，应用非常的广泛。由于内部电流的限制，以及过热保护及安全工作区得保护，使它基本上不会损坏。如果能够提供足够的散热片，就能够提高大于1.5A 的输出电流。虽然是按照固定的电压值来设计的，但是当接入适当的外部元件后，就能获取各种不
18、同的电压和电流。特点：*最大输出电流为 1.5A*输出电压为 5V;6V;8V;9V;10V;12V;15V;18V;24V*热过载保护*短路保护*输出晶体管安全区保护3.2 温度传感器电路设计长 春 大 学 气压高度计的设计共 41 页 第 8 页装订线3.2.1 AD590 的简介AD590 是美国 ANALOG DEVICES 公司的单片集成两端感温电流源，其输出电流与绝对温度成比例。在 4 V 至 30 V 电源电压范围内，该器件可充当一个高阻抗、恒流调节器，调节系数为 1 A/K。片内薄膜电阻经过激光调整，可用于校准器件，使该器件在 298.2K (25C)时输出 298.2 A 电
19、流。 AD590 适用于 150C 以下、目前采用传统电气温度传感器的任何温度检测应用。低成本的单芯片集成电路及无需支持电路的特点，使它成为许多温度测量应用的一种很有吸引力的备选方案。应用 AD590 时，无需线性化电路、精密电压放大器、电阻测量电路和冷结补偿。除温度测量外，还可用于分立器件的温度补偿或校正、与绝对温度成比例的偏置、流速测量、液位检测以及风速测定等。AD590 可以裸片形式提供，适合受保护环境下的混合电路和快速温度测量。 AD590 特别适合远程检测应用。它提供高阻抗电流输出，对长线路上的压降不敏感。任何绝缘良好的双绞线都适用，与接收电路的距离可达到数百英尺。这种输出特性还便于
20、 AD590 实现多路复用：输出电流可以通过一个 CMOS 多路复用器切换，或者电源电压可以通过一个逻辑门输出切换3.2.2 AD590 的性能特点AD590 是一块可以根据外界温度变化而产生相应电流值的集成芯片，作为一个高阻抗常量电流的传感器，该器件可以工作在 4-30V 的电压之下，产生 1uA/K，应用中不需要电源滤波器，导线温度补偿和线性化电路。由于内部采用激光微调，器件的一致性和均匀性很好，容易互换。AD590 的校准精度比较的高，可达0.5，当其在常温区范围内校正后，测量精度可达0.1。在全温区范围内（-50+150）使用，精度也可以达到1.0。AD590 的主要特征为：（1） 线性电流的输出：1uA/K;（2） 较宽的温度范围：-50+150；（3） 器件只有两个端口：电源电压输入，电流输出；（4） 大范围的电压支持：4V-30V；（5） 敏感元件单独隔离；（6） 低功耗；（7） 输出电阻为 710M3.2.3 AD590 的工作原理AD590 是一恒流源器件, 输出的电流值与它所测的绝对温度有精确的线性关系。该器件采用了激光微调来校正集成电路的薄膜电阻, 使其在绝对温度273.2K 时输出
