基于单片机控制的数字气压计设计与实现

[09-12 17:47:56]   来源：http://www.88dzw.com  单片机学习   阅读：8116次

文章摘要：Ｖｏｕｔ＝Ｖｓ(０．０１０５９ Ｐ－０．１５２８)±Ｅｒｒｏｒ式中，Ｖｓ是工作电压, Ｐ是大气压值，Ｖｏｕｔ为输出电压。３．２ Ｖ／Ｆ变换Ｖ／Ｆ器件的作用是将输入电压的幅值转换成频率与输入电压幅值成正比的脉冲串。虽然Ｖ／Ｆ本身还不能算做量化器，但加上定时器与计数器以后也可以实现Ａ／Ｄ转换。它的突出特点就是把模拟电压转换成抗干扰能力强，可远距离传送并能直接输入计算机的脉冲串，从而通过测量Ｖ／Ｆ的输出频率来实现Ａ／Ｄ转换功能。考虑到外围电路实现的难易程度和相应的性能指标，笔者选用了ＬＭ３３１电压／频率转换芯片。该器件使用了温度补偿能隙基准电路，因而具有极佳的温度稳定性，最大温漂为５０ｐｐ

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Ｖｏｕｔ＝Ｖｓ(０．０１０５９ Ｐ－０．１５２８)±Ｅｒｒｏｒ

式中，Ｖｓ是工作电压, Ｐ是大气压值，Ｖｏｕｔ为输出电压。

３．２ Ｖ／Ｆ变换

Ｖ／Ｆ器件的作用是将输入电压的幅值转换成频率与输入电压幅值成正比的脉冲串。虽然Ｖ／Ｆ本身还不能算做量化器，但加上定时器与计数器以后也可以实现Ａ／Ｄ转换。它的突出特点就是把模拟电压转换成抗干扰能力强，可远距离传送并能直接输入计算机的脉冲串，从而通过测量Ｖ／Ｆ的输出频率来实现Ａ／Ｄ转换功能。

考虑到外围电路实现的难易程度和相应的性能指标，笔者选用了ＬＭ３３１电压／频率转换芯片。该器件使用了温度补偿能隙基准电路，因而具有极佳的温度稳定性，最大温漂为５０ｐｐｍ／℃，同时该器件的脉冲输出可与任何逻辑形式兼容；ＬＭ３３１可单、双电源供电，电压范围为５～４０Ｖ；满量程范围１Ｈｚ～１００ｋＨｚ；最大非线性误差为０．０１％。图２所示是该系统中ＬＭ３３１的外围电路。在该电路中，基于ＬＭ３３１的压频转换关系为：

ｆｏ＝Ｋ Ｖｉ

其中，Ｋ＝Ｒｓ／(２．０９ Ｒｔ Ｃｔ ＲＬ)， Ｒｓ＝Ｒｓ１＋Ｒｓ２

实际上，电路中的Ｒｓ主要用于调节电路的转换增益Ｒｔ, Ｃｔ，ＲＬ的典型值分别为６．８ｋΩ、０．０１ｐＦ和１００ｋΩ，Ｋ值则可由设计者自己决定。该设计中，取Ｋ＝２０００，Ｒｓ＝２８．４２４ ｋΩ主要是考虑到单片机部分使用测频率法来测ｆｏ能够保证频率信号的测量精度。由于Ｒｓ、ＲＬ、Ｒｔ和电容Ｃｔ会直接影响ｆｏ的转换结果。因此，对这些元件的参数有一定的要求，设计时应根据转换精度适当选择。电容ＣＬ对转换结果虽然没有直接影响，但是应选择漏电流小的电容器。用电阻Ｒ１, 电容Ｃ１组成低通滤波器，可减少输入电压中的干扰脉冲，提高转换精度。

图3

３．３ 单片机

本气压计实现方案需使用单片机的Ｐ１口和Ｐ３口的一部分以及一个中断源、一个定时器和一个计数器。因此，笔者选用了ＡＴＭＥＬ的ＡＴ８９Ｃ２０５１单片机，该器件与８９Ｃ５１兼容，具有２ｋＢ的可重复编程闪存，２．７Ｖ～６Ｖ的工作电压范围，１２８Ｂｙｔｅ的内部ＲＡＭ以及两个Ｉ／Ｏ口（Ｐ１，Ｐ３）、２个１６位的计数器／定时器和６个中断源，并可直接驱动ＬＥＤ输出，同时带有可编程的串行通讯口。另外，该单片机还具有体积小，价格低等特点。

３．４ ＬＥＤ显示

单个ＬＥＤ是由７段发光二极管构成的显示单元。有１０个引脚，对应于７个段、一个小数点和两个公共端。在显示电路中，这些发光二极管有两种接法：共阳极接法和共阴极接法。本设计中需要用４个ＬＥＤ组成显示单元，并采用动态显示方式。由于使用４个单个ＬＥＤ进行显示的连线比较复杂，同时单片机的端口驱动能力也难以保证，而需要加入专门的驱动芯片。所以，笔者采用了４个ＬＥＤ连体的、内部已将其相应段接好的共阳极ＬＥＤ，它具有１２个引脚，含７个段和４个公共端，为提高数码管的亮度，可在位选线上加入一个三极管驱动电路。

由ＡＴ８９Ｃ２０５１控制的显示电路如图３所示。该显示电路需要选取合适的电阻Ｒ和Ｒａ，才能保证ＬＥＤ的亮度，过大或者过小都无法让ＬＥＤ正常显示。设计时取Ｒ为４．７ｋΩＲａ为５１０Ω比较理想。若考虑印制板布线的方便，可以采用贴片电阻和排阻来节省空间。另外，也可以用７４ＬＳ２４４和７４ＬＳ０６构成驱动显示电路，但这样同样要加限流电阻。因为７４ＬＳ０６是开漏器件，需要在输出处加上拉电阻。

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