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基于单片机控制的数字气压计设计与实现

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

  摘要:介绍了一种精密数字气压计的软硬件实现方法。该方法通过气压传感器获得与大气压相对应的模拟电压值,并经过V/F变换输入到单片机进行处理,从而实时显示相应的气压值。用本文所述的方法制成的气压计携带方便,操作简单,精确度高,完全符合设计要求。
  关键词:气压计;气压传感器;V/F转换器;单片机
  
  1引言
  
  气压计是利用压敏元件将待测气压直接变换为容易检测、传输的电流或电压信号,然后再经过后续电路处理并进行实时显示的一种设备。其中的核心元件就是气压传感器,它在监视压力大小、控制压力变化以及物理参量的测量等方面起着重要作用。运用于气压计的气压传感器基本都是依靠不同高度时的气压变化来获取气压值的。
  
  气象学研究表明,在垂直方向上气压随高度增加而降低。例如在低层,每上升100m气压便降低10hPa;在5~6km的高空,高度每增加100m,气压便会降低7hPa;而当高度进一步增加时,即到9~10km的高空之后,高度每增加100m,气压便会降低5hPa;同样,若空气中有下降气流时,气压会增加;若空气中有上升气流时,作用于空气柱底部的气压就会减小。一般把作用于单位面积上空气柱的重量称为大气压力。
  
  2气压计的结构
  
  本文研究的气压计结构如图1所示。其中气压传感器用来将被测气压转换为电压信号;用V/F转换器则可把气压传感器输出的电压信号转换成具有一定频率的脉冲信号;以便用单片机接收该脉冲信号,并根据单位时间内得到的脉冲数,依据电压与频率的线性关系式计算出所对应的气压值,最后在单片机控制下由LED显示出来。
  
  本气压计能够在气压传感器的线性范围内准确测量相应气压值。需要说明的是,其测量值是绝对气压值。本文研究的气压计的技术指标如下:
  
  ●测量范围:300hPa~1050hPa;
  
  ●测量精度:0.1%FS(20℃);
  
  ●显示精度:0.1%,由4个8段LED显示实现;
  
  ●工作温度范围:0~85℃;
  
  ●电源电压:9V。
  
  3系统实现
  
  在系统构建过程中,需要考虑稳定性、复杂程度、造价和调试的难易程度等因素。图1所示框图中的每一部分就是一个单元电路,可完成各自的功能。模块之间没有复杂的信号传输,且干扰很少,因而系统整体比较稳定。
  
  3.1气压传感器
  
  气压传感器在气压计中占据核心位置。设计时可根据测量精度、测量范围、温度补偿、测量绝对气压值等几个性能指标来选取气压传感器。
  
  由于该气压计显示的是绝对气压值,因而需要选取测量绝对气压值的气压传感器。同时为了简化电路,提高稳定性和抗干扰能力,要求该气压传感器应带有温度补偿。
  
  为此,笔者选用Motorola的MAX4100A气压传感器来测量绝对气压值。该传感器的温度补偿范围为-40~+125℃;压力范围为20kPa~1050kPa;输出电压信号(Vs=5.0V)范围为0.3~4.65V;测量精度为0.1%VFSS,同时在20kPa~1050kPa时具有良好的线性,具体输出关系如下:
  
  Vout=Vs(0.0

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