摘要：设计是基于气压传感器MPX4115和VFC芯片LM331精密数字气压计系统。通过气压传感器MPX4115获得与大气压相对应的模拟电压值，并经过电压/频率(V/F)转换模块LM331转换为数字脉冲，通过单片机接收该脉冲信号，得到单位时间内获得的脉冲数，依据电压与频率的线性关系式计算出所对应的实际气压值，最后在单片机的控制下由液晶显示电路显示出实际气压值。
　　关键词：单片机 气压传感器 V/F转换器 LED显示
　　中图分类号：TH73 文献标识码：A 文章编号：1007-9416(2012)01-0084-02
　　
　　气压计被广泛应用于国防领域、工业领域、医疗领域以及我们日常家庭生活中。是一种测量大气压的装置，一般把作用于单位面积上空气柱的重量称为大气压力，简称气压。气象学研究表明，在空间垂直方向上气压随高度增加而降低，这种变化的幅度在近表面和高空时又有所不同，近地表时气压随高度增加而降低的幅度最大，越到高空这种变化越缓慢。气压还会受空气中的气流影响，若空气中有下降气流，气压会增加；若空气中有上升气流，气压会减小。
　　1、系统总体结构
　　本设计中就介绍了一种基于气压传感器MPX4115和单片机控制实现气压的实时显示设备。它是利用软、硬件基础知识，通过单片机与气压传感器的结合，气压传感器的作用是气压信息转换成电流或电压输出，转换后的电流或电压输出常为模拟信号因此还必须进行A/D转换，以满足单片机接口的需要。本文详尽的描述了基于MPX4115气压计的软硬件实现过程。气压计硬件部分由四部分构成，它们分别是：信息采集模块，数据转换模块，信息处理模块和数据显示模块。结构如图1所示
　　2、数据采集及转换
　　2.1 数据采集模块的芯片选择
　　气压传感器对于系统至关重要，需要综合实际的需求和各类气压传感器的性能参数加以选择。一般要选用有温度补偿作用的气压传感器，因为温度补偿特性可以克服半导体压力传感器件存在的温度漂移问题。绝对气压值对应的即是实际的气压值，本文中要实现的是能显示绝对气压值的数字气压计，同时为了简化电路，提高电路的稳定性和抗干扰能力，选用具有温度补偿能力的气压传感器MPX4115。是美国摩托罗拉公司的集成压力传感器，并且可以产生与所加气压呈线性关系的高精度模拟输出电压。
　　MPX4115系列压电电阻传感器是一个硅压力传感器。这个传感器结合了高级的微电机技术，薄膜镀金属。还能为高水准模拟输出信号提供一个均衡压力。在0℃-85℃的温度下误差不超过1.5%，温度补偿是-40℃-125℃。
　　数据采集模块由气压传感器MPX4115构成，采集的是大气压值。其1脚是输出信号端，输出的是与气压值相对应的模拟电压信号。
　　2.2 V/F数据转换
　　气压传感器MPX4115输出的是模拟电压，因此，必须进行模拟到数字的转换才能交由单片机处理。即要进行A/D转换，本文中采用一种电压频率(V/F)转换电路来实现模拟电压数字化的处理。
　　V/F转换电路由V/F器件实现。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序列，虽然V/F器件本身还不能算作量化器，但加上定时器与计数器以后也可以实现A/D转换。V/F器件的突出特点就是它能够把模拟电压转换成抗干扰能力强、可以远距离传输并能直接输入到单片机接口的脉冲序列。通过测量V/F输出频率，可以实现A/D转换功能。
　　LM331是一款高精度电压频率转换芯片。能够把电压信号转换为频率信号，而且线性度好，通过单片机计算处理，把频率信号转换为数字信号，就完成了A/D转换。
　　2.2.1 LM331的工作原理
　　LM331是性能价格比比较高的集成芯片。它是当前最简单的一种高精度V/F转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器以及其它相关的器件。
　　其引脚图如图2所示。
　　LM331各引脚功能说明如下：脚1为脉冲电流输出端，内部相当于脉冲恒流源，脉冲宽度与内部单稳态电路相同；脚2为输出端脉冲电流幅度调节，RS越小，输出电流越大；脚3为脉冲电压输出端，OC门结构，输出脉冲宽度及相位同单稳态，不用时可悬空或接地；脚4为地；脚5为单稳态外接定时时间常数RC；脚6为单稳态触发脉冲输入端，低于脚7电压触发有效，要求输入负脉冲宽度小于单稳态输出脉冲宽度Tw；脚7为比较器基准电压，用于设置输入脉冲的有效触发电平高低；脚8为电源Vcc,正常工作电压范围为4～40V。线性度好，最大非线性失真小于0.01%，工作频率低到0.1Hz时尚有较好的线性；变换精度高数字分辨率可达12位；外接电路简单,只需接入几个外部元件就可方便构成V/F或F/V等变换电路，并且容易保证转换精度。
　　2.2.2 数据转换电路部分电路原理图
　　LM331构成的V/F转换器的电路如图3。其中图中的7号引脚Vin是数据转换模块的数据输入端，接到上一个数据采集模块的输出端。而3号引脚F0是数据转换模块的输出端。
　　此电路中，电压Vin和输出脉冲FO的频率的转换关系满足公式1
　　电路中，Rt、Ct和RL的典型值分别为6.8千欧、0.01皮法和100千欧，RS由一个定值电阻R2和一个可变电阻R3组成，其中R2为22千欧，R3的最大阻值为12千欧，通过可变电阻调节RS的阻值可以实现对电路转换增益的调整。
　　3、软件设计
　　由频率计算出实际气压值
　　(1)被测气压经过气压传感器MPX4105转换成电压输出，由该芯片资料可得输出电压VOUT和大气压P的关系如下
　　这里Vcc为+5V，因此可得
　　(2)气压传感器MPX4105的输出电压Vout作为输入电压Vin，经过V/F转换电路变为具有对应频率的脉冲序列。这样Vout和脉冲序列就形成一种比例关系。结合公式1就可得出计算气压的公式，即
　　公式中的单位为Hz，P的单位为kPa，K为V/F的转换增益。在程序中根据上式可得到对应的气压值。
　　(3)气压的变化引起Vin的变化，而Vin在满刻度输出电压间距VFSS内变化，VFSS典型值为4.590V，所以Vin的变化范围很小，根据的关系式，必须增大K值，才能提高测量的精度。而通过单片机的T1计数测得，为了得到最大的计数范围，所以使T1工作在方式1模式，这样其计数范围为0～65535,500ms计算频率一次，因此，K的选取还有考虑到计算器的计数范围。综合计算之后，将K值取为2000，带入公式2中，可得R3的阻值应为6.4千欧。
　　单片机实现数字气压计的程序流程如图4所示。
　　4、结语
　　用VFC变换信号及编程的方法实现测量大气气压不易受温度的影响及硬件参数的限制。能高精度的实时稳定显示。因此该方法具有精度高、稳定性好、功能易于扩展等优点，可为仪器及电子产品设计提供一种新的思路。
　　参考文献
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　　作者简介
　　左现刚（1976～），男，河南开封人，硕士，助教，研究方向为嵌入式系统应用。
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