便携式气压高度计的设计毕业设计.docx

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便携式气压高度计的设计毕业设计

便携式气压高度计的设计毕业设计

苏州经贸职业技术学院

学生毕业设计（毕业论文）

便携式气压高度计的设计

摘要

随着人们生活水平的提高，如何实现便携户外高度测压这一问题也变的尤其突出，传统的气压计由于其体积的问题，便携性能低，无法满足人们的需求，因此设计便携性能更高的气压高度计便有更大的实用意义。

因此，本文设计了一种基于单片机的便携式气压高度计，该高度计主要由气压监测电路、单片机控制及显示电路组成。

高度计通过气压传感器测出气压值，然后根据气压与高度的关系，经单片机的处理计算出高度值，并用液晶显示测得的高度值和气压值。

该便携式气压高度计价格低廉，可操作性强，功能实用，可用于户外、汽车等场所进行气压值和海拔高度值的监测，具有推广价值。

关键词:

气压高度计；单片机；TLC549；

前言

气压计就是利用一种特殊的感应原件来感应大气压强度的变化并产生位移变化，再利用机械放大机构将此位移变化放大表示出来能使人很直观的知道大气压强的变化趋势。

另外，根据大气压总是随着高度的增加而降低的规律，人们又开发了气压高度计。

气压高度计在工业生产和人们的日常生活中有着较为广泛的应用，例如：

专业登山队员在登山时往往希望得到有关山峰的海拔高度、气压以及温度的值；飞机在高空执行任务时也需要获得及时的高度值，以便矫正系统的飞行路线。

因此，制作一个集显示海拔高度、温度和气压值为一体的气压高度计是十分有意义。

本设计采用单片机为主控制器，结合复位电路、晶振电路、液晶显示电路、传感器电路、信号放大电路以及电源电路组成了便携式气压高度计的设计。

高度计通过气压传感器US9111采集的气压值，然后将气压值经过信号放大电路进行处理，处理后的信号再经过模数转换电路转换成0-5V电压值送给单片机进行处理。

单片机从模数转换电路获得电压之后，根据电压与气压、气压与高度的关系，计算出对应的气压值和高度值，并将其通过液晶屏显示出来。

该高度计可以测量电压范围（-80.0mv—80.0mv），高度范围0.0m—6556.3m。

由于TLC549分辨率为1/255,所以所测的数据基本能达到我们生活需要。

第一章便携式气压高度计简介

1.1便携式气压高度计的研究目的

气压高度计是常见的测量工具，在人们进行户外旅行、登山运动、野外测量等活动中起到非常重要的作用。

气压高度计的设计原理都是利用气压与高度的关系，先通过压力传感器测量出气压的值，然后再通过测量气压来获取高度的便携式高度计的设计法大气压与人们的生活息息相关，与人体的健康息息相关，我们长期生活在某个地区的大气底层，已经适应了该地区的大气压，对气压变化的感觉不大。

但是，低气压下的阴雨和下雪天气、夏季雷雨前的高温湿闷天气，也就是大气压在降低，使人抑郁不适，雨后天睛的心情舒畅，就是气压升高的原因。

所以，一般根据大气压的变化可以预测天气的变化。

我们从报纸或电视中了解到：

对于登山运动员，到了高山地区，会出现头痛、恶心、呕吐等症状（所谓的高原反应），高度增加，人的感觉越明显。

这就是因为随海拔高度的增高大气压降低，大气压的降低影响了人体内氧气的供应。

当大气压下降时，大气中的氧分压、肺泡的氧分压和动脉血氧饱和度都随之下降，导致人体发生一系列生理反应。

基于以上原因，本文设计了一款实用的便携式气压高度计，该气压高度计能够方便的时时检测到气压值与高度值，当气压值达到极限值时能够及时限警报，来提醒使用者注意气压环境。

1.2便携式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-100m～0m～+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–（12.3～11.5）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：

1、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）。

2、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）。

3、海拔高度愈高，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.

第二章便携式气压高度计的方案设计

本文设计的便携式气压高度计由单片机、电源电路部分、液晶显示部分、复位部分、晶振部分、报警部分、传感器部分、模数转换部分组成,其结构框图如图2-1所示,各部分作用如下：

单片机：

便携式气压高度计的控制核心，负责整个系统正常运作，包括数据的处理、显示以及数据的传输。

复位电路：

复位单片机，使单片机从初始状态开始工作。

晶振电路：

为单片机提供信号源。

采用的晶振频率是12MHz。

显示电路：

显示高度值和气压值。

报警电路：

发出声音报警。

传感器电路：

实现气压数据的采集。

模数转换电路：

实现模拟的气压值信号转换成数字信号给单片机进行处理。

图2-1便携式气压高度计结构框图

根据设计的基本功能要求，设计方案的选择如下：

2.1电源的方案选择

本文设计的是便携式气压高度计，必须要能够携带方便，因此在电源供电上不能使用稳压源供电，而要考虑用电池供电，常用电池如下：

方案一：

使用干电池

使用干电池，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，而锂电池体积小，能重复充电，故选择方案二。

2.2单片机的方案选择

本文设计的便携式气压高度计以单片机为核心，常用的单片机有以下几种：

方案一：

AT89S51

AT89S51具有ISP在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境上拔除,可以在线烧写。

AT89S51的最高工作频率为33MHz,具有双工UART串行通道,AT89S51内部集成看门狗计时器,具有双数据,具有电源关闭标识。

AT89S51具有全新的加密算法，这使得对于89S51的解密变为不可能，程序的保密性大大加强，这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。

在兼容性方面，AT89S51向下完全兼容51全部字系列产品。

比如8051、89C51等产品。

方案二:

AT89C51

AT89C51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。

方案比较：

由于AT89S51单片机工作频率高（AT89S51的工作最高频率为33MHz）烧写时无需插拔，相比AT89C51更不易损坏，并且AT89S51具有ISP在线编程功能，在程序调试时方便，兼容AT89C51。

所以选择方案一。

2.3传感器的方案选择

本文设计的便携式气压高度计需要通过气压传感器采集气压数据，供给模数转换芯片转换。

可选用的气压传感器有如下：

方案一：

气压传感器US9111

在本系统中传感器的选择是非常重要的一环，直接关系到测量的精度以及范围。

但由于预算的限制，此传感器具有良好性价比的US9111绝压型气压传感器，它的测量范围为0至103.4kpa，差分输出。

方案二：

气压传感器SCP1000-D01

SCP1000-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。

方案比较：

US9111的测量范围相对SCP1000-D01大，且价格较为便宜，所以本设计选择方案一。

2.4模数转换芯片的方案选择

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：

TLC0809

TLC0809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/D转换。

方案二：

TLC549

TLC549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：

TLC549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。

2.5显示器件的方案选择

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。

2.6报警电路的方案选择

本文设计的便携式气压高度计需要实现对气压高度值的上下限给予一定的提醒，所以需要有报警电路，常用报警方案有以下几种：

方案一：

语音芯片

将语音信号通过采样转化为数字，存储在IC的ROM中，再通过电路将ROM中的数字还原成语音信号。

语音芯片能够清楚的报出语音，且能处理好几种语音格式。

方案二：

蜂鸣器

蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，单片机的I/O口可以通过PWM脉宽或者利用定时翻转电平对蜂鸣器进行驱动，操作简单方便。

方案比较：

蜂鸣器较语音芯片更好控制，且价格低廉，在本文设计中只需要在气压达到上下限时作一个简单的提示，所以本设计选择方案二。

第三章便携式气压高度计的硬件设计

本文设计的便携式气压高度计以单片机AT89S51为核心，由电源电路，传感器电路，模数转换电路，显示电路，报警电路组成。

各部分电路的具体设计如下：

3.1电源电路设计

本设计采用锂电池供电，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

3.2单片机最小系统设计

单片机最小系统是由单片机，晶振电路和复位电路组成，如图3-2所示。

AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

单片机复位是