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[摘要]本文研究了一种精密数字气压计的软硬件实现方法。此数字气压计能够实时显示所测气压值。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]压力检测系统 设计 实现
中图分类号:TP29 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2013)07-0078-01
1.引言
传统的气压测量方法有很多，例如水银气压计和机械震筒式空盒气压计，但它们的结构复杂、体积庞大、测量精度低，不便于自动遥测。目前，气压传感器正朝着小型化、集成化、智能化、标准化的方向发展，在性能上追求高稳定性、高灵敏度、高分辨率、低功耗、宽温度范围等。本文提出了一种基于压力传感器实现高度测量的设计方案，其系统体积小、质量轻、精度高、数据稳定、响应快、功耗低。
2.基于单片机的数字气压计的发展和应用
2.1 关于单片机
单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。
2.2 单片机的特点及应用
单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成。由于单片机具有体积小、重量轻、价格便宜、功耗低、控制功能强及运算速度快等等特点。因而在国民经济建设、军事及家用电器等各个领域均得到了广泛的应用。按照单片机的特点，其应用可分为单机应用与多机应用。
2.3 关于气压计
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。
3.AT89C2051单片机芯片简介
对基于单片机控制的数字气压计的设计，首先应该对设计中使用到的AT89C2051单片机芯片的基本结构和特征以及主要引脚有比较详细的了解。目前世界上单片机生产厂商很多，其原理大同小异。本章首先介绍Intel公司的MSC-51系列单片机基本结构，然后介绍ATMEL公司的AT89C2051单片机芯片的特征，最后介绍AT89C2051单片机芯片一些重要引脚的功能以及处理这些引脚时的注意事项。
3.1 MCS-51系列单片机基本结构
MCS-51系列单片机由3大部分组成: CPU,存储器,I/O接口
3.1.1 中央处理器CPU
中央处理器是单片机内部的核心部件，它决定了单片机的主要功能特性。它是一个8位的中央处理器。由运算部件、控制部件构成，其中包括振荡电路和时钟电路，其主要完成单片机的运算和控制功能。
3.1.2 单片机存储器及存储空间
存储器是单片机的又一个重要组成部分，每个存储单元对应一个地址，如256个单元共有256个地址，用两位16进制数表示，即存储器的地址（00H～FFH）。存储器中每个存储单元可存放一个八位二进制信息，通常用两位16进制数来表示，这就是存储器的内容。存储器的存储单元地址和存储单元的内容是不同的两个概念，不能混淆。
3.1.3 并行输入/输出接口
MCS-51系列单片机有4个8位并行输入/输出接口；P0口、P1口、P2口和P3口，共计32根输入/输出线。这4个接口可以并行输入或输出8位数据，也可以按位使用，即每1位均能独立作输入或输出用。每个口虽功能有所不同。每个口虽功能有所不同，但都具有1个锁存（即特殊功能寄存器P0~P3口）、1个输出驱动器和2个（P3口为3个）三态缓冲器。
3.2 AT89C2051单片机的引脚说明
AT89C2051是一个有20个引脚的芯片，引脚配置如图3-1所示。与8051内部结构相比，AT89C2051减少了两个对外端口（即P0、P2口），使它最大可能地减少了对外引脚，因而芯片尺寸有所减小。
4.系统的方案论证
当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时，可实时显示相应的气压值。它可以实时测量气压数值，并要求携带方便，操作简单，精确度高。当我们设计好一个实现方案之后，我们就可以将之用硬件电路实现，并进行调试。
4.1 方案设计
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。
4.2 方案阐述与论证
在此方案中，电路是由气压传感器、V/F转换器、单片机和LED显示电路构成。
气压传感器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，V/F则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。将数字信号输入单片机并实现LED显示。
5.电路设计
5.1 气压传感器部分电路设计
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。
5.2 V/F变换器部分的电路设计
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。
5.3 单片机部分设计
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。
5.4 LED显示部分电路设计
发光二极管LED（Light Emitting Diode）是一种通電后能发光的 半导体器件，其导电性质与普通二极管类似。LED数码显示器就是由发光二极管组合而成的一种新型显示器件，在单片机系统中应用非常普遍。
6.软件实现
通过以上设计，便可通过f来计算P的大小以得到实时的气压值。硬件电路设计完成之后，可使用AEDK5196PH仿真器的仿真环境进行仿真，并可用C51语言来编写处理程序。
实践表明，由于受温度的影响及硬件参数的限制，实时显示时稳定性较差，并且精确度不高。而改用V／F变换信号及编程的方法实现该测量则完全克服了上述缺点。
7.结束语
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。但本系统还有一些不足，通过一些措施，可以使设计更加完善。如可以采用标准电阻、电容、电感进行校对，从而提高测量精度。
参考文献
[1] 沈绍祥,胡爱华.基于单片机控制的数字气压计设计与实现 《国外电子元器件》[J].2004（7），66-69.
[2] 林汉.LM331压频变换器的原理及应用[J].国外电子元器件,1999,（10）20-22.
作者简介
吴进（1980.10—— ），女，辽宁沈阳人，讲师，硕士，研究方向：计算机技术，主要从事计算机技术研究。
[关键词]压力检测系统 设计 实现
中图分类号:TP29 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2013)07-0078-01
1.引言
传统的气压测量方法有很多，例如水银气压计和机械震筒式空盒气压计，但它们的结构复杂、体积庞大、测量精度低，不便于自动遥测。目前，气压传感器正朝着小型化、集成化、智能化、标准化的方向发展，在性能上追求高稳定性、高灵敏度、高分辨率、低功耗、宽温度范围等。本文提出了一种基于压力传感器实现高度测量的设计方案，其系统体积小、质量轻、精度高、数据稳定、响应快、功耗低。
2.基于单片机的数字气压计的发展和应用
2.1 关于单片机
单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。
2.2 单片机的特点及应用
单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成。由于单片机具有体积小、重量轻、价格便宜、功耗低、控制功能强及运算速度快等等特点。因而在国民经济建设、军事及家用电器等各个领域均得到了广泛的应用。按照单片机的特点，其应用可分为单机应用与多机应用。
2.3 关于气压计
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。
3.AT89C2051单片机芯片简介
对基于单片机控制的数字气压计的设计，首先应该对设计中使用到的AT89C2051单片机芯片的基本结构和特征以及主要引脚有比较详细的了解。目前世界上单片机生产厂商很多，其原理大同小异。本章首先介绍Intel公司的MSC-51系列单片机基本结构，然后介绍ATMEL公司的AT89C2051单片机芯片的特征，最后介绍AT89C2051单片机芯片一些重要引脚的功能以及处理这些引脚时的注意事项。
3.1 MCS-51系列单片机基本结构
MCS-51系列单片机由3大部分组成: CPU,存储器,I/O接口
3.1.1 中央处理器CPU
中央处理器是单片机内部的核心部件，它决定了单片机的主要功能特性。它是一个8位的中央处理器。由运算部件、控制部件构成，其中包括振荡电路和时钟电路，其主要完成单片机的运算和控制功能。
3.1.2 单片机存储器及存储空间
存储器是单片机的又一个重要组成部分，每个存储单元对应一个地址，如256个单元共有256个地址，用两位16进制数表示，即存储器的地址（00H～FFH）。存储器中每个存储单元可存放一个八位二进制信息，通常用两位16进制数来表示，这就是存储器的内容。存储器的存储单元地址和存储单元的内容是不同的两个概念，不能混淆。
3.1.3 并行输入/输出接口
MCS-51系列单片机有4个8位并行输入/输出接口；P0口、P1口、P2口和P3口，共计32根输入/输出线。这4个接口可以并行输入或输出8位数据，也可以按位使用，即每1位均能独立作输入或输出用。每个口虽功能有所不同。每个口虽功能有所不同，但都具有1个锁存（即特殊功能寄存器P0~P3口）、1个输出驱动器和2个（P3口为3个）三态缓冲器。
3.2 AT89C2051单片机的引脚说明
AT89C2051是一个有20个引脚的芯片，引脚配置如图3-1所示。与8051内部结构相比，AT89C2051减少了两个对外端口（即P0、P2口），使它最大可能地减少了对外引脚，因而芯片尺寸有所减小。
4.系统的方案论证
当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时，可实时显示相应的气压值。它可以实时测量气压数值，并要求携带方便，操作简单，精确度高。当我们设计好一个实现方案之后，我们就可以将之用硬件电路实现，并进行调试。
4.1 方案设计
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。
4.2 方案阐述与论证
在此方案中，电路是由气压传感器、V/F转换器、单片机和LED显示电路构成。
气压传感器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，V/F则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。将数字信号输入单片机并实现LED显示。
5.电路设计
5.1 气压传感器部分电路设计
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。
5.2 V/F变换器部分的电路设计
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。
5.3 单片机部分设计
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。
5.4 LED显示部分电路设计
发光二极管LED（Light Emitting Diode）是一种通電后能发光的 半导体器件，其导电性质与普通二极管类似。LED数码显示器就是由发光二极管组合而成的一种新型显示器件，在单片机系统中应用非常普遍。
6.软件实现
通过以上设计，便可通过f来计算P的大小以得到实时的气压值。硬件电路设计完成之后，可使用AEDK5196PH仿真器的仿真环境进行仿真，并可用C51语言来编写处理程序。
实践表明，由于受温度的影响及硬件参数的限制，实时显示时稳定性较差，并且精确度不高。而改用V／F变换信号及编程的方法实现该测量则完全克服了上述缺点。
7.结束语
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。但本系统还有一些不足，通过一些措施，可以使设计更加完善。如可以采用标准电阻、电容、电感进行校对，从而提高测量精度。
参考文献
[1] 沈绍祥,胡爱华.基于单片机控制的数字气压计设计与实现 《国外电子元器件》[J].2004（7），66-69.
[2] 林汉.LM331压频变换器的原理及应用[J].国外电子元器件,1999,（10）20-22.
作者简介
吴进（1980.10—— ），女，辽宁沈阳人，讲师，硕士，研究方向：计算机技术，主要从事计算机技术研究。