基于單片機控制的數字氣壓計設計與實現

　　摘要：介紹了一種精密數字氣壓計的軟硬件實現方法。該方法通過氣壓傳感器獲得與大氣壓相對應的模擬電壓值，并經過V／F變換輸入到單片機進行處理，從而實時顯示相應的氣壓值。用本文所述的方法制成的氣壓計攜帶方便，操作簡單，精確度高，完全符合設計要求。

　　關鍵詞：氣壓計；氣壓傳感器；V／F轉換器； 單片機

１　引言

　　氣壓計是利用壓敏元件將待測氣壓直接變換為容易檢測、傳輸的電流或電壓信號，然后再經過后續電路處理并進行實時顯示的一種設備。其中的核心元件就是氣壓傳感器，它在監視壓力大小、控制壓力變化以及物理參量的測量等方面起著重要作用。運用于氣壓計的氣壓傳感器基本都是依靠不同高度時的氣壓變化來獲取氣壓值的。

　　氣象學研究表明，在垂直方向上氣壓隨高度增加而降低。例如在低層，每上升１００ｍ氣壓便降低１０ｈＰａ；在５～６ｋｍ的高空，高度每增加１００ｍ，氣壓便會降低７ｈＰａ；而當高度進一步增加時，即到９～１０ｋｍ的高空之后，高度每增加１００ｍ，氣壓便會降低５ｈＰａ；同樣，若空氣中有下降氣流時，氣壓會增加；若空氣中有上升氣流時，作用于空氣柱底部的氣壓就會減小。一般把作用于單位面積上空氣柱的重量稱為大氣壓力。

２　氣壓計的結構

　　本文研究的氣壓計結構如圖１所示。其中氣壓傳感器用來將被測氣壓轉換為電壓信號；用Ｖ／Ｆ轉換器則可把氣壓傳感器輸出的電壓信號轉換成具有一定頻率的脈沖信號；以便用單片機接收該脈沖信號，并根據單位時間內得到的脈沖數，依據電壓與頻率的線性關系式計算出所對應的氣壓值，最后在單片機控制下由ＬＥＤ顯示出來。

　　本氣壓計能夠在氣壓傳感器的線性范圍內準確測量相應氣壓值。需要說明的是，其測量值是絕對氣壓值。本文研究的氣壓計的技術指標如下：

　　●測量范圍：３００ｈＰａ～１０５０ｈＰａ；

　　●測量精度：０．１％ＦＳ(２０℃)；

　　●顯示精度：０．１％，由４個８段ＬＥＤ顯示實現；

　　●工作溫度范圍：０～８５℃；

　　●電源電壓：９Ｖ。

３　系統實現

　　在系統構建過程中，需要考慮穩定性、復雜程度、造價和調試的難易程度等因素。圖１所示框圖中的每一部分就是一個單元電路，可完成各自的功能。模塊之間沒有復雜的信號傳輸，且干擾很少，因而系統整體比較穩定。

３．１ 氣壓傳感器

　　氣壓傳感器在氣壓計中占據核心位置。設計時可根據測量精度、測量范圍、溫度補償、測量絕對氣壓值等幾個性能指標來選取氣壓傳感器。

　　由于該氣壓計顯示的是絕對氣壓值，因而需要選取測量絕對氣壓值的氣壓傳感器。同時為了簡化電路，提高穩定性和抗干擾能力，要求該氣壓傳感器應帶有溫度補償。

　　為此，筆者選用Ｍｏｔｏｒｏｌａ的ＭＡＸ４１００Ａ氣壓傳感器來測量絕對氣壓值。該傳感器的溫度補償范圍為－４０～＋１２５℃；壓力范圍為２０ｋＰａ～１０５０ｋＰａ；輸出電壓信號（Ｖｓ＝５．０Ｖ）范圍為０．３～４．６５Ｖ；測量精度為０．１％ＶＦＳＳ，同時在２０ｋＰａ～１０５０ｋＰａ時具有良好的線性，具體輸出關系如下：

　　Ｖｏｕｔ＝Ｖｓ(０．０１０５９ Ｐ－０．１５２８)