基于BMP085的精密數字氣壓計設計

數字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(jīng)過(guò)后續電路處理并進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示的常規設備。目前，數字氣壓計大量應用于氣象、軍事、航海和航空、工礦企業(yè)，野外作業(yè)以及消費類(lèi)電子產(chǎn)品等方面，需求極為廣泛。

常見(jiàn)的水銀氣壓計和酒精氣壓計體積大，精度低，攜帶不便且易損壞，因此，數字氣壓計逐漸成為研究熱點(diǎn)。普通的數字氣壓計大都選單片機為主控芯片，將普通壓力傳感器采集的氣壓信息輸入A/D轉換器(模/數轉換器)，再經(jīng)單片機控制將氣壓值轉換成數字信號，并在顯示屏上進(jìn)行數據顯示。此方案設計過(guò)程繁瑣，電路復雜，成本高，功耗大。此外，很多應用領(lǐng)域在測量氣壓值的同時(shí)也會(huì )關(guān)注環(huán)境溫度，因此，具有同時(shí)檢測氣壓和溫度指標的氣壓計具有廣泛需求。鑒于此，本文設計了一種能同時(shí)測量氣壓和溫度指標的數字氣壓計，并采用數字氣壓傳感器BMP085制作電路，獲得了滿(mǎn)意的測試結果。

1 系統硬件設計

整個(gè)硬件系統由氣壓和溫度采集模塊，單片機主控制模塊和液晶顯示模塊構成。系統結構框圖如圖1所示。

氣壓和溫度信息采集分別由BMP085芯片和DS18B20芯片完成，而主控芯片采用單片機STC12C5A60S2，經(jīng)過(guò)處理后的結果由液晶顯示模塊NOKIA5110進(jìn)行顯示。

主控制模塊負責信息采集與傳送，數據運算處理，設備驅動(dòng)更新等工作。本數字氣壓計選用STC12C5A60S2作為主控制芯片，該芯片是具有A/D轉換功能的新一代8051單片機，其片內的具有大容量程序存儲器且是FLASH工藝的，用戶(hù)可以用電的方式瞬間擦除、改寫(xiě)。STC系列單片機支持串口程序燒寫(xiě)。這種單片機對開(kāi)發(fā)設備的要求很低，開(kāi)發(fā)時(shí)間也大大縮短。且STC12C5A60S2的指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8～12倍。此外，還具有寬電壓供電，低功耗，超強抗干擾等特點(diǎn)。最主要的是此芯片售價(jià)與傳統51相當，且供貨充足，性?xún)r(jià)比很高。

氣壓采集模塊采用德國B(niǎo)OSCH公司的基于MEMS的BMP085數字氣壓傳感器。該芯片主要由電阻式壓力傳感器、AD轉換器以及控制單元構成，而控制單元則主要涵蓋E2PROM與I2C接口。該芯片采用I2C協(xié)議進(jìn)行通訊，系統通過(guò)I2C接口直接接在處理器上，微控制器發(fā)送開(kāi)始信號后進(jìn)行壓力測量，數據信息經(jīng)過(guò)轉換時(shí)間器直接通過(guò)I2C接口讀出，但BMP085傳送的是未經(jīng)補償的數值，需用到E2PROM中的標準數據進(jìn)行補償。此外，該芯片采用1.8V～3.6 V供電電壓，適用的氣壓范圍從300 hPa到1100 hPa(分別對應海拔9 000 m和-500 m)，內含一個(gè)溫度測量功能，采用IIC協(xié)議通信。BMP085具備低功耗、低電壓的電學(xué)特性，使其非常適用于戶(hù)外裝備。此外，該芯片是基于壓阻效應技術(shù)的，具有穩定的電磁兼容性、高精度、線(xiàn)性性以及穩定性等優(yōu)點(diǎn)。

溫度采集模塊DS18B20芯片具有采集精確，抗干擾能力強的特點(diǎn)，與單片機采用獨特的單線(xiàn)接口通信模式，因為只使用了一條總線(xiàn)進(jìn)行通訊，占用極少的I/O口資源，使得其可以輕松地組建成傳感器網(wǎng)絡(luò )。同時(shí)，該芯片從通信線(xiàn)上獲取能量，消除了對外部電源的依賴(lài)?？偟膩?lái)說(shuō)，DS18B20應用在數字氣壓計中，能準確獲取當前環(huán)境溫度信息，既實(shí)現了便捷通信又節約了單片機硬件資源。此外，本設計還充分利用了它的一個(gè)由高低電平觸發(fā)的不因電源消失而改變的報警功能，這個(gè)報警功能可通過(guò)編程實(shí)現，為驗證此功能，本設計特地設定了一個(gè)34℃的上限報警溫度。

為節約成本，本數字氣壓計顯示模塊選用穩定而廉價(jià)的液晶顯示屏NOKIA5110。84x48的點(diǎn)陣LCD，能顯示4行漢字，用串行接口與主處理器進(jìn)行通信，使得包括電源和接地在

內的信號線(xiàn)減為9條。此外，NOKIA5110采用低壓供電，降低了系統功耗。

另外，電源接入模塊，本系統采用5 V直流供電，電源接入經(jīng)電容濾波，通過(guò)AS1117—3.3 V后產(chǎn)生3.3 V電壓供液晶使用。由于系統功耗較低，故沒(méi)有選開(kāi)關(guān)電源作為系統DC-DC轉換方案，而選擇外圍電路簡(jiǎn)單，更低噪聲的線(xiàn)性穩壓芯片AS1117-3.3 V。

2 系統軟件設計

2.1 主程序部分

主程序設計部分主要負責系統初始化、任務(wù)的切換以及實(shí)現不同模塊間的參數傳遞。包括的主要程序有：液晶初始化程序LCD5510_Init()，液晶清屏程序LCD_clr_scr()，系統時(shí)鐘初始化程序init_T0()，中斷任務(wù)程序IntT0() interrupt 1，環(huán)境溫度讀取程序Read Temperature ()，環(huán)境氣壓讀取程序BMP085ReadPressure()，顯示緩存更新程序Up_DESP(Desk1，AirPress，Temperature)，液晶顯示程序LCD_prints(0，0，Desk1)。主要參數有：氣壓變量AirPress，溫度Temperature。其工作主要框圖如2所示。

2.2 功能模塊程序

單片機系統時(shí)鐘配置可通過(guò)配置定時(shí)器，產(chǎn)生固定時(shí)間的任務(wù)執行信號，通過(guò)這個(gè)信號對任務(wù)執行進(jìn)行有效的安排，更加有效與有序的實(shí)現系統功能。定時(shí)器0采用方式2工作，且TL0和TH0均設置為-250，即250個(gè)時(shí)鐘脈沖進(jìn)入一次中斷程序，對任務(wù)進(jìn)行一次動(dòng)作。

顯示更新的實(shí)現可通過(guò)建立顯示更新緩存，使顯示更加模塊化與高效。在RAM中建立Desk1[30]區間，并定時(shí)將需要顯示的信息經(jīng)過(guò)十進(jìn)制轉化后寫(xiě)到該區域，并定時(shí)用該區域的信息去更新液晶，最終實(shí)現顯示的流程。

氣壓采集與溫度采集的驅動(dòng)程序都主要實(shí)現通信的建立，數據的交換，單位的換算等功能。

3 測試結果及分析

在25～34.5℃溫度范圍環(huán)境下，利用塑料袋擠壓改變氣壓測試范圍為101～110 Kpa。采用與標準溫度計、標準氣壓計比對的方法，對本數字氣壓計進(jìn)行測試。結果如下表1所示。

根據設計制作，本設計可測試溫度范圍為0～150℃。氣壓可測試范圍為30～110 Kpa。據測試結果可知，在溫度和氣壓測試范圍內，溫度測試精度為1%，氣壓測試精度滿(mǎn)足0.1%的指標。

測試效果圖如圖3所示，圖中液晶顯示第一行P顯示當前氣壓信息，圖中讀數為4.032 5 B，表示環(huán)境大氣壓為4.032 5倍標準大氣壓，即約為400 kPa。第二行T顯示當前溫度信息，圖中讀數為25.8C，表示環(huán)境溫度為25.8℃。第三行status on表示系統處于工作狀態(tài)，另外，為驗證此功能，程序設置在環(huán)境溫度達到34.0℃時(shí)，氣壓測量關(guān)閉，溫度下降至低于34.0℃時(shí)，氣壓采集重新開(kāi)啟，所以圖中環(huán)境溫度為25.8℃，氣壓采集開(kāi)啟。

4 結束語(yǔ)

測試結果表明，基于BMP085的數字氣壓計測量穩定性好，精確度高，同時(shí)具備氣壓和溫度測試功能，且實(shí)現了溫度測試范圍的告警功能。本設計簡(jiǎn)化了現有普通數字氣壓結

構，具有低功耗，小型化，低成本，測試精準等特點(diǎn)，滿(mǎn)足廣泛的應用場(chǎng)合要求，實(shí)用性強，應用前景廣闊。