基于STM8S單片機(jī)的數(shù)字壓力表的設(shè)計(jì)
壓力是重要的熱工參數(shù)之一，各種氣體、液體的壓力測(cè)量在生產(chǎn)生活、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域有著廣泛的 應(yīng)用。這里采用STM8S單片機(jī)作為主控制單元，提出一種新型數(shù)字壓力表的設(shè)計(jì)方法。介紹壓阻式壓力傳感器的測(cè)量原理 和系統(tǒng)的整體框架，并描述相應(yīng)的軟硬件設(shè)計(jì)的方法，特別是在軟件方面的處理，包括壓力采集和標(biāo)定校準(zhǔn)算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果 顯示，壓力數(shù)據(jù)顯示較為穗定，能夠滿足基本的精度要求。設(shè)計(jì)的數(shù)字壓力表簡(jiǎn)單，易用，便于攜帶。
在工業(yè)生產(chǎn)和科研活動(dòng)中,壓力計(jì)量往往是重要環(huán) 節(jié)，甚至成為了保證產(chǎn)品質(zhì)量以及生產(chǎn)安全的決定因 素。傳統(tǒng)的數(shù)字壓力表是沿用機(jī)械壓力表來顯示的，在 光線弱煙霧多的環(huán)境中，不僅難以識(shí)別具體壓力值，而 且靈敏度，可視度，誤差范圍以及機(jī)械指針表普遍存在 的滯針，跳針，機(jī)械器件自然磨損等通病。所以設(shè)計(jì)一種 簡(jiǎn)單、可視度高的便捷式數(shù)字壓力表是很有實(shí)際意義的。
1.壓阻式壓力傳感器的測(cè)量原理
壓力傳感器可以把壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成可測(cè)量的電信 號(hào)，特點(diǎn)是精度高、線性一致、重復(fù)性好' 將壓力的變 化轉(zhuǎn)換成電阻變化的傳感器被稱為壓阻式壓力傳感器， 當(dāng)需要進(jìn)行高精度測(cè)量時(shí)，通常采用此種傳感器，其內(nèi) 部是一個(gè)惠斯通電橋，電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。
壓阻式壓力傳感器是集成電路丁藝技術(shù)在硅片上 制造出4個(gè)等值的薄膜電阻，并組成電橋電路。當(dāng)不受力作用時(shí)，電橋處于平衡狀態(tài)，無電壓輸出;當(dāng)受到力作 用時(shí)，電橋失去平衡，輸出與應(yīng)力成正比的電壓。不同 類型的壓力傳感器輸出信號(hào)大小是不一樣的，一般常用 的有2~3種，凈輸出2 mV/V，10 mV/V等。設(shè)計(jì)中采用 的是凈輸出2 mV/V的硅壓阻式壓力傳感器BYP100，信 號(hào)輸出較為穩(wěn)定。
2.系統(tǒng)整體框圖
本系統(tǒng)的整體框圖如圖2所示，系統(tǒng)主要包括了 STM8S單片機(jī)模塊和外圍電路，外圍電路有液晶顯示模 塊、按鍵電路以及放大器電路。系統(tǒng)電源供電采用5 V的穩(wěn)壓電壓。
STM8S單片機(jī)系列是8位的低功耗的單片機(jī)，丁作 的電壓范圍為2.95~5.5 V，可支持干電池供電丁作，并 提供真正的E2PROM數(shù)據(jù)寫人操作，可達(dá)30萬次擦寫極 限，有利于數(shù)據(jù)的掉電保護(hù)。該系列單片機(jī)有10位 ADC，最多有16個(gè)采集通道。
3.硬件設(shè)計(jì)
3.1放大器電路
放大器電路主要采用的是MCP6022芯片，內(nèi)部結(jié) 構(gòu)如圖3所示。MCP6022是高性能的軌對(duì)軌輸人/輸出 運(yùn)算放大器，帶寬為10 MHz,噪聲為8.7(10 kHz),低失 調(diào)電壓為±500~ ±250 pV，總諧波失真為0.000 53%，電 源電壓范圍為2.5 - 5.5 V，滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。
MCP6022的2腳和3腳接收傳感器的壓力輸人信 號(hào)，MCP6022的1腳出來的就是放大后的傳感器壓力輸 出信號(hào)，供給單片機(jī)AD通道采集。MCP6022的8腳和4 腳分別接電源和地，給MCP6022芯片供電。
3.2 LCD顯示模塊
LCD顯示電路是采用的是HT1621芯片來驅(qū)動(dòng)LCD 段碼液晶進(jìn)行顯示。HT1621是128點(diǎn)內(nèi)存映象和多功 能的LCD驅(qū)動(dòng)器，HT1621的軟件配置特性使它適用于 多種LCD應(yīng)用場(chǎng)合包括LCD模塊和顯示子系統(tǒng)，用于 連接主控制器和HT1621的管腳只有4或5條，重要的是 HT1621還有一個(gè)節(jié)電命令用于降低系統(tǒng)功耗。
通過設(shè)置對(duì)應(yīng)的占空比、偏壓比、以及LCD驅(qū)動(dòng)電 壓等驅(qū)動(dòng)LCD段碼液晶顯示。本系統(tǒng)采用占空比為 1/4，偏壓比1/3，LCD驅(qū)動(dòng)電壓為5 V來驅(qū)動(dòng)4段6位的 LCD段碼液晶。
4.軟件設(shè)計(jì)
4.1壓力采集算法設(shè)計(jì)
為了保證采集的壓力數(shù)據(jù)在壓力表上能夠顯示穩(wěn) 定，波動(dòng)范圍較小，滿足能夠外界壓力變化下壓力值的 連續(xù)變化，并且消除由于一些干擾引起的采樣值的偏 差，需要設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的壓力采集處理算法' 壓力處理過 程如圖4所示。
壓力采集通過定時(shí)器控制50 ms采集1次。定義一 個(gè)包含10個(gè)數(shù)據(jù)元素的浮點(diǎn)型緩沖區(qū)數(shù)組buf，用 來存放采集的A/D值value，并返回10個(gè)數(shù)據(jù)元素的平 均值avervalue作為標(biāo)定計(jì)算中的電壓值。
當(dāng)填滿緩沖區(qū)的值后，下一次采集之前先將數(shù)組中 的元素用上一次的平均值填滿，然后采集到的一個(gè)A/D 值利用先進(jìn)先出的方法存人緩沖區(qū)數(shù)組中。其中，如果 當(dāng)前采集到的A/D值，與當(dāng)前顯示的A/D值之間的差值 在10個(gè)范圍之內(nèi)，差值大于10的，將當(dāng)前的A/D值加 0.2再存人數(shù)組中;差值小于10的，將當(dāng)前壓力值減0.2 存人數(shù)組。
程序部分代碼如下：
if ( ( value>avervalue-10) &&( value<avervalue+110))
{
if((value>avervalue-10)&& (value<=avervalue))
{
for(i=0; i<9; i++) buf[i]=buf[i+1]; buf[9]=value+0.2;
}
if ( (value<avervalue+10)&&(value>=avervalue))
{
for(i=0; i<9; i++) buf[i]=buf[i+1]; buf[9]=value-0.2;
}
}
else
{
for(i=0;i<9; i++) buf[i]=buf[i+1]; buf[9]=value;
}
4.2標(biāo)定校準(zhǔn)設(shè)計(jì)
為了減少誤差，保證數(shù)字壓力表的精度，可以采用 多點(diǎn)校準(zhǔn)，也就是利用多條線段來模擬接近真實(shí)的壓 力傳感器的輸出曲線[4]。本文采用的是三點(diǎn)校準(zhǔn)的方 法，分別是在零點(diǎn)，半量程和滿量程這三個(gè)點(diǎn)，設(shè)計(jì)精度 在0.5%左右。具體標(biāo)定過程如圖5所示。
利用按鍵1和按鍵2之間的配合來采集多個(gè)點(diǎn)的壓 力值。通過標(biāo)定過程采集各個(gè)點(diǎn)的電壓A/D值作為標(biāo) 定值。標(biāo)定采用的公式為：
P = (p[i +1] - P[i])/iV[i + 1] - V盼- V[i]) + p[i]
式中:P[i]是多點(diǎn)校準(zhǔn)中對(duì)應(yīng)的i點(diǎn)的壓力值;V[i]是多點(diǎn) 校準(zhǔn)中對(duì)應(yīng)的i點(diǎn)的電壓值；V是經(jīng)過壓力算法處理過 的值。
對(duì)于獲得更加精確的壓力值顯示，可以采用繼續(xù)增 加校準(zhǔn)的點(diǎn)數(shù)的方法來標(biāo)定。另外已經(jīng)標(biāo)定過的電壓 值可以存儲(chǔ)到單片機(jī)的E2PROM中，提供掉電數(shù)據(jù)的保 護(hù)，避免重復(fù)標(biāo)定。
5.測(cè)試與結(jié)論
經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在5 V穩(wěn)壓電源供電下，設(shè)計(jì)使用 量程在1 000 kPa下，采用3點(diǎn)標(biāo)定校準(zhǔn)的情況下，數(shù)字 壓力表顯示的數(shù)據(jù)跳動(dòng)范圍為1~4 kPa，數(shù)據(jù)顯示較為 穩(wěn)定，能夠達(dá)到0.5級(jí)的精度要求。如表1所示的壓力 數(shù)據(jù)。
6.結(jié)語(yǔ)
設(shè)計(jì)的數(shù)字壓力表采用的是STM8S系列單片機(jī)作 為控制單元，滿足一定的測(cè)量精度，5更件電路簡(jiǎn)單，軟件 設(shè)計(jì)可靠，對(duì)于便捷式、可視化、誤差小的數(shù)字壓力表的 設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。
