基于BMP085的精密數字氣壓計設計

方劉海，文繼國

（成都信息工程學院 電子工程學院，四川 雙流 610225）

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，然后再經過后續電路處理并進行實時顯示的常規設備[1]。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，野外作業以及消費類電子產品等方面，需求極為廣泛。

常見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。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），再經單片機控制將氣壓值轉換成數字信號，并在顯示屏上進行數據顯示[2]。此方案設計過程繁瑣，電路復雜，成本高，功耗大。此外，很多應用領域在測量氣壓值的同時也會關注環境溫度，因此，具有同時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，獲得了滿意的測試結果。

1 系統硬件設計

整個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。

圖1 數字氣壓計系統結構框圖Fig.1 Structure diagram of the digital barometer system

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，經過處理后的結果由液晶顯示模塊NOKIA5110進行顯示。

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，用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫。STC系列單片機支持串口程序燒寫。這種單片機對開發設備的要求很低，開發時間也大大縮短。且STC12C5A60S2的指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8～12倍[3]。此外，還具有寬電壓供電，低功耗，超強抗干擾等特點。最主要的是此芯片售價與傳統51相當，且供貨充足，性價比很高。

氣壓采集模塊采用德國BOSCH公司的基于MEMS的BMP085數字氣壓傳感器[4]。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協議進行通訊，系統通過I2C接口直接接在處理器上，微控制器發送開始信號后進行壓力測量，數據信息經過轉換時間器直接通過I2C接口讀出，但BMP085傳送的是未經補償的數值，需用到E2PROM中的標準數據進行補償。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），內含一個溫度測量功能，采用IIC協議通信。BMP085具備低功耗、低電壓的電學特性，使其非常適用于戶外裝備。此外，該芯片是基于壓阻效應技術的，具有穩定的電磁兼容性、高精度、線性性以及穩定性等優點。

溫度采集模塊DS18B20芯片具有采集精確，抗干擾能力強的特點，與單片機采用獨特的單線接口通信模式，因為只使用了一條總線進行通訊，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絡[5]。同時，該芯片從通信線上獲取能量，消除了對外部電源的依賴。總的來說，DS18B20應用在數字氣壓計中，能準確獲取當前環境溫度信息，既實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由高低電平觸發的不因電源消失而改變的報警功能，這個報警功能可通過編程實現，為驗證此功能，本設計特地設定了一個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的液晶顯示屏NOKIA5110。84×48的點陣LCD，能顯示4行漢字，用串行接口與主處理器進行通信，使得包括電源和接地在內的信號線減為9條[6]。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，電源接入經電容濾波，通過AS1117－3.3 V后產生3.3 V電壓供液晶使用。由于系統功耗較低，故沒有選開關電源作為系統DCDC轉換方案，而選擇外圍電路簡單，更低噪聲的線性穩壓芯片 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、任務的切換以及實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()，系統時鐘初始化程序init_T0()，中斷任務程序IntT0()interrupt 1，環境溫度讀取程序Read Temperature()，環境氣壓讀取程序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

圖2 工作框圖Fig.2 Working block diagram

單片機系統時鐘配置可通過配置定時器，產生固定時間的任務執行信號，通過這個信號對任務執行進行有效的安排，更加有效與有序的實現系統功能。定時器0采用方式2工作，且TL0和TH0均設置為－250，即250個時鐘脈沖進入一次中斷程序，對任務進行一次動作。

顯示更新的實現可通過建立顯示更新緩存，使顯示更加模塊化與高效。在RAM中建立Desk1[30]區間，并定時將需要顯示的信息經過十進制轉化后寫到該區域，并定時用該區域的信息去更新液晶，最終實現顯示的流程。

氣壓采集與溫度采集的驅動程序都主要實現通信的建立[7]，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，對本數字氣壓計進行測試。結果如下表1所示。

表1 溫度氣壓測試數據Tab.1 Temperature and pressure test data

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，表示環境溫度為25.8℃。第三行status on表示系統處于工作狀態，另外，為驗證此功能，程序設置在環境溫度達到34.0℃時，氣壓測量關閉，溫度下降至低于34.0℃時，氣壓采集重新開啟，所以圖中環境溫度為25.8℃，氣壓采集開啟。

圖3 實物效果圖Fig.3 Physical renderings

4 結束語

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，同時具備氣壓和溫度測試功能，且實現了溫度測試范圍的告警功能。本設計簡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，滿足廣泛的應用場合要求，實用性強，應用前景廣闊。

[1]孫艷玲，劉亞麗.基于MPX4105芯片的數字氣壓計設計[J].中國儀器儀表,2007(11):62－65.SUN Yan－ling,LIU Ya－li.Design of numeral－barometer based on MPX4105[J].China Instrumentation,2007(11):62－65.

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[4]BOSCH Sensortec．BMP085 digital pressure sensor data sheet［EB/OL］．［2009－10－15］．http://www．bosch－sensortec．com．

[5]靳宏立.基于STC89C52與DS18B20的多路溫度檢測系統[J].科技致富向導,2013(17):83－84.JIN Hong－li.A multi－channel temperature detection system Based on STC89C52 and DS18B20 [J].Guide of Sci－tech Magazine,2013(17):83－84.

[6]李旺鵬，李志俊，李慧潔，等.新型紅外雨感器的設計[J].武漢理工大學學報:信息與管理工程版,2013(1):15－18.LI Wang－peng,LI Zhi－jun,LI Hui－jie,et al.Design of the infrared rain sensor in new type[J].Journal of Wuhan University of Technology:Information& Management Engineering,2013(1):15－18.

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