基于STM8S單片機的數字壓力表的設計

摘 要： 壓力是重要的熱工參數之一，各種氣體、液體的壓力測量在生產生活、工業現場、科學實驗等領域有著廣泛的應用。這里采用STM8S單片機作為主控制單元，提出一種新型數字壓力表的設計方法。介紹壓阻式壓力傳感器的測量原理和系統的整體框架，并描述相應的軟硬件設計的方法，特別是在軟件方面的處理，包括壓力采集和標定校準算法。實驗結果顯示，壓力數據顯示較為穩定，能夠滿足基本的精度要求。設計的數字壓力表簡單，易用，便于攜帶。

關鍵詞： STM8S； 壓阻式壓力傳感器； 標定； 數字壓力表

中圖分類號： TN911?34； TP212.9 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）04?0139?03

在工業生產和科研活動中，壓力計量往往是重要環節，甚至成為了保證產品質量以及生產安全的決定因素。傳統的數字壓力表是沿用機械壓力表來顯示的，在光線弱煙霧多的環境中，不僅難以識別具體壓力值，而且靈敏度，可視度，誤差范圍以及機械指針表普遍存在的滯針，跳針，機械器件自然磨損等通病。所以設計一種簡單、可視度高的便捷式數字壓力表是很有實際意義的。

1 壓阻式壓力傳感器的測量原理

壓力傳感器可以把壓力信號轉換成可測量的電信號，特點是精度高、線性一致、重復性好[1]。將壓力的變化轉換成電阻變化的傳感器被稱為壓阻式壓力傳感器，當需要進行高精度測量時，通常采用此種傳感器，其內部是一個惠斯通電橋，電路結構如圖1所示。

壓阻式壓力傳感器是集成電路工藝技術在硅片上制造出4個等值的薄膜電阻，并組成電橋電路。當不受力作用時，電橋處于平衡狀態，無電壓輸出；當受到力作用時，電橋失去平衡，輸出與應力成正比的電壓[2]。不同類型的壓力傳感器輸出信號大小是不一樣的，一般常用的有2～3種，凈輸出2 mV/V，10 mV/V等。設計中采用的是凈輸出2 mV/V的硅壓阻式壓力傳感器BYP100，信號輸出較為穩定。

2 系統整體框圖

本系統的整體框圖如圖2所示，系統主要包括了STM8S單片機模塊和外圍電路，外圍電路有液晶顯示模塊、按鍵電路以及放大器電路。系統電源供電采用5 V的穩壓電壓。

STM8S單片機系列是8位的低功耗的單片機，工作的電壓范圍為2.95～5.5 V，可支持干電池供電工作，并提供真正的E2PROM數據寫入操作，可達30萬次擦寫極限，有利于數據的掉電保護。該系列單片機有10位ADC，最多有16個采集通道。

3 硬件設計

3.1 放大器電路

放大器電路主要采用的是MCP6022芯片，內部結構如圖3所示。MCP6022是高性能的軌對軌輸入/輸出運算放大器，帶寬為10 MHz，噪聲為8.7（10 kHz），低失調電壓為±500～ ±250 μV，總諧波失真為0.000 53%，電源電壓范圍為2.5～5.5 V，滿足系統的設計要求。

MCP6022的2腳和3腳接收傳感器的壓力輸入信號，MCP6022的1腳出來的就是放大后的傳感器壓力輸出信號，供給單片機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芯片來驅動LCD段碼液晶進行顯示。HT1621是128點內存映象和多功能的LCD驅動器，HT1621的軟件配置特性使它適用于多種LCD應用場合包括LCD模塊和顯示子系統，用于連接主控制器和HT1621的管腳只有4或5條，重要的是HT1621還有一個節電命令用于降低系統功耗。

通過設置對應的占空比、偏壓比、以及LCD驅動電壓等驅動LCD段碼液晶顯示。本系統采用占空比為[14]，偏壓比[13]，LCD驅動電壓為5 V來驅動4段6位的LCD段碼液晶。

4 軟件設計

4.1 壓力采集算法設計

為了保證采集的壓力數據在壓力表上能夠顯示穩定，波動范圍較小，滿足能夠外界壓力變化下壓力值的連續變化，并且消除由于一些干擾引起的采樣值的偏差，需要設計對應的壓力采集處理算法[3]。壓力處理過程如圖4所示。

壓力采集通過定時器控制50 ms采集1次。定義一個包含10個數據元素的浮點型緩沖區數組buf[10]，用來存放采集的A/D值value，并返回10個數據元素的平均值avervalue作為標定計算中的電壓值。

當填滿緩沖區的值后，下一次采集之前先將數組中的元素用上一次的平均值填滿，然后采集到的一個A/D值利用先進先出的方法存入緩沖區數組中。其中，如果當前采集到的A/D值，與當前顯示的A/D值之間的差值在10個范圍之內，差值大于10的，將當前的A/D值加0.2再存入數組中；差值小于10的，將當前壓力值減0.2存入數組。

程序部分代碼如下：

4.2 標定校準設計

為了減少誤差，保證數字壓力表的精度，可以采用多點校準，也就是利用多條線段來模擬接近真實的壓力傳感器的輸出曲線[4]。本文采用的是三點校準的方法，分別是在零點，半量程和滿量程這三個點，設計精度在0.5%左右。具體標定過程如圖5所示。

利用按鍵1和按鍵2之間的配合來采集多個點的壓力值。通過標定過程采集各個點的電壓A/D值作為標定值。標定采用的公式為：

[P=Pi+1-PiVi+1-Vi·V-Vi+Pi]

式中：P[i]是多點校準中對應的i點的壓力值；V[i]是多點校準中對應的i點的電壓值；V是經過壓力算法處理過的值。

對于獲得更加精確的壓力值顯示，可以采用繼續增加校準的點數的方法來標定。另外已經標定過的電壓值可以存儲到單片機的E2PROM中，提供掉電數據的保護，避免重復標定[5]。

5 測試與結論

經過實驗測試，在5 V穩壓電源供電下，設計使用量程在1 000 kPa下，采用3點標定校準的情況下，數字壓力表顯示的數據跳動范圍為1～4 kPa，數據顯示較為穩定，能夠達到0.5級的精度要求。如表1所示的壓力數據。

6 結 語

設計的數字壓力表采用的是STM8S系列單片機作為控制單元，滿足一定的測量精度，硬件電路簡單，軟件設計可靠，對于便捷式、可視化、誤差小的數字壓力表的設計具有一定的參考意義。

參考文獻

[1] 閻文靜，張鑒，高香梅.壓阻式壓力傳感器性能的研究[J].傳感器世界，2012（2）：14?17.

（上接第141頁）

[2] 凌永發，王杰.壓力傳感器的選擇與應用[J].云南民族學院學報：自然科學版，2003（3）：192?194.

[3] 郭睿.智能數字壓力表設計[J].機電信息，2011（21）：139?140.

[4] 王金晨，馬思樂，紀成，等.基于MSP430的高精度微功耗可存取數字壓力表設計[J].化工自動化及儀表，2012（5）：619?621.

[5] 劉秀義，李軍，程文偉.基于AVR的精密數字壓力表的設計[J].電腦知識與技術，2009（10）：2641?2462.