基于單片機的便攜式高度測量儀的設計

張國強 諶炎輝 張茂盛

摘 要： 介紹一種以51系列單片機STC89C52作為核心控制器的便攜式高度測量儀的設計方法。其采用氣壓傳感器BMP180采集相應的氣壓等數據，采取I2C通信協議與單片機進行串口通信，用C語言編寫了相關的計算和補償的軟件程序，將氣壓值轉換成海拔高度。實踐表明，該設計能夠快速并且較準確地測量出測量儀所處位置的氣壓值和海拔高度。

關鍵詞： STC89C52； 氣壓傳感器； 程序設計； 通信協議； 串口通信； 高度測量儀

中圖分類號： TN949.6?34； TP391.9 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）22?0075?04

Abstract： A design method of the portable height measurement instrument with the 51?series microcontroller STC89C52 as the core controller is introduced. The barometric sensor BMP180 is used to collect the corresponding barometric pressure data. The serial port communication between the barometric sensor and SCM is conducted by using the I2C communication protocol. The related software program for calculation and compensation is compiled with C language， so as to convert the barometric pressure value to the altitude value. The practice shows that the design method can quickly and accurately measure the barometric value and altitude of the position that the measuring instrument is located at.

Keywords： STC89C52； barometric sensor； program design； communication protocol； serial port communication； height measurement instrument

在生態環境方面，海拔、氣溫、濕度、風速這些環境因素十分重要[1?2]，在工業方面，海拔高度和大氣壓強影響許多產品的質量狀況[3]。飛機在飛行時往往需要及時準確地獲得飛行的海拔高度，從而確保飛行路線的準確。運動愛好者需要獲得野外的海拔高度、溫度及大氣壓強，以便制定合理的運動計劃。因此，將溫度、氣壓和海拔高度測量出來就顯得尤為重要。本次設計的高度測量儀具有體積小、精度高、功耗低等優點，可以應用于飛行高度測量、戶外運動等多種場合。

1 系統設計思路和原理

本系統主要基于單片機進行設計，根據大氣壓強和海拔高度的轉換關系，通過數字氣壓傳感器測量相關的氣壓數據，測量氣壓模塊采用BMP180氣壓傳感器，和單片機STC89C52進行通信，通信方式為I2C通信協議。單片機讀取傳感器傳過來的一系列參數，例如大氣、壓力及補償參數，通過軟件進行計算和補償，將實現相關數值計算的C程序燒寫進單片機，并且將大氣壓強和海拔高度顯示在LCD1602上[4?7]。要求接入電源后，按下開關，LCD1602亮，并且立即顯示大氣壓強和海拔高度。系統框圖如圖1所示。該系統測量原理主要是利用大氣壓強和海拔高度的轉換關系，通過測量所得的氣壓大小，進行轉換公式的軟件編程，最后得到海拔高度。BMP180內部提供了氣壓和海拔高度轉換公式，對于誤差，采用線性插值的方法將其檢測的數據修正，能夠得出比較準確的測量氣壓P，再結合標準大氣壓強P0，計算出傳感器所處位置的海拔高度h。海拔高度測量計算公式為：

2 硬件設計

系統硬件電路是基于51系列單片機進行設計的，包括復位電路、晶振電路的單片機最小系統，傳感器選用BMP180氣壓傳感器，顯示模塊為LCD1602。

選用的51系列單片機為STC89C52，該型號的單片機使用了經典的MCS?51內核，但做了很多的改進使得芯片具有傳統51單片機不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統可編程FLASH，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、超有效的解決方案[8]。STC89C52單片機內部含有8位的微處理器，512 B RAM， 4個8位并行的I/O接口P0～P3，均為雙向通道；內置4 kB的E2PROM，MAX810復位電路，2個計數器/定時器，5個中斷源，一個全雙工UART的串行I/O口。

BMP180是博世公司推出的一款數字氣壓傳感器，具有非常高的性能，主要應用于先進的移動設備，如智能手機、平板電腦和運動設備，例如室內導航GPS增強的航位推算，高度分布氣象預報垂直速度指示（上升/下沉速度）等。LCD液晶顯示屏功耗十分低，體積也很小，方便連接；此外還具有壽命長、重量輕、顯示效果清晰明亮等優點。本設計選用的LCD1602顯示屏是香港精電公司生產制造的，代碼詞頭為“MDLS?” [9?10]。

系統整體硬件電路如圖2所示。其中，BMP180與STC89C52之間的通信方式為I2C通信協議。I2C總線由數據線和時鐘線構成，一條線路用來傳輸時鐘，另外一條用來傳輸數據。兩根線都是串行的，且數據線SDA和時鐘線SCL的所有同名端相連接。通過一個帶有緩沖區的接口，數據可以被I2C發送或接收。總線上所有器件要依靠SDA發送的地址信號尋址，不需要片選線[11]。I2C的工作原理圖如3所示。

3 軟件設計

首先編寫對元器件進行初始化的C程序，分別對BMP180，LCD 1602進行初始化；然后編寫從傳感器讀取的氣壓數據的程序，需要將氣壓數據傳入單片機，再計算出海拔高度，將氣壓轉換成海拔高度的程序是本次設計的重要環節；最后將氣壓和高度顯示在LCD1602的液晶顯示屏上。其中要判斷是否有復位KEY按下，如果按下復位KEY，重新顯示出主界面。主程序流程圖如圖4所示。

BMP180傳感器會從I2C總線獲取1 B的數據，主要是獲得氣壓值（該傳感器還可以獲得溫度的數據）。讀操作的子程序設計思路是調用I2C總線的一些子程序中的函數；然后發寫操作指令，寫操作的函數帶一個設備地址參數，再次啟動BMP180，再發讀操作的指令，讀操作的函數帶一個設備地址參數，調用Sendack（ ）；最后給一個停止操作。

用LCD1602顯示大氣壓和轉換的高度，程序設計思路是需要確定LCD是否處于忙的狀態，初始化LCD1602液晶顯示屏需調用寫指令函數LCD1602_write_cmd（0x40），函數帶CGRAM起始地址，寫數據的子程序中LCD1602的RS端置“1”，RW端置“0”，使能端EN先置“1”，再置“0”。顯示位置的編程主要是為了將氣壓數據和轉換的高度分成兩行顯示，主要顯示在第二行，變量x的值加0x40。

4 調試與實物制作

利用Proteus軟件繪制仿真電路圖，并用Keil軟件進行軟件編程生成目標文件，將其寫入Proteus中進行仿真調試[12?14]。電路圖如圖5所示。

實物制作時電路布局排版應緊湊，井然有序。注意不同種類元器件封裝的方法不同，同時要遵循PCB設計的基本原則[15]。實物效果如圖6所示。

5 結 語

本文介紹一種以51系列單片機STC89C52作為核心控制器的便攜式高度測量儀的設計方法。其采用氣壓傳感器BMP180采集相應的氣壓等數據，采取I2C通信協議與單片機進行串口通信，用C語言編寫了相關的計算和補償的軟件程序，將氣壓值轉換成海拔高度。實踐表明，該設計能夠快速并且較準確地測量出測量儀所處位置的氣壓值和海拔高度。

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