基于STM8S單片機的數字壓力表的設計
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，壓力數據顯示較為穗定，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。
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' 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丁藝技術在硅片上 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。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，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數據寫人操作，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人/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 pV，總諧波失真為0.000 53%，電 源電壓范圍為2.5 - 5.5 V，滿足系統的設計要求。
MCP6022的2腳和3腳接收傳感器的壓力輸人信 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 1/4，偏壓比1/3，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' 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，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人緩沖區數組中。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再存人數組中;差值小于10的，將當前壓力值減0.2 存人數組。
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 = (p[i +1] - P[i])/iV[i + 1] - V盼- V[i]) + p[i]
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.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，5更件電路簡單，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。
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