基于MS5540C的大气压力测量系统设计.doc

基于MS5540C的大气压力测量系统设计
MS5540C/C8051F060/大气压
1  引言
大气压作为环境测量中的重要参数,其传统的测量方法主要有水银气压计、机械振筒式空盒气压计[1]。水银气压计虽然测量精度较高,但其体积庞大,不便于设备的小型化;机械振筒式空盒气压计虽然体积较小,但其结构复杂、测量精度较低。MS5540C大气压力芯片是一款采用MEMS技术将传感元件和信号处理电路集成于一体的绝压传感器,具有体积小、精度高、功耗低等优点。因此,本文设计了一种以MS5540C为压力传感器芯片的大气压测量系统。
2  系统硬件结构设计
系统主要由单片机C8051F060、数字气压芯片MS5540C、TFT显示屏、RS485通讯接口等四部分组成,硬件结构如图1所示。
MS5540C 通过三线接口与外部微处理器相连接,外部微处理器利用串行接口读得MS5540C的数据,在微处理器内部通过软件进行温度补偿后,得到补偿后的压力值通过液晶屏显示, 同时通过RS485串行接口实现数据的对外传输。其中单片机与压力传感器之间的通讯采用I/O口模拟SPI的通信方式进行。

2.1  数字压力传感器MS5540C
MS5540C是瑞士intersema公司生产的一款包含有精密压阻式压力传感器、电阻式温度传感器和ADC接口的绝压传感器[2],其供电电压为2.2～3.6V,压力测量范围为10～1100mbar绝对压力,分辨率为0.1mbar,是一种低功耗、低供电电压、高精度的传感器。该传感器不但能够将压力传感器的非补偿模拟输出电压转换成16位的数字压力值,同时能够提供16位的数字温度值作为对压力值的补偿,并通过三线串行接口实现与微处理器的通讯。其实物与管脚排列如图2所示,各引脚的功能如表1所列:

由于MS5540C需要32.768KHz的时钟作为单独的时钟输入,因此在电路中设计了32.768KHz的有源晶振SG3030为其提供输入源。

2.2  C8051F060单片机
C8051F060是一款具有CIP-51微控制器内核、3.3V供电的低功耗单片机,其内部有5个16位的计数器/定时器、两个全双工UART、256字节内部RAM和128字节特殊功能寄存器地址空间以及多个8位I/O端口[3]。其串行总线、硬件中断以及微控制器内部的其它数字信号可以通过交叉开关控制寄存器配置在不同的I/O端口引脚。在本文的设计中充分利用了其引脚灵活配置的特点,将C8051F060的P0.0、P0.1配置为UART0口,作为与TFT液晶屏的通讯端口;将P0.2、P0.3配置为UART1口,作为与MAX485的通讯端口。
2.3  TFT液晶屏
TFT液晶屏是近几年较为流行的显示终端,其具有色彩丰富、分辨率高等特点。在本文中选用朗睿LR043ARK液晶屏作为显示器。该液晶屏自带ARM处理器,最大的特点是可利用其自带的画面编辑软件进行位图编辑并进行调用显示,极大的提高了单片机的效率。而且该液晶屏支持RS232、485等多种通讯方式,大大节省了单片机的I/O端口使用。同时,对于汉字的显示,该屏预留自定义字库空间,可支持多达10种的用户自定义字库、64K色的显示。位图显示效果图如图3所示:

2.4  RS485接口
为了能够使测试的数据对外传输,在设计中采用了485的通讯方式。通过单片机的交叉使能开关把P0.2、P0.3设置为UART1,然后再通过MAX485芯片实现TTL电平到485电平的转换,同时为了达到阻抗匹配的目的,在AB之间并接1个120欧的电阻。
3  系统软件设计
系统软件主要包括系统初始化、压力读取、液晶显示、RS485通信等子程序。主程序以循环方式工作,完成压力读取、液晶显示等子程序的调用;而RS485通讯则采用中断的方式进行,当串口产生接收中断时,才向外传输数值。
3.1  MS5540C初始化
MS5540C为数字化传感器,单片机与其通讯时必须根据MS5540C的通信协议,发送相应的指令读取传感器中相应的压力、温度及校正参数值。单片机在每次对MS5540C内部的数据进行操作时,首先要对其进行初始化,其时序如图4所示[4]。

由于在硬件设计中采用了I/O接口模拟SPI的通信方式,因此在软件设计中采用将初始化命令字节(21位)定义一个数组,然后运用循环的方式将数组中的每一位传输给MS5540C。

MS5540C中有4个16位存储器WORD1～WORD4,它们存储着MS5540C在压力计算中所需的6个压力和温度补偿系数C1～C6。微处理器首先要读出WORD1～WORD4,然后利用软件移位的方式转换为6个压力和温度补偿系数C1～C6;其次,通过3总线接口读取16位压力数据D1和16位温度数据D2,然后在微处理器内部通过软件对其进行温度补偿,得到补偿后的压力值。软件设计流程如图5所示。
3.3 UART1中断处理程序
数据的对外传输采用中断的方式进行,首先将UART1设置为接收方式,当有接收数据时即刻产生串口中断,然后判断其接收数据是否为设定数据(假定为3),如果是则将数据对外传输,否则将返回主程序,UART1中断软件设计流程如图6所示:

4  实验测试
实验测试采用将压力测试系统整体放入密闭的透明实验舱中,然后通过手动压力泵抽取负压或加压的方式在(70-110)hPa范围内用高精度真空压力表进行比对测试,其测试结果如表2所示:

由上表可以看出该系统的总体误差≤±0.4%,符合设计预期。
5  结束语
本文利用数字气压芯片MS5540C和单片机C8051F060相结合,设计了一个大气压力测量系统,具有结构简单、体积小巧、功耗低、精度高等优点,具有较强的实际应用价值。
郭洪祥,雷文龙