基于STM8S单片机的数字压力表的设计

压力是重要的热工参数之一，各种气体、液体的压力测量在生产生活、工业现场、科学实验等领域有着广泛的 应用。这里采用STM8S单片机作为主控制单元，提出一种新型数字压力表的设计方法。介绍压阻式压力传感器的测量原理 和系统的整体框架，并描述相应的软硬件设计的方法，特别是在软件方面的处理，包括压力采集和标定校准算法。实验结果 显示，压力数据显示较为穗定，能够满足基本的精度要求。设计的数字压力表简单，易用，便于携带。

在工业生产和科研活动中,压力计量往往是重要环 节，甚至成为了保证产品质量以及生产安全的决定因 素。传统的数字压力表是沿用机械压力表来显示的，在 光线弱烟雾多的环境中，不仅难以识别具体压力值，而 且灵敏度，可视度，误差范围以及机械指针表普遍存在 的滞针，跳针，机械器件自然磨损等通病。所以设计一种 简单、可视度高的便捷式数字压力表是很有实际意义的。

1.压阻式压力传感器的测量原理

压力传感器可以把压力信号转换成可测量的电信 号，特点是精度高、线性一致、重复性好' 将压力的变 化转换成电阻变化的传感器被称为压阻式压力传感器， 当需要进行高精度测量时，通常采用此种传感器，其内 部是一个惠斯通电桥，电路结构如图1所示。

压阻式压力传感器是集成电路丁艺技术在硅片上 制造出4个等值的薄膜电阻，并组成电桥电路。当不受力作用时，电桥处于平衡状态，无电压输出当受到力作 用时，电桥失去平衡，输出与应力成正比的电压。不同 类型的压力传感器输出信号大小是不一样的，一般常用 的有2~3种，净输出2 mV/V，10 mV/V等。设计中采用 的是净输出2 mV/V的硅压阻式压力传感器BYP100，信 号输出较为稳定。

2.系统整体框图

本系统的整体框图如图2所示，系统主要包括了 STM8S单片机模块和外围电路，外围电路有液晶显示模 块、按键电路以及放大器电路。系统电源供电采用5 V的稳压电压。

STM8S单片机系列是8位的低功耗的单片机，丁作 的电压范围为2.95~5.5 V，可支持干电池供电丁作，并 提供真正的E2PROM数据写人操作，可达30万次擦写极 限，有利于数据的掉电保护。该系列单片机有10位 ADC，最多有16个采集通道。

3.硬件设计

3.1放大器电路

放大器电路主要采用的是MCP6022芯片，内部结 构如图3所示。MCP6022是高性能的轨对轨输人/输出 运算放大器，带宽为10 MHz,噪声为8.7(10 kHz),低失 调电压为±500~ ±250 pV，总谐波失真为0.000 53%，电 源电压范围为2.5 - 5.5 V，满足系统的设计要求。

MCP6022的2脚和3脚接收传感器的压力输人信 号，MCP6022的1脚出来的就是放大后的传感器压力输 出信号，供给单片机AD通道采集。MCP6022的8脚和4 脚分别接电源和地，给MCP6022芯片供电。

3.2 LCD显示模块

LCD显示电路是采用的是HT1621芯片来驱动LCD 段码液晶进行显示。HT1621是128点内存映象和多功 能的LCD驱动器，HT1621的软件配置特性使它适用于 多种LCD应用场合包括LCD模块和显示子系统，用于 连接主控制器和HT1621的管脚只有4或5条，重要的是 HT1621还有一个节电命令用于降低系统功耗。

通过设置对应的占空比、偏压比、以及LCD驱动电 压等驱动LCD段码液晶显示。本系统采用占空比为 1/4，偏压比1/3，LCD驱动电压为5 V来驱动4段6位的 LCD段码液晶。

4.软件设计

4.1压力采集算法设计

为了保证采集的压力数据在压力表上能够显示稳 定，波动范围较小，满足能够外界压力变化下压力值的 连续变化，并且消除由于一些干扰引起的采样值的偏 差，需要设计对应的压力采集处理算法' 压力处理过 程如图4所示。

压力采集通过定时器控制50 ms采集1次。定义一 个包含10个数据元素的浮点型缓冲区数组buf，用 来存放采集的A/D值value，并返回10个数据元素的平 均值avervalue作为标定计算中的电压值。

当填满缓冲区的值后，下一次采集之前先将数组中 的元素用上一次的平均值填满，然后采集到的一个A/D 值利用先进先出的方法存人缓冲区数组中。其中，如果 当前采集到的A/D值，与当前显示的A/D值之间的差值 在10个范围之内，差值大于10的，将当前的A/D值加 0.2再存人数组中差值小于10的，将当前压力值减0.2 存人数组。

程序部分代码如下：

if ( ( value>avervalue-10) &&( value

{

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))

{

for(i=0 i<9 i++) buf[i]=buf[i+1] buf[9]=value-0.2

}

}

else

{

for(i=0i<9 i++) buf[i]=buf[i+1] buf[9]=value

}

4.2标定校准设计

为了减少误差，保证数字压力表的精度，可以采用 多点校准，也就是利用多条线段来模拟接近真实的压 力传感器的输出曲线[4]。本文采用的是三点校准的方 法，分别是在零点，半量程和满量程这三个点，设计精度 在0.5%左右。具体标定过程如图5所示。

利用按键1和按键2之间的配合来采集多个点的压 力值。通过标定过程采集各个点的电压A/D值作为标 定值。标定采用的公式为：

P = (p[i +1] - P[i])/iV[i + 1] - V盼- V[i]) + p[i]

式中:P[i]是多点校准中对应的i点的压力值V[i]是多点 校准中对应的i点的电压值；V是经过压力算法处理过 的值。

对于获得更加精确的压力值显示，可以采用继续增 加校准的点数的方法来标定。另外已经标定过的电压 值可以存储到单片机的E2PROM中，提供掉电数据的保 护，避免重复标定。

5.测试与结论

经过实验测试，在5 V稳压电源供电下，设计使用 量程在1 000 kPa下，采用3点标定校准的情况下，数字 压力表显示的数据跳动范围为1~4 kPa，数据显示较为 稳定，能够达到0.5级的精度要求。如表1所示的压力 数据。

6.结语

设计的数字压力表采用的是STM8S系列单片机作 为控制单元，满足一定的测量精度，5更件电路简单，软件 设计可靠，对于便捷式、可视化、误差小的数字压力表的 设计具有一定的参考意义。