基于单片机设计的气压与海拔高度检测计(采用MPL3115A2芯片实现)

时间：11-03来源：作者：点击数：26

一、前言

随着科技的不断发展，在许多领域中，对气压与海拔高度的测量变得越来越重要。例如，对于航空和航天工业、气象预报、气候研究等领域，都需要高精度、可靠的气压与海拔高度检测装置。针对这一需求，基于单片机设计的气压与海拔高度检测计应运而生。

本项目采用了MPL3115A2芯片作为气压与温度传感器，能够实现高精度、高分辨率的气压与海拔高度测量。主控芯片采用STC89C52，具有强大的控制能力和丰富的资源，能够更好地满足系统设计的要求。此外，通过LCD1602显示检测到的信息，可以使用户更加方便地查看和使用系统。

二、项目设计思路

在设计此项目时，需要考虑硬件设计和软件设计两个方面。

2.1 硬件设计思路

（1）主控芯片：选择STC89C52作为主控芯片，它具有51系列单片机的特点，拥有强大的处理能力和丰富的资源，可以满足系统的需求。

（2）传感器选择：采用MPL3115A2芯片作为气压与温度传感器，它具有高精度、高分辨率的特点，并且支持I2C通信协议，方便与主控芯片进行数据交互。

（3）显示模块：选择LCD1602作为显示模块，它可以显示检测到的信息，如气压和海拔高度，让用户直观地了解测量结果。

（4）连接方式：根据MPL3115A2芯片规格书和STC89C52芯片手册，确定它们之间的连接方式，通常使用I2C总线进行通信。

2.2 软件设计思路

（1）初始化：在程序开始时，需要对主控芯片和传感器进行初始化设置，包括引脚配置、寄存器初始化等。

（2）数据采集：通过I2C通信协议，主控芯片向传感器发送指令，读取气压和温度数据。然后对数据进行处理，得到实际的气压值和海拔高度值。

（3）数据显示：将测量到的气压和海拔高度值通过LCD1602显示出来，可以使用LCD1602的相关库函数来实现。

（4）循环检测：为了持续监测气压和海拔高度的变化，可以使用一个循环，在每次循环中执行数据采集和显示操作。

三、项目代码实现

#include <reg52.h>
#include <intrins.h>

#define MPL3115A2_ADDRESS (0xC0>>1)  // MPL3115A2 I2C地址
#define MPL3115A2_CTRL_REG1 (0x26)   // 控制寄存器1地址
#define MPL3115A2_PT_DATA_CFG (0x13) // 气压和温度数据寄存器地址
#define MPL3115A2_STATUS (0x00)      // 状态寄存器地址
#define MPL3115A2_OUT_P_MSB (0x01)   // 气压输出数据MSB字节地址
#define MPL3115A2_OUT_P_CSB (0x02)   // 气压输出数据CSB字节地址
#define MPL3115A2_OUT_P_LSB (0x03)   // 气压输出数据LSB字节地址
#define MPL3115A2_OUT_T_MSB (0x04)   // 温度输出数据MSB字节地址
#define MPL3115A2_OUT_T_LSB (0x05)   //温度输出数据LSB字节地址

#define LCD1602_DATA_PORT P1         // LCD1602数据口
sbit LCD1602_RS = P3^1;              //LCD1602命令/数据选择引脚
sbit LCD1602_RW = P3^2;              //LCD1602读写选择引脚
sbit LCD1602_E = P3^3;               //LCD1602使能引脚

//延时函数
void Delay1ms(void)          
{
    unsigned char i, j;
    _nop_();
    i = 12;
    j = 169;
    do
    {
        while (--j);
    } while (--i);
}

//写一个字节到LCD1602
void LCD1602_WriteByte(unsigned char byte, bit isData)
{
    LCD1602_E = 0;
    LCD1602_RS = isData;
    LCD1602_RW = 0;
    LCD1602_DATA_PORT = byte;
    Delay1ms();
    LCD1602_E = 1;
    Delay1ms();
    LCD1602_E = 0;
}

//初始化LCD1602
void LCD1602_Init(void)
{
    LCD1602_WriteByte(0x38, 0); // 设置数据总线为8位，显示模式为2行，5*7点阵字符
    LCD1602_WriteByte(0x0c, 0); // 开启LCD显示，关闭光标显示和闪烁
    LCD1602_WriteByte(0x06, 0); // 输入方式设置（光标移动方向向右，字符不移动）
    LCD1602_WriteByte(0x01, 0); // 清屏
}

//LCD1602显示字符串
void LCD1602_ShowString(unsigned char x, unsigned char y, unsigned char *str)
{
    unsigned char i = 0;
    if (y == 1) x |= 0x40;   //设置显示行位置为第二行
    x |= 0x80;               //设置显示行位置
    LCD1602_WriteByte(x, 0);
    while (str[i] != '\0')
    {
        LCD1602_WriteByte(str[i], 1);
        i++;
    }
}

//I2C通信函数
unsigned char I2C_SendByte(unsigned char dat)
{
    unsigned char bit_ctr,ack;
    for(bit_ctr=0;bit_ctr<8;bit_ctr++) //循环8次，发送8位数据
    {
        SDA = (bit_ctr & 0x80); // 判断当前位是0还是1，设置SDA引脚
        _nop_();
        SCL = 1;                // 拉高SCL引脚，发送数据
        _nop_();
        SCL = 0;                // 拉低SCL引脚
    }
    SDA = 1;                    // 在最后一次时，SDA引脚设置为1，等待ACK确认
    _nop_();                   
    SCL = 1;                    // 拉高SCL引脚
    ack = SDA;                  // 读取ACK确认信号
    _nop_();
    SCL = 0;                    // 拉低SCL引脚，结束发送
    return ack;
}

//I2C通信函数
unsigned char I2C_ReadByte(void)
{
    unsigned char bit_ctr, dat = 0;
    for(bit_ctr=0;bit_ctr<8;bit_ctr++) //循环8次，接收8位数据
    {
        SDA = 1;              // 让SDA引脚保持为1，准备接收数据
        _nop_();
        SCL = 1;              // 拉高SCL引脚，让数据线上的数据进入芯片
        _nop_();
        dat |= SDA;           // 将当前接收到的数据bit复制到dat的对应bit上
        if(bit_ctr != 7) dat <<= 1; // 如果不是最后一位，就将dat左移一位，以接收下一个bit
        SCL = 0;              // 拉低SCL引脚，等待下一次数据输入
    }
    return dat;
}

//写字节到MPL3115A2芯片
void MPL3115A2_WriteByte(unsigned char regAddr, unsigned char data)
{
    I2C_Start();                         // 启动I2C总线
    I2C_SendByte(MPL3115A2_ADDRESS);     // 发送I2C设备地址+写标志
    I2C_SendByte(regAddr);               // 发送要写入的寄存器地址
    I2C_SendByte(data);                  // 发送要写入的数
    I2C_Stop();                          // 结束I2C通信
}

//读取MPL3115A2芯片的一个字节
unsigned char MPL3115A2_ReadByte(unsigned char regAddr)
{
    unsigned char data;
    I2C_Start();                         // 启动I2C总线
    I2C_SendByte(MPL3115A2_ADDRESS);     // 发送I2C设备地址+写标志
    I2C_SendByte(regAddr);               // 发送要读取的寄存器地址
    I2C_Start();                         // 启动I2C总线
    I2C_SendByte(MPL3115A2_ADDRESS+1);   // 发送I2C设备地址+读标志
    data = I2C_ReadByte();               // 读取一个字节
    I2C_Stop();                          // 结束I2C通信
    return data;
}

//启动一次MPL3115A2芯片的气压测量
void MPL3115A2_PressureMeasureStart(void)
{
    MPL3115A2_WriteByte(MPL3115A2_CTRL_REG1, 0x38); // 向控制寄存器1写入设置值，启动气压测量
}

//等待MPL3115A2芯片气压测量结束
void MPL3115A2_WaitForPressureMeasureFinish(void)
{
    unsigned char status;
    do
    {
        status = MPL3115A2_ReadByte(MPL3115A2_STATUS); // 读取状态寄存器
    } while ((status & 0x08) == 0);                    // 检查气压测量结束标志位
}

//读取MPL3115A2芯片测量的气压值，单位Pa
long MPL3115A2_ReadPressure(void)
{
    unsigned char msb, csb, lsb;
    long press;
    msb = MPL3115A2_ReadByte(MPL3115A2_OUT_P_MSB); // 读取气压数据的MSB字节
    csb = MPL3115A2_ReadByte(MPL3115A2_OUT_P_CSB); // 读取气压数据的CSB字节
    lsb = MPL3115A2_ReadByte(MPL3115A2_OUT_P_LSB); // 读取气压数据的LSB字节
    press = (msb << 16) | (csb << 8) | lsb;        // 将读取到的三个字节组合成一个长整型数值
    press >>= 4;                                   // 由于最后四位是不需要的，因此右移四位
    return press;
}

//读取MPL3115A2芯片测量的温度值，单位0.0625°C
int MPL3115A2_ReadTemperature(void)
{
    unsigned char msb, lsb;
    int temp;
    msb = MPL3115A2_ReadByte(MPL3115A2_OUT_T_MSB); // 读取温度数据的MSB字节
    lsb = MPL3115A2_ReadByte(MPL3115A2_OUT_T_LSB); // 读取温度数据的LSB字节
    temp = (msb << 8) | lsb;                      // 将读取到的两个字节组合成一个整型数值
    return temp >> 4;                             // 由于最后四位是不需要的，因此右移四位
}

//将气压值转换成海拔高度值（单位：米）
float ConvertPressureToAltitude(long press)
{
    float altitude;
    altitude = 44330 * (1 - pow((press / 101325.0), 0.1903)); // 根据公式计算海拔高度
    return altitude;
}

void main()
{
    unsigned char str[16];
    long press;
    float altitude;
    int temperature;

    I2C_Init();         // 初始化I2C总线
    LCD1602_Init();     // 初始化LCD1602

    MPL3115A2_PressureMeasureStart(); // 启动一次气压测量
    MPL3115A2_WaitForPressureMeasureFinish(); // 等待气压测量结束
    press = MPL3115A2_ReadPressure(); // 读取气压值
    altitude = ConvertPressureToAltitude(press); // 将气压值转换成海拔高度值
    temperature = MPL3115A2_ReadTemperature(); // 读取温度值

    sprintf(str, "Press: %dPa", press); // 将气压值转换成字符串
    LCD1602_ShowString(0, 0, str);      // 在第一行LCD1602上显示气压值
    sprintf(str, "Altitude: %dm", (int)altitude); // 将海拔高度值转换成字符串
    LCD1602_ShowString(0, 1, str);      // 在第二行LCD1602上显示海拔高度值
    sprintf(str, "Temp: %dC", temperature); // 将温度值转换成字符串
    LCD1602_ShowString(11, 0, str);     // 在第一行LCD1602上显示温度值
    while (1);                         // 等待
}