基于STC89C52單片機(jī)設(shè)計(jì)的氣壓與海拔高度檢測計(jì)(采用MPL3115A2芯片實(shí)現(xiàn))

一、前言

隨著科技的不斷發(fā)展，在許多領(lǐng)域中，對氣壓與海拔高度的測量變得越來越重要。例如，對于航空和航天工業(yè)、氣象預(yù)報(bào)、氣候研究等領(lǐng)域，都需要高精度、可靠的氣壓與海拔高度檢測裝置。針對這一需求，基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的氣壓與海拔高度檢測計(jì)應(yīng)運(yùn)而生。

本項(xiàng)目采用了MPL3115A2芯片作為氣壓與溫度傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高分辨率的氣壓與海拔高度測量。主控芯片采用STC89C52，具有強(qiáng)大的控制能力和豐富的資源，能夠更好地滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。此外，通過LCD1602顯示檢測到的信息，可以使用戶更加方便地查看和使用系統(tǒng)。

二、項(xiàng)目設(shè)計(jì)思路

在設(shè)計(jì)此項(xiàng)目時(shí)，需要考慮硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。

2.1 硬件設(shè)計(jì)思路

（1）主控芯片：選擇STC89C52作為主控芯片，它具有51系列單片機(jī)的特點(diǎn)，擁有強(qiáng)大的處理能力和豐富的資源，可以滿足系統(tǒng)的需求。

（2）傳感器選擇：采用MPL3115A2芯片作為氣壓與溫度傳感器，它具有高精度、高分辨率的特點(diǎn)，并且支持I2C通信協(xié)議，方便與主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

（3）顯示模塊：選擇LCD1602作為顯示模塊，它可以顯示檢測到的信息，如氣壓和海拔高度，讓用戶直觀地了解測量結(jié)果。

（4）連接方式：根據(jù)MPL3115A2芯片規(guī)格書和STC89C52芯片手冊，確定它們之間的連接方式，通常使用I2C總線進(jìn)行通信。

2.2 軟件設(shè)計(jì)思路

（1）初始化：在程序開始時(shí)，需要對主控芯片和傳感器進(jìn)行初始化設(shè)置，包括引腳配置、寄存器初始化等。

（2）數(shù)據(jù)采集：通過I2C通信協(xié)議，主控芯片向傳感器發(fā)送指令，讀取氣壓和溫度數(shù)據(jù)。然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到實(shí)際的氣壓值和海拔高度值。

（3）數(shù)據(jù)顯示：將測量到的氣壓和海拔高度值通過LCD1602顯示出來，可以使用LCD1602的相關(guān)庫函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

（4）循環(huán)檢測：為了持續(xù)監(jiān)測氣壓和海拔高度的變化，可以使用一個(gè)循環(huán)，在每次循環(huán)中執(zhí)行數(shù)據(jù)采集和顯示操作。

三、項(xiàng)目代碼實(shí)現(xiàn)

#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) // 氣壓和溫度數(shù)據(jù)寄存器地址
#define MPL3115A2_STATUS (0x00)      // 狀態(tài)寄存器地址
#define MPL3115A2_OUT_P_MSB (0x01)   // 氣壓輸出數(shù)據(jù)MSB字節(jié)地址
#define MPL3115A2_OUT_P_CSB (0x02)   // 氣壓輸出數(shù)據(jù)CSB字節(jié)地址
#define MPL3115A2_OUT_P_LSB (0x03)   // 氣壓輸出數(shù)據(jù)LSB字節(jié)地址
#define MPL3115A2_OUT_T_MSB (0x04)   // 溫度輸出數(shù)據(jù)MSB字節(jié)地址
#define MPL3115A2_OUT_T_LSB (0x05)   //溫度輸出數(shù)據(jù)LSB字節(jié)地址

#define LCD1602_DATA_PORT P1         // LCD1602數(shù)據(jù)口
sbit LCD1602_RS = P3^1;              //LCD1602命令/數(shù)據(jù)選擇引腳
sbit LCD1602_RW = P3^2;              //LCD1602讀寫選擇引腳
sbit LCD1602_E = P3^3;               //LCD1602使能引腳

//延時(shí)函數(shù)
void Delay1ms(void)          
{
    unsigned char i, j;
    _nop_();
    i = 12;
    j = 169;
    do
    {
        while (--j);
    } while (--i);
}

//寫一個(gè)字節(jié)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); // 設(shè)置數(shù)據(jù)總線為8位，顯示模式為2行，5*7點(diǎn)陣字符
    LCD1602_WriteByte(0x0c, 0); // 開啟LCD顯示，關(guān)閉光標(biāo)顯示和閃爍
    LCD1602_WriteByte(0x06, 0); // 輸入方式設(shè)置（光標(biāo)移動(dòng)方向向右，字符不移動(dòng)）
    LCD1602_WriteByte(0x01, 0); // 清屏
}

//LCD1602顯示字符串
void LCD1602_ShowString(unsigned char x, unsigned char y, unsigned char *str)
{
    unsigned char i = 0;
    if (y == 1) x |= 0x40;   //設(shè)置顯示行位置為第二行
    x |= 0x80;               //設(shè)置顯示行位置
    LCD1602_WriteByte(x, 0);
    while (str[i] != '?')
    {
        LCD1602_WriteByte(str[i], 1);
        i++;
    }
}

//I2C通信函數(shù)
unsigned char I2C_SendByte(unsigned char dat)
{
    unsigned char bit_ctr,ack;
    for(bit_ctr=0;bit_ctr<8;bit_ctr++) //循環(huán)8次，發(fā)送8位數(shù)據(jù)
    {
        SDA = (bit_ctr & 0x80); // 判斷當(dāng)前位是0還是1，設(shè)置SDA引腳
        _nop_();
        SCL = 1;                // 拉高SCL引腳，發(fā)送數(shù)據(jù)
        _nop_();
        SCL = 0;                // 拉低SCL引腳
    }
    SDA = 1;                    // 在最后一次時(shí)，SDA引腳設(shè)置為1，等待ACK確認(rèn)
    _nop_();                   
    SCL = 1;                    // 拉高SCL引腳
    ack = SDA;                  // 讀取ACK確認(rèn)信號(hào)
    _nop_();
    SCL = 0;                    // 拉低SCL引腳，結(jié)束發(fā)送
    return ack;
}

//I2C通信函數(shù)
unsigned char I2C_ReadByte(void)
{
    unsigned char bit_ctr, dat = 0;
    for(bit_ctr=0;bit_ctr<8;bit_ctr++) //循環(huán)8次，接收8位數(shù)據(jù)
    {
        SDA = 1;              // 讓SDA引腳保持為1，準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)
        _nop_();
        SCL = 1;              // 拉高SCL引腳，讓數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)進(jìn)入芯片
        _nop_();
        dat |= SDA;           // 將當(dāng)前接收到的數(shù)據(jù)bit復(fù)制到dat的對應(yīng)bit上
        if(bit_ctr != 7) dat <<= 1; // 如果不是最后一位，就將dat左移一位，以接收下一個(gè)bit
        SCL = 0;              // 拉低SCL引腳，等待下一次數(shù)據(jù)輸入
    }
    return dat;
}

//寫字節(jié)到MPL3115A2芯片
void MPL3115A2_WriteByte(unsigned char regAddr, unsigned char data)
{
    I2C_Start();                         // 啟動(dòng)I2C總線
    I2C_SendByte(MPL3115A2_ADDRESS);     // 發(fā)送I2C設(shè)備地址+寫標(biāo)志
    I2C_SendByte(regAddr);               // 發(fā)送要寫入的寄存器地址
    I2C_SendByte(data);                  // 發(fā)送要寫入的數(shù)
    I2C_Stop();                          // 結(jié)束I2C通信
}

//讀取MPL3115A2芯片的一個(gè)字節(jié)
unsigned char MPL3115A2_ReadByte(unsigned char regAddr)
{
    unsigned char data;
    I2C_Start();                         // 啟動(dòng)I2C總線
    I2C_SendByte(MPL3115A2_ADDRESS);     // 發(fā)送I2C設(shè)備地址+寫標(biāo)志
    I2C_SendByte(regAddr);               // 發(fā)送要讀取的寄存器地址
    I2C_Start();                         // 啟動(dòng)I2C總線
    I2C_SendByte(MPL3115A2_ADDRESS+1);   // 發(fā)送I2C設(shè)備地址+讀標(biāo)志
    data = I2C_ReadByte();               // 讀取一個(gè)字節(jié)
    I2C_Stop();                          // 結(jié)束I2C通信
    return data;
}

//啟動(dòng)一次MPL3115A2芯片的氣壓測量
void MPL3115A2_PressureMeasureStart(void)
{
    MPL3115A2_WriteByte(MPL3115A2_CTRL_REG1, 0x38); // 向控制寄存器1寫入設(shè)置值，啟動(dòng)氣壓測量
}

//等待MPL3115A2芯片氣壓測量結(jié)束
void MPL3115A2_WaitForPressureMeasureFinish(void)
{
    unsigned char status;
    do
    {
        status = MPL3115A2_ReadByte(MPL3115A2_STATUS); // 讀取狀態(tài)寄存器
    } while ((status & 0x08) == 0);                    // 檢查氣壓測量結(jié)束標(biāo)志位
}

//讀取MPL3115A2芯片測量的氣壓值，單位Pa
long MPL3115A2_ReadPressure(void)
{
    unsigned char msb, csb, lsb;
    long press;
    msb = MPL3115A2_ReadByte(MPL3115A2_OUT_P_MSB); // 讀取氣壓數(shù)據(jù)的MSB字節(jié)
    csb = MPL3115A2_ReadByte(MPL3115A2_OUT_P_CSB); // 讀取氣壓數(shù)據(jù)的CSB字節(jié)
    lsb = MPL3115A2_ReadByte(MPL3115A2_OUT_P_LSB); // 讀取氣壓數(shù)據(jù)的LSB字節(jié)
    press = (msb << 16) | (csb << 8) | lsb;        // 將讀取到的三個(gè)字節(jié)組合成一個(gè)長整型數(shù)值
    press >>= 4;                                   // 由于最后四位是不需要的，因此右移四位
    return press;
}

//讀取MPL3115A2芯片測量的溫度值，單位0.0625°C
int MPL3115A2_ReadTemperature(void)
{
    unsigned char msb, lsb;
    int temp;
    msb = MPL3115A2_ReadByte(MPL3115A2_OUT_T_MSB); // 讀取溫度數(shù)據(jù)的MSB字節(jié)
    lsb = MPL3115A2_ReadByte(MPL3115A2_OUT_T_LSB); // 讀取溫度數(shù)據(jù)的LSB字節(jié)
    temp = (msb << 8) | lsb;                      // 將讀取到的兩個(gè)字節(jié)組合成一個(gè)整型數(shù)值
    return temp >> 4;                             // 由于最后四位是不需要的，因此右移四位
}

//將氣壓值轉(zhuǎn)換成海拔高度值（單位：米）
float ConvertPressureToAltitude(long press)
{
    float altitude;
    altitude = 44330 * (1 - pow((press / 101325.0), 0.1903)); // 根據(jù)公式計(jì)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總線
    LCD1602_Init();     // 初始化LCD1602

    MPL3115A2_PressureMeasureStart(); // 啟動(dòng)一次氣壓測量
    MPL3115A2_WaitForPressureMeasureFinish(); // 等待氣壓測量結(jié)束
    press = MPL3115A2_ReadPressure(); // 讀取氣壓值
    altitude = ConvertPressureToAltitude(press); // 將氣壓值轉(zhuǎn)換成海拔高度值
    temperature = MPL3115A2_ReadTemperature(); // 讀取溫度值

    sprintf(str, "Press: %dPa", press); // 將氣壓值轉(zhuǎn)換成字符串
    LCD1602_ShowString(0, 0, str);      // 在第一行LCD1602上顯示氣壓值
    sprintf(str, "Altitude: %dm", (int)altitude); // 將海拔高度值轉(zhuǎn)換成字符串
    LCD1602_ShowString(0, 1, str);      // 在第二行LCD1602上顯示海拔高度值
    sprintf(str, "Temp: %dC", temperature); // 將溫度值轉(zhuǎn)換成字符串
    LCD1602_ShowString(11, 0, str);     // 在第一行LCD1602上顯示溫度值
    while (1);                         // 等待
}

四、MPL3115A2模塊介紹

MPL3115A2 是一款集成式數(shù)字大氣壓力傳感器模塊，由NXP Semiconductors（前身為Freescale Semiconductor）生產(chǎn)。通過測量大氣壓力和溫度，提供了高精度的大氣壓力和海拔測量功能。

下面是 MPL3115A2 模塊的一些主要特點(diǎn)和功能：

（1）大氣壓力測量：MPL3115A2 可以測量大氣壓力，并提供絕對壓力、相對壓力和海拔高度等數(shù)據(jù)。它支持廣泛的壓力測量范圍，通常為 20 kPa 至 110 kPa。這使得它適用于氣象監(jiān)測、高度測量、天氣預(yù)報(bào)和氣壓趨勢分析等應(yīng)用。

（2）溫度測量：MPL3115A2 還具有溫度測量功能，可以提供環(huán)境溫度數(shù)據(jù)。這對于需要考慮溫度變化對壓力測量的影響的應(yīng)用非常重要。

（3）高精度測量：MPL3115A2 提供高精度的壓力和溫度測量。它使用16位的ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）進(jìn)行測量，并提供高分辨率的數(shù)據(jù)輸出。這使得它能夠提供準(zhǔn)確的大氣壓力和溫度數(shù)據(jù)。

（4）數(shù)字輸出接口：MPL3115A2 通過I2C接口與主控制器通信。這種數(shù)字接口使得與微控制器、單片機(jī)或其他數(shù)字設(shè)備的集成變得簡單。

（5）低功耗：MPL3115A2 設(shè)計(jì)為低功耗模式，可以在不太耗電的情況下運(yùn)行。它具有多種省電模式，可根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行配置，以延長電池壽命。

（6）自動(dòng)補(bǔ)償和校準(zhǔn)：MPL3115A2 模塊具有自動(dòng)溫度補(bǔ)償和校準(zhǔn)功能，以提高測量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。它可以根據(jù)環(huán)境條件自動(dòng)調(diào)整并校準(zhǔn)傳感器輸出，以減少溫度和其他因素對測量結(jié)果的影響。

（7）應(yīng)用領(lǐng)域：由于 MPL3115A2 模塊提供了高精度的大氣壓力和溫度測量，它適用于許多應(yīng)用領(lǐng)域。例如，它可以用于氣象站、高度計(jì)、無人機(jī)和飛行器的高度控制、室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)以及氣壓計(jì)算設(shè)備等。

MPL3115A2 是一款功能強(qiáng)大的集成式數(shù)字大氣壓力傳感器模塊，具有高精度測量、低功耗和數(shù)字接口等特點(diǎn)，適用于多種大氣壓力和海拔測量應(yīng)用。

五、總結(jié)

本項(xiàng)目主要涉及到硬件和軟件兩個(gè)方面，利用MPL3115A2氣壓傳感器模塊和LCD1602液晶顯示屏實(shí)現(xiàn)氣壓測量和海拔高度計(jì)算，并將測得的數(shù)據(jù)在LCD1602上進(jìn)行顯示。

具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

（1）硬件方面，需要將MPL3115A2模塊和LCD1602顯示屏接入單片機(jī)，并進(jìn)行相應(yīng)的電路設(shè)計(jì)和連接。

（2）軟件方面，需要使用8051單片機(jī)來控制MPL3115A2模塊和LCD1602顯示屏，包括初始化I2C總線、MPL3115A2芯片和LCD1602顯示屏，啟動(dòng)氣壓測量并等待其完成，讀取氣壓值和溫度值，將氣壓值轉(zhuǎn)換成海拔高度值，并通過LCD1602顯示屏進(jìn)行顯示。

本項(xiàng)目在實(shí)際應(yīng)用中可作為氣壓測量和海拔高度計(jì)算的一個(gè)基礎(chǔ)模塊，為相關(guān)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用提供了一定的技術(shù)支持。