气压传感器(BMP085)
在测量海拔高度时,传统的做法是通过测量某一高度的大气压力,再经过换算才能得到高度数据。为了测量大气压力,就得用上气压传感器,下面就来讨论一下气压传感器的应用。
气压传感器是压力传感器中的一种,它专用于测量气体的绝对压强。目前市场上能见到的气压传感器有很多种,下面就以市场上常见的Bosch公司推出的BMP085来进行讨论。BMP085不仅可以实时的测量大气压力,还能测量实时温度。同时它还具有IIC总线的接口,便于单片机进行访问。另外它的使用也很方便,不需要太多的操作就可读取到气压及测量数据。
BMP085采用强大的8脚陶瓷无引线芯片承载(LCC)超薄封装,它性能卓越,内置有校准补偿,绝对精度最低可以达到0.03hPa(0.25米),并且耗电极低,只有3μA。气压测量范围从300hPa到1100hPa,换算成高度为海拔9000米到500米。下图是其封装外形和引脚排列。
引脚各功能如下:1脚(GND)接电源地,2脚(EOC)为完成转换输出,3脚(VDDA)为正电源,4脚(VDDD)为数字正电源,5脚为空,6脚(SCL)为IIC的时钟端,7脚(SDA)为IIC的数据端,8脚(XCLR)为主清除信号输入端,低电平有效,用来复位BMP085和初始化寄存器和控制器,在不用的情况下可以空置。
BMP085的工作电压为1.8V~3.6V,典型工作电压为2.5V,其与单片机相连的典型电路如下图所示。
从上图中可以看到,BMP085内包含有电阻式压力传感器、AD转换器和控制单元,其中控制单元包括了EEPROM和IIC接口。读取BMP085时会直接传送没有经过补偿的温度值和压力值。而在EEPROM中则储存了176位单独的校准数据,这些数据将对读取的温度压力值进行补偿。176位的EEPROM被划分为11个字,每个字16位,这样就包含有11个校准系数。每个器件模块都有自己单独的校准系数,在第一次计算温度压力数据之前,单片机就应该先读出读出EEPROM中的这些校准数据,然后再开始采集数据温度和压力数据。
和所有的IIC总线器件一样,BMP085也有一个器件的固定地址,根据其数据手册,出厂时默认BMP085的从机地址为0xEE(写入方向),或0xEF(读出方向)。温度数据UT和压力数据UP都存储在寄存器的第0到15位之中,压力数据UP的精度还可扩展至16~19位。
上图中左边是Bosch公司技术手册上提供的读取顺序的流程图,右边是EEPROM中的校准数据。
从流程图中可以看出,单片机发送开始信号启动温度和压力测量,经过一定的转换时间(4.5ms)后,从IIC接口读出结果。为了将温度的单位换算成℃和将压力的单位换算成hPa,需要用到EEPROM中的校准数据来进行补偿计算,这些数据也可以从IIC接口读出。事实上,EEPROM中的这些校准数据应该在程序初始化的时候就读出,以方便后面的计算。 在同一个采样周期中BMP085可以采128次压力值和1次温度值,并且这些值在读取后会被及时更新掉。若不想等待到最大转化时间之后才读取数据,可以有效利用BMP085的输出管脚EOC来检查转化是否完毕。若为1表示转换完成,为0表示转换正在进行中。
要得到温度或气压的值,必须要访问地址为0xF4的控制寄存器。它根据写入数据的不同,回应的值也不一样,具体如下表所示。
从图中可以看出,要获得温度数据,必须先向控制寄存器(地址0xF4)写0x2E,然后等待至少4.5ms,才可以从地址0xF6和0xF7读取十六位的温度数据。同样,要获得气压数据,必须先向控制寄存器(地址0xF4)写0x34,然后等待至少4.5ms,才可以从地址0xF6和0xF7读取16位的气压数据,若要扩展分辨率,还可继续读取0xF8(XLSB)扩展16位数据到19位。获取到的数据还要根据EEPROM中的校准数据来进行补偿后才能用,EEPROM的数据读取可根据上图中的地址来进行,地址从0xAA~0xBF,具体的补偿算法可参看官方的数据手册,这里就不赘述了。
下面以一个例子来看一下BMP085的具体应用。
例子:利用单片机读取来自BMP085的温度和气压数据,并把它们通过LCD1602显示出来。
BMP085的SDA、SCL端分别接到ATMega16的TWI端(PC1、PC0),EOC和XCLR端悬空,LCD1602的接法与前面的一致。参考代码如下。#include //=========================定义从器件地址和读写方式=============================#define rd_device_add 0xef //即11101111,1110111是BMP085器件的固定地址,最后的1表示对从器件进行读操作#define wr_device_add 0xee //即11101110,1110111是BMP085器件的固定地址,最后的0表示对从器件时行写操作//===============================TWI状态定义==================================#define START 0x08#define RE_START 0x10#define MT_SLA_ACK 0x18#define MT_SLA_NOACK 0x20#define MT_DATA_ACK 0x28#define MT_DATA_NOACK 0x30#define MR_SLA_ACK 0x40#define MR_SLA_NOACK 0x48#define MR_DATA_ACK 0x50#define MR_DATA_NOACK 0x58//=============================常用TWI操作定义================================#define Start() (TWCR=(1<#define Stop() (TWCR=(1<#define Wait() {while(!(TWCR&(1<#define TestAck() (TWSR&0xf8)#define SetAck() (TWCR|=(1<#define SetNoAck() (TWCR&=~(1<#define Twi() (TWCR=(1<#define Write8Bit(x) {TWDR=(x);TWCR=(1<//============引脚电平的宏定义===============#define LCM_RS_1 PORTB_Bit0=1 //RS脚输出高电平#define LCM_RS_0 PORTB_Bit0=0 //RS脚输出低电平#define LCM_RW_1 PORTB_Bit1=1 //RW脚输出高电平#define LCM_RW_0 PORTB_Bit1=0 //RW脚输出低电平#define LCM_EN_1 PORTB_Bit2=1 //EN脚输出高电平 #define LCM_EN_0 PORTB_Bit2=0 //EN脚输出低电平#define DataPort PORTA //PORTA为数据端口#define Busy 0x80 //忙信号 //==============定义全局变量================unsigned char ge,shi,bai,qian,wan,shiwan; //显示变量unsigned char ReadTemp[2]; //接收到的温度数据缓冲区unsigned char ReadPressure[2]; //接收到的气压数据缓冲区int ac1;int ac2; int ac3; unsigned int ac4;unsigned int ac5;unsigned int ac6;int b1; int b2;int mb;int mc;int md;//==============定义显示字符串================const unsigned char str0[]={" T: . C "}; //显示温度const unsigned char str1[]={" P: . Kpa "}; //显示气压//===============1mS延时===================void delay_1ms(void) { unsigned int i; for(i=1;i<(unsigned int)(8*143-2);i++) ;}//=============n*1mS延时===============void delay_nms(unsigned int n) { unsigned int i=0; while(i {delay_1ms(); i++; }}//===============IIC总线写n个字节(成功返回0,失败返回1)=====================unsigned char I2C_Write(unsigned char RomAddress,unsigned char *buf,unsigned char len){ unsigned char i; Start(); //启动I2C总线 Wait(); //等待回应 if(TestAck()!=START) return 1; //若回应的不是启动信号,则失败返回1 Write8Bit(wr_device_add); //写I2C从器件地址、写方向 Wait(); //等待回应 if(TestAck()!=MT_SLA_ACK) return 1; //若回应的不是ACK信号,则失败返回值1 Write8Bit(RomAddress); //写BMP085的ROM地址 Wait(); //等待回应 if(TestAck()!=MT_DATA_ACK) return 1; //若回应的不是ACK信号则失败返回值1 for(i=0;i { Write8Bit(buf[i]); //写数据到BMP085的ROM中 Wait(); //等待回应 if(TestAck()!=MT_DATA_ACK) {return 1;} //若回应的不是ACK信号则失败返回值1 delay_nms(10); } Stop(); //停止I2C总线 delay_nms(10); //延时等待BMP085写完 return 0; //写入成功,返回值0}//====================IIC总线读n个字节(成功返回0,失败返回1)=========================unsigned char I2C_Read(unsigned char RomAddress,unsigned char *buf,unsigned char len){ unsigned char i; Start(); //启动I2C总线 Wait(); //等待回应 if(TestAck()!=START) return 1; //若回应的不是启动信号,则失败返回1 Write8Bit(wr_device_add); //写I2C从器件地址、写方向 Wait(); //等待回应 if(TestAck()!=MT_SLA_ACK) return 1; //若回应的不是ACK信号,则失败返回值1 Write8Bit(RomAddress); //写BMP085的ROM地址 Wait(); //等待回应 if(TestAck()!=MT_DATA_ACK) return 1; //若回应的不是ACK信号,则失败返回值1 Start(); //重新启动I2C总线 Wait(); //等待回应 if(TestAck()!=RE_START) return 1; //若回应的不是重复启动信号,则失败返回1 Write8Bit(rd_device_add); //写I2C从器件地址、读方向 Wait(); //等待回应 if(TestAck()!=MR_SLA_ACK) return 1; //若回应的不是ACK信号,则失败返回值1 for(i=0;i { Twi(); //启动I2C读方式 SetAck(); //设置接收自动应答 delay_nms(10); Wait(); //等待回应 delay_nms(10); *(buf+i)=TWDR; //把连续读取的len个字节数据依次存入对应的地址单元(数组)中 } SetNoAck(); //读数据的最后一位后紧跟的是无应答 delay_nms(10); Stop(); //停止I2C总线 return 0; //成功返回值0}//================检测LCD忙信号子函数================void WaitForEnable(void){ unsigned char val; DataPort=0xff; //数据线电平拉高 LCM_RS_0; //选择指令寄存器 LCM_RW_1; //选择写方式 __asm("NOP"); //调用汇编指令延时一个空指令周期,等待稳定 LCM_EN_1; //使能端拉高电平 __asm("NOP"); __asm("NOP"); //调用汇编指令延时两个空指令周期,等待稳定 DDRA=0x00; //改变数据线方向成输入 val=PINA; //读取数据 while(val&Busy) val=PINA; //当DB7位为1时表示忙,循环检测 LCM_EN_0; //忙信号结束,拉低使能端电平 DDRA=0xff; //改变数据线方向成输出}//================写数据到LCD子函数=================void LcdWriteData(unsigned char dataW) //写数据dataW到LCD中{ WaitForEnable(); //检测忙信号 LCM_RS_1; //选择数据寄存器 LCM_RW_0; //选择读方式 __asm("NOP"); //调用汇编指令延时一个空指令周期,等待稳定 DataPort=dataW; //把显示数据送到数据线上 __asm("NOP"); //调用汇编指令延时一个空指令周期,等待稳定 LCM_EN_1; //使能端拉高电平 __asm("NOP"); __asm("NOP"); //调用汇编指令延时两个空指令周期,等待稳定 LCM_EN_0; //拉低使能端,执行写入动作}//================写命令到LCD子函数================void LcdWriteCommand(unsigned char CMD,unsigned char Attribc) //写命令CMD到LCD中,Arribc为1时检测忙信号,否则不检测{ if(Attribc) WaitForEnable(); //检测忙信号 LCM_RS_0; //选择指令寄存器 LCM_RW_0; //选择写方式 __asm("NOP"); //调用汇编指令延时一个空指令周期,等待稳定 DataPort=CMD; //把命令数据送到数据线上 __asm("NOP"); //调用汇编指令延时一个空指令周期,等待稳定 LCM_EN_1; //使能端拉高电平 __asm("NOP"); __asm("NOP"); //调用汇编指令延时两个空指令周期,等待稳定 LCM_EN_0; //拉低使能端,执行写入动作}//================显示光标定位子函数================void LocateXY(char posx,char posy) //定位位置到地址x列y行{ unsigned char temp; temp=posx&0x0f; //屏蔽高4位,限定x坐标的范围为0~15 posy&=0x01; //屏蔽高7位,限定y坐标的范围为0~1 if(posy) temp|=0x40; //若要显示的是第二行,则地址码+0x40,因为第二行起始地址为0x40 temp|=0x80; //指令码为地址码+0x80,因为写DDRAM时DB7恒为1(即0x80) LcdWriteCommand(temp,1); //把temp写入LCD中,检测忙信号}//===========显示指定座标的一个字符子函数============void DisplayOneChar(unsigned char x,unsigned char y,unsigned char Wdata) //在x列y行处显示变量Wdata中的一个字符{ LocateXY(x,y); //定位要显示的位置 LcdWriteData(Wdata); //将要显示的数据Wdata写入LCD}//==========显示指定座标的一串字符子函数===========void ePutstr(unsigned char x,unsigned char y,unsigned char const *ptr) //在x列y行处显示ptr指向的字符串{ unsigned char i,j=0; while(ptr[j]>31) j++; //ptr[j]>31时为ASCII码,j累加,计算出字符串长度 for(i=0;i { DisplayOneChar(x++,y,ptr[i]); //显示单个字符,同时x坐标递增 if(x==16) { x=0; y^=1; //当每行显示超过16个字符时换行继续显示 } }}//==================LCD初始化子函数==================void InitLcd(void) { LcdWriteCommand(0x38,0); //8位数据方式,双行显示,5X7字形,不检测忙信号 delay_nms(5); //延时5ms LcdWriteCommand(0x38,0); delay_nms(5); LcdWriteCommand(0x38,0); delay_nms(5); //重复三次 LcdWriteCommand(0x38,1); //8位数据方式,双行显示,5X7字形,检测忙信号 LcdWriteCommand(0x08,1); //关闭显示,检测忙信号 LcdWriteCommand(0x01,1); //清屏,检测忙信号 LcdWriteCommand(0x06,1); //显示光标右移设置,检测忙信号 LcdWriteCommand(0x0C,1); //打开显示,光标不显示,不闪烁,检测忙信号}//==================转换子函数====================void conversion(long temp_data) { shiwan=temp_data/100000+0x30 ; temp_data=temp_data%100000; //取余运算 wan=temp_data/10000+0x30 ; temp_data=temp_data%10000; //取余运算 qian=temp_data/1000+0x30 ; temp_data=temp_data%1000; //取余运算 bai=temp_data/100+0x30 ; temp_data=temp_data%100; //取余运算 shi=temp_data/10+0x30 ; temp_data=temp_data%10; //取余运算 ge=temp_data+0x30; }//===================BMP085读温度=====================void bmp085ReadTemp(void){ unsigned char t=0x2e; I2C_Write(0xf4,&t,1); //向地址0xf4写0x2e,进行温度转换 delay_nms(5); //延时大于4.5ms I2C_Read(0xf6,ReadTemp,2); //从地址0xf6开始读出温度数据并存到数组ReadTemp中,共2个字节}//===================BMP085读气压=====================void bmp085ReadPressure(void){ unsigned char t=0x34; I2C_Write(0xf4,&t,1); //向地址0xf4写0x34,进行第一次气压转换 delay_nms(5); //延时大于4.5ms I2C_Read(0xf6,ReadPressure,2); //从地址0xf6开始读出气压数据并存到数组ReadPressure中,共2个字节}
//==================初始化BMP085====================void Init_BMP085(void){ unsigned char temp[2]; I2C_Read(0xaa,temp,2); ac1 = (temp[0]<<8)|temp[1]; I2C_Read(0xac,temp,2); ac2 = (temp[0]<<8)|temp[1]; I2C_Read(0xae,temp,2); ac3 = (temp[0]<<8)|temp[1]; I2C_Read(0xb0,temp,2); ac4 = (temp[0]<<8)|temp[1]; I2C_Read(0xb2,temp,2); ac5 = (temp[0]<<8)|temp[1]; I2C_Read(0xb4,temp,2); ac6 = (temp[0]<<8)|temp[1]; I2C_Read(0xb6,temp,2); b1 = (temp[0]<<8)|temp[1]; I2C_Read(0xb8,temp,2); b2 = (temp[0]<<8)|temp[1]; I2C_Read(0xba,temp,2); mb = (temp[0]<<8)|temp[1]; I2C_Read(0xbc,temp,2); mc = (temp[0]<<8)|temp[1]; I2C_Read(0xbe,temp,2); md = (temp[0]<<8)|temp[1]; //连续读取EEPROM中的校准数据,并存放到相应的变量中,以供后面补偿使用}//===================转换子函数=====================void bmp085Convert(){ long ut,up,temperature,pressure; //定义长整型变量 long x1, x2, b5, b6, x3, b3, p; unsigned long b4, b7; //定义无符号长整型变量 bmp085ReadTemp(); //读取温度 ut=ReadTemp[0]<<8|ReadTemp[1]; //合成温度数据 x1=((long)ut-ac6)*ac5>>15; //以下根据EEPROM中的值对获取的温度数据的进行补偿换算 x2=((long)mc<<11)/(x1+md); b5=x1+x2; temperature=(b5+8)>>4; conversion(temperature); //调用温度显示转换函数 DisplayOneChar(5,0,bai); //显示温度十位 DisplayOneChar(6,0,shi); //显示温度个位 DisplayOneChar(8,0,ge); //显示温度小数后一位
bmp085ReadPressure(); //读取气压 up=ReadPressure[0]<<8|ReadPressure[1]; //合成气压数据 up&=0x0000FFFF; b6=b5-4000; //以下根据EEPROM中的值对获取的气压数据的进行补偿换算 x1=(b2*(b6*b6>>12))>>11; x2=ac2*b6>>11; x3=x1+x2; b3=(((long)ac1*4+x3)+2)/4; x1=ac3*b6>>13; x2=(b1*(b6*b6>>12))>>16; x3=((x1+x2)+2)>>2; b4=(ac4*(unsigned long)(x3+32768))>>15; b7=((unsigned long)up-b3)*(50000>>0); if(b7<0x80000000) p=(b7*2)/b4; else p=(b7/b4)*2; x1=(p>>8)*(p>>8); x1=(x1*3038)>>16; x2=(-7357*p)>>16; pressure=p+((x1+x2+3791)>>4); conversion(pressure); //调用气压显示转换函数 DisplayOneChar(4,1,shiwan); //显示气压的百位 DisplayOneChar(5,1,wan); //显示气压的十位 DisplayOneChar(6,1,qian); //显示气压的个位 DisplayOneChar(8,1,bai); //显示气压小数后一位 DisplayOneChar(9,1,shi); //显示气压小数后二位}//==================主函数=====================void main(void) { delay_nms(400); //延时400ms等待电源稳定 DDRA=0xff;PORTA=0x00; DDRB=0xff;PORTB=0x00; DDRC=0xff;PORTC=0xff; DDRD=0xff;PORTD=0xff; //初始化I/O口 InitLcd(); //LCD初始化 Init_BMP085(); //BMP085初始化 ePutstr(0,0,str0); //显示温度 delay_nms(10); DisplayOneChar(10,0,0xdf); //显示特殊符号 delay_nms(10); ePutstr(0,1,str1); //显示气压 while(1) { bmp085Convert(); //调用转换 delay_nms(1000); }}
上述程序中,是运用延时来等待数据转换完成的,并没使用EOC脚来检查转化是否完毕。同时,程序利用EEPROM中的值对获取的数据进行补偿换算的方法是直接来自BMP085的数据手册,若对换算代码有问题可参看其手册。气压数据采用了常规的16位数据,并没有扩展到19位。另外,由于在程序中大量使用了长整型数据格式,所以在IAR开发环境中编译时仍然要把编译优化选项改成Low或Medium(具体参见第一章),系统才能正常运行。若选择不优化(None)时,可能在液晶屏得不到任何显示。究其原因可能与IAR的编译环境有关,这一点要非常注意!!
把程序下载到单片机中,按要求接好连线,给系统上电,就可以在液晶屏上看到实时的温度和气压数据了
bmp085要点