BMP180测量海拔高度传感器单片机程序+资料

ID:698437 · 发表于 2020-4-23 13:49

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BMP180来进行讨论。BMP180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。

BMP180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BMP180和初始化寄存器和控制器，在不用的情况下可以空置。

BMP180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，BMP180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BMP180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，BMP180也有一个器件的固定地址，根据其数据手册，出厂时默认BMP180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BMP180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BMP180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BMP180的具体应用。

例子：利用单片机读取来自BMP180的温度和气压数据，并把它们通过LCD1602显示出来。

BMP180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 <iom16.h>
//=========================定义从器件地址和读写方式=============================
#define rd_device_add 0xef //即11101111，1110111是BMP180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BMP180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<<TWINT)|(1<<TWSTA)|(1<<TWEN))
#define Stop() (TWCR=(1<<TWINT)|(1<<TWSTO)|(1<<TWEN))
#define Wait() {while(!(TWCR&(1<<TWINT)));}
#define TestAck() (TWSR&0xf8)
#define SetAck() (TWCR|=(1<<TWEA))
#define SetNoAck() (TWCR&=~(1<<TWEA))
#define Twi() (TWCR=(1<<TWINT)|(1<<TWEN))
#define Write8Bit(x) {TWDR=(x);TWCR=(1<<TWINT)|(1<<TWEN);}
//============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<n)
{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BMP180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<len;i++)
{
Write8Bit(buf[i]); //写数据到BMP180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BMP180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BMP180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<len;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<j;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;
}
//===================BMP180读温度=====================
void BMP180ReadTemp(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
}
//===================BMP180读气压=====================
void BMP180ReadPressure(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BMP180====================
void Init_BMP180(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 BMP180Convert()
{
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
BMP180ReadTemp(); //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
BMP180ReadPressure(); //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_BMP180(); //BMP180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)
{
BMP180Convert(); //调用转换
delay_nms(1000);
}
}

复制代码

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BMP180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

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