基於單片機的氣壓式高度計設計

2020-12-02 電子產品世界

摘要：採用集成度高的壓阻式矽氣壓傳感器，運用模塊化設計方法完成了基於C8051F353單片機的數字式氣壓高度計的設計。通過仿真軟體採用分段插值方法優化提高測量精度，實現了數字式氣壓高度計的智能化。實驗表明，本文設計的氣壓式高度計能夠顯著提高測量精度，非常適合對體積和功耗有要求的小型飛行器上使用，也可使用在地面儀表上，進行大氣數據採集。
關鍵詞：氣壓傳感器；誤差補償；C8051F353；非線性校正

高度是載體到某一基準水平面的垂直距離，是導航的一個重要依據。氣壓傳感器是氣壓式高度計的重要器件。傳統的氣壓傳感器信號調理電路校準和補償電路複雜，穩定性差，不能直接用於計算機數位化處理，也不便於在可攜式設備中集成。本氣壓式高度測量系統使用微型壓阻式傳感器，通過對靜壓的測量，經過模／數變換後由單片機進行數字濾波，函數解算出載體當前的絕對高度，具有較高精度和抗幹擾能力。

1 高度測量系統的設計
大氣壓力在數值上等於所在海拔高度往上直到大氣上界整個空氣柱的重量，因此理想情況下，大氣壓力與海拔高度具有一一對應的關係。在海平面附近，海拔高度每升高100 m，氣壓下降大約0．7 kPa。由於空氣具有可壓縮性，大氣壓力與海拔高度具有非線性關係。
高度和氣壓之間的函數關係較為複雜。如果照搬氣壓公式來製作電路，電路將變得十分複雜，現實起來非常困難。因此，設計該高度計時，可以將高度按區段劃分，分別進行數據的解算。
1．1 氣壓高度計設計的理論基礎
氣壓與高程的關係模型：H=T0／L×(P／P0)∧(1／(N-1))(近似公式)。以標準海平面為基準：T0=288.15K；P0=101.325kPa；N=5.2558 8；L=-0．006 5℃／m，通過計算結果可見表1。從表中數據可以看出，傳感器的漂移等引起的誤差對高端和低端的影響是不同的。為提高測量精度，設計時要考慮這一點。根據氣壓公式可以得出0～6 000 m量程內的壓力變化範圍在47．18～101．325 kPa。據此可確定矽壓阻式傳感器量程。為充分利用傳感器的精度，選擇矽壓阻式傳感器量程要儘量接近測量範圍。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/172606.htm


1．2 高度計的硬體設計
硬體結構由微型矽壓阻式傳感器、單片機、A／D轉換、精密參考電壓、顯示驅動模塊、串口通信模塊、電源模塊等幾部分組成。元器件選取主要考慮設計精度和體積功耗，並留有一定的餘量。
1．2．1 單片機
數據處理要求體積小功耗低，內部帶有16位ADC和溫度傳感器。此處選用C8051F353型單片機，是美國Silicon Labs公司最新推出的一款混合信號片上系統型單片機晶片，可以工作在-40～+85℃溫度範圍，28引腳LQFP封裝，帶有最大放大倍數128的可編程增益放大器(PGA)。非常適用於多路模擬數據採集系統。
1．2．2 壓阻式傳感器
氣壓傳感器在氣壓計中佔據核心位置。設計時可根據測量精度、測量範圍、溫度補償、測量絕對氣壓值等幾個性能指標來選取氣壓傳感器。選用傳感器量程要儘量與測量的範圍相符，以利於同樣的精度條件下減小誤差。傳感器選用體積較小的飛思卡爾公司的MPX2100D型絕壓傳感器，量程為100～0 kPa。線性度為±0．25％FS。滿量程輸出為40 mV(10 V供電)。它用單個由離子注入工藝形成並經雷射修整的X型電阻代替一般用4個電阻構成的惠斯登電橋，避免了由4個電阻的不匹配而引起的誤差。
1．2．3 ADC晶片
根據量程和解析度選擇A／D轉換器位數和精度。ADC晶片的位數N根據公式N≥log2(1+Umax／Umin)計算(式中：Umax為ADC晶片的滿度輸入電壓；Umin為ADC晶片最小能分辨出的電壓)，為達到1 m以上的氣壓高度解析度，A／D轉換器的位數要在15位以上。為簡化電路，縮小體積，這裡A／D轉換器採用C8051F353自帶的16位ADC0。參考電壓使用單片機內部自帶的2．5 V基準。通過將寄存器ADCOMD中的ADOEN位置「1」和將寄存器ADCOCF中的ADOVREF位清「0」來使能內部電壓基準。使用時應在VREF和AGND之間接入0．1μF和4．7μF的旁路電容。
1．2．4 顯示通信電路
由於使用4個單個LED進行顯示的連線比較複雜，同時單片機的埠驅動能力也難以保證，此處選用專門的驅動晶片。顯示驅動選用可編程8位SPI串行LED接口的MAX7219。串口通信電路主要用來實現該系統與上位計算機的通信，利用C8051F353型單片機的UART串口總線通過SP3 232晶片的電平轉換與上位計算機進行通信。工作於9 600 b／s，1個起始位，8個數據位，1個停止位，奇校驗。
1．2．5 電源與抗幹擾設計
使用了低壓差穩壓器LM1117A分別為微處理器和為其餘電路供電。採用了基準電壓源MAX6350來穩定對壓力傳感器的供電，以保證傳感器輸出的穩定性。將基準電壓分壓後作為C8051F353型單片機的電壓參考。PCB板設計時每個晶片有電源退耦電路。模擬數字分開布線。為了避免傳感器產生的信號在進入A／D採樣前發生失真並減少傳感器的功耗，在ADC的輸入端連接了濾波器，降低噪聲並作為緩衝器隔離前後級，避免其他電路對ADC採樣的影響。儀器採用乾電池供電不存在電源或電網幹擾問題。但現場使用不可避免地會受到自然放電幹擾和其他電氣設備的放電幹擾。為不增加過多的硬體屏蔽措施，設計採用軟體採用了採用了改進的平均值濾波算法。

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