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大气压强传感器TP015P在海拔高度测量中的应用

   日期:2012-12-08     来源:互联网    
核心提示:O 引言 对于身处野外的人来说,一个比较关心的问题就是所在地的海拔是多少。而目前市面上这类产品很少,一般都是高端产品才带有此项

O 引言

    对于身处野外的人来说,一个比较关心的问题就是所在地的海拔是多少。而目前市面上这类产品很少,一般都是高端产品才带有此项功能。有的机械式海拔仪虽然价格较低,但精度太低。所以急需研制一种精度高,价格低廉的海拔仪,以满足大众消费的需求。对于海拔高度的测量,常用的方法。一是GPS全球定位系统;二是通过测量大气压来间接的获得海拔高度。前一种方法成本较高且难度较大,而采用后一种方法相对来说,器件的选择范围要更广一些,因而可以把成本降到最低。

1 多功能海拔仪的总体设计思路

    本文采用测量大气压强来间接的获得海拔高度的方法。通过大气压强传感器得到表征大气压强的电压信号,该信号通过放大电路和滤波电路后,再进行A/D转换。单片机作为本系统的控制单元,主要完成三个功能:其一是对MD转换的数据进行数据转化,以得到海拔的准确值;二是控制温度传感器;三是控制液晶显示,以将海拔和温度准确值在液晶上显示。
    
    其中,P是高度为Z处的大气压强,P0为海平面上的大气压强,μ为空气的摩尔质量,R为普适气体常数,T为气体的温度。事实上,玻尔兹曼公式是在假定T为常数的条件得出的,而实际情况下。大气的温度与海拔高度有一定的关系。在通过大气压强的值来计算海拔时,必须考虑温度因素,所以,必须采取一定的补偿措施。本系统采用温补和软件方法,可在很大程度上减小温度对测量值的影响。

2 硬件电路

2.1 大气压强传感器及温度补偿电路

    本仪器采用APM公司的TP015P大气压强传感器,该器件的测量范围为0~100 kPa。工作温度范围为-40℃~125℃,静态精度<±0.2%FS0。从该大气压强传感器在相同温度下的测试结果来看,其输出值与大气压强基本成线性关系。但为了去除温度带来的误差,还须加上温度补偿。常用的温度补偿方法有加二极管、三极管、热敏电阻和软件补偿(如神经网络等)。经过测量计算,本文以NTC热敏电阻来进行温度补偿。

2.2 放大滤波电路

    本仪器采用的运算放大器是美国AD公司的仪器仪表放大器AD620,该放大器的放大系数可以由外接电阻RG所决定,其具体的放大倍数计算
公式。AD620的核心是三运放电路,并具有较高的共模抑制比,而且温度稳定性好,放大频带宽,噪声系数小,调节方便。由于大气压强传感器TP015的输出在10~150 mV,而A/D芯片MCP3221的信号输入范围为0~3 V,故设定AD620的放大倍数约为30倍。

2.3 A/D转换电路

    本仪器中的A/D电路采用Microchip Technology公司的12位低功率模数转换器MCP3221。MCP3221是连续的近似值12位逐次逼近式A/D转换器。采用2线串行和I2C兼容的接口。MCP3221采用单电源工作,故可简化电路设计。该器件可在较大的电压范围内工作(2.7~5.5 V),同时片内还具有采样保持电路和自定时转换功能,其采集时间和转换可利用内部时钟定时。每次转换后,可将结果存在12位的寄存器里,并按照I2C总线时序读取A/D转换的值。当MCP3221采用快速转换模式并且时钟速率为400 kHz时,其最大的采样速率可达22.3 ksps。在硬件电路上,MCP3221的电源电压必须具有较小的纹波且保持稳定,这样,A/D的误差才会小。MCP3221的SCL和SDA引脚需上拉10 kΩ电阻后再与单片机I/O相接。

2.4 温度采集电路

    本文介绍的海拔高度测量仪器的温度采集电路采用Dallas半导体公司的一线式数字温度传感器DS18B20。数字式温度传感器DS1820是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器,它可采用一根信号线来实现信号的双向传输,并具有接口简单,节省I/O口线,便于扩展和维护等优点。DS18B20的测量温度范围为-55~+125℃,在-10~+85℃范围内,其精度为±0.5℃。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输,从而大大提高了系统的抗干扰性,适合于恶劣环境下的现场温度测量。

2.5 显示电路

    本仪器采用的1601字符型液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点。该模块的工作电压为5 V,并带有字符对比度调节和背光等功能。

3 软件设计

    该仪器工作流程首先是初始化单片机、字符液晶和DS18B20;第二是启动温度转化,发送DS18B20匹配命令,逐个将各个DS18B20采集的温度值读出;第三是启动A/D转换,采集8个大气压强的电压值,并求出平均值;第四,用转换算法将电压值转化成实际的海拔高度,第五是用液晶显示温度和海拔高度。


    在整个系统软件设计中,会涉及到一线总线和I2C总线编程技术。一线总线的读写时序操作、搜索算法和匹配算法的实现是系统软件最为重要的部分。在一线总线程序中,关键是一线总线的总线初始化、读数据和写数据时序的实现。本仪器的软件系统涉及到DS18B20的命令字有搜索命令(OxF0)、温度转化命令(0x44)、读取温度命令(0xBE)和匹配命令(0x55)。

4 产品测试结果分析

    因为玻尔兹曼公式是在假定大气温度为常数的情况下推导出来的。而实际情况是大气的温度与海拔高度有关。故在实际测量的基础上(两个仪器测试),可利用MATLAB软件进行实验数据分析。其分析结果如图8所示,这样就可以找到传感器输出值与海拔高度的实际对应关系。目前,本产品已在四川省成都市龙泉山上进行了4个不同海拔高度的测量。

 

5 结束语

    该数字海拔仪能够精确地测出大气压强,并能够正确地用数字方式显示海拔高度和温度值。经过大量的实地测量,验证了文中的海拔高度和大气压强转换算法的正确性和仪器精度。该仪器可广泛使用于野外考察,旅游等民用领域,具有广阔的市场前景。

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