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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