基于單片機的氣壓式高度計設計

摘要：采用集成度高的壓阻式硅氣壓傳感器，運用模塊化設計方法完成了基于C8051F353單片機的數(shù)字式氣壓高度計的設計。通過仿真軟件采用分段插值方法優(yōu)化提高測量精度，實現(xiàn)了數(shù)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(shù)據(jù)采集。
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(jù)。氣壓傳感器是氣壓式高度計的重要器件。傳統(tǒng)的氣壓傳感器信號調理電路校準和補償電路復雜，穩(wěn)定性差，不能直接用于計算機數(shù)字化處理，也不便于在便攜式設備中集成。本氣壓式高度測量系統(tǒng)使用微型壓阻式傳感器，通過對靜壓的測量，經過模／數(shù)變換后由單片機進行數(shù)字濾波，函數(shù)解算出載體當前的絕對高度，具有較高精度和抗干擾能力。

1 高度測量系統(tǒng)的設計
大氣壓力在數(shù)值上等于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系。在海平面附近，海拔高度每升高100 m，氣壓下降大約0．7 kPa。由于空氣具有可壓縮性，大氣壓力與海拔高度具有非線性關系。
高度和氣壓之間的函數(shù)關系較為復雜。如果照搬氣壓公式來制作電路，電路將變得十分復雜，現(xiàn)實起來非常困難。因此，設計該高度計時，可以將高度按區(qū)段劃分，分別進行數(shù)據(jù)的解算。
1．1 氣壓高度計設計的理論基礎
氣壓與高程的關系模型：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(shù)據(jù)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(jù)氣壓公式可以得出0～6 000 m量程內的壓力變化范圍在47．18～101．325 kPa。據(jù)此可確定硅壓阻式傳感器量程。為充分利用傳感器的精度，選擇硅壓阻式傳感器量程要盡量接近測量范圍。

1．2 高度計的硬件設計
硬件結構由微型硅壓阻式傳感器、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，并留有一定的余量。
1．2．1 單片機
數(shù)據(jù)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(tǒng)型單片機芯片，可以工作在-40～+85℃溫度范圍，28引腳LQFP封裝，帶有最大放大倍數(shù)128的可編程增益放大器(PGA)。非常適用于多路模擬數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
1．2．2 壓阻式傳感器
氣壓傳感器在氣壓計中占據(jù)核心位置。設計時可根據(jù)測量精度、測量范圍、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。選用傳感器量程要盡量與測量的范圍相符，以利于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并經激光修整的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芯片
根據(jù)量程和分辨率選擇A／D轉換器位數(shù)和精度。ADC芯片的位數(shù)N根據(jù)公式N≥log2(1+Umax／Umin)計算(式中：Umax為ADC芯片的滿度輸入電壓；Umin為ADC芯片最小能分辨出的電壓)，為達到1 m以上的氣壓高度分辨率，A／D轉換器的位數(shù)要在15位以上。為簡化電路，縮小體積，這里A／D轉換器采用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
由于使用4個單個LED進行顯示的連線比較復雜，同時單片機的端口驅動能力也難以保證，此處選用專門的驅動芯片。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(xiàn)該系統(tǒng)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芯片的電平轉換與上位計算機進行通信。工作于9 600 b／s，1個起始位，8個數(shù)據(jù)位，1個停止位，奇校驗。
1．2．5 電源與抗干擾設計
使用了低壓差穩(wěn)壓器LM1117A分別為微處理器和為其余電路供電。采用了基準電壓源MAX6350來穩(wěn)定對壓力傳感器的供電，以保證傳感器輸出的穩(wěn)定性。將基準電壓分壓后作為C8051F353型單片機的電壓參考。PCB板設計時每個芯片有電源退耦電路。模擬數(shù)字分開布線。為了避免傳感器產生的信號在進入A／D采樣前發(fā)生失真并減少傳感器的功耗，在ADC的輸入端連接了濾波器，降低噪聲并作為緩沖器隔離前后級，避免其他電路對ADC采樣的影響。儀器采用干電池供電不存在電源或電網干擾問題。但現(xiàn)場使用不可避免地會受到自然放電干擾和其他電氣設備的放電干擾。為不增加過多的硬件屏蔽措施，設計采用軟件采用了采用了改進的平均值濾波算法。