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。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／數變換后由單片機進行數字濾波，函數解算出載體當前的絕對高度，具有較高精度和抗干擾能力。

1 高度測量系統(tǒng)的設計
大氣壓力在數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量程內的壓力變化范圍在47．18～101．325 kPa。據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(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128的可編程增益放大器(PGA)。非常適用于多路模擬數據采集系統(tǒng)。
1．2．2 壓阻式傳感器
氣壓傳感器在氣壓計中占據核心位置。設計時可根據測量精度、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
根據量程和分辨率選擇A／D轉換器位數和精度。ADC芯片的位數N根據公式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個數據位，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。