基于MS5534B的氣壓高度計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　2.1 溫度補(bǔ)償

　　大氣壓力p與溫度T成線性關(guān)系，溫度傳感器輸出電壓與測量溫度也成線性關(guān)系。設(shè)x為在參考溫度附近溫度的微小變化量，在(p2，T1)、(p2，T2)、(p1，T2)、(p1，T1X)、(p1，T2X)下，壓力傳感器的輸出電壓值分別為Up2T1、Up2T2、Up1T2、Up1T1X、Up1T2X，溫度傳感器在T1X、T1、T2X、T2下輸出電壓值分別為己UT1X、UT1、UT2X、UT2，則壓力傳感器在(p1，T1)下輸出的電壓值為

　　在實(shí)際溫度下，溫度傳感器相對于在參考溫度下輸出電壓的變化量dUT為

　　式中：UpT是壓力傳感器在壓力為p、溫度為T下輸出的電壓值。ST1、O1、CS、CT、UT1、溫度系數(shù)存儲在數(shù)據(jù)存儲器PROM中。 

　　2.2壓力值濾波

　　為了實(shí)現(xiàn)高精度，采用低通濾波避免噪聲的干擾，將普通硬件RC低通濾波器的微分方程用差分方程來表示，便可以用軟件算法來模擬硬件濾波的功能。經(jīng)推導(dǎo)，低通濾波算法為

　　式中：Yn為本次濾波輸出值；Xn為當(dāng)前讀出的數(shù)據(jù)；Yn-1為上次濾波輸出值；a是介于0～1的濾波系數(shù)，為了兼顧系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度，a取0.25。 

　　2.3壓力-高度的轉(zhuǎn)換

　　由于空氣具有可壓縮性，海拔高度與大氣壓力成非線性關(guān)系。在0～11 km的海拔高度范圍內(nèi)忽略重力加速度的變化，高度H與壓力p、溫度T0的關(guān)系為

　　式中：p0=101.324 kPa，是標(biāo)準(zhǔn)海平面的大氣壓，對應(yīng)的氣壓高度為0；R為空氣氣體常數(shù)，R=287.052 78 m2／(K·s2)；g0=9.806 65 m／s2，為標(biāo)準(zhǔn)海平面的重力加速度；β=0.006 5 K／m，為溫度垂直變化率；T0=273.16 K，為標(biāo)準(zhǔn)海平面的溫度。
　　由式(12)可得氣壓高度微分式為

　　利用式(12)計(jì)算一個基準(zhǔn)氣壓平面對應(yīng)的基準(zhǔn)高度Hb，再利用式(13)計(jì)算相對基準(zhǔn)氣壓平面的相對高度dH，從而得到當(dāng)前氣壓高度為

　　若能提高氣壓變化量dp的測量靈敏度，則相對高度的測量分辨率和精度就都能得到提高。在標(biāo)準(zhǔn)海平面附近，a=-78.91 m／kPa。系統(tǒng)初始化時(shí)計(jì)算1次基準(zhǔn)氣壓平面高度，對應(yīng)的系數(shù)a用于計(jì)算相對高度。在海拔2 km以下，若氣壓變化小于1 kPa，系數(shù)a的近似誤差小于1％；若高度變化小于100 m，對應(yīng)的近似原理誤差小于1 m；若氣壓變化超過1 kPa，可設(shè)定當(dāng)前氣壓平面為新的基準(zhǔn)氣壓平面并重新計(jì)算系數(shù)a，將氣壓變化量dp歸0，并將當(dāng)前高度H作為基準(zhǔn)氣壓平面的高度H，以避免高度值輸出不連續(xù)。 

　　3 結(jié)果與分析

　　氣壓高度計(jì)樣機(jī)如圖4所示。以一樓為基準(zhǔn)平面，用氣壓高度計(jì)測量高樓每層到基準(zhǔn)平面的高度，每層測量5次，得到的測量高度Hm與實(shí)際高度Hr的實(shí)驗(yàn)曲線見圖5，平均標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.2 m，線性度為0.999 9。這說明該氣壓高度測量系統(tǒng)比常規(guī)高度計(jì)精度提高了1個數(shù)量級。由此看來，基于MEMS技術(shù)的數(shù)字壓力傳感器MS5534B具有很高的集成度，減小了硬件電路本身的誤差；另一方面，采用了相關(guān)的溫度補(bǔ)償算法、濾波算法以及壓力-高度轉(zhuǎn)換算法，避免了溫度變化和氣壓擾動的影響，有效減小了整個系統(tǒng)的噪聲，顯著提高了高度計(jì)的測量精度。

　　4 結(jié) 語

　　本文介紹了一種基于MS5534B的新型氣壓高度計(jì)，利用數(shù)字傳感器和單片機(jī)相結(jié)合，用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，具有較高的精度和較強(qiáng)的抗干擾能力，且體積小、重量輕、功耗低，真正實(shí)現(xiàn)了微型化。它是MEMS技術(shù)在航空領(lǐng)域的又一應(yīng)用，將具有廣泛的應(yīng)用前景。