基于大氣壓強(qiáng)傳感器TP015P的多功能海拔儀方案設(shè)計(jì)

O 引言

　　對(duì)于身處野外的人來說，一個(gè)比較關(guān)心的問題就是所在地的海拔是多少。而目前市面上這類產(chǎn)品很少，一般都是高端產(chǎn)品才帶有此項(xiàng)功能。有的機(jī)械式海拔儀雖然價(jià)格較低，但精度太低。所以急需研制一種精度高，價(jià)格低廉的海拔儀，以滿足大眾消費(fèi)的需求。對(duì)于海拔高度的測量，常用的方法。一是GPS全球定位系統(tǒng);二是通過測量大氣壓來間接的獲得海拔高度。前一種方法成本較高且難度較大，而采用后一種方法相對(duì)來說，器件的選擇范圍要更廣一些，因而可以把成本降到最低。

　　1 多功能海拔儀的總體設(shè)計(jì)思路

　　本文采用測量大氣壓強(qiáng)來間接的獲得海拔高度的方法。通過大氣壓強(qiáng)傳感器得到表征大氣壓強(qiáng)的電壓信號(hào)，該信號(hào)通過放大電路和濾波電路后，再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。單片機(jī)作為本系統(tǒng)的控制單元，主要完成三個(gè)功能：其一是對(duì)MD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，以得到海拔的準(zhǔn)確值;二是控制溫度傳感器;三是控制液晶顯示，以將海拔和溫度準(zhǔn)確值在液晶上顯示。其系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

　　本文的高度測量的理論依據(jù)是大氣壓強(qiáng)與海拔高度關(guān)系滿足玻爾茲曼公式：　　

　　其中，P是高度為Z處的大氣壓強(qiáng)，P0為海平面上的大氣壓強(qiáng)，μ為空氣的摩爾質(zhì)量，R為普適氣體常數(shù)，T為氣體的溫度。事實(shí)上，玻爾茲曼公式是在假定T為常數(shù)的條件得出的，而實(shí)際情況下。大氣的溫度與海拔高度有一定的關(guān)系。在通過大氣壓強(qiáng)的值來計(jì)算海拔時(shí)，必須考慮溫度因素，所以，必須采取一定的補(bǔ)償措施。本系統(tǒng)采用溫補(bǔ)和軟件方法，可在很大程度上減小溫度對(duì)測量值的影響。

　　2 硬件電路

　　2.1 大氣壓強(qiáng)傳感器及溫度補(bǔ)償電路

　　本儀器采用APM公司的TP015P大氣壓強(qiáng)傳感器，該器件的測量范圍為0～100 kPa。工作溫度范圍為-40℃～125℃，靜態(tài)精度±0.2%FS0。從該大氣壓強(qiáng)傳感器在相同溫度下的測試結(jié)果來看，其輸出值與大氣壓強(qiáng)基本成線性關(guān)系。但為了去除溫度帶來的誤差，還須加上溫度補(bǔ)償。常用的溫度補(bǔ)償方法有加二極管、三極管、熱敏電阻和軟件補(bǔ)償(如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等)。經(jīng)過測量計(jì)算，本文以NTC熱敏電阻來進(jìn)行溫度補(bǔ)償，其電路如圖2所示。

　　2.2 放大濾波電路

　　本儀器采用的運(yùn)算放大器是美國AD公司的儀器儀表放大器AD620，該放大器的放大系數(shù)可以由外接電阻RG所決定，其具體的放大倍數(shù)計(jì)算

　　公式為

。AD620的核心是三運(yùn)放電路，并具有較高的共模抑制比，而且溫度穩(wěn)定性好，放大頻帶寬，噪聲系數(shù)小，調(diào)節(jié)方便。由于大氣壓強(qiáng)傳感器TP015的輸出在10～150 mV，而A/D芯片MCP3221的信號(hào)輸入范圍為0～3 V，故設(shè)定AD620的放大倍數(shù)約為30倍。其放大濾波電路原理如圖3所示。