基于大氣壓強(qiáng)傳感器TP015P的多功能海拔儀設(shè)計(jì)
O 引言
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/162687.htm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(cè)量,常用的方法。一是GPS全球定位系統(tǒng);二是通過測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(guó)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。
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