基于大气压强传感器TP015P的多功能海拔仪方案设计

　　O 引言

　　对于身处野外的人来说，一个比较关心的问题就是所在地的海拔是多少。而目前市面上这类产品很少，一般都是高端产品才带有此项功能。有的机械式海拔仪虽然价格较低，但精度太低。所以急需研制一种精度高，价格低廉的海拔仪，以满足大众消费的需求。对于海拔高度的测量，常用的方法。一是GPS全球定位系统;二是通过测量大气压来间接的获得海拔高度。前一种方法成本较高且难度较大，而采用后一种方法相对来说，器件的选择范围要更广一些，因而可以把成本降到最低。

　　1 多功能海拔仪的总体设计思路

　　本文采用测量大气压强来间接的获得海拔高度的方法。通过大气压强传感器得到表征大气压强的电压信号，该信号通过放大电路和滤波电路后，再进行A/D转换。单片机作为本系统的控制单元，主要完成三个功能：其一是对MD转换的数据进行数据转化，以得到海拔的准确值;二是控制温度传感器;三是控制液晶显示，以将海拔和温度准确值在液晶上显示。其系统原理框图如图1所示。

　　本文的高度测量的理论依据是大气压强与海拔高度关系满足玻尔兹曼公式：　　

 　　其中，P是高度为Z处的大气压强，P0为海平面上的大气压强，μ为空气的摩尔质量，R为普适气体常数，T为气体的温度。事实上，玻尔兹曼公式是在假定T为常数的条件得出的，而实际情况下。大气的温度与海拔高度有一定的关系。在通过大气压强的值来计算海拔时，必须考虑温度因素，所以，必须采取一定的补偿措施。本系统采用温补和软件方法，可在很大程度上减小温度对测量值的影响。

　　2 硬件电路

　　2.1 大气压强传感器及温度补偿电路

　　本仪器采用APM公司的TP015P大气压强传感器，该器件的测量范围为0～100 kPa。工作温度范围为-40℃～125℃，静态精度<±0.2%FS0。从该大气压强传感器在相同温度下的测试结果来看，其输出值与大气压强基本成线性关系。但为了去除温度带来的误差，还须加上温度补偿。常用的温度补偿方法有加二极管、三极管、热敏电阻和软件补偿(如神经网络等)。经过测量计算，本文以NTC热敏电阻来进行温度补偿，其电路如图2所示。

　　2.2 放大滤波电路

　　本仪器采用的运算放大器是美国AD公司的仪器仪表放大器AD620，该放大器的放大系数可以由外接电阻RG所决定，其具体的放大倍数计算

　　公式为

。AD620的核心是三运放电路，并具有较高的共模抑制比，而且温度稳定性好，放大频带宽，噪声系数小，调节方便。由于大气压强传感器TP015的输出在10～150 mV，而A/D芯片MCP3221的信号输入范围为0～3 V，故设定AD620的放大倍数约为30倍。其放大滤波电路原理如图3所示。[page]

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2.5 显示电路

　　本仪器采用的1601字符型液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点。该模块的工作电压为5 V，并带有字符对比度调节和背光等功能。1601模块与单片机的接口电路如图6所示。

　　 3 软件设计

　　该仪器工作流程首先是初始化单片机、字符液晶和DS18B20;第二是启动温度转化，发送DS18B20匹配命令，逐个将各个DS18B20采集的温度值读出;第三是启动A/D转换，采集8个大气压强的电压值，并求出平均值;第四，用转换算法将电压值转化成实际的海拔高度，第五是用液晶显示温度和海拔高度。其系统软件流程图如图7所示。