基于大氣壓強傳感器TP015P的多功能海拔儀方案設計

O 引言

　　對于身處野外的人來(lái)說(shuō)，一個(gè)比較關(guān)心的問(wèn)題就是所在地的海拔是多少。而目前市面上這類(lèi)產(chǎn)品很少，一般都是高端產(chǎn)品才帶有此項功能。有的機械式海拔儀雖然價(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(mǎn)足大眾消費的需求。對于海拔高度的測量，常用的方法。一是GPS全球定位系統;二是通過(guò)測量大氣壓來(lái)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來(lái)說(shuō)，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計思路

　　本文采用測量大氣壓強來(lái)間接的獲得海拔高度的方法。通過(guò)大氣壓強傳感器得到表征大氣壓強的電壓信號，該信號通過(guò)放大電路和濾波電路后，再進(jìn)行A/D轉換。單片機作為本系統的控制單元，主要完成三個(gè)功能：其一是對MD轉換的數據進(jìn)行數據轉化，以得到海拔的準確值;二是控制溫度傳感器;三是控制液晶顯示，以將海拔和溫度準確值在液晶上顯示。其系統原理框圖如圖1所示。

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

　　其中，P是高度為Z處的大氣壓強，P0為海平面上的大氣壓強，μ為空氣的摩爾質(zhì)量，R為普適氣體常數，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(guò)大氣壓強的值來(lái)計算海拔時(shí)，必須考慮溫度因素，所以，必須采取一定的補償措施。本系統采用溫補和軟件方法，可在很大程度上減小溫度對測量值的影響。

　　2 硬件電路

　　2.1 大氣壓強傳感器及溫度補償電路

　　本儀器采用APM公司的TP015P大氣壓強傳感器，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。從該大氣壓強傳感器在相同溫度下的測試結果來(lái)看，其輸出值與大氣壓強基本成線(xiàn)性關(guān)系。但為了去除溫度帶來(lái)的誤差，還須加上溫度補償。常用的溫度補償方法有加二極管、三極管、熱敏電阻和軟件補償(如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )等)。經(jīng)過(guò)測量計算，本文以NTC熱敏電阻來(lái)進(jìn)行溫度補償，其電路如圖2所示。

　　2.2 放大濾波電路

　　本儀器采用的運算放大器是美國AD公司的儀器儀表放大器AD620，該放大器的放大系數可以由外接電阻RG所決定，其具體的放大倍數計算

　　公式為

。AD620的核心是三運放電路，并具有較高的共模抑制比，而且溫度穩定性好，放大頻帶寬，噪聲系數小，調節方便。由于大氣壓強傳感器TP015的輸出在10～150 mV，而A/D芯片MCP3221的信號輸入范圍為0～3 V，故設定AD620的放大倍數約為30倍。其放大濾波電路原理如圖3所示。