基于MS5534B的氣壓高度計系統的設計

　　0引言

　　傳統的氣壓測量方法很多，例如水銀氣壓計和機械振筒式空盒氣壓計，但它們的結構復雜、體積龐大、測量精度低，不便于自動(dòng)遙測。目前，氣壓傳感器正朝著(zhù)小型化、集成化、智能化、標準化的方向發(fā)展，在性能上追求高穩定性、高靈敏度、高分辨率、低功耗、寬溫度范圍等。隨著(zhù)電子技術(shù)的快速發(fā)展，相繼出現了壓阻式、電容式以及基于MEMS技術(shù)制作的絕對壓力傳感器等。壓阻式或電容式傳感器結構簡(jiǎn)單、精度高、靈敏度高，尤其是采用MEMS技術(shù)制作的絕對壓力傳感器，采用先進(jìn)的集成電路工藝和微加工技術(shù)，將傳感元件和信號處理電路集成于一體，大大提高了測量性能，并簡(jiǎn)化了測量系統設計，同時(shí)大大減小了體積，使得測量?jì)x器系統整體小型化。MS5534B就是基于MEMS的絕對壓力傳感器的典型代表。本文提出了一種基于壓力傳感器MS5534B實(shí)現高度傳感器的設計方案，其系統體積小、質(zhì)量輕、精度高、數據穩定、響應快、功耗低。

　　1 系統硬件設計

　　系統由數字壓力傳感器MS5534B、單片機MSP430F449、電源模塊、液晶顯示器LCD、RS232接口及其他外圍電路組成，如圖1所示。

 　　MSP430F449用軟件模擬三線(xiàn)SPI口，實(shí)現MSP430F449與MS5534B通信，根據MS5534B的通信協(xié)議發(fā)送相應的指令，獲得氣壓、溫度以及校準系數值。串行時(shí)鐘信號SCLK由MSP430F449產(chǎn)生，SCLK提供串行數據傳輸所需時(shí)鐘。主時(shí)鐘MCLK由外部晶振產(chǎn)生，MCLK給MS5534B內部邏輯電路提供時(shí)鐘。MSP430F449利用I／O口讀得MS5534B的數據，通過(guò)軟件進(jìn)行溫度補償和壓力-高度轉換運算得到實(shí)際高度值。首先MSP430F449對MS5534接口復位后，通過(guò)串口讀出MS5534B模塊存儲器中的WORD1～WORD4，再用邏輯運算操作和移位操作提取補償參數C1～C6，然后，通過(guò)SPI口讀取16位壓力數據D1和溫度數據D2，用D1、D2和C1～C6通過(guò)補償算法計算出補償后的壓力，再由壓力-高度轉換算法得到實(shí)際高度值。溫度和實(shí)際高度值通過(guò)LCD顯示。LCD驅動(dòng)模擬電壓由R3、R5、R6組成的權電阻網(wǎng)絡(luò )提供。RS232接口通過(guò)異步串口與MSP430F449相連，實(shí)現上位機與MSP430F449的通信。

　　1.1 數字壓力傳感器

　　MS5534B是基于MEMS技術(shù)的數字壓力傳感器，內部集成了絕對壓力傳感器、電阻式溫度傳感器、數據選擇器、15位A／D轉換器、數字濾波器及數據存儲器，其結構如圖2所示。壓力、溫度傳感器分別檢測壓力、溫度信號，壓力測量和溫度測量之間的切換是通過(guò)多路選擇開(kāi)關(guān)在很短的時(shí)間內完成的。A／D轉換器分別將壓力、溫度的差分模擬信號轉換成數字信號，通過(guò)數字濾波器抑制干擾，然后將16位的壓力和溫度數字信號存貯在數字IC模塊中。同時(shí)，64位的數據存儲器PROM中存貯了6個(gè)補償參數，分別是參考溫度下的零漂、靈敏度、零漂的溫度系數、靈敏度的溫度系數、參考溫度、溫度的變化系數。MS5534B供電電壓為2.2～3.6 V，壓力測量范圍為(30～110)kPa，工作時(shí)鐘為(30～35)kHz，是一種低功耗、低供電電壓的傳感器，可自動(dòng)斷開(kāi)電源，三線(xiàn)接口則可滿(mǎn)足與單片機通信，方便實(shí)現軟件矯正，達到極高的精度。

　　1.2單片機

　　MSP430F449是具有功耗低、存儲容量大、集成度高、在線(xiàn)支持性強等特點(diǎn)的單片機，其工作電壓低(1.8～3.6 V)、電流小，有5種低功耗模式；豐富的中斷源并可任意嵌套，用中斷請求將系統從備用狀態(tài)喚醒僅需6μs；片內看門(mén)狗及上電復位電路，三個(gè)時(shí)鐘源(XTAL1、XTAL2或內部DCO)可供靈活選用；片內16位的硬件乘法器，實(shí)時(shí)處理大量復雜的溫度補償和壓力-高度轉換運算；雙向并行I／O口P1和P2(有中斷功能)及P3～P6口，多數口有復用功能；片內集成4×40段LCD液晶驅動(dòng)器，實(shí)時(shí)顯示溫度和高度；通用通信模塊UARST0，通過(guò)軟件可選用為同步或異步方式。

　　2 軟件設計

　　軟件采用模塊化設計方法，主要包括系統初始化、I／O口模擬SPI口通信、溫度補償、濾波、氣壓-高度轉換、液晶顯示、RS232通信等子程序，主程序以循環(huán)方式工作，完成初始化及子程序的調用；I／O口模擬SPI口通信是單片機根據傳感器的通信協(xié)議，發(fā)送相應的指令，讀取傳感器中相應的壓力、溫度及校正參數值，并將4個(gè)字的校正參數值WORD1～WORD4轉換為6個(gè)補償參數C1～C6；溫度補償是單片機根據補償原理對讀出來(lái)的壓力進(jìn)行溫度補償計算，修正溫度變化引起的零漂和靈敏度變化，從而修正溫度變化引起的壓力值的變化；通過(guò)軟件濾波減小電路的噪聲干擾，提高測量精度，得到在實(shí)際溫度下的壓力值，然后程序通過(guò)高度與壓力、溫度的關(guān)系計算出高度。程序流程圖如圖3所示。