基于MS5534B的氣壓高度計系統的設計
2.1 溫度補償
本文引用地址:http://dyxdggzs.com/article/87629.htm大氣壓力p與溫度T成線(xiàn)性關(guān)系,溫度傳感器輸出電壓與測量溫度也成線(xiàn)性關(guān)系。設x為在參考溫度附近溫度的微小變化量,在(p2,T1)、(p2,T2)、(p1,T2)、(p1,T1X)、(p1,T2X)下,壓力傳感器的輸出電壓值分別為Up2T1、Up2T2、Up1T2、Up1T1X、Up1T2X,溫度傳感器在T1X、T1、T2X、T2下輸出電壓值分別為己UT1X、UT1、UT2X、UT2,則壓力傳感器在(p1,T1)下輸出的電壓值為
在實(shí)際溫度下,溫度傳感器相對于在參考溫度下輸出電壓的變化量dUT為
式中:UpT是壓力傳感器在壓力為p、溫度為T(mén)下輸出的電壓值。ST1、O1、CS、CT、UT1、溫度系數存儲在數據存儲器PROM中。
2.2壓力值濾波
為了實(shí)現高精度,采用低通濾波避免噪聲的干擾,將普通硬件RC低通濾波器的微分方程用差分方程來(lái)表示,便可以用軟件算法來(lái)模擬硬件濾波的功能。經(jīng)推導,低通濾波算法為
式中:Yn為本次濾波輸出值;Xn為當前讀出的數據;Yn-1為上次濾波輸出值;a是介于0~1的濾波系數,為了兼顧系統的穩定性和響應速度,a取0.25。
2.3壓力-高度的轉換
由于空氣具有可壓縮性,海拔高度與大氣壓力成非線(xiàn)性關(guān)系。在0~11 km的海拔高度范圍內忽略重力加速度的變化,高度H與壓力p、溫度T0的關(guān)系為
式中:p0=101.324 kPa,是標準海平面的大氣壓,對應的氣壓高度為0;R為空氣氣體常數,R=287.052 78 m2/(K·s2);g0=9.806 65 m/s2,為標準海平面的重力加速度;β=0.006 5 K/m,為溫度垂直變化率;T0=273.16 K,為標準海平面的溫度。
由式(12)可得氣壓高度微分式為
利用式(12)計算一個(gè)基準氣壓平面對應的基準高度Hb,再利用式(13)計算相對基準氣壓平面的相對高度dH,從而得到當前氣壓高度為
若能提高氣壓變化量dp的測量靈敏度,則相對高度的測量分辨率和精度就都能得到提高。在標準海平面附近,a=-78.91 m/kPa。系統初始化時(shí)計算1次基準氣壓平面高度,對應的系數a用于計算相對高度。在海拔2 km以下,若氣壓變化小于1 kPa,系數a的近似誤差小于1%;若高度變化小于100 m,對應的近似原理誤差小于1 m;若氣壓變化超過(guò)1 kPa,可設定當前氣壓平面為新的基準氣壓平面并重新計算系數a,將氣壓變化量dp歸0,并將當前高度H作為基準氣壓平面的高度H,以避免高度值輸出不連續。
3 結果與分析
氣壓高度計樣機如圖4所示。以一樓為基準平面,用氣壓高度計測量高樓每層到基準平面的高度,每層測量5次,得到的測量高度Hm與實(shí)際高度Hr的實(shí)驗曲線(xiàn)見(jiàn)圖5,平均標準偏差為0.2 m,線(xiàn)性度為0.999 9。這說(shuō)明該氣壓高度測量系統比常規高度計精度提高了1個(gè)數量級。由此看來(lái),基于MEMS技術(shù)的數字壓力傳感器MS5534B具有很高的集成度,減小了硬件電路本身的誤差;另一方面,采用了相關(guān)的溫度補償算法、濾波算法以及壓力-高度轉換算法,避免了溫度變化和氣壓擾動(dòng)的影響,有效減小了整個(gè)系統的噪聲,顯著(zhù)提高了高度計的測量精度。
4 結 語(yǔ)
本文介紹了一種基于MS5534B的新型氣壓高度計,利用數字傳感器和單片機相結合,用軟件進(jìn)行數據處理,具有較高的精度和較強的抗干擾能力,且體積小、重量輕、功耗低,真正實(shí)現了微型化。它是MEMS技術(shù)在航空領(lǐng)域的又一應用,將具有廣泛的應用前景。
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