海拔综合测试仪的设计与实现

　　1 引言

　　我国的疆域广阔,时区分布不同,海拔以及温度,湿度等气候差异都很大, 实时的了解我们所处位置的气候情况对工作和生活是很重要的。尤其对一些野外工作的科研人员来说,需要测试海拔,温度,湿度等物理量作为参考因素。为了测量这些物理量需要我们携带多种测试设备,这对野外工作很不方便。为了实时方便的了解我们所处的海拔高度和天气情况, 我们需要有更便捷, 功能更齐全的综合测量仪器。同时可以将现场的数据送到PC,以方便今后的进一步分析和处理。

　　2 系统组成以及基本原理

　　整个综合测试仪主要由五个部分组成。分别是核心控制单元,湿度测量,海拔高度测量,温度测量,以及测量数据显示部分。湿度测量是通过湿度传感器将环境湿度物理量变换为电信号,最终将处理后的模拟信号经过 A/D 后送到 CPU。海拔测量主要是通过间接测量大气压强,经过计算来得出当地的海拔高度,其中也考虑到其他因素的影响而采取了软件修正的方法。温度测量采用数字温度测量芯片 DS1820 来实现, 这是一个应用的比较广泛,也是得到了实践验证,确切可行的一种测量方法。所有采集的物理量经过 A/D 转换后,在 CPU 中经过处理,反映出各自代表的物理量后,送到显示电路,以提供使用者信息,也可送到PC,让 PC 机上的数据分析软件做进一步的处理和存储。

　　3 系统硬件整体设计

　　系统控制器单元本设计采用 LPC2104 作为控制器的控制芯片。LPC2104 是PHILIPS 公司专为嵌入式应用提供的高性价比微控制器解决方案 。 它采用ARM 公司的16 位/32 位RISC 结构, 内核是ARM7TDMI- S,CPU 操作频率可达60MHz,片上集成:具有 ISP 和IAP 功 能的128KB Flash 程序存储器 、16KB 静态RAM、2 个UART、1 个I2C 串行接口、1 个SPI 串行接口, 多达6 路输出的PWM、2 个定时器,分别具有 4 路捕获/比较通道、实时时钟及看门狗定时器等,能够与常用的外围设备实现无缝连接,本系统以LPC2104 为核心控制电路,对外围的各种前端测量电路,包括湿度测量,温度测量,海拔测量,以及数据显示电路进行无逢整合。

　　3.1 湿度测试电路设计

　　湿敏测量在工业、农业、气象、医疗以及日常生活等方面都得到了广泛的应用,特别是随着科学技发展,对于湿度的检测和控制越来越受到人们的重视并进行了大量的研制工作。

　　在本测量仪中湿度测量电路是由湿敏元件和转换电路,信号调理电路,以及 A/D 转换电路等组成,它将环境湿度变换为电信号,然后通过 A/D 转换成数字信号。

　　在实际应用中, 需要同时考虑对湿度传感器进行线性处理和温度补偿,常常采用运算放大器构成湿度测量电路,在图2 中Rt 是热敏电阻器(20kΩ,B=4100K);RH 为 H204C 湿度传感器,运算放大器型号为 OP07。该电路的湿度电压特性及温度特性表明:在(30%～90%)RH、15℃～35℃范围内,输出电压表示的湿度误差不超过 3%RH。下式是湿度测量的原理表达式: