气压测高的电路设计与算法研究

    气压测高广泛应用于航空系统中,现代所有各型飞机上都安装有气压式高度表。气压式高度表,是通过测量气压的变化来测定高度的[1],主要有机械式和电气式两种。机械式高度表的误差补偿和信号转换均采用机械传动原理,利用传动机构和指针指示高度,其误差较大,且精度难以达到要求;而电气式高度表则是把压力信号转换为电信号,再经过数据处理给出高度指示,能达到较高的精度且易于实现。

    近年来,随着其应用范围的扩展,气压式高度表从仅为飞机等航空器使用拓宽到民用野外勘测。随着气压高度表的精度和灵敏度的逐步提高,气压高度表逐渐从空中走向地面,越来越广泛地用作野外勘测、登山等场合下的高度、气压测量仪器。因此,研究利用气压来进行高度测量的系统有着非常重要的现实意义和应用前景。

    1　气压测高原理

    气压测高系统是根据在重力场内,大气压力随高度增加而减小,并有确定的函数关系的原理工作的。因此,可以通过使用压力传感器来测量大气压力,然后根据气压与海拔高度的关系,计算出海拔高度值[2]。

    由于标准大气温度不是连续的,因此高度Hp有不同的函数表达式。当高度H在0~11 000 m的范围内时,有:

    笔者只研究海拔高度在0~4 000 m的情形。

    2　硬件电路设计

    2.1　数字压力传感器

    气压测高系统主要由数字压力传感器SCP1000 - D01、AVR单片机Atmega 16L和HD44780液晶显示器组成。

    本设计选用SCP1000-D01型压力传感器,它基于3D-MEMS技术,准确性高、能耗低,在正常条件下能达到亚米级的分辨率和1 m的精度,芯片内置温度传感器,具有温度补偿功能。它具有4种工作模式:高分辨率模式、高速模式、低功耗模式和超低功耗模式,可根据实际需要选择恰当的模式工作。另外,该传感器能在高海拔和宽温度范围内高速工作。其主要特征如下:

    测量范围为30~120 kPa;供电电压为2. 4~3. 3 V;电流最大仅为50μA;标准数字接口为SPI和IIC;封装直径为6. 1 mm,高为1. 7 mm;耐压强度为3. 2MPa。

    SCP1000-D01在高分辨率工作模式下,传感器的分辨率大于6 Pa,这意味着测量高度可达40 cm的分辨率,本设计选择此种工作模式。

    SCP1000-D01与Atmega 16L的连接如图1所示。

    2.2　Atmega 16L单片机

    Atmega 16L是高性能、低功耗的8位AVR微处理器,AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算术逻辑单元(ALU)相连,使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率,并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率[3]。采用高性能的RISC结构,具有16 kB的在线可编程Flash和512 B的在线可编程EEPROM,有3个具有比较模式的定时器/计数器(T/C),以及6个可以通过软件进行选择的省电模式,可工作于主机/从机模式的SPI串行接口。其工作电压为2.7~5.5V[4]。