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說，一個比較關心的問題就是所在地的海拔是多少。而目前市面上這類產品很少，一般都是高端產品才帶有此項功能。有的機械式海拔儀雖然價格較低，但精度太低。所以急需研制一種精度高，價格低廉的海拔儀，以滿足大眾消費的需求。對于海拔高度的測量，常用的方法。一是GPS全球定位系統;二是通過測量大氣壓來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說，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間接的獲得海拔高度的方法。通過大氣壓強傳感器得到表征大氣壓強的電壓信號，該信號通過放大電路和濾波電路后，再進行A/D轉換。單片機作為本系統的控制單元，主要完成三個功能：其一是對MD轉換的數據進行數據轉化，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系滿足玻爾茲曼公式：　　

　　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為空氣的摩爾質量，R為普適氣體常數，T為氣體的溫度。事實上，玻爾茲曼公式是在假定T為常數的條件得出的，而實際情況下。大氣的溫度與海拔高度有一定的關系。在通過大氣壓強的值來計算海拔時，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看，其輸出值與大氣壓強基本成線性關系。但為了去除溫度帶來的誤差，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(如神經網絡等)。經過測量計算，本文以NTC熱敏電阻來進行溫度補償，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。