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一种气压测量系统设计

时间:09-25 来源:电子产品世界 点击:

摘要:针对温度对气压测量影响的问题,设计了一种基于MS5611气压传感器的高精度气压测量系统。采用STM32处理器,通过I2C接口读取MS5611传感器的温度和压强数据,利用芯片PROM存储的补偿参数,使用二阶温度补偿的方法实现大气压强数据的校正。实验结果和分析表明,该系统的气压测量精度较高,经过二阶温度补偿的气压数据与真实的大气压强比较接近,气压测量更加精确。

引言

气压测量系统常常被应用于小型无人机中,用来测量小型飞行器的飞行高度。它是通过海拔高度和压力大小的对应关系计算出来的,是保证小型飞行器正常、安全、高效飞行的重要保证。本文设计的高精度气压高度测量系统,针对温度对气压高度的影响,进行了温度补偿计算,使大气数据更加趋近真实的大气压强,从而得到真实的气压。

1 测量原理

1.1 气压转换方法

查看MS5611-01BA03气压传感器寄存器手册,可以计算得到MS5611-01BA03气压传感器内部寄存器的出厂校验的6个补偿系数和未经过补偿的温度和气压测量数值。利用6个补偿系数来实现温度和气压数值的校正算法。其气压转换方法主要包括以下几个步骤[1]

(5)计算实际温度下的气压分辨率

1.2 二阶温度补偿

考虑到不同温度对大气压强测量有着很大程序的影响,所以这里按照MS5611-01BA03手册所提供的参数进行二阶温度补偿,如果温度不低于20℃,则不进行二阶温度补偿,否则计算低温下的温度补偿数值:

2 硬件设计

针对小型无人机气压高度测量系统的特性,本设计选用STM32F103VCT6作为主控芯片,通过I2C读取MS5611气压传感器的数据,并进行二次温度补偿计算和气压高度解算等处理,通过串口输出气压数据,其系统框图如图 1所示。

其中,电源芯片选用TPS77633低压降的线性电源芯片作为供电,能够满足系统低电压的工作条件;采用PL2303HX芯片作为数据传输芯片,将数据通过串口发送到电脑上位机中,便于及时读取数据和进行相关数据的对比。

对于MS5611模块的设计,使用I2C的读取模式,其原理图如图 2所示,在芯片的电源端和地之间连接一个104mF的去耦电容减小电源对芯片的干扰。

3 软件设计

3.1 总体设计

软件设计主要包括系统的初始化、MS5611寄存器数据读取、温度补偿计算、温度和气压解算、数据格式转换、数据发送等部分,其主要流程图如图 3所示。系统在上电后,启动系统外部时钟、设置串口波特率、设置系统I2C的IO工作模式和功能等。等待MS5611芯片初始化完成后,开始相关温度和气压数值的读取和计算,并将这些数据发送到电脑上位机中保存,便于数据的对比和分析。

3.2 气压高度计算流程

气压高度的计算包括传感器初始化、出厂校准数据读取、温度和气压数据读取、校准计算、温度补偿、计算气压高度等几部分。在MS5611初始化过程中,读取MS5611内部PROM中的6位出厂气压和温度的补偿值[2],实现温度补偿程序。在读取MS5611的气压数值和温度数值之后,通过中值滤波和滑动窗滤波算法,减小气压数值波动, 能够消除偶然出现的脉冲性干扰,对周期干扰也有良好的抑制作用[3]。将温度补偿运算之后得到的气压数值按照公式2计算出气压高度。

3.3 温度补偿程序设计

考虑到温度对于大气压强测量的有着重要的影响,所以通过温度补偿的方法来实现大气压强测量的校正。利用MS5611-01BA03气压传感器手册提供的补偿参数,通过判断当前的温度来判断是否进行温度补偿或者二阶温度补偿,计算得出精确的气压。传感器可以很好地在工作温度范围内进行温度补偿,无需再进行额外的校正[4]。其补偿流程图如图 5所示。

4 系统测试与分析

系统采用了中值滤波和滑动窗的滤波方法,融合了中位值滤波法和算术平均滤波法的特点,能够消除偶然出现的脉冲性干扰,对周期干扰也有良好的抑制作用[3],减少温度变化对大气压强测量数值的影响,其滤波效果如图 6所示。

为了验证二阶温度补偿的效果,在26℃气温条件下,对系统进行测试分析。由图 7可以看出,未经过温度补偿的大气压强数值明显高于气压计测量的数值,而经过温度补偿的气压数值与真实大气压强数值接近。

5 结论

本文介绍了一种基于MS5611的气压高度测量系统,通过二阶温度补偿算法和滤波算法校正测量的大气压强,保证了系统的工作稳定性和测量的准确性。从实验结果可以看出气压高度的测量易受温度的影响,但是通过温度补偿和滑动滤波算法使得测量数据更加平缓,数值更加精确。

参考文献:
  [1]MEAS Switzerland. MS5611-01BA03 Variometer module, with stainless steel cap. 2011
  [2]赖贵川,黄华伟.基于MS5611-01BA01的高精度气压和温度检测系统设计[J].四川理工学院学报,2012
  [3]茹滨超,鲜斌,宋英麟,等. 基于气压传感器的无人机高度测量系统[J]. 中南大学学报,2013(2)
  [4]王晅,李小民.高精度小型无人机气压高度测量系统的设计[J].测控技术,2012 (2)
  [5]Wen J,Sarihan V,Myers B,et al.采用综合法封装MEMS加速仪[J]. 电子产品世界. 2011(11)

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