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基于MS5534B的气压高度计系统的设计

时间:09-02 来源:中电网 点击:

度也成线性关系。设x为在参考温度附近温度的微小变化量,在(p2,T1)、(p2,T2)、(p1,T2)、(p1,T1X)、(p1,T2X)下,压力传感器的输出电压值分别为Up2T1、Up2T2、Up1T2、Up1T1X、Up1T2X,温度传感器在T1X、T1、T2X、T2下输出电压值分别为己UT1X、UT1、UT2X、UT2,则压力传感器在(p1,T1)下输出的电压值为

在实际温度下,温度传感器相对于在参考温度下输出电压的变化量dUT为

式中:UpT是压力传感器在压力为p、温度为T下输出的电压值。ST1、O1、CS、CT、UT1、温度系数存储在数据存储器PROM中。 

  2.2压力值滤波

为了实现高精度,采用低通滤波避免噪声的干扰,将普通硬件RC低通滤波器的微分方程用差分方程来表示,便可以用软件算法来模拟硬件滤波的功能。经推导,低通滤波算法为

式中:Yn为本次滤波输出值;Xn为当前读出的数据;Yn-1为上次滤波输出值;a是介于0~1的滤波系数,为了兼顾系统的稳定性和响应速度,a取0.25。 

  2.3压力-高度的转换

由于空气具有可压缩性,海拔高度与大气压力成非线性关系。在0~11 km的海拔高度范围内忽略重力加速度的变化,高度H与压力p、温度T0的关系为

式中:p0=101.324 kPa,是标准海平面的大气压,对应的气压高度为0;R为空气气体常数,R=287.052 78 m2/(K·s2);g0=9.806 65 m/s2,为标准海平面的重力加速度;β=0.006 5 K/m,为温度垂直变化率;T0=273.16 K,为标准海平面的温度。
  由式(12)可得气压高度微分式为

利用式(12)计算一个基准气压平面对应的基准高度Hb,再利用式(13)计算相对基准气压平面的相对高度dH,从而得到当前气压高度为



  若能提高气压变化量dp的测量灵敏度,则相对高度的测量分辨率和精度就都能得到提高。在标准海平面附近,a=-78.91 m/kPa。系统初始化时计算1次基准气压平面高度,对应的系数a用于计算相对高度。在海拔2 km以下,若气压变化小于1 kPa,系数a的近似误差小于1%;若高度变化小于100 m,对应的近似原理误差小于1 m;若气压变化超过1 kPa,可设定当前气压平面为新的基准气压平面并重新计算系数a,将气压变化量dp归0,并将当前高度H作为基准气压平面的高度H,以避免高度值输出不连续。 

  3 结果与分析

气压高度计样机如图4所示。以一楼为基准平面,用气压高度计测量高楼每层到基准平面的高度,每层测量5次,得到的测量高度Hm与实际高度Hr的实验曲线见图5,平均标准偏差为0.2 m,线性度为0.999 9。这说明该气压高度测量系统比常规高度计精度提高了1个数量级。由此看来,基于MEMS技术的数字压力传感器MS5534B具有很高的集成度,减小了硬件电路本身的误差;另一方面,采用了相关的温度补偿算法、滤波算法以及压力-高度转换算法,避免了温度变化和气压扰动的影响,有效减小了整个系统的噪声,显著提高了高度计的测量精度。

  4 结 语

本文介绍了一种基于MS5534B的新型气压高度计,利用数字传感器和单片机相结合,用软件进行数据处理,具有较高的精度和较强的抗干扰能力,且体积小、重量轻、功耗低,真正实现了微型化。它是MEMS技术在航空领域的又一应用,将具有广泛的应用前景。
 

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