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一种高精度高度表的设计
来源:互联网 sk006 | 万天军
【分  类】 机械与建筑工程
【关 键 词】 气压传感器  单片机  液晶   硬件接口  软件设计
【来  源】 互联网
【收  录】 中文学术期刊网
正文:

  摘要:为了让航空运动的飞行员实时精确的获得高度信息,我们设计了一款基于HP03SA气压传感器测高的高度表。本文介绍了此款高度表的硬件结构、软件流程、试验测试并对结果进行了分析。

  关键词:气压传感器 单片机 液晶 硬件接口 软件设计

  1.引言

  随着国内经济的高速发展,航空休闲运动逐渐普及,如何在安全的前提下休闲娱乐是极其重要的。为了保证安全,及时让飞行员了解自己所处的高度和升降速度是十分必要的,但目前国内还没有单位和公司研制生产此类设备仪表。国内所能找到的测高装置除了机械式的高度表就是GPS手持机,但它们都存在精度低(GPS还存在能否接收到的问题),都不能提供速度信息,因此我们自主开发设计了此款基于HP03SA气压传感器测高的高度表。

  2.气压测高原理

  根据绝对气压与绝对高度换算公式(1),可以计算绝对高度h:

  h=44330*[1-()] (1)

  由公式可知,气压改变1hPa对应海平面处的高度改变8.43m。绝对高度与绝对气压的对应的曲线关系如图1所示:

  图1 绝对高度与绝对气压的对应的曲线关系

  3.硬件结构

  本设计的硬件框图如图2所示:

  图2 硬件框图

  微处理器选用STC12LE5412AD 单片机,它具有宽电压、低功耗支持空闲模式、硬件看门狗,12K BYTE Flash(12K Flash 也可作EEPROM用),512BYTE的片内RAM,4路PCA,支持ISP。高精度气压传感器采用HP03SA,绝对气压测量范围300-1100hpa,宽温操作特性-40-85℃,16位AD采样,11个参数的软件补偿(包括温度补偿),IC串行总线接口,单根系统时钟线(32768Hz),低电平,低功耗操作特性,分辨率为0.1hpa(相当海平面时高度分辨率0.8米),相对气压测量误差范围在±1hpa内(相当海平面时高度误差±8米)。单片机的P1.0与P1.1需加10KΩ上拉电阻到3.3V,气压传感器供电与地之间需加4.7uF的电容滤波。液晶采用杭州远见光电显示技术的COG128*64,超薄设计(2mm),宽温操作特性-20-70℃,可采用串行总线操作。液晶排线采用22针插座与单片机相连。液晶接口外围电路如图3所示,CS1与RES为片选端,CS1=0,RES=1选中可操作,A0是命令与数据选择控制线(0命令,1数据),SCL是时钟信号线,SI数据信号线。预留串口,方便修改程序、修改高度表的参数和导出高度表中所存储的数据。按键主要是为了设置高度警示时的高度值和下落速度警示时的速度值以及用来查看系统信息、存储的气压高度信息。

  注:所有电容均为1uF

  图3 液晶接口外围电路

  4.软件设计

  绝对气压转换成绝对高度换算公式比较复杂,考虑到单片机运算与处理能力,气压与高度对应的曲线关系可以转换成多折线段对应关系,300-1100hpa气压按照等间隔分成80等分时,每等分10hpa气压可再细分成100小分,每等分内气压和高度近似线性关系。采集到气压换算高度时首先找到此气压对应的段及对应高度,超出此段的气压部分再按比例计算成高度,两高度相加即为绝对气压对应的绝对高度。按此法处理算得的绝对高度与按公式(1)计算得到的绝对高度误差在±0.1m内。气压传感器HP03SA采集气压时必须先获得11个参数,根据参数计算温度值,再计算出偏移、敏感系数,最后算出温度和气压。读取气压参数时序与命令如表1所示,读取温度参数时序与命令如表2所示。

  表1读取气压参数时序与命令

  表2读取温度参数时序与命令

  表中S起始条件,P停止条件,A(黑体)从设备应答,A从设备不应答,N主设备不应答,MSB、LSB数据高低字节,D至少延时40ms。每次读取计算气压和温度数据的操作时间在50ms左右。保证采集数据的准确性可以采用求均值滤除小的外界干扰,每次采集可以采2次或4次求均值。

  液晶显示首次操作时需要复位(RES=0)和软件复位一次,然后设置偏置参数、调整电阻、参考电压选择、参考电压参数、ADC段选择、显示端口和初始化化显示线、正常/反转显示最后打开显示命令进行显示操作。系统软件流程如图4所示。

  图4 系统软件流程

  系统初始化时要初始化两个定时器(一个用于串口波特率,一个用于50ms定时的检测)、一路PCA作为定时器用作气压传感器的时钟、液晶。未设置时高度警戒和速度警戒值都是默认值0,警戒值都为0时单片机计算所得的高度与速度信息是不和警戒值判断的。设置后警戒值存储在EEPROM中。因此使用时需要先设好警戒值。超过最高高度或低于最低高度或下落速度超过警戒值报警都会响起,每次报警持续5秒,5s时间内单片机继续采集记录。查看记录时液晶显示会持续显示3秒所查看的信息。

  5试验验证

  高度表置入Italy UD8800C气压舱,利用气压舱抽气测试高度表的下落速度测试结果,在绝对气压640-760mbar(绝对高度3716.6-2360.5m)段测试,以62.538mbar/min和54.38066mbar/min恒定的气压变化速率从640mbar开始抽气向760mbar过渡,抽气10s后高度表开始测量并通过串口发回的所计算得到的垂直落速数据(数据四舍五入整数处理)如表3和表4所示。

  表3 以62.538mbar/min 恒定速率抽气时高度表所测的落速

  表4 以54.38066mbar/min 恒定速率抽气时高度表所测的落速

  在上述条件下,10-16s段匀速抽气可以近似看作垂直方向上也是在作匀速运动,62.538mbar/min恒定速率抽气换算得到下落速度约为11.5m/s,54.38066mbar/min 恒定速率抽气换算得到下落速度约为10m/s。考虑到气压舱的气泵在抽气时不可能完全做到匀速,分析上述数据可知所测的垂直下落速度误差在±0.5m/s范围内。

  单独测试静态绝对气压时误差一般在1-2mbar之间,相应的绝对高度误差一般在10-20m范围内,海拔高度越低测量越准确。测试相对气压差时,对于5mbar的气压差误差可保证在0.2mbar以内(即相对高度差50m高度表测量误差约为1.6m),气压差相对小时测量误差也相对小。

  6结论

  本文详细介绍了高精度高度表的硬件和软件设计方案,并试验测试了此款高度表,从试验数据看出此款高度表测量误差很小,测量相对高度和垂直落速时较其他测量手段优势更明显,在将来的户外运动领域应用前景广阔。

  参考文献:

  [1]HP03S 数据手册[OL].http://www.hoperf.cn

  [2]徐爱钧,彭秀华.Keil Cx51V7.0单片机高级语言编程与μVision2应用实践[M].电子工业出版社,2004,6

  [3]STC12LE5412AD数据手册[OL].http://www.MCU-Memory.com

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