大氣浮力傳感在海拔高度檢測中的應(yīng)用研究放大電路對于身處野外的人來說，一個比較關(guān)心的問題就是所在地的海拔是多少。而目前市面上這類產(chǎn)品極少，通常都是低端產(chǎn)品才帶有此項功能。有的機(jī)械式海拔儀即使價錢較低，但精度太低。所以急需研發(fā)一種精度高，價錢低廉的海拔儀，以滿足大眾消費的需求。對于海拔高度的檢測，常用的技巧。一是GPS全球定位系統(tǒng)；二是通過檢測大氣壓來間接的獲得海拔高度。前一種方式成本較高且難度較大大氣壓強(qiáng)傳感器用途，而采用后一種方式相對來說，元件的選擇范圍要更川一些，因此可以把成本降到最低。多功能海拔儀的總體設(shè)計思路本文采用檢測大氣浮力來間接的獲得海拔高度的技巧。通過大氣浮力傳感得到表征大氣浮力的電流訊號，該訊號通過檢波電路后，再進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。單片機(jī)作為本系統(tǒng)的控制單元，主要完成三個功能：其二是對MD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，以得到海拔的確切值；二是控制體溫傳感；三是控制液晶顯示，以將海拔和氣溫確切值在液晶上顯示。其系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。本文的高度檢測的理論根據(jù)是大氣浮力與海拔高度關(guān)系滿足玻爾茲曼公式：其中，P是高度為Z處的大氣浮力，P0為海平面上的大氣浮力，mu;為空氣的摩爾質(zhì)量，R為普適二氧化碳常數(shù)，T為二氧化碳的體溫。
事實上，玻爾茲曼公式是在假設(shè)T為常數(shù)的條件得出的，而實際情況下。大氣的氣溫與海拔高度有一定的關(guān)系。在通過大氣浮力的值來估算海拔時，必須考慮濕度誘因，所以，必須采取一定的補償舉措。本系統(tǒng)采用溫補和軟件方式，可在很大程度上降低體溫對檢測值的影響。硬件電路2．1大氣浮力傳感及濕度補償電路本儀器采用APM公司的大氣浮力傳感，該元件的檢測范圍為0～。工作氣溫范圍為-40～125，靜態(tài)精度lt;;0．2％FS0。從該大氣浮力傳感在相同濕度下的測試結(jié)果來看，其輸出值與大氣浮力基本成線性關(guān)系。但為了消除氣溫帶來的偏差，還須加上水溫補償。常用的氣溫補償方式有加晶閘管、三極管、熱敏內(nèi)阻和軟件補償(如神經(jīng)網(wǎng)路等)。經(jīng)過檢測估算，本文以NTC熱敏內(nèi)阻來進(jìn)行體溫補償，其電路如圖2所示。2．2放大混頻電路本儀器采用的運算放大器是日本AD公司的儀器儀表放大器AD620，該放大器的放大系數(shù)可以由外接內(nèi)阻RG所決定，其具體的放大倍數(shù)估算公式為。AD620的核心是三運放電路，并具有較高的串?dāng)_抑制比，并且氣溫穩(wěn)定性好，放大頻帶寬，噪音系數(shù)小，調(diào)節(jié)便捷。因為大氣浮力傳感TP015的輸出在10～150mV，而A／D芯片的訊號輸入范圍為0～3V，故設(shè)定AD620的放大倍數(shù)約為30倍。
其放大混頻電路原理如圖3所示。2．3A／D轉(zhuǎn)換電路本儀器中的A／D電路采用公司的12位低功率模數(shù)轉(zhuǎn)換器。是連續(xù)的近似值12位逐次迫近式A／D轉(zhuǎn)換器。采用2線串行和I2C兼容的插口。采用單電源工作，故可簡化電路設(shè)計。該元件可在較大的電流范圍內(nèi)工作(2．7～5．5V)，同時片內(nèi)還具有取樣保持電路和自定時轉(zhuǎn)換功能，其采集時間和轉(zhuǎn)換可借助內(nèi)部時鐘定時。每次轉(zhuǎn)換后大氣壓強(qiáng)傳感器用途，可將結(jié)果存在12位的寄存器里，并根據(jù)I2C總線時序讀取A／D轉(zhuǎn)換的值。當(dāng)采用快速轉(zhuǎn)換模式但是時鐘速度為時，其最大的取樣速度可達(dá)22．3ksps。在硬件電路上，的電源電流必須具有較小的雜訊且保持穩(wěn)定，這樣，A／D的偏差就會小。的SCL和SDA引腳需上拉;內(nèi)阻后再與單片機(jī)I／O相接。與8051單片機(jī)的插口電路如圖4所示。2．4氣溫采集電路本文介紹的海拔高度檢測儀器的氣溫采集電路采用半導(dǎo)體公司的一線式數(shù)字氣溫傳感。數(shù)字式氣溫傳感是世界上第一片支持一線總線插口的氣溫傳感，它可采用一根訊號線來實現(xiàn)訊號的單向傳輸，并具有插口簡單，節(jié)約I／O口線，以便擴(kuò)充和維護(hù)等優(yōu)點。
的檢測氣溫范圍為-55～+125，在-10～+85范圍內(nèi)，其精度為;0．5。現(xiàn)場氣溫直接以一線總線的數(shù)字形式傳輸，因而大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾性，適宜于惡劣環(huán)境下的現(xiàn)場氣溫檢測。與單片機(jī)8051的插口電路如圖5所示。2．5顯示電路本儀器采用的1601字符型液晶顯示模塊具有容積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富等特性。該模塊的工作電流為5V，并帶有字符對比度調(diào)節(jié)和背光等功能。1601模塊與單片機(jī)的插口電路如圖6所示。軟件設(shè)計該儀器工作流程首先是初始化單片機(jī)、字符液晶和；第二是啟動氣溫轉(zhuǎn)化，發(fā)送匹配命令，挨個將各個采集的氣溫值讀出；第三是啟動A／D轉(zhuǎn)換，采集8個大氣浮力的電流值，并求出平均值；第四，用轉(zhuǎn)換算法將電流值轉(zhuǎn)化成實際的海拔高度，第五是用液晶顯示氣溫和海拔高度。其系統(tǒng)軟件流程圖如圖7所示。在整個系統(tǒng)軟件設(shè)計中，會涉及到一線總線和I2C總線編程技術(shù)。一線總線的讀寫時序操作、搜索算法和匹配算法的實現(xiàn)是系統(tǒng)軟件最為重要的部份。在一線總線程序中，關(guān)鍵是一線總線的總線初始化、讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)時序的實現(xiàn)。本儀器的軟件系統(tǒng)涉及到的命令字有搜索命令(OxF0)、溫度轉(zhuǎn)化命令(0x44)、讀取氣溫命令(0xBE)和匹配命令(0x55)。
產(chǎn)品測試結(jié)果剖析由于玻爾茲曼公式是在假設(shè)大氣濕度為常數(shù)的情況下推論下來的。而實際情況是大氣的氣溫與海拔高度有關(guān)。故在實際檢測的基礎(chǔ)上(兩個儀器測試)，可借助軟件進(jìn)行實驗數(shù)據(jù)剖析。其剖析結(jié)果如圖8所示，這樣就可以找到傳感輸出值與海拔高度的實際對應(yīng)關(guān)系。目前，本產(chǎn)品已在廣東省成都市龍泉山上進(jìn)行了4個不同海拔高度的檢測，其檢測高度與實際高度的對諸如表1所列。結(jié)束語該數(shù)字海拔儀能否精確地測出大氣浮力，并能夠正確地用數(shù)字形式顯示海拔高度和氣溫值。經(jīng)過大量的實地檢測，驗證了文中的海拔高度和大氣浮力轉(zhuǎn)換算法的正確性和儀器精度。該儀器可廣泛使用于野外考察，旅游等民用領(lǐng)域，具有寬廣的市場前景。重要提示:文檔由由文檔精靈上傳，但版權(quán)歸原作者所有。涉及版權(quán)問題請聯(lián)系原作者。歡迎到訪我的豆丁主頁：(文檔精靈)本文格式為WORD，能編輯和復(fù)制，謝謝您的閱讀。