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。
2.3 A/D轉換電路
本儀器中的A/D電路采用Microchip Technology公司的12位低功率模數轉換器MCP3221。MCP3221是連續的近似值12位逐次逼近式A/D轉換器。采用2線串行和I2C兼容的接口。MCP3221采用單電源工作，故可簡化電路設計。該器件可在較大的電壓范圍內工作(2.7～5.5 V)，同時片內還具有采樣保持電路和自定時轉換功能，其采集時間和轉換可利用內部時鐘定時。每次轉換后，可將結果存在12位的寄存器里，并按照I2C總線時序讀取A/D轉換的值。當MCP3221采用快速轉換模式并且時鐘速率為400 kHz時，其最大的采樣速率可達22.3 ksps。在硬件電路上，MCP3221的電源電壓必須具有較小的紋波且保持穩定，這樣，A/D的誤差才會小。MCP3221的SCL和SDA引腳需上拉10 kΩ電阻后再與單片機I/O相接。MCP3221與8051單片機的接口電路如圖4所示。
2.4 溫度采集電路
本文介紹的海拔高度測量儀器的溫度采集電路采用Dallas半導體公司的一線式數字溫度傳感器DS18B20。數字式溫度傳感器DS1820是世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器，它可采用一根信號線來實現信號的雙向傳輸，并具有接口簡單，節省I/O口線，便于擴展和維護等優點。DS18B20的測量溫度范圍為-55～+125℃，在-10～+85℃范圍內，其精度為±0.5℃。現場溫度直接以“一線總線”的數字方式傳輸，從而大大提高了系統的抗干擾性，適合于惡劣環境下的現場溫度測量。DS18B20與單片機8051的接口電路如圖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體積小、功耗低、顯示內容豐富等特點。該模塊的工作電壓為5 V，并帶有字符對比度調節和背光等功能。1601模塊與單片機的接口電路如圖6所示。
3 軟件設計
該儀器工作流程首先是初始化單片機、字符液晶和DS18B20;第二是啟動溫度轉化，發送DS18B20匹配命令，逐個將各個DS18B20采集的溫度值讀出;第三是啟動A/D轉換，采集8個大氣壓強的電壓值，并求出平均值;第四，用轉換算法將電壓值轉化成實際的海拔高度，第五是用液晶顯示溫度和海拔高度。其系統軟件流程圖如圖7所示。
在整個系統軟件設計中，會涉及到一線總線和I2C總線編程技術。一線總線的讀寫時序操作、搜索算法和匹配算法的實現是系統軟件最為重要的部分。在一線總線程序中，關鍵是一線總線的總線初始化、讀數據和寫數據時序的實現。本儀器的軟件系統涉及到DS18B20的命令字有搜索命令(OxF0)、溫度轉化命令(0x44)、讀取溫度命令(0xBE)和匹配命令(0x55)。
4 產品測試結果分析
因為玻爾茲曼公式是在假定大氣溫度為常數的情況下推導出來的。而實際情況是大氣的溫度與海拔高度有關。故在實際測量的基礎上(兩個儀器測試)，可利用MATLAB軟件進行實驗數據分析。其分析結果如圖8所示，這樣就可以找到傳感器輸出值與海拔高度的實際對應關系。目前，本產品已在四川省成都市龍泉山上進行了4個不同海拔高度的測量，其測量高度與實際高度的對比如表1所列。
5 結束語
該數字海拔儀能夠精確地測出大氣壓強，并能夠正確地用數字方式顯示海拔高度和溫度值。經過大量的實地測量，驗證了文中的海拔高度和大氣壓強轉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，旅游等民用領域，具有廣闊的市場前景。