一种气压测量系统设计

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
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/263365.htm
　　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。
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3.3 温度补偿程序设计
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　　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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相关导读：STM32：http://www.eepw.com.cn/tech/s/k/STM32