楊云楓

(萬威科研有限公司研發(fā)部，廣東深圳 518102)

高度計(jì)就是利用大氣壓的變化規(guī)律，來測量所在地的海拔高度和大氣壓變化，以及測量因地域變化發(fā)生的相對高度。一般適用于戶外活動者，包括登山、攀巖、滑雪運(yùn)動、外出旅行等。針對當(dāng)前氣壓高度計(jì)產(chǎn)品絕對高度測量誤差大、功能單一、體積大、耗電高不便攜帶等缺點(diǎn)，基于VTI公司推出的SCP1000－D11氣壓傳感器微小的尺寸，4種測量模式的切換等特點(diǎn)，采用氣壓數(shù)據(jù)與氣壓轉(zhuǎn)換高度軟件算法改進(jìn)設(shè)計(jì)。并在硬件設(shè)計(jì)上增加了背光顯示，鬧鐘功能［1］。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為使系統(tǒng)更精簡、經(jīng)濟(jì)與實(shí)用，采用4位的OKI MCU ML63189B，SCP1000－D11傳感器作為一個(gè)Slave，通過I2C接口與MCU的I/O通訊。增加了時(shí)鐘計(jì)時(shí)、秒表、鬧鈴與背光顯示功能。通過有5個(gè)Key的按鍵操作與相應(yīng)的軟件實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互［2］。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)包含有MCU基本功能，按鍵操作、背光驅(qū)動顯示、鬧鐘與發(fā)聲功能、高度、溫度與時(shí)鐘LCD顯示，SCP1000－D11氣壓傳感器與MCU接口模塊。OKI ML63189B 有 4 bit、32 kB Word ROM、1.5 kB Word RAM/64 ×16 bit LCD ICONS［3］。MCU 高速時(shí)鐘選擇外接精密電阻100 kΩ，確保氣壓數(shù)據(jù)處理與通訊需要。按鍵外接VDD，MCU接口為外部中斷功能引腳PB.3，PO口，內(nèi)接下拉電阻，當(dāng)按鍵按下時(shí)為上升沿觸發(fā)。鬧鐘驅(qū)動鏈接 MCU 91PIN MD引腳，通過一個(gè)BC847BW NPN三極管驅(qū)動蜂鳴片工作。SCP1000－D11共有16個(gè)引腳，有7個(gè)I/0型引腳，電源型引腳9個(gè)。其接線如圖2所示，用單一電源供電，TRIG外部觸發(fā)低功耗模式，設(shè)計(jì)中該引腳則接至DVSS。DRDY為輸出中斷信號，用以提示用戶溫度和壓力值已經(jīng)測量，可讀取。PD引腳為高電平可使SCP1000－D11長時(shí)間保持低功耗模式。DRDY－PIN，PD分別接PB.0，P9.0。SCK、SDA、MISO和CSB引腳組成了數(shù)據(jù)通訊線。該MCU無專用I2C接口I/O，其PA.0，PA.1作為SCL，SDA與氣壓傳感器通訊線，因 SDA為OPENDRAIN輸出，其線外接上拉電阻10 kΩ。MISO－PIN開路，CSB－PIN接VDD。

圖2 SCP1000－D11接線圖

如圖3為EL(背光片)驅(qū)動電路［4］，應(yīng)用 SP4403 MSOP－8封裝，電路圖中的電感量與電容可根據(jù)EL(背光片)大小調(diào)整在功耗和亮度之間取得平衡。通過MCU I/O P9.0控制一開關(guān)管使其正極電源在所需時(shí)接通，一般持續(xù)點(diǎn)亮約3 s為省電。

圖3 SP4403接線圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整體軟件設(shè)計(jì)采用匯編與高級C語言。其包含有時(shí)鐘顯示、按鍵功能、溫度、高度、背光及提示音響鬧等軟件模塊。初始化程序包括MCU，I/O接口狀態(tài)設(shè)置、LCD驅(qū)動、時(shí)鐘、氣壓傳感器初始化等。正常顯示在時(shí)鐘模式，Mode為功能選擇鍵，Set為每一具體功能設(shè)置鍵，通過Up，Down鍵可進(jìn)行具體數(shù)值快速設(shè)置，El為背光按鍵。

圖4 高度模式軟件流程

當(dāng)按鍵Mode選擇進(jìn)入高度模式時(shí)，默認(rèn)值為超低功耗模式，由于每種模式的數(shù)據(jù)讀取頻率不同，因此也可根據(jù)實(shí)際情形轉(zhuǎn)換高分辨率與高速測量模式。并可通過氣壓傳感器3種數(shù)據(jù)讀取頻率模式轉(zhuǎn)換可間接選擇測量精確度。DRDY－PIN對MCU PB.0發(fā)出數(shù)據(jù)準(zhǔn)備請求中斷，此時(shí)Status寄存器Bit5變?yōu)?，讀取寄存器Datard8與Datard16共19位有效氣壓數(shù)據(jù)。得到的十進(jìn)制的原始數(shù)據(jù)需根據(jù)下式轉(zhuǎn)換為氣壓單位是Pa數(shù)據(jù)值

其中，Pres［dec］是十進(jìn)制的原始數(shù)據(jù)［5］。得到的氣壓數(shù)據(jù)由于SCP1000－D11氣壓傳感器內(nèi)含溫度補(bǔ)償，不作修正。因此可根據(jù)式(2)換算為當(dāng)前氣壓下的高度［6］

當(dāng)起步所處參考位置較低時(shí)，此時(shí)式中 Pa=101.324 kPa是標(biāo)準(zhǔn)海平面的大氣壓，對應(yīng)的氣壓高度Ha為0;R為空氣氣體常數(shù)，R=287.052 78 m2/(K·s2);g=9.80 665 m/s2為標(biāo)準(zhǔn)海平面的重力加速度;β=－0.006 5 K/m為溫度垂直變化率Ta=273.16 K為標(biāo)準(zhǔn)海平面的溫度。Pb是所處位置氣壓。如能了解參考點(diǎn)的真實(shí)標(biāo)高則可直接設(shè)置Ha，可避免高海拔時(shí)由于當(dāng)?shù)睾Ｆ矫娴臍鈮号c溫度有較大浮動時(shí)而引起的原理性誤差。

經(jīng)過實(shí)際登山測試，絕對高度誤差可達(dá)到±10 m，240 mA/3 V的紐扣電池最少可使用一年。

［1］黨緯，黃圣國.數(shù)字式高度氣壓計(jì)的設(shè)計(jì)［J］.測控技術(shù)，2004，23(12):13 －15.

［2］姚怡，黃智剛，李銳.便攜式氣壓高度計(jì)研制及誤差修正技術(shù)研究［J］.遙測遙控，2009，30(6):48 －51，65.

［3］OKI Semiconductor.ML63189B datasheet［M］.USA:OKI Semiconductor，1999.

［4］VTI Technologies.SCP1000 serials prduct family specification［M］.USA:VTI Technologies，2008.

［5］SIPEX Corporation.SP4403 datasheet［M］.USA:SIPEX Corporation，2000.

［6］孟洪兵，陳熙源.基于單片機(jī)的氣壓式高度計(jì)設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34(12):200 －202，205.