基于单片机的无人机气压高度测量系统的设计

StepPeng33

摘要:介绍了一种基于C8051F352型单片机的无人机高度传感器测量系统的设计及实现过程,详细论
0 H/ x4 p$ T1 ?! v! I; ^* O述了系统硬件、软件及温度补偿算法的设计原理、程序流程图等。通过对压力传感器的温度补偿、气压
-高度的非线性拟合, 解决了传感器的温度漂移,提高了系统精度;并利用单片机的SPI和UART串口
总线分别实现了温度、高度的实时显示及与.上位机的通信。该系统具有电路结构简单、体积小、精度高、
效率高、稳定性高的特点。
关键词:压力传感器;温度传感器;C8051F352微控器;温度补偿
气压高度信息作为无人机的一个重要飞行状态参
数,它是保障飞机安全飞行以及保证地面指挥和操纵
3 E, e+ W, ~7 n7 y' S+ p# Y人员正确引导飞行并顺利完成飞行任务的关键。现代
微电子技术和计算机技术的发展极大地推动了航空测
' f1 }- B; b$ f5 D: v9 u4 @6 N# t8 [$ s- W试技术的发展,并使常规的测试原理和系统设计发生
了重大变化。以下基于C8051F352单片机介绍了一
- E0 j. [1 _, a$ \7 Z4 t7 o种带温度补偿的无人机气压高度测量系统的设计,对
. i  D) o/ ?: u! A% W" ~* e8 P" e7 \/ j于此气压高度测量系统要求整个系统在经过温度补偿
$ p( H- c4 R- @4 C! {$ G3 k后的处理精度在1 m之内。

1气压高度测量的原理
根据国际标准化组织制定的《国际标准IS02533
7 B5 c7 ^3 c+ j' l-标准大气》,可以得到在-2000~80000m高度范围
* Y- u  h( [. O5 D内重力势高度H和相应高度上的大气压力Pr间的关
系式,由于重力势高度常称为标准气压高度,所以将相
应的公式称为标准气压高度公式,即.
式中,R=287.05287 m'/(K . g2),为空气专用气体.
数;g. =9. 80665(m/s2 ),为自由落体重力加速度;β为
温度垂直变化率(β =d,/d#) ;T、H,、P,为国际标准大
0 _1 z% ]2 }3 ]. \$ `气采用的高度分层中相应层的大气温度、标准气压高
$ ]2 W4 X' p2 c6 D6 W度和大气压力的下限值,如表1所示川"。
/ h0 m- d4 V: B" u0 ?' h由于该测量系统设计的测量高度范围- 300 ~
5700 m ,所以表1只给出了相应分层的参数值,将这
- W2 I$ a* t3 o/ S些参数代人式(1),即可得到该分层的大气压力和气

2系 统组成及工作原理.
该无人机气压测量系统主要由压力传感器,温度
9 T4 ]  p: e$ T. {1 s, Y传感器.信号调理电路,单片机采样处理电路,数码驱
; n0 F0 `, l! N0 ~6 j" R( V1 N: c动显示电路,串口转换电路等组成。原理如图1所示。
# c# t3 O0 i3 R! c& a/ B数码显示k=- L显示驱动.
! r! Z! T+ c9 `# \图1系统原理图
2 Y4 m! D- W' D; h温度传感器和压力传感器将其所测量的模拟信号
; S0 z" w7 V7 ]+ H经滤波,调零放大等处理后,产生满足单片机A/D采
样的信号,单片机对所测量的压力信号进行温度补偿，
数据处理,转换成高度信号和温度信号显示，并通过
$ S) Z6 _6 O& n) u6 Z/ K# vRS232串口把数据显示保存在上位机上。
3系统硬件设计
. J5 R1 B5 t' [+ ?系统包含AD590温度传感器、ASDX015A24R气
) U. w% V$ g; d- L压传感器、微控制器C8051F352、电源模块、MAX7219
显示驱动模块,SP3223串口转换模块等。
' e, t* s  g7 \3.1 ASDX015A24R 气压传感器
ASDX015A24R型压力传感器是Honeyewell公司
4 C1 k! f6 V* R, g3 l9 p  O) L生产的双列直插型绝压传感器,量程为0-15 pai(1
pei = 6894.76 Pa) ,传感器的精度在+2.0%以内,内置
7 F. p. g8 v" Y* K放大电路,传感器的工作特性是采用单一的5 V电源
( B2 |% p9 ?; _1 k7 k1 {: Z供电。该传感器自带温度补偿，又需再进行温度补偿,
# k  T2 k, z, j& z* @  f4 ~+ J, @% q在负温时误差乘1.5即可。
3.2微控制器C8051F352
& N, {& S7 [; _9 \8 jC8051F352型单片机是美国Silicon Labs 公司最
新推出的一款混合信号片上系统型单片机芯片，可以
' r  G- G! B) Z& Z# E7 k: U6 w' d0 d工作在-40~ +85 C温度范围,它内部集成16位或
24位的模数转换器，可以任意设定在某个或某几个
7 c3 L, s7 y6 h端口上，非常适用于多路模拟数据采集系统。本系统
( l* q, P: Y# m4 H! b7 i( T设计中使用了其中AINO和AINI两个通道，分别用于
9 Z: c" K# ]1 n0 t) j! n" \温度模拟量和压力模拟量的输入。


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Racheler

温度传感器和压力传感器将其所测量的模拟信号经滤波