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
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、
8 j% p4 G6 ]6 D" `7 f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
& t+ E8 ?* M+ @  Q/ m4 f数,它是保障飞机安全飞行以及保证地面指挥和操纵
+ o2 B2 u% v6 v/ S3 ^. V5 K人员正确引导飞行并顺利完成飞行任务的关键。现代
. E8 v/ p+ z6 `/ [4 f( L, }微电子技术和计算机技术的发展极大地推动了航空测
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
种带温度补偿的无人机气压高度测量系统的设计,对
5 {$ D, O8 g% o7 k2 S于此气压高度测量系统要求整个系统在经过温度补偿
- [9 k4 x+ _* k2 d' C后的处理精度在1 m之内。

' H+ e. Z$ s# F" [5 D! z7 Q# \1气压高度测量的原理
; l  f4 n) U* b' r# o根据国际标准化组织制定的《国际标准IS02533
8 q  j& a! c2 N. }-标准大气》,可以得到在-2000~80000m高度范围
内重力势高度H和相应高度上的大气压力Pr间的关
' ?) L3 }- v2 }/ Z5 Z, o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
气采用的高度分层中相应层的大气温度、标准气压高
5 r4 n% }3 A" c: c度和大气压力的下限值,如表1所示川"。
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
7 L; _2 U# I9 Z; [" P  B7 t些参数代人式(1),即可得到该分层的大气压力和气
: ~# A" X9 }+ ~1 r8 B  q3 f
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
, [# W( \2 B6 v+ Y传感器.信号调理电路,单片机采样处理电路,数码驱
动显示电路,串口转换电路等组成。原理如图1所示。
' m1 W2 `/ i2 p8 {5 F数码显示k=- L显示驱动.
( I* o7 n& U8 h8 v* A8 N8 e* ^图1系统原理图
温度传感器和压力传感器将其所测量的模拟信号
3 K9 h# w. ^& G: T3 v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，
& s7 W0 X5 r8 @; {数据处理,转换成高度信号和温度信号显示，并通过
RS232串口把数据显示保存在上位机上。
$ g7 ?; h7 }7 `5 j4 V3系统硬件设计
系统包含AD590温度传感器、ASDX015A24R气
压传感器、微控制器C8051F352、电源模块、MAX7219
# C7 I# ^* v6 ]6 v  H: Z( }显示驱动模块,SP3223串口转换模块等。
3.1 ASDX015A24R 气压传感器
- U* W# J4 R% m! S6 ]# `6 M2 ZASDX015A24R型压力传感器是Honeyewell公司
8 Q5 e1 p6 c4 r$ u) n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
放大电路,传感器的工作特性是采用单一的5 V电源
供电。该传感器自带温度补偿，又需再进行温度补偿,
在负温时误差乘1.5即可。
3.2微控制器C8051F352
C8051F352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
工作在-40~ +85 C温度范围,它内部集成16位或
" {/ U* n5 c7 V9 `, X. S8 B24位的模数转换器，可以任意设定在某个或某几个
端口上，非常适用于多路模拟数据采集系统。本系统
3 q0 j. X3 t7 J% N设计中使用了其中AINO和AINI两个通道，分别用于
& F( r1 C! u  m( X* F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