基于MS5534B的气压高度计系统的设计

　　2.1 温度补偿

　　大气压力p与温度T成线性关系，温度传感器输出电压与测量温度也成线性关系。设x为在参考温度附近温度的微小变化量，在(p2，T1)、(p2，T2)、(p1，T2)、(p1，T1X)、(p1，T2X)下，压力传感器的输出电压值分别为Up2T1、Up2T2、Up1T2、Up1T1X、Up1T2X，温度传感器在T1X、T1、T2X、T2下输出电压值分别为己UT1X、UT1、UT2X、UT2，则压力传感器在(p1，T1)下输出的电压值为

　　在实际温度下，温度传感器相对于在参考温度下输出电压的变化量dUT为

　　式中：UpT是压力传感器在压力为p、温度为T下输出的电压值。ST1、O1、CS、CT、UT1、温度系数存储在数据存储器PROM中。 

　　2.2压力值滤波

　　为了实现高精度，采用低通滤波避免噪声的干扰，将普通硬件RC低通滤波器的微分方程用差分方程来表示，便可以用软件算法来模拟硬件滤波的功能。经推导，低通滤波算法为

　　式中：Yn为本次滤波输出值；Xn为当前读出的数据；Yn-1为上次滤波输出值；a是介于0～1的滤波系数，为了兼顾系统的稳定性和响应速度，a取0.25。 

　　2.3压力-高度的转换

　　由于空气具有可压缩性，海拔高度与大气压力成非线性关系。在0～11 km的海拔高度范围内忽略重力加速度的变化，高度H与压力p、温度T0的关系为

　　式中：p0=101.324 kPa，是标准海平面的大气压，对应的气压高度为0；R为空气气体常数，R=287.052 78 m2／(K·s2)；g0=9.806 65 m／s2，为标准海平面的重力加速度；β=0.006 5 K／m，为温度垂直变化率；T0=273.16 K，为标准海平面的温度。
　　由式(12)可得气压高度微分式为

　　利用式(12)计算一个基准气压平面对应的基准高度Hb，再利用式(13)计算相对基准气压平面的相对高度dH，从而得到当前气压高度为

　　若能提高气压变化量dp的测量灵敏度，则相对高度的测量分辨率和精度就都能得到提高。在标准海平面附近，a=-78.91 m／kPa。系统初始化时计算1次基准气压平面高度，对应的系数a用于计算相对高度。在海拔2 km以下，若气压变化小于1 kPa，系数a的近似误差小于1％；若高度变化小于100 m，对应的近似原理误差小于1 m；若气压变化超过1 kPa，可设定当前气压平面为新的基准气压平面并重新计算系数a，将气压变化量dp归0，并将当前高度H作为基准气压平面的高度H，以避免高度值输出不连续。 

　　3 结果与分析

　　气压高度计样机如图4所示。以一楼为基准平面，用气压高度计测量高楼每层到基准平面的高度，每层测量5次，得到的测量高度Hm与实际高度Hr的实验曲线见图5，平均标准偏差为0.2 m，线性度为0.999 9。这说明该气压高度测量系统比常规高度计精度提高了1个数量级。由此看来，基于MEMS技术的数字压力传感器MS5534B具有很高的集成度，减小了硬件电路本身的误差；另一方面，采用了相关的温度补偿算法、滤波算法以及压力-高度转换算法，避免了温度变化和气压扰动的影响，有效减小了整个系统的噪声，显著提高了高度计的测量精度。

　　4 结 语

　　本文介绍了一种基于MS5534B的新型气压高度计，利用数字传感器和单片机相结合，用软件进行数据处理，具有较高的精度和较强的抗干扰能力，且体积小、重量轻、功耗低，真正实现了微型化。它是MEMS技术在航空领域的又一应用，将具有广泛的应用前景。