气压高度表设计设计.docx

气压高度表设计设计.docx

《气压高度表设计设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《气压高度表设计设计.docx（47页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

气压高度表设计设计

气压高度表设计设计

大连理工大学本科毕业设计（论文）

大连理工大学本科毕业设计（论文）题目

TheSubjectofUndergraduateGraduationProject（Thesis）ofDUT

气压高度表设计

大连理工大学

DalianUniversityofTechnology

摘要

航空航天事业的日益发展促使航空仪表向着智能化方向发展。

同时新能源在航空领域的应用，小型飞行器的研制使航空仪表出现了向低功耗方向发展的趋势。

气压高度表是一种重要的航空仪表，其主要作用是向载体提供准确的高度数据。

体积小、重量轻、功耗低正成为气压高度表的新的发展趋势。

基于上述原因，本文基于ARM系统的低功耗原理，完成了低功耗气压高度表的研制工作，主要包括整机的硬件设计，软件编程以及从硬件和软件两个角度降低功耗的设计。

该气压高度表主要由数字气压传感器、主控制器、电源管理组成。

主机以意法半导体公司的STM32F103RBT6单片机为核心，直接读取数字气压传感器的气压信号，之后再通过气压与海拔的关系换算得到实际海拔，即高度值。

关键词：

气压高度表，低功耗设计，STM32，小型化设计

Abstract

Aerospacebusinesstothedevelopmentofaircraftinstrumentstointelligentdirection.Atthesametimethenewenergyinaviation,theapplicationofthedevelopmentofsmallaircraftthataircraftinstrumentsappearedtothetrendofthedevelopmentofthedirectionoflowpowerconsumption.Airpressurealtimeterisakindofimportantaircraftinstruments,itsmainfunctionistoprovideaccurateheightdatacarrier.Smallvolume,lightweight,lowpowerconsumptionisbecomingthenewdevelopmenttrendofairpressurealtimeter.

Basedontheabovereasons,thispaperbasedonARMsystemoflowpowerconsumptionprinciple,thecompletionofthelowpowerconsumptionoftheairpressurealtimeterresearchwork,includingthemachine'shardwaredesign,softwareprogrammingandfromtwoaspectsofhardwareandsoftwaredesignofthelowerpowerconsumption.Theairpressurealtimeterdigitalpressuresensor,mainlybymaincontrollerandpowermanagementcomponent.

ThehosttoSTcompanySTM32F103RBT6microcontrollerasthecore,digitalpressuresensordirectlyreadthepressureofthesignal,andthenthroughtheairpressureandelevationoftherelationshipbetweentheactualconversiongetaltitude,namelyhighvalue.

KeyWords：

Pressurealtimeter；Lowpowerdesign；STM32；Miniaturizationdesign

摘要I

AbstractII

1绪论1

1.1气压高度表概述1

1.2气压高度表的发展趋势1

1.3目前气压高度表存在的问题2

1.3.1气压高度表的功耗问题2

1.3.2气压高度表的抗干扰问题2

1.3.3气压高度表的小型化问题2

1.4本课题的意义3

2大气压力高度测量原理4

2.1高度和压力的基本概念4

2.1.1高度的概念4

2.1.2静压的概念和测量5

2.2标准大气压力-高度公式6

2.2.1国际标准大气6

2.2.2大气压力PH与标准气压高度H函数7

3系统硬件方案设计10

3.1单片机的选择10

3.1.1STM32结构概述10

3.1.2STM32单片机特点11

3.2气压传感器13

3.2.1气压传感器概述13

3.2.2气压传感器的校正15

3.2.3二阶温度补偿18

3.2.4气压传感器通信接口19

3.2.4.1传感器初始化20

3.2.4.2传感器原始数据读取20

3.2.4.3传感器修正参数读取20

3.3晶体振荡器设计21

3.4上位机通信设计21

3.5电源设计23

4系统软件设计26

4.1系统整体软件流程26

4.2传感器原始数据读取27

4.3初次校正计算27

4.4二阶温度补偿计算28

结论29

致谢30

附录132

附录235

1绪论

进入新世纪以来，无人机在世界各国得到广泛研究和发展，尤其是微小型无人机以其低成本灵活机动隐蔽性好等优点，在军事和民用方面都获得了广泛应用高度信息作为无人机的一个重要飞行参数，是保障无人机安全飞行以及保证地面操纵人员正确引导并顺利完成飞行任务的关键，要实现无人机的自主着陆，必须精确测量无人机相对于机场跑道平面的高度为了满足飞行控制以及自主着陆对高度表系统的需求，以及高度表系统微型化高精度高实时性的要求，本文设计了以MS5534-BP气压传感器为核心传感器，以STM32F103为数据采集控制器的微小型高度测量系统，并对系统的软硬件设计进行了研究。

1.1气压高度表概述

准确地测量飞机相对于地面某一预定地点的垂直距离即高度，对确保飞机飞行安全和正常飞行是非常重要的。

飞机安全地飞越障碍物，顺利地起飞与着陆需要准确的飞行高度指示；无人驾驶飞机的自动起飞和盲目着陆系统也需要比较精准的高度信号；在空中交通管制方面，高度更是不可缺少的重要参数。

测量飞行高度的仪表即为高度表。

高度表的种类很多，例如雷达高度表，激光高度表、声学高度表、电容高度表等。

虽然都是测量高度，但它们的工作原理和测量范围各不相同。

气压高度表是以压敏元件作为传感器采集大气压力数据，再利用大气压力随高度变化的规律来间接测量载体高度的仪表。

气压高度表是重要的大气数据仪表之一。

目前飞机上所用气压高度表按构造基本可分为机械式和电气式。

它们的共同特点是压力敏感元件均为真空膜盒。

机械式高度表的误差补偿和信号转换均采用机械传动原理制成，利用传动机构和指针指示高度；而电气式高度表则是把压力信号转换为电信号，再经过数据处理给出高度指示。

1.2气压高度表的发展趋势

气压高度表的发展趋势，直接受到应用趋势的影响，其变化趋势主要表现在：

1、市场从仅为飞机等航空器使用拓宽到民用野外勘测。

随着气压高度表的精度和灵敏度的逐步提高，气压高度表逐渐从空中走向地面，用作野外勘测、登山等场合下的高度、气压测量仪表。

地面所用的气压高度表由于使用场合的要求，正向着智能化仪器方向发展。

2、性能上向着低功耗、小尺寸、低成本方向发展。

无论是在航空领域还是地面民用，尤其是地面民用，降低功耗和尺寸，拥有较高的性价比是扩大应用市场的动力。

3、对气压高度表的测高精度要求不断提高。

随着对飞行质量的日益关注，飞机飞行不仅要安全，而且要能发挥飞机的最佳性能，节省飞行油耗。

对气压高度表的测高精度要求不断提高。

传统的机械式气压高度表由于采用机械部件进行传动误差大，精度低，逐渐被电气式气压高度表代替。

利用单片机作为气压高度表的核心是目前电气式气压高度表发展主流。

1.3目前气压高度表存在的问题

虽然气压高度表的研制技术日趋完善，相关产品也已投入使用多年，但随着气压高度表在新领域和新场合的应用，暴露出一些问题需要改进。

1.3.1气压高度表的功耗问题

随着航空航天事业的日益发展和航空航天技术的不断进步，对航空仪表提出了新的更高的要求，要求航空仪表不仅要性能可靠，而且要节能、轻便、环保。

特别是目前新能源在航空领域的开发和利用，使航空仪表出现了向低功耗方向发展的趋势。

如目前正在研制的太阳能无人机晴天采用太阳能供电，夜间、阴雨天采用蓄电池供电，要求持续飞行六个月左右，因此要在此供电方式下保证较长的飞行时间，降低机载仪表的功耗是十分必要的。

目前机载气压高度表多为传统的机械式或电气式，其功耗对于普通飞机虽说微不足道，但对于无人飞机、轻型飞机等新型飞机，传统的气压高度表功耗就显得较大。

地面用气压高度表从可靠、实用、使用成本控制等方面综合考虑，一般都采用普通干电池作为气压高度表的供电电源，但普通的干电池供电容量有限，必须把高度表的功耗降到最低，以延长电池寿命，避免频繁更换电池。

因此如何解决气压高度表的功耗问题，降低气压高度表整体功耗，是气压高度表扩大应用领域，跟上航空航天技术发展的关键问题。

1.3.2气压高度表的抗干扰问题

由于气压高度表直接安装在飞机上，飞机上的电子仪表很多，存在着各种电磁干扰，因此，如何提高气压高度表的抗干扰能力，包括采取软件和硬件的抗干扰措施，使气压高度表的工作性能可靠，输出数据精确稳定，是气压高度表设计中所要重点考虑的问题之一。

1.3.3气压高度表的小型化问题

机载机械式气压高度表结构复杂，体积庞大，不利于安装和维护，不利于飞机节省燃油。

这种高度表对于轻型飞机是非常不适合的，首先体积大意味着占用较大的空间，同时庞大金属结构必然带来很大的重量，加重机载重量，飞机耗油增多。

地面用的气压高度表，多要求能随身携带，“傻、大、笨、粗”型产品不易被用户接受。

因此选用合适的器件，进行小型化设计，减小气压高度表的体积，也是气压高度表设计中的一个十分重要的问题。

1.4本课题的意义

如今在很多航空航天设备上，气压高度计已经成了不可或缺的一项测量仪，高度信息对于无人机来说是一项非常重要的飞行参数，是保障无人机安全飞行以及保证地面操纵人员正确引导并顺利完成飞行任务的关键。

因此气压高度计的发展也越来越受到重视，本文真是针对现阶段气压高度计的发展状况，提出了一种基于数字气压传感器的气压传感器方案，并对其软硬件进行了设计。

2大气压力高度测量原理

2.1高度和压力的基本概念

在重力场中，大气压强与高度呈一定规律变化。

即大气压强随着高度的增加而减小。

气压高度表正是利用这一原理，通过压力感应器测量出大气压强，根据气压与高度的关系，间接计算出高度。

正确地测量高度对保障飞行安全，充分发挥飞机飞行性能，节省油耗具有十分重要的意义。

飞行高度是载体到某一基准水平面的垂直距离，航空器在飞行时需要测量多种飞行高度。

因此在设计气压高度表之前，我们有必要了解相关的高度和压力的基本概念。

2.1.1高度的概念

确定航空器在空间的垂直位置需要二个要素：

测量基准面和自该基准面至航空器的垂直距离。

我国民航飞行高度的测量通常以以下三种气压面作为基准面：

1）标准大气压（QNE）是指在标准大气条件下海平面的气压。

其值为101325帕（或760毫米汞柱或29.92英寸汞柱）。

2）修正海平面气压（QNH）是指将观测到的场面气压，按照标准大气压条件修正到平均海平面的气压。

3）场面气压（QFE）是指航空器着陆区域最高点的气压。

航空器在飞行中，根据对应的不同测量基准面，在同一垂直位置上会有不同的特定名称，高度的概念如下所示。

1）高（Height）：

是指自某一个特定基准面量至一个平面、一个点或者可以视为一个点的物体的垂直距离。

2）高度（Altitude）：

是指自平均海平面量至一个平面、一个点或者可以视为一个点的物体的垂直距离。

3）飞行高度层（FlightLevel）：

是指以1013.2百帕气压面为基准的等压面，各等压面之间具有规定的气压差。

4）标准气压高度：

是指以标准大气压，其值为1013.2百帕（或760毫米汞柱或29.92英寸汞柱）修正高度表压力值，上升至某一点的垂直距离。

5）真实高度：

是指飞行器相对于直下方地面的距离。

6）修正海平面气压高度（修正海压高度或海压高度或海高）：

是指以海平面气压调整高度表数值为零，上升至某一点的垂直距离。

7）绝对高度：

是指飞行器相对于某一实际海平面并用重力势高度表示的高度。

8）相对高度：

是指飞行器从空中到某一既定地面的垂直距离。

9）场压高度（场高）：

是指以着陆区域最高点气压，调整高度表数值为零，上升至某一点的垂直距离，是相对高度的一种。

以上每一种飞行高度都有各自不同而重要的用途，相对高度是飞机起飞、近进着陆时飞行员最为关心的参数，而标准气压高度则是所有航线飞行飞机的共同基准。

此外根据最近制定的《中国民用机场高度表拨正程序和过渡高度层改革方案》，使用气压式高度表表示高时，必须使用场面气压作为高度表拨正值；表示高度时，必须使用修正海平面气压作为高度表拨正值；表示飞行高度层时，必须使用标准大气压作为高度表拨正值。

因此在设计气压高度表时，需要根据不同的基准面，采用不同的计算方法，设计相应的调节功能，根据不同的应用场合给出相应的飞行高度参数，并且辅以高度预警，在到过渡高度或设置高度以下时报警。

2.1.2静压的概念和测量

一、静压的概念

大气压力有两种：

静压和全压。

静压为流体流过物体时垂直于流体流动表面的流体压力，对飞机来说就是飞机飞行面上的大气压力。

全压是静压和冲压的总和，冲压是飞机向前飞行时的速度产生的。

虽然静压每天都在变化，但是在任何时候或地点静压随着高度的减小一般都是连续的。

因而静压测量可以作为压力高度的指示量。

二、静压的测量原理

本文设计的气压高度表测量的大气压强实际上是静压。

静压是飞机周围自由流动空气的绝对压,可用静压作为大气压力代入压高公式计算。

静压的测量原理如图2-1所示。

（a）刚发生流动（b）流动稳定后

图2-1静压测量原理

在沿着空气流动的壁开一个孔来进行，在刚发生流动时图2-1（a）发生绕棱角的流动，渐渐地形成不连续面图2-1（b），孔中的空气静止，产生和不连外侧气流相同的压力，通过孔底的压力导入变换器来测定静压。

2.2标准大气压力-高度公式

2.2.1国际标准大气

大气压强与高度的变化关系受很多因素的影响，如大气温度，纬度，季节等都会导致变化关系发生变化。

因此国际上统一采用了一种假想大气“国际标准大气”，国际标准大气满足理想气体方式，并以平均海平面作为零高度，国际标准大气的主要常数有：

平均海平面标准大气压

平均海平面标准大气温度

平均海平面标准大气密度

空气专用气体常数

自由落体加速度

大气温度垂直剃度β如表（2-1）所示，高度越高温度越低，不同高度层对应不同的温度剃度。

每一层温度均取为标准气压高度的线性函数，即

2-1

式中

和

分别是相应层的标准气压高度和大气温度的下限值，β为温度的垂

直变化率（β＝dT/dH）。

表2-1大气温度、温度剃度与高度的分层

标准气压高度H，公里

温度T，开

温度剃度β，开/公里

-2.00

301.15

-6.50

0.00

288.15

-6.50

11.00

216.65

0.00

20.00

216.65

+1.00

32.00

228.65

+2.80

47.00

270.65

0.00

51.00

270.65

-2.80

71.00

214.65

-2.00

80.00

196.65

2.2.2大气压力PH与标准气压高度H函数

一、压高公式

假设空气为理想气体，并相对与地球为静止大气，即空气没有水平和垂直方向的运动时，那么理论上大气压力与标准气压高度有如下关系：

1）当大气温度对标准气压高度变化时（β＝dT/dH≠0）

2-2

2-3

2）当大气温度对标准气压高度不变化时（β＝dT/dH＝0）

2-4

2-5

式（2-2）～（2-5）中带有b下标的各参数均指相关高度层的下限值。

由上述四式可以看出大气压力随标准气压高度的增加按指数规律变化。

在标准气压高

度的基础上，加上不同基准面之间的高度差，就可以得到满足不同需要的飞行

高度但在实际应用中对于20000m以上的大高度及进近着陆时的小高度，由于原理上的原因，气压高度表的测量精度达不到要求，因此一般这两种应用场合不

用气压高度表测高。

在0～20000m之间有两个高度层，即对流层和同温层。

对

流层的下界海拔高度为0m，同温层的下界海拔高度为11000m。

如果将式（2-3）

和（2-5）中的bP、bT、bH、ng、R和β用标准大气状态下各相应层中的数值代替，可得对流层和同温层的标准气压高度近似式，

当0≤H≤11000m时

2-6

当11000≤H≤20000m时

2-7

二、高度误差修正

标准气压高度公式是在假设空气为理想标准大气下推出的，如果高度表所

在地点的实际大气状况不符合标准大气时，高度表所测的高度值就不能正确反

应所在地点的绝对高度，相对高度或真实高度，存在原理性误差。

原理性误差

主要由海平面大气压力变化、气温变化、温度剃度变化造成，在变化不大的情

况下，它们产生的原理性误差可由标准压高公式的增量方程求得。

增量方程可

表示为式（2-8）。

2-8

式中：

（仪表值减真实值），

（计算值减真实值），

（计算值减真实值），

（计算值减真实值）。

下面仅在0～11000米高度范围内，给出误差修正公式（β=0.0065）

1、修正由海平面大气压力改变引起的高度误差

，按公式（2-9）修正：

2-9

式中：

，

为海平面标准大气压（101325Pa），

为真实海平面大气压，H为仪表指示高度。

2、修正由海平面大气温度改变引起的高度误差

，按公式（2-10）修正：

2-10

式中：

，

为海平面标准温度（288.15K），

为海平面实际温度。

但是有时海平面的实际温度无法知道，由于

，因此可以用式近似计算实际的绝对高度H‘：

2-11

式中：

H和

分别为气压高度表的指示数和大气环境温度。

这两个值可以较为容易地获到，从而方便地进行误差修正。

3、温度剃度β变化引起的误差原则上可以分析，但实际上即使粗略地了解β的真实变化也是很困难，其定量计算几乎是不可能的。

因此，通过分析得出，本设计中的气压高度表所要修正的原理性误差为大气压力变化产生的高度误差

和大气温度变化产生的高度误差

之和，而忽略由于β变化引起的高度误差。

3系统硬件方案设计

本款气压高度表是面向无人飞机或其他航天设备设计的，由于高空的温度较低，机械振动、冲击加大，工作环境十分恶劣，因此在选择器件时还需要考虑到工作环境的影响，根据使用现场的条件选择可靠性高的器件。

对系统的抗干扰性，稳定性等指标有较高要求，另外，低功耗也是系统设计的一个重要指标。

3.1单片机的选择

通过以上的应用分析，我们最终选择了抗干扰能力，功耗情况，芯片速度和芯片外设等方面均符合本系统设计要求的STM32单片机。

3.1.1STM32结构概述

STM32系列是基于CortexM3核的微控制器，它在CortexM3内核的基础上扩展了高性能的外围设备。

CortexM3是ARM公司最新推出的基于ARMv7体系架构的处理器核，具有高性能、低成本、低功耗的特点，专门为嵌入式应用领域设计。

ARMv7架构采用了Thumb2技术，它是在ARM的Thumb代码压缩技术的基础上发展起来的，并且保持了对现存ARM解决方案完整的代码兼容性\[3\]。

Thumb2技术比纯ARM代码少使用31%的内存，减小了系统开销，同时能够提供比Thumb技术高出38%的性能。

在中断处理方面，CortexM3集成了嵌套向量中断控制器NVIC（NestedVectoredInterruptController）。

NVIC是CortexM3处理器的一个紧耦合部分，可以配置1~240个带有256个优先级、8级抢占优先权的物理中断，为处理器提供出色的异常处理能力。

同时，抢占（Preemption）、尾链（Tailchaining）、迟到技术（Latearriving）的使用，大大缩短了异常事件的响应时间。

CortexM3异常处理过程中由硬件自动保存和恢复处理器状态，进一步缩短了中断响应时间，降低了软件设计的复杂性。

CortexM3体系架构提出了新的单线调试技术，CortexM3处理器的跟踪调试是通过调试访问端口（DebugAccessPort，DAP）来实现的。

DAP端口可以作为串行线调试端口（SWDP）或串行JTAG调试端口（SWJDP，允许JTAG或SW协议）使用。

其中SWDP只需要时钟和数据2个引脚，实现低成本跟踪调试，避免使用多引脚进行JTAG调试，并全面支持RealView编译器和RealView调试产品。

此外CortexM3还具备高度集成化的特点，大大减小了芯片面积，内部集成了许多紧耦合系统外设，合理利用了芯片空间，使系统满足下一代产品的控制需求。

STM32系列是基于CortexM3核的微控制器，它在CortexM3内核的基础上扩展了高性能的外围设备。

本系统采用的STM32F103RBT6芯片具有72MHz的最高主频，零等待的内存读取，单周期的乘除法计算，128KB的存储器空间，20KB的RAM空间，具有停止模式、睡眠模式和待机模式可提供高性能的低功耗模式，两个12位精度AD转换器，7通道DMA控制器，支持外设ADC,SPC,USART等，3路16位定时器，每个定时器包含4路输入捕获输出比较单元，一路高级16位定时器，可产生6路PWM信号，包含IIC,USART，SPI，CAN,USB等总共9个通信接口。

图3-1STM32F10X系列系统结构图

3.1.2STM32单片机特点

STM32的特点很多，本系统选择STM32主要考虑其以下几个方面

的特点：

1、集成度高，供电电压低

STM32是完全集成的混合信号系统级芯片，片内集成了ADC、温

度传感器、SPI、定时器等模拟和数字外设，这些功能部件的高度集成为系统减

小体积，降低功耗，提高可靠性提供了方便。

同时STM32摆脱了5V供电标

准，供电电压范围低至2.0V～3.6V之间，根据功耗与电源电压平方成正比的关