Lab2 / Литература / Описания датчиков / Шумков А., Применение датчиков давления в системах навигации

ИНЖЕНЕРНАЯПРАКТИКА	А. Шумков	CHIP NEWS

Применение датчиков давления в системах навигации

Любой навигационной системе, установленной на летательных объектах, необходимо определять свое положение относительно поверхности Земли. Применение электронного высотомера на основании датчика давления является эффективным решением данной проблемы в большом диапазоне высот. В данной статье рассмотрена задача построения высотомера с точностью до ±0,1 м.

ВВЕДЕНИЕ	• Истинная высота Нèñò. — отсчитыва-
	ется от точки земной поверхности,
арометрические высотомеры исполь-	находящейся под летающим объек-
Áзуются в воздухоплавании очень дав-	òîì;
но. Изначально это были тяжелые гро-	• Относительная Нîòí. — от условного
моздкие механические приборы со стре-	уровня (аэродрома, цели и др.);
лочным индикатором. Эти приборы были	• Абсолютная Нàáñ. — от уровня моря;
тяжелы в настройке, имели небольшую	• Высота эшелона Нýø. — от условно-
точность и не могли учитывать влияние	го уровня,	который					соответствует
температуры. Электронный высотомер	стандартному атмосферному давле-
имеет огромное количество преиму-	íèþ 760 ìì ðò. ñò.
ществ: устойчивость к вибрации и уда-
рам, возможность автоматической
установки на ноль, возможность автома-	ИЗМЕНЕНИЕ АТМОСФЕРНОГО
тической корректировки, прямой интер-	ДАВЛЕНИЯ С ВЫСОТОЙ
фейс с электронной системой навига-
öèè.	арометрический метод измерения
	Áвысоты основан на использовании
	закономерного изменения атмосферно-
ИЗМЕРЕНИЕ ВЫСОТЫ	го давления с высотой. Зависимость
	давления воздуха от высоты до 11000 м
ысотой полета принято называть	выражается барометрической форму-
Âрасстояние до летающего объекта,	ëîé
отсчитанное по вертикали от некоторого
уровня, принятого за начало отсчета. В							1
воздухоплавании принята классифика-	P = P			t	гр	H		Rtгр
			1−
ция высот полета по уровню начала от-	H	0			T0		.

счета (рис. 1):

Или, выразив высоту:

	P		Rtгр		T
H = 1−		H				0	,
		P			tuh
		0			ãð

где R — газовая постоянная (29,27 м/град); PH — давление на высоте полета; P0 — давление на уровне начала отсчета; T0 — температура на уровне начала отсче- та; tãð — градиент изменения температуры с высотой (0,0065 град/м).

Если принять параметры P0, T0 è tãð постоянными, то проблема вычисления высоты сводится к проблеме измерения атмосферного давления.

ОСНОВЫ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ

Ñреди огромного множества датчи- ков давления рассмотрим интегральные полупроводниковые датчики. Они отличаются миниатюрными габаритами и малым весом, что чрезвычайно важно при применении в бортовых системах навигации летательных аппаратов. Существует несколько типов дат- чиков: датчики дифференциального дав-

				Изменение
			Рисунок 2
				атмосферного
Рисунок 1	Классификация высот полета			давления с высотой

18

www.chip-news.ru

			ИНЖЕНЕРНАЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКА				ИНЖЕНЕРНАЯПРАКТИКА
ления, датчики вакуума, датчики избы-					В одном из входов датчика создает-	давления с диапазоном измерения от
точного давления и датчики абсолют-					ся опорное давление, относительно ко-	15 до 115 кПа. Датчик имеет внутрен-
ного давления. Первым вопросом при					торого будут производиться измерения.	нюю схему усиление и выходной сигнал
проектировании высотомера стано-					Такое устройство позволяет производить	от 0,2 до 4,8 В. Использование датчика
вится выбор типа датчика измерения					механическую регулировку нуля и учи-	со встроенной схемой усиления позво-
давления. Как видно на рис. 2, из баро-					тывать только необходимый диапазон	ляет избежать проблем с температур-
метрической формулы можно опреде-					измерения. Но существует недостаток,	ной компенсацией, уменьшить габариты
лить необходимый диапазон измерения.					из-за которого применение такой схе-	устройства и упростить разработку. Для
При максимальной высоте, на которой					мы в бортовых системах становится не-	простоты конструкции и уменьшения сто-
действует формула (11000 м), атмосфер-					возможным. Опорное давление в замк-	имости изделия оцифровка выходного
ное давление составит около 23,5 кПа					нутом объеме трубки и входе датчика	сигнала датчика осуществляется с по-
(176,25 мм рт. ст.), на глубине же в 1000 м					очень сильно изменяется с температу-	мощью встроенного в микроконтроллер
оно составит около 112 кПа (840 мм					рой. Изменение эти настолько сильные	ATMega16 10-разрядного АЦП. Встро-
рт. ст.), при атмосферном давлении на					и быстрые, что полезная зависимость	енное АЦП является дифференциальным
нулевом уровне — равном 100 кПа (750 мм					изменения давления становится нераз-	и имеет три уровня программируемого
рт. ст.). Разрешающая способность по-					личимой.	коэффициента усиления (Ч1, Ч10, Ч200).
лупроводниковых датчиков давления не					Правильным является использование	В навигационных системах требование
отмечена в спецификациях фирм-произ-					датчиков абсолютного давления (рис. 4).	к точности измерения высоты различно,
водителей (Motorola, Honeywell). Счита-					В таких датчиках в качестве опорного	в зависимости от высоты над поверхно-
ется, что ограничение на разрешающую					давления используется нулевое давле-	стью Земли. Так, вблизи поверхности Зем-
способность накладывается только элек-					ние или вакуум. Его свойства не изме-	ли требуется как можно большая точ-
троникой.					няются с температурой. Такой способ	ность, а на значительной высоте это
			Рассмотрим возможность примене-		исключает возможность механической	требование ослабевает. Наличие у
ния датчиков дифференциального дав-					настройки нуля и вынуждает учитывать	АЦП программируемого коэффициен-
ления для измерения высоты. На рис. 3					весь диапазон датчика.	та усиления и дифференциального вхо-
приведена измерительная схема на						да позволяет осуществлять измерение
основе датчика дифференциального дав-						с различной точностью на разных высо-
ления.					КОНСТРУКЦИЯ ВЫСОТОМЕРА	тах. Рассмотрим этот механизм более
						подробно. Так как датчик измеряет аб-
					ассмотрим вариант недорогого, ком-	солютное давление и его выход на ну-
					Ðпактного и простого в изготовлении	левой высоте не равен нулю, а наобо-
					электронного высотомера на базе по-	рот, ближе к максимальному значению
					лупроводникового интегрального датчи-	выхода (около 4 В при атмосферном дав-
					ка MPX4115A фирмы Motorola.	лении в 100 кПа), то необходима схема
					Для построения цифрового высото-	вычитания напряжений для использова-
					мера предлагается использовать схему	ния программируемого коэффициента
					на рис. 5. В основе устройства лежат:	усиления. Только тогда при усилении не
					датчик MPX4115A фирмы Motorola, дат-	будет выхода за допустимый диапазон
					чик температуры TMP36 фирмы Analog	напряжений АЦП. Наличие у АЦП диф-
					Devices (точность ±1°С), 8-бит микрокон-	ференциальных входов позволяет легко
					троллер ATMega16 фирмы Atmel и ЦАП	осуществить вычитание напряжений. В
					DAC7513N фирмы Texas Instruments.	качестве формирователя вычитаемого
					MPX4115A — это датчик абсолютного	напряжения рекомендуется использо-
				Высотомер на
		Рисунок 3
				основе датчика
		дифференциального давления

	Высотомер на
Рисунок 4
	основе датчика
			Схема цифрового высотомера
абсолютного давления		Рисунок 5

19

Chip News #8 (91), 2004