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基于數字氣壓傳感器實現氣壓測量儀的設計

電子設計 ? 來源:電子設計工程 ? 作者:沈宗月,曹云峰 ? 2020-07-14 07:02 ? 次閱讀

1、引言

氣壓測量在儀器儀表、醫療衛生、氣壓計、高度計等工業設備中有著廣泛的應用。而選擇速率快、精度高的傳感器是實際工程應用的關鍵。結合課題組的研究任務,文中主要介紹一款高精度、高分辨率和低功耗的數字氣壓傳感器SCP1000-D01。該器件可用于微型或者小型無人機制造氣壓計,易于操作,便于攜帶。

2、性能特點和引腳功能

SCP1000-D01是芬蘭VTI公司的革命性產品。這款基于D-MEMS技術的絕對壓力傳感器能在正常條件下達到亞米級別的分辨率和1 m的精度,適合許多商用場合。

SCP1000-D01提供了高精度、高速、低功耗和超低功耗四種測量模式。用戶可以根據需要自行選擇測量方式。本系統設計應用于無人機上,對速度有相當高的要求,所以綜合考慮選擇了高速模式。通訊接口采用SPI接口。

對于氣壓傳感器應用,最重要的是精度高,這樣才能夠滿足實際需求。SCP1000-D01的絕對壓力精度在-100 Pa~+100 Pa,約-8.5 m~+8.5 m,其溫度精度為1℃~2℃。目前為止,這一精度在微型氣壓傳感器中是最高的。

SCP1000-D01內置A/D轉換電路,既便于用戶開發設計,又減輕了設計系統的重量和電路的繁瑣,符合當前傳感器的使用要求。

高精度模式下測量時。分辨率為1.5 Pa~6 Pa,約0.1 m~0.4 m;在超低功耗模式下分辨率為2 Pa~15 Pa,約0.2 m~1.3 m。而其溫度的分辨率為0.2℃~0.5℃。

SCP1000-D01采用了貼片式設計和ASIC封裝,功耗相當小,其工作電壓為2.4 V~3.3 V。電流最大僅為50 μA,近乎于可以忽略不計。

SCP1000-D01為圓形結構,直徑僅為6 mm。高度僅為1.7 mm。

SCP1000-D01共有16個引腳。其中I/O型引腳

7個,電源型引腳9個。其引腳結構和形狀如圖1所示,中間頂端的是傳感器芯片頭。I/O型(SPI接口)引腳功能如表1所示。TRIG外部觸發低功耗模式,具體操作是給該引腳一個下降沿信號,若不用,該引腳則接至DVSS。DRDY為輸出中斷信號,用以提示用戶溫度和壓力值已經測量,可以讀取。PD引腳為高電平可以使SCP1000-D01長時間保持低功耗模式。SCK、MOSI、MISO和CSB引腳組成了數據通訊線。

基于數字氣壓傳感器實現氣壓測量儀的設計

3、 內部結構和工作原理

SCP1000-D01壓力傳感器包括一個壓力傳感頭和特定用途集成電路。SCP1000-D01壓力傳感器內部包含A/D轉換器以及存儲氣壓和溫度值的寄存器,其內部結構如圖2所示。

啟動SCP1000-DO1之后首先要進行線性化和狀態檢測,然后選擇測量模式。

3.1 模式選擇

如上所述,SCP1000-D01有四種測量模式,其中高精度、高速、超低功耗模式是以連續方式進行測量工作,而低功耗模式則是以觸發方式工作的。也就是說啟動低功耗模式測量時需要給TRIG一個上升沿信號或向寄存器OPERATION寫入0X0C:而高精度、高速、超低功耗模式的啟動則是向OPER-ATION寄存器分別寫入0X0A、0X09、0X0B實現的。連續測量模式的時序如圖3所示,觸發測量模式下的時序如圖4所示。

啟動SCP1000-DO1之后首先要進行線性化和狀態檢測,然后選擇測量模式。

3.1 模式選擇

如上所述,SCP1000-D01有四種測量模式,其中高精度、高速、超低功耗模式是以連續方式進行測量工作,而低功耗模式則是以觸發方式工作的。也就是說啟動低功耗模式測量時需要給TRIG一個上升沿信號或向寄存器OPERATION寫入0X0C:而高精度、高速、超低功耗模式的啟動則是向OPER-ATION寄存器分別寫入0X0A、0X09、0X0B實現的。連續測量模式的時序如圖3所示,觸發測量模式下的時序如圖4所示。

3.2 數據讀取

選擇好測量模式后需將測量得到的數據讀出來,以供使用。引腳DRDY有信號表示可以讀取測量數據。

溫度數據存儲在TEMPOUT寄存器中的[13:0],其中第13位是符號位。將其二進制轉換成相應的十進制,可利用以下公式得到溫度值:

壓力數據存儲在DATARD8寄存器的[2:0]和DATARD16寄存器的[15:0]中。兩個數據前后連接組成19位二進制數值。將其轉換為十進制數,利用以下公式即可得到壓力值。

3.3 寄存器地址描述

SCP1000-D01內部集成了多個寄存器,可以存儲相應的測量數據,比較重要寄存器的地址如表2所列。

4、 典型應用

基于SCP1000-D01和AT89S51單片機設計的氣壓計系統電路原理圖如圖5所示。

在工程應用中,通過MAX232E實現單片機TTL電平與上位機RS232電平之間的轉換,把氣壓信息傳給上位機,具體電路如圖6所示。

5、 結束語

介紹了芬蘭VTI公司的氣壓傳感器SCP1000-D01的優點以及應用。SCP1000-D01以高精度、高分辨率、高集成度、低功耗、小體積、小重量的性能,具有極高的科研價值和應用價值。

責任編輯:gt


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