專利名稱：智能大氣壓力測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置，特別是涉及ー種測(cè)量大氣壓力的裝置。
背景技術(shù)：
大氣壓力與人們的日常生活密切相關(guān)。在氣象觀測(cè)、海上航行、航天探空、能源開發(fā)、交通旅游、環(huán)境保護(hù)等諸多領(lǐng)域，經(jīng)常需要對(duì)大氣壓カ進(jìn)行測(cè)量。氣壓觀測(cè)也是海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)站和艦船氣象的常規(guī)觀測(cè)項(xiàng)目，氣壓測(cè)量在這些領(lǐng)域起著非常重要的作用。大氣壓力測(cè)量?jī)x器得到不斷更新和發(fā)展，從早期的玻璃水銀氣壓表、空盒氣壓計(jì)和沸點(diǎn)氣壓計(jì)已經(jīng)發(fā)展到現(xiàn)在常用的數(shù)字振筒氣壓儀，實(shí)現(xiàn)了氣壓觀測(cè)的自動(dòng)化?，F(xiàn)有的自動(dòng)化大氣壓力測(cè)量?jī)x器，采用的測(cè)量原理不同，使用過程中存在以下問題1、振筒式氣壓儀通過采集振筒傳感器的振動(dòng)頻率量，經(jīng)過其內(nèi)部的溫度傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償后，計(jì)算出大氣壓力。它雖然具有測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好、量程寬、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，但是儀器的體積相對(duì)較大，僅適用于地面氣象觀測(cè)系統(tǒng)中，在振動(dòng)和搖擺較大的艦船上并不適用。目前艦船上普遍使用空盒氣壓表進(jìn)行氣壓觀測(cè)，但該氣壓表要求放置在溫度均勻少變，沒有熱源、不直接通風(fēng)的房間內(nèi)，要始終避免太陽直接照射，對(duì)環(huán)境要求較高，而且需要在人工觀測(cè)后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正，人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，易出錯(cuò)，無法適應(yīng)無人值守的需求。2、部分自動(dòng)化氣壓測(cè)量設(shè)備的敏感元件采用分立的小信號(hào)模擬輸出半導(dǎo)體器件，需要信號(hào)處理電路對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波、整形和放大，調(diào)理測(cè)量電路復(fù)雜，測(cè)量精度容易受到模擬器件溫漂的影響。3、由于溫度對(duì)氣壓的測(cè)量結(jié)果影響比較顯著，測(cè)量電路需要引入相應(yīng)溫度測(cè)量電路進(jìn)行計(jì)算校準(zhǔn)，其兩部分電路常常不能合ニ為一，増加了設(shè)計(jì)復(fù)雜度，氣壓采集和溫漂校準(zhǔn)電路未采用高性能微控制器管理和控制，智能化程度較低。4.由于采用模擬量輸出，普通用戶不能根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量部門出具的檢驗(yàn)報(bào)告自行校準(zhǔn)傳感器，需要到定期廠家進(jìn)行校準(zhǔn)，増加了用戶使用成本，無法不間斷在線使用。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的大氣壓カ測(cè)量所存在的問題，本發(fā)明推出ー種智能大氣壓力測(cè)量裝置，將集成溫度傳感器的數(shù)字氣壓敏感元件、數(shù)據(jù)采集電路、高性能微控制器結(jié)合起來。該裝置采用數(shù)字電路設(shè)計(jì)，克服了傳統(tǒng)模擬調(diào)理電路設(shè)計(jì)復(fù)雜、精度易受器件溫度漂移影響的缺點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期、連續(xù)、自動(dòng)測(cè)量大氣壓力，并具有數(shù)字輸出、自校準(zhǔn)、自動(dòng)標(biāo)定等智能性特點(diǎn)，可滿足地面氣象觀測(cè)系統(tǒng)和艦船對(duì)于無人值守氣壓連續(xù)觀測(cè)的需求。本發(fā)明所涉及的智能大氣壓力測(cè)量裝置包括殼體、安裝底板、傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集電路板、引壓導(dǎo)管、氣動(dòng)快速接頭。安裝底板固定在殼體底部，傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集電路板和引壓導(dǎo)管設(shè)置在殼體內(nèi)，數(shù)據(jù)采集電路板固定殼體內(nèi)部，傳感器模塊通過雙排插針焊接在數(shù)據(jù)采集電路板上；殼體的側(cè)面開孔安裝接線端子；數(shù)據(jù)采集電路板包括微控制器、電源單元、數(shù)據(jù)接ロ単元、地址編碼単元；傳感器模塊主要包括氣壓敏感元件和有源晶體振蕩器，它們直接焊接在傳感器模塊上，氣壓敏感元件采用智能集成氣壓敏感元件MS5534C，與微控制器的接ロ方式是SPI數(shù)字接ロ ；引壓導(dǎo)管一端連接氣壓敏感元件，另一端連接設(shè)置在殼體側(cè)面的氣動(dòng)快速接頭；電源單元輸出連接至微控制器、傳感器模塊、數(shù)據(jù)接ロ単元的電源輸入引腳；微控制器采用8位增強(qiáng)型微控制器；數(shù)據(jù)接ロ單元輸入端連接微控制器。殼體為框形結(jié)構(gòu)，采用鑄鋁合金材料，側(cè)面安裝AKZ1700-3. 81型5芯可插撥的接線端子，信號(hào)導(dǎo)線一端通過絕緣歐式壓線端子壓接后與該接線端子旋接，另一端與外部氣壓數(shù)據(jù)采集器相接駁。安裝底板兩端呈圓弧形，使用螺栓通過殼體的內(nèi)螺紋與殼體相固定。引壓導(dǎo)管用于進(jìn)行裝置壓カ標(biāo)定，它一端連接傳感器模塊的氣壓敏感元件的不銹鋼保護(hù)罩，一端連接氣動(dòng)快速接頭。氣動(dòng)快速接頭穿過鑄鋁合金外殼圓通孔后固定在外殼側(cè)面。數(shù)據(jù)采集電路板的電源單元采用ニ級(jí)電源管理方案，負(fù)責(zé)對(duì)輸入的電源進(jìn)行變換，第一級(jí)采用5V輸出的開關(guān)電源芯片，其5V輸出連接第二級(jí)線性LDO芯片的輸入，LDO芯片的3V輸出連接至微控制器、傳感器模塊、數(shù)據(jù)接ロ単元的電源輸入引腳。微控制器是采集電路的核心部分，負(fù)責(zé)智能大氣壓力測(cè)量裝置的運(yùn)行和控制。數(shù)據(jù)接ロ単元負(fù)責(zé)完成傳·感器數(shù)字化輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換工作，其輸入端連接至微控制器的UART0，輸出端連接至接線端子。地址編碼単元用于設(shè)置該大氣壓カ測(cè)量裝置的地址編碼，最大的地址數(shù)量為64個(gè)，可使用的地址范圍是0-63，編碼單元采用撥碼開關(guān)通過上拉電阻連接至微控制器的6個(gè)I/O接ロ。傳感器模塊主要包括氣壓敏感元件和有源晶體振蕩器。傳感器模塊通過雙排插針固定在數(shù)據(jù)采集電路板上。氣壓敏感元件采用MEMS型智能集成氣壓敏感元件，內(nèi)含溫度傳感器，可以對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行溫度補(bǔ)償修正。氣壓敏感元件和其運(yùn)行所需的有源晶體振蕩器直接焊接在傳感器模塊上，有源晶體振蕩器的頻率是32. 768KHZ。有源晶體振蕩器的第3腳輸出連接至氣壓敏感元件的主時(shí)鐘輸入第5腳MCLK。傳感器模塊通過5芯雙排插針焊接至數(shù)據(jù)采集電路板，提供傳感器模塊的電源和微控制器信號(hào)連接通路。雙排插針的第I和第2腳分別是電源+3V和GND，與電源單元3V輸出相連接，第3-5腳是SPI數(shù)字接ロ信號(hào)引腳，提供氣壓敏感元件與微控制器的SPI接ロ信號(hào)SCLK、DOUT和DIN的連接通路。為了保證在常溫測(cè)量下和在溫度變化時(shí)氣壓測(cè)量準(zhǔn)確度，需要對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行絕對(duì)誤差修正校正和溫度補(bǔ)償修正。修正依照實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行，首先對(duì)氣壓敏感元件進(jìn)行全范圍的常溫變壓和常壓變溫測(cè)試，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，研究其線性和離散性分布，通過使用最小二乗法計(jì)算得到一條修正曲線，將其輸入微控制器，編入程序中。在測(cè)量過程中利用這條曲線將獲得的數(shù)據(jù)作相應(yīng)的修正，最終獲得準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。具體修正方法如下(I)氣壓絕對(duì)誤差修正由于氣壓敏感元件具有較高的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，在恒定溫度條件下，不同壓カ范圍的測(cè)量絕對(duì)誤差基本可以作為ー個(gè)固定偏差處理，因而絕對(duì)誤差的修正方法就可以直接運(yùn)用公式下式來完成。P=Pt- A p..............................................(I)上式P代表實(shí)際氣壓值，Pt代表該大氣壓カ測(cè)量裝置測(cè)量氣壓值，Ap代表絕對(duì)誤差。具體做法是，將待測(cè)氣壓測(cè)量裝置放入到氣壓檢定箱，依據(jù)選取的測(cè)量點(diǎn)，改變氣壓檢定箱設(shè)置氣壓值，等待測(cè)量值穩(wěn)定后記錄氣壓測(cè)量裝置不同測(cè)量點(diǎn)中的P和Ap，然后依據(jù)上式計(jì)算修正后氣壓測(cè)量值。(2)氣壓的溫度補(bǔ)償該大氣壓カ測(cè)量裝置中的氣壓敏感元件測(cè)量性能受溫度條件影響非常大，通過對(duì)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在溫度變化的同時(shí)取得氣壓測(cè)量裝置的輸出，對(duì)這些測(cè)量結(jié)果采用最小ニ乘曲線方法擬合后，取得曲線的特征值，并將這些參數(shù)編入程序中，對(duì)因溫度引起的測(cè)量誤差進(jìn)行修正。在測(cè)量裝置經(jīng)過常溫測(cè)量誤差和溫度變化測(cè)量誤差修正后，通過信號(hào)電纜向氣壓數(shù)據(jù)采集器輸出準(zhǔn)確的大氣壓カ測(cè)量值。本發(fā)明涉及的智能大氣壓力測(cè)量裝置具有體積小、精度高、輸出數(shù)字化、用戶可自校準(zhǔn)、可總線組網(wǎng)和智能化的特點(diǎn)，可滿足地面氣象觀測(cè)系統(tǒng)和艦船對(duì)于無人值守氣壓連續(xù)觀測(cè)的需求。



圖I為本發(fā)明涉及的智能大氣壓力測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明涉及的傳感器模塊和數(shù)據(jù)采集電路板電路框圖；圖3為本發(fā)明涉及的智能大氣壓力測(cè)量裝置總線組網(wǎng)設(shè)置示意圖。附圖中標(biāo)記說明
I、傳感器模塊2、雙排插針
3、有源晶體振蕩器4、數(shù)據(jù)采集電路板
5、安裝底板6、接線端子
7、氣動(dòng)快速接頭8、引壓導(dǎo)管
9、氣壓敏感元件IU殼體
具體實(shí)施例方式結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)ー步說明。圖I顯示本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)，圖2顯示本發(fā)明的傳感器模塊和數(shù)據(jù)采集電路板的電路結(jié)構(gòu)，圖3顯示本發(fā)明總線組網(wǎng)設(shè)置狀況。如圖所示，本發(fā)明涉及的智能大氣壓力測(cè)量裝置包括殼體10、安裝底板5、傳感器模塊I、數(shù)據(jù)采集電路板4、引壓導(dǎo)管8。殼體10為框形結(jié)構(gòu)，由鑄招合金模壓而成,夕卜形尺寸為63X57. 5X35mm。殼體與盒蓋10由ct4mm螺絲與殼體四角的內(nèi)螺紋旋接固定。安裝底板5兩端呈圓弧形，使用不銹鋼螺栓通過殼體10的內(nèi)螺紋與殼體10相固定。殼體10及其盒蓋和安裝底板5表面均采用噴漆保護(hù)。殼體10側(cè)面開9X21mm長(zhǎng)方形孔，用來安裝AKZ1700-3. 81型5芯可插撥接線端子6。信號(hào)導(dǎo)線通過絕緣歐式壓線端子壓接后與接線端子6連接，導(dǎo)線另一側(cè)與外部數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或上位機(jī)相接駁。引壓導(dǎo)管8用于進(jìn)行裝置壓カ標(biāo)定，一端連接傳感器模塊I的氣壓敏感元件的不銹鋼保護(hù)罩，一端連接殼體10側(cè)面的氣動(dòng)快速接頭7。氣動(dòng)快速接頭7穿過鑄鋁合金殼體10圓通孔后固定在外殼側(cè)面。數(shù)據(jù)采集電路板4設(shè)置在殼體10內(nèi)并采用小3mm螺絲固定在底部，包括微控制器、電源單元、數(shù)據(jù)接ロ単元、地址編碼単元。微控制器采用8位增強(qiáng)型微控制器，是采集電路的核心部分，負(fù)責(zé)智能大氣壓力測(cè)量裝置的運(yùn)行和控制，采集前端氣壓敏感元件的輸出結(jié)果，完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和工程量的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果的線性補(bǔ)償和異常結(jié)果的處理，組織采集數(shù)據(jù)的輸出和響應(yīng)上位機(jī)發(fā)來的命令等主要工作。電源單元采用ニ級(jí)電源管理方案負(fù)責(zé)對(duì)輸入的電源進(jìn)行變換，第一級(jí)采用5V輸出的開關(guān)電源芯片，其5V輸出連接第二級(jí)線性LDO芯片的輸入，再由LDO芯片變換成+3V電壓，輸出連接至微控制器、傳感器模塊I、數(shù)據(jù)接ロ単元的電源輸入引腳。數(shù)據(jù)采集電路數(shù)據(jù)接ロ単元主要組成是芯片MAX3485，它負(fù)責(zé)完成輸出數(shù)據(jù)電平轉(zhuǎn)換功能，即由微控制器的UART輸出的串行TTL電平轉(zhuǎn)換成差分RS-485電平。MAX3485的輸入連接至微控制器的UARTO，即微控制器的第29和第30腳，輸出連接接線端子6。氣壓敏感元件9與微控制器的接ロ采用數(shù)字化SPI接ロ。氣壓敏感元件9在數(shù)據(jù)采集板4上的微控制器的控制下，通過SPI總線將數(shù)字化的大氣壓力原始測(cè)量值傳輸給微控制器，微控制器對(duì)測(cè)量值進(jìn)行處理、傳輸和變換，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大氣壓カ的數(shù)字化自動(dòng)測(cè)量。 數(shù)據(jù)采集電路板4固定在鑄鋁合金外殼10內(nèi)部；氣壓敏感元件9和32. 768KHz有源晶體振蕩器3直接焊接在電路板上，其它輔助元件共同構(gòu)成傳感器模塊1，氣壓敏感元件9采用MEMS型智能集成氣壓敏感元件，內(nèi)含溫度傳感器，可以對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行溫度補(bǔ)償修正。有源晶體振蕩器3的第3腳輸出連接至氣壓敏感元件9的時(shí)鐘輸入第5腳MCLK，提供傳感器模塊的電源和微控制器信號(hào)連接通路。5芯雙排插針2的1-2腳分別是電源+3V和GND，與電源単元3V輸出相連接，3-5腳是信號(hào)引腳，提供氣壓敏感元件與微控制器的SPI接ロ信號(hào)SCLK、D0UT和DIN的連接通路。AKZ1700-3. 81型5芯接線端子6右上側(cè)設(shè)計(jì)氣動(dòng)快速接頭7安裝孔，氣動(dòng)快速接頭7穿過該通孔后固定在鑄鋁合金外殼10內(nèi)側(cè)面。引壓導(dǎo)管8的作用是為該氣壓測(cè)量裝置提供標(biāo)定時(shí)的壓カ傳導(dǎo)通路，當(dāng)外部測(cè)試導(dǎo)管不連接氣動(dòng)快速接頭時(shí)各自閥門閉合，阻斷氣體流動(dòng)；當(dāng)外部測(cè)試導(dǎo)管接入快速接頭時(shí)，各自閥門打開，氣體可以自由流通。引壓導(dǎo)管8在安裝時(shí)需在兩端內(nèi)壁涂裝氣體密封膠后，一端連接氣壓敏感元件9的不銹鋼保護(hù)罩，一端連接氣動(dòng)快速接頭7。地址編碼単元用于設(shè)置傳感器自身的地址編碼，采用6位撥碼開關(guān)來實(shí)現(xiàn)，地址編碼單元為64個(gè)，即可用的地址范圍是0-63。編碼單元采用撥碼開關(guān)通過上拉電阻連接至微控制器的6個(gè)I/O ロ PL 0-P1. 5。測(cè)量裝置在工作時(shí)接收到氣壓數(shù)據(jù)采集器發(fā)來的包含測(cè)量裝置地址的查詢指令，將命令地址與自身地址編碼単元的地址相比較，相一致后將氣壓值測(cè)量結(jié)果傳送給氣壓數(shù)據(jù)采集器。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可在多個(gè)地點(diǎn)安裝智能大氣壓力測(cè)量裝置。如圖3所示，各個(gè)智能壓力測(cè)量裝置掛接在RS-485總線上。氣壓數(shù)據(jù)采集器通過RS-485總線分時(shí)采集各個(gè)智能壓力測(cè)量裝置所在地點(diǎn)的大氣壓カ值。
權(quán)利要求
1.一種智能大氣壓力測(cè)量裝置，其特征在于包括殼體、安裝底板、傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集電路板、引壓導(dǎo)管、氣動(dòng)快速接頭。安裝底板固定在殼體底部，傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集電路板和引壓導(dǎo)管設(shè)置在殼體內(nèi)；數(shù)據(jù)采集電路板固定殼體內(nèi)部；傳感器模塊通過雙排插針焊接在數(shù)據(jù)采集電路板上；殼體的側(cè)面開孔安裝接線端子；數(shù)據(jù)采集電路板包括微控制器、電源單元、數(shù)據(jù)接口單元、地址編碼單元；傳感器模塊包括氣壓敏感元件和有源晶體振蕩器，它們直接焊接在傳感器模塊上，氣壓敏感元件采用智能集成氣壓敏感元件MS5534C，與微控制器的接口方式是SPI數(shù)字接口 ；引壓導(dǎo)管一端連接氣壓敏感元件，另一端連接設(shè)置在殼體側(cè)面的氣動(dòng)快速接頭；電源單元輸出連接至微控制器、傳感器模塊、數(shù)據(jù)接口單元的電源輸入引腳；微控制器采用8位增強(qiáng)型微控制器；數(shù)據(jù)接口單元輸入端連接微控制器；地址編碼單元連接微控制器的I/O 口。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的智能大氣壓力測(cè)量裝置，其特征在于氣動(dòng)快速接頭穿過鑄鋁合金外殼圓通孔后固定在殼體側(cè)面；引壓導(dǎo)管一端連接傳感器模塊的氣壓敏感元件的不銹鋼保護(hù)罩，一端連接殼體側(cè)面的氣動(dòng)快速接頭。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的智能大氣壓力測(cè)量裝置，其特征在于，傳感器模塊所需的時(shí)鐘由32. 768kHz有源晶體振蕩器來提供，其第3腳輸出連接至氣壓敏感元件的主時(shí)鐘輸入第5腳MCLK。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的智能大氣壓力測(cè)量裝置，其特征在于，所述殼體的側(cè)面開孔安裝接線端子，接線端子為AKZ1700-3. 81型5芯可插撥的接線端子，信號(hào)導(dǎo)線一端通過絕緣歐式壓線端子壓接后與該接線端子旋接，另一端與外部氣壓數(shù)據(jù)采集器相接駁。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種智能大氣壓力測(cè)量裝置，包括殼體、安裝底板、傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集電路板、引壓導(dǎo)管、氣動(dòng)快速接頭。安裝底板固定在殼體底部，傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集電路板和引壓導(dǎo)管設(shè)置在殼體內(nèi)，數(shù)據(jù)采集電路板固定殼體內(nèi)部，傳感器模塊通過雙排插針焊接在數(shù)據(jù)采集電路板上。傳感器模塊包括氣壓敏感元件和有源晶體振蕩器，氣壓敏感元件采用智能集成氣壓敏感元件MS5534C，可準(zhǔn)確測(cè)量500-1100hPa范圍內(nèi)的氣壓，與微控制器的接口方式是SPI數(shù)字接口。微控制器采用8位增強(qiáng)型微控制器，數(shù)據(jù)接口單元輸入端連接微控制器。該測(cè)量裝置具有體積小、響應(yīng)速度快、測(cè)量精度高、數(shù)字補(bǔ)償?shù)忍攸c(diǎn)，可廣泛用于海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)站、地面氣象觀測(cè)站和船舶氣象站等場(chǎng)合測(cè)量大氣壓力。
文檔編號(hào)G01L9/00GK102798497SQ201210286748
公開日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2012年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月13日
發(fā)明者門雅彬, 成方林, 劉佳佳, 徐麗萍, 張齊 申請(qǐng)人:國(guó)家海洋技術(shù)中心