Użycie wysoce zintegrowanego mikrokontrolera MCU zmniejsza liczbę użytych komponentów i zwiększa żywotność baterii
Tani oraz lekki wysokościomierz to urządzenie, którego konstrukcja już od ponad 40 lat jest docelowym zastosowaniem silikonowych czujników ciśnienia bezwzględnego. W miarę udoskonalania technologii czujników, konstrukcje mikrokontrolerów (MCU) uczyniły jeszcze większy postęp. Dziś wysokościomierz potrzebuje jedynie wysoko zintegrowanego, 16 bitowego mikrokontrolera (MCU), czujnika bezwzględnego ciśnienia atmosferycznego oraz… wyświetlacza ciekłokrystalicznego.
Projekt urządzenia wykorzystuje mikrokontroler MSP430F4270 MCU firmy Texas Instruments, zoptymalizowany w celu uzyskania wysokiej precyzji oraz przenośne urządzenia pomiarowe zasilane baterią. Przetwornik anologowo- cyfrowy (ADC) sigma-delta typu półprzewodnikowego o wysokiej rozdzielczości 16 bitów, ze zintegrowanym PGA wbudowanym do mikrokontrolera, umożliwia bezpośrednie sprzężenie z czujnikiem ciśnienia bezwzględnego. Dodatkowo zintegrowany sterownik LCD mikrokontrolera umożliwia podłączenie powszechnie stosowanych modułów LCD.
Silikonowy czujnik ciśnienia bezwzględnego powietrza dla tego projektu to MPXM2102A, który generuje zróżnicowane napięcie wprost proporcjonalne do ciśnienia otoczenia. Jednak napięcie to jest niezmiernie niskie, zmieniając się o 12 μV/mbar przy 3V źródle zasilania baterią. Uzyskanie wysokiej rozdzielczości poprzez rozłożenie ciśnienia, a co za tym idzie, wysokości, wymaga konwertera ADC o wysokiej precyzji.
KILKA CZĘŚCI
Wysoce zintegrowany 16 bitowy mikrokontroler MCU, silikonowy czujnik ciśnienia, wyświetlacz LCD, 32-kHz krystaliczny, włącznik i wyłącznik, około tuzina oporników oraz tyle kompensatorów… ile trzeba, aby stworzyć precyzyjny wysokościomierz przenośny
Stosując zasadę, że ciśnienie powietrza maleje przy wzroście wysokości spowodowanym ciężarem samej atmosfery, barometryczny wysokościomierz mierzy ciśnienie atmosferyczne, aby określić wysokość danego obiektu nad poziomem morza. Przy wysokości bliskiej poziomowi morza ciśnienie maleje o około 1 milibara (mbar) z każdym wzrostem o 8 m. Dokładny wzór wyliczania wysokości na podstawie ciśnienia bezwzględnego wykorzystuje prawo gazu doskonałego. Wzór ten jest również znany pod nazwą „wzoru ciśnienia barometrycznego”.
Aby ustalić rozkład wysokości dla tego projektu, należy określić wartość kroku dla najmniej znaczącego bitu (LSB) w najwyższym punkcie ustawienia wzmocnienia PGA. Arkusz danych mikrokontrolera MCU wykazuje, że maksymalny zakres pomiarowy napięcia wejściowego to ± 0,6V. Ponieważ przetwornik ADI generuje 16 bitowy wynik konwersji, wartość kroku LSB wynosi około 18,31 μV. Stosowanie wzmacniacza PGA typu półprzewodnikowego o najwyższym ustawieniu wzmocnienia 32 oraz z zakresem pomiarowym napięcia wejściowego wynoszącym ±18,75 mV, obniża wartość kroku LSB do 0,57 μV, zapewniając rozdzielczość wysokościową o wartości około 0,4m.
Ponieważ mikrokontroler MCU jest urządzeniem o wysokim potencjale, do urządzenia można dodać dodatkowe funkcje, takie jak zegar czasu rzeczywistego i pomiar temperatury w czasie rzeczywistym, bez zwiększania liczby części. W zależności od cyklu pracy i innych energooszczędnych metod, które mogą być zrealizowane, ten typ wysokościomierza może działać przez kilka lat (!) na jednej baterii pastylkowej.
Andreas Dannenberg
MSP430 MCU Applications, Texas Instruments
Źródło: Design News USA
