论文总字数：32421字

摘 要

随着科技的发展，飞机和无人机等飞行器不仅在军事和交通领域应用广泛，而且在科研、工业和民用等领域也扮演着至关重要的角色。在飞行器的行驶过程中，高度数据是一个不可或缺的参数，它保证了飞行器的安全和任务的完成。然而传统的气压高度计具有较大的体积，功耗和复杂的结构，因此体积小，功耗低，精度高的数字高度计的设计有十分重要的意义。

本设计基于PIC单片机，采用气压测量，通过国际标准气压高度公式来实现高度的测量。气压传感器采用MPX4115AP，其具有精度高，价格低，稳定性高等特点，根据气压输出模拟电压量。气压传感器的工作环境与标准公式有差异，因此需要进行温度补偿以得到更高的精度。温度传感器采用常用的AD7416，其在-40到125℃也可正常工作，精度为0.25℃，采用I2C总线输出10位温度数据。单片机采用PIC18F26K80-E，其为汽车级芯片，具有12位的模数转换器（A/D）模块。本设计还带有触摸屏显示高度和设置阈值。对比高度与阈值，可通过光耦继电器控制电磁阀的通断。此外，本设计秉持着绿色节能的理念，利用了压电效应和能量收集模块，可收集工作环境中的振动能量，储存于超级电容中，可为系统供电。

本设计理论测量范围为-1080至13508米，相对高度的变化精度可达3米以内。

关键词：高度计，单片机，气压传感器，压电效应

Abstract

With the development of science and technology, aircrafts and unmanned aerial vehicles are not only widely applied in military and transportation fields, but also play a vital role in scientific research, industry, civilian application and other fields. Altitude data is an indispensable parameter in the course of flight, which guarantees the safety of aircraft and the accomplishment of the mission. So the design of digital altimeter with small volume, low power consumption and high accuracy is significant, since the traditional barometric altimeter has large volume and complex structure.

This design measures the altitude by measuring the atmospheric pressure and using barometric height formula based on PIC microcontroller. This design adopts the MPX4115AP as the barometric sensor, which can output analog voltage according to the pressure with high accuracy, stability and low price. Since the barometric sensor works in the environment different from the standard conditions, temperature compensation is necessary to get a higher accuracy. As the temperature sensor, AD7416 is commonly used. It can work from -40 to 125℃ with an accuracy of 0.25℃, and output the 10 bit temperature data by the I²C compatible serial interface. The microcontroller is PIC18F26K80-E, which can also work from -40 to 125℃ with 12-bit analog-to-digital converter module. there is also a touch screen to display the altitude and set the threshold, which can be compared with the altitude to control the on-off of solenoid valve by photoMOS relay. Besides, adhering to the principle of low-carbon and energy-saving, the design uses piezoelectric effect and energy collection module to collect the vibrational energy in the environment, which is stored in supercapacitor and can supply power for the system.

The theoretical measurement range of this altimeter is -1080 to 13508 meters, and the accuracy of the relative height is less than 3 meters.

KEY WORDS: Altimeter, MCU, Barometric Sensor, Piezoelectric Effect

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题背景 1

1.2 研究现状 2

1.3 研究内容 4

1.4 论文内容及章节安排 5

第二章 原理与方案设计 6

2.1 高度测量原理 6

2.2 压电电源原理 7

2.3 方案设计 9

2.3.1 硬件设计方案 9

2.3.2 软件设计方案 11

2.4 本章小结 12

第三章 系统硬件设计 13

3.1 单片机及电路 13

3.1.1 单片机特性 13

3.1.2 最小系统电路设计 14

3.2 气压传感器及电路 16

3.2.1 气压传感器特性 16

3.2.2 气压传感器电路设计 17

3.3 温度传感器及电路 18

3.3.1 温度传感器特性 18

3.3.2 温度传感器电路设计 20

3.4 触摸屏及对应接口 20

3.5 光耦继电器及电路 21

3.5.1 光耦继电器特性 21

3.5.2 光耦继电器电路设计 22

3.6 主电源模块设计 23

3.7 压电电源设计 25

3.7.1 压电材料特性 25

3.7.2 压电电源电路设计 27

3.8 PCB整体布局 28

3.9 本章小结 29

第四章 系统软件设计 30

4.1 开发环境简介 30

4.2 软件程序设计 30

4.2.1 单片机配置 31

4.2.2 定时器子程序 31

4.2.3 模数转换器子程序 32

4.2.4 I2C子程序 33

4.2.5 异步串口子程序 34

4.2.6 数据处理 35

4.2.7 界面设计 36

4.3 本章小结 36

第五章 结果与分析 37

5.1 系统调试 37

5.2 实验与性能分析 39

5.3 本章小结 40

第六章 总结与展望 41

参考文献 42

致 谢 44

绪论

课题背景

在航空技术高速发展之下，以飞机和无人机为首的飞行器不仅在国防、交通领域应用广泛，而且在民用、科研、工业等领域也逐渐扮演起了一个至关重要的角色，例如航拍技术、地形图绘制、根据高度和水域面积估计储水量^[1]等。

在飞行器的行驶过程中，高度数据作为飞行器的飞行状态参数之一，不但是飞行器安全飞行、起飞和降落的必要保障，而且也是飞行器完成飞行任务不可或缺的信息之一^[2]。尤其是在控制无人机时，无法在机身上得到直观的飞行状态，必须依靠无人机返回正确的高度信息，才能从地面对无人机进行精准控制，否则将会出现规模不等的事故发生。

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