大气压海拔仪

实验介绍

本章主要介绍大气压计的实现,EDU k1板载了SI的一款温湿度传感器SPL06,该传感器不但能测量大气压,还能测量温度。由于大气压的跟海拔成反比关系,如果知道当地大气压,则可以估算出当地的海拔高度。本章我们将向大家介绍如何使用haas1000来读取传感器信息,并把所有这些显示在OLED模块上。 开始学习之前我们先看一下显示效果。如下:

涉及知识点

- I2C通信原理
- SPL06大气压传感器原理
- OLED绘图

I2C通信原理

上一章已有介绍,这里不在赘述。

SPL06传感器简介

   SPL06-007是歌尔推出的小型化数字气压传感器,具有高精度和低功耗的特点。SPL06-007既是压力传感器又是温度传感器。压力传感器元件基于电容式传感原理,确保温度变化时的高精度。小封装使SPL06-007成为移动应用和可穿戴设备的理想选择。
    SPL06-007的内部信号处理器将压力和温度传感器元件的输出转换为24位结果。每个压力传感器已单独校准,并包含校准系数。这些系数用于将测量结果转换为真实压力和温度值。
    SPL06-007有一个FIFO,可以存储最新的32个测量值。通过使用FIFO,主机处理器可以在两次读出之间的较长时间内保持休眠模式。这可以降低整个系统的功耗。传感器测量和校准系数可通过串行I2C接口获得。

主要特点

- 压力范围:300hPa到1100hPa(+9000米到-500米(与海平面有关))
- 温度范围:-40到+85°C
- 电源电压:1.7V到3.6V(VDD),1.2V到3.6V(VDDIO)
- 包装:带金属盖的LGA包装
- 封装:2.5mm x 2.0mm;
- 相对精度:±0.06hPa,相当于±0.5m
- 绝对精度:典型。±1hPa(300hPa到1100hPa)
- 温度精度:±0.5°C。
- 压力温度灵敏度:<0.5Pa/K
- 测量时间:典型值:28 ms;最小值:3 ms。
- 平均电流消耗:高精度:60μA,低功耗:3μA,待机:<1μA。
- I2C和SPI接口,嵌入式24位ADC
- FIFO:存储最新的32个压力或温度测量值。
- 无铅、无卤、符合RoHS

典型应用

- 增强GPS导航(航位推算、坡度检测等)
- 室内外导航
- 休闲体育
- 天气预报
- 垂直速度指示(上升/下降速度)

开发环境准备

硬件

开发用电脑一台
HAAS EDU K1 开发板一块
USB2TypeC 数据线一根

软件

开发环境的搭建请参考《AliOS Things集成开发环境使用说明之搭建开发环境》,其中详细的介绍了AliOS Things 3.3的IDE集成开发环境的搭建流程。

本案例的代码下载请参考《AliOS Things集成开发环境使用说明之创建工程》

> 选择解决方案: “HaaS EDU K1教育开发案例合集”

> 选择开发板: haaseduk1 board configure

-- 编译固件可参考《AliOS Things集成开发环境使用说明之编译固件》

-- 烧录固件可参考《AliOS Things集成开发环境使用说明之烧录固件》

代码编译、烧录

参考 @ref HaaS_EDU_K1_Quick_Start (3.1 编译工程章节),点击 ✅ 即可完成编译固件。
参考 @ref HaaS_EDU_K1_Quick_Start (3.2 烧录镜像章节),点击 "⚡️" 即可完成烧录固件。

硬件设计

在本实验中,SPL06贴片在主板上,通过I2C与MCU通信,I2C从设备地址:0x77。
原理图如下所示:

SPL06特性

寄存器列表

读取大气压

压力数据寄存器

这个压力数据寄存器包含24位(3个字节)的压力值。

校准寄存器

校准系数寄存器包含用于计算补偿压力和温度值时所用的系数。

如何计算气压

1、从校准系数寄存器读取校准系数(c00、c10、c20、c30、c01、c11和c21)。
2、根据选定的精度速率选择比例因子kT(温度)和kP(压力)。表4列出了比例因子。
3、从寄存器或FIFO读取压力和温度结果。根据所选的测量速率,自上次压力测量后可能没有测量温度。
4、计算比例测量结果。
Traw_sc = Traw/kT 
Praw_sc = Praw/kP 
5、计算补偿测量结果。
Pcomp(Pa)= c00+ Praw_sc*(c10+ Praw_sc*(c20+ Praw_sc*c30)) + Traw_sc*c01 + Traw_sc*Praw_sc*(c11+Praw_sc*c21)

读取温度

温度数据寄存器

温度寄存器同样保存着24位(3个字节)的温度数据。

如何计算温度

1、从校准系数(COEF)寄存器读取校准系数(c0和c1)。
2、根据选定的精度速率选择比例因子kT(温度),表4列出了比例因子。
3、从温度寄存器或FIFO读取温度结果。
4计算比例测量结果。
Traw_sc=Traw/kT
5计算补偿测量结果
Tcomp(°C)=c0*0.5+c1*Traw_sc

软件设计

应用代码部分

文件路径如下:

solutions/eduk1_demo/k1_apps/barometer/barometer.c
solutions/eduk1_demo/k1_apps/barometer/barometer.h

周期性读取大气压以及温度,并打印到OLED屏幕上。

OLED_Clear();

OLED_Icon_Draw(14, 4, &icon_atmp_16_16, 0);
sprintf(pressure_str, " %-10.3lfkPa", spl06_data.pressure / 10);
LOGD(EDU_TAG, "%s\n", pressure_str);
OLED_Show_String(32, 6, pressure_str, 12, 1);

OLED_Icon_Draw(14, 23, &icon_asl_16_16, 0);
sprintf(altitude_str, " %-12.2lfm", spl06_data.altitude);
LOGD(EDU_TAG, "%s\n", altitude_str);
OLED_Show_String(32, 25, altitude_str, 12, 1);

OLED_Icon_Draw(14, 44, &icon_tempC_16_16, 0);
sprintf(Ctemp_str, "%-5.2lf", spl06_data.Ctemp);
LOGD(EDU_TAG, "%s\n", Ctemp_str);
OLED_Show_String(30, 46, Ctemp_str, 12, 1);

OLED_Icon_Draw(66, 44, &icon_tempF_16_16, 0);
sprintf(Ftemp_str, "%-5.2lf", spl06_data.Ftemp);
LOGD(EDU_TAG, "%s\n", Ftemp_str);
OLED_Show_String(82, 46, Ftemp_str, 12, 1);

OLED_Icon_Draw(2, 24, &icon_skip_left, 0);
OLED_Icon_Draw(122, 24, &icon_skip_right, 0);

spl06_getdata(&spl06_data);

OLED_Refresh_GRAM();

驱动部分

驱动代码整体分为三部分

- 初始化部分
- 温度值读取
- 大气压校准以及高度估算。

初始化

- I2C初始化
- 芯片复位以及模式配置(包含压力以及温度模式配置,同时采集温度以及大气压,打开FIFO接收)

在 AliOS Things 3.3中,对I2C的操作才用了VFS的方式,开发者只需要open相应的device设备,开发者只需要关心链接到的I2C设备号,从器件的设备地址,从器件支持的I2C速率。知道了从设备地址,读写地址也可以计算出,AliOS Things 会自动处理这些计算。

int32_t ret = sensor_i2c_open(SPL06_I2C_PORT, EEPROM_CHIP_ADDRESS, I2C_BUS_BIT_RATES_100K, 0);
if (ret) {
    LOGE("SENSOR", "sensor i2c open failed, ret:%d\n", ret);
    return;
}
aos_msleep(500);

tmp = i2c_eeprom_read_uint8_t(EEPROM_CHIP_ADDRESS, 0x0D);
i2c_eeprom_write_uint8_t(EEPROM_CHIP_ADDRESS, 0X06, 0x03); // Pressure 8x oversampling
i2c_eeprom_write_uint8_t(EEPROM_CHIP_ADDRESS, 0X07, 0X83); // Temperature 8x oversampling
i2c_eeprom_write_uint8_t(EEPROM_CHIP_ADDRESS, 0X08, 0B0111); // continuous temp and pressure measurement
// pressure measurement
i2c_eeprom_write_uint8_t(EEPROM_CHIP_ADDRESS, 0X09, 0X00); // FIFO Pressure measurement

温度读取及校准代码

tmp_Byte = i2c_eeprom_read_uint8_t(EEPROM_CHIP_ADDRESS, 0X07); // MSB
tmp_Byte = tmp_Byte & 0B00000111;

switch (tmp_Byte)
{
    case 0B000:
        k = 524288.0d;
        break;

    case 0B001:
        k = 1572864.0d;
        break;

    case 0B010:
        k = 3670016.0d;
        break;

    case 0B011:
        k = 7864320.0d;
        break;

    case 0B100:
        k = 253952.0d;
        break;

    case 0B101:
        k = 516096.0d;
        break;

    case 0B110:
        k = 1040384.0d;
        break;

    case 0B111:
        k = 2088960.0d;
        break;
}

c0 = get_c0();
c1 = get_c1();
double traw_sc = (double)traw / get_temperature_scale_factor();
//printf("traw_sc: %0.2f\n", traw_sc);

sp->Ctemp = (double)c0 * 0.5f + (double)c1 * traw_sc;
sp->Ftemp = (sp->Ctemp * 9 / 5) + 32;

气压读取及校准代码

c00 = get_c00();
c10 = get_c10();
c01 = get_c01();
c11 = get_c11();
c20 = get_c20();
c21 = get_c21();
c30 = get_c30();

int32_t praw = get_praw();
double praw_sc = (double)(praw) / get_pressure_scale_factor();
double pcomp = (double)(c00) + praw_sc * ((double)(c10) + praw_sc * ((double)(c20) + praw_sc * (double)(c30))) + traw_sc * (double)(c01) + traw_sc * praw_sc * ((double)(c11) + praw_sc * (double)(c21));
sp->pressure = pcomp / 100; // convert to mb

double local_pressure = 1011.1; //本地参考海平面参考气压值
sp->altitude = get_altitude(pcomp, local_pressure);