Elektuur

11/98

Es ist schon fast zehn

Jahre her, da in Elek-

tor ein Bauvorschlag

für ein Barometer/

einen Höhenmesser
zu finden war. Inzwi-

schen bietet die Elek-

tronik Möglich-

keiten, an die

vor einem
Jahrzehnt

kaum zu den-

ken war. Ein

Präzisions-

Luftdrucksen-

sor mit inte-

grierter Signal-

aufbereitung

liefert das Meßsig-

nal, Auswertung,

Speicherung, Anzeige

und den Datenaus-

tausch mit dem PC

übernimmt ein Mikro-

controllersystem.

18

Präzisionsbarometer/

Höhenmesser

Meßgerät mit allen Schikanen

MESSEN & TESTEN

Eigenschaften

7 Barometerfunktion
7 relative oder absolute Höhenmessung
7 Meßbereich -2000 m bis +10.000 m
7 Höhenmessung mit virtuellem NN als Referenz
7 1- oder 2-Punkt-Kalibrierung
7 EEPROM-Datenlogger für 1000 Samples
7 Logintervall zwischen 10 s und 8 h
7 Logdaten pro Sample vom PC abrufbar

Ein Blick und gar ein leichtes Klopfen
auf ein herkömmliches Barometer sagt
nicht viel darüber aus, ob gutes oder
schlechtes Wetter zu erwarten ist. Viel-
mehr ist es die barometrische Tendenz
- in welcher Geschwindigkeit, Größe
und Richtung finden Luftdruckverän-
derungen statt - die eine recht zuver-
lässige Vorhersage für eine zeitlich
begrenzte Periode von einigen Stun-
den erlaubt. Natürlich liefert ein
mechanisches Barometer in dieser Hin-
sicht ziemlich ungenaue Ergebnisse,
und das Klopfen beschränkt eher die
Lebensdauer des Geräts als daß es eine
Tendenz offenbart.

D

R U C K U N D

H

Ö H E

Wer ein Barometer zum Beispiel in
einer Wetterstation oder als “voreilen-
der” Außentemperaturregler in einer
Heizungsanlage integrieren möchte,
benötigt eine elektronische, mikrocon-
trollergesteuerte Variante, die genau
arbeitet und - wie bei dem vorliegen-
den Gerät der Fall - einiges an Features
zu bieten hat. Der maximale Gesamt-
fehler liegt knapp über (für Barometer)
geringen 2 %, Meßergebnisse können
gespeichert und auf Wunsch an einen
PC oder einen anderen Rechner wei-
tergegeben werden.
Neben dem Luftdruck kann ein Baro-
meter im Prinzip auch die Höhe anzei-
gen, da Luftdruck und Höhe in einem
Zusammenhang stehen. Zwar spielen
dabei auch andere Faktoren wie
Feuchte und Temperatur eine Rolle,
wir wollen diese aber nicht weiter
beachten, da der Schaltungsaufwand
zur Kompensation solcher Störgrößen
den Rahmen des Selbstbaus sprengen
würde.
Um ein Barometer in eine Höhenmes-
ser zu verwandeln, bedarf es lediglich
einer anderen Skalierung. Nun ist aber
der Zusammenhang alles andere als
linear, sondern folgt der Beziehung

mit
P:

aktueller Druck

P

NN

:

Druck auf Meereshöhe

H:

Höhe

Man unterscheidet zwischen einer
relativen und einer absoluten Höhen-
messung. Der Unterschied liegt auf der
Hand: Bei der Relativmessung wird eine
bestimmte Höhe zum Nullpunkt
ernannt. Die gemessene Höhe bezieht
sich immer auf diesen Nullpunkt.

mit
P:

aktueller Druck

H

H

P

P

H

P

P

r

NN

N

NN

=











−













H

P

P

P

P

NN

NN











=

−













⋅

−

1

22, 555 10

1

5,2563

6

P

NN

:

Druck auf Meereshöhe

P

N

Eingestellter Referenzdruck

H:

Höhe

Relative Höhenmessungen sind nur
dann sinnvoll, wenn der Luftdruck auf
der Referenzhöhe nahezu konstant
bleibt.
Bei der absoluten Höhenmessung gilt als
Referenz immer Normalnull, der
Meeresspiegel. Dazu fließt der Refe-

renzdruck auf Meereshöhe P

NN

in die

Berechnung ein.

mit
P:

aktueller Druck

P

NN

:

Druck auf Meereshöhe

H:

Höhe

Da die absolut gemessene Höhe allein
vom Luftdruck auf Meeresspiegel
abhängig ist, sollte man bei langan-
dauernden Messungen P

NN

regel-

mäßig an den wirklichen Luftdruck
auf Meereshöhe anpassen.

D

E R

S

E N S O R

Um den Luftdruck zu ermitteln, wird
ein Barometric Absolute Pressure Sensor

H

H

P

P

a

NN

=













19

Elektuur

11/98

1

4

S+

S-

2

3

ACTIVE

ELEMENT

PIN

*

1. GROUND

980097 - 14

2. +V

OUT

3. V

S

4. -V

OUT

EDGED
DIAPHRAGM
BOUNDARY

TRANSVERSE
VOLTAGE STRAIN
GAUGE RESISTOR

VOLTAGE

TAPS

1

Bild 1. Ein Dia-
phragma mit einem
piezoresistiven Ele-
ment stellt die
Grundlage des
Drucksensors dar.

Bild 2. Der Drucksen-
sor für absolute Mes-
sungen ist auf der
Rückseite des Dia-
phragmas geschlos-
sen.

Sealed Vacuum

Behind Diaphragm

Diaphragm

P1 Pressure

Sensor Die

(Cross-Section)

Constraint

Wafer

980097 - 15a

SILICONE GEL

DIE COAT

ABSOLUTE

DIE

P1

STAINLESS STEEL

METAL COVER

THERMPLASTIC

EPOXY

CASE

DIE

BOND

ABSOLUTE ELEMENT

P2

WIRE BOND

LEAD FRAME

980097 - 15b

2

(BAP) mit der Bezeich-
nung MPXS4100A von
Motorola eingesetzt.
Dieser Sensor enthält
eine dünne Folie (Diaphragma), die
von einem angelegten Druck einge-
drückt wird (

Bild 1). Am Rand des Dia-

phragmas befindet sich ein piezoresi-
stives Element, das sich mit dem Dia-
phragma verformt, dehnt, und so eine
Widerstandsänderung erfährt, die pro-
portional zur Verformung und somit
zum Druck ist. Das Sensorelement ver-
hält sich also wie ein Potentiometer:
Wenn man die Versorgungsspannung
anlegt, kann man aus der Ausgangs-
spannung des Sensors Rückschlüsse
auf den Druck ziehen.
Es gibt drei Arten von Drucksensoren.
Bei differentiellen Drucksensoren wird an
beide Seiten des Diaphragmas ein
Druck angelegt, das Sensorelement lie-
fert eine der Druckdifferenz propor-
tionale Spannung. Ähnlich ist der Nor-
mal-Drucksensor aufgebaut, als Refe-
renz dient hier der Umgebungsdruck,
die Ausgangsspannung gibt den relati-
ven Luftdruck wieder. Bei dem hier
eingesetzten Absolutwert-Sensor ist die
Kammer hinter dem Diaphragma
gegenüber der Umgebung abgeschlos-
sen und mit einem Referenzdruck
gefüllt (Bild 2). Die
Ausgangsspannung
gibt den absoluten

Druck an, genau das
richtige für einen
Höhenmesser, eine
(mobile) Wetterstation

oder ein Barometer.
Dieser Sensor wurde eigentlich für
Anwendungen in Kraftfahrzeugen
entwickelt, ist aber für unsere Zwecke
durchaus gut geeignet. Sein größter
Vorteil: Er ist bei Conrad und zu einem
nicht übermäßig hohen Preis erhält-
lich.
Der Sensor liefert ein Ausgangssignal
von 0,3...4,9 V linear zum Druckbereich
von 20...105 kPa (200...1050 Millibar).
Der maximale durch den Sensor ver-
ursachte Fehler beträgt 1,8 % im Tem-
peraturbereich 0...85 °C. Der Sensor lie-
fert aber ein brauchbares Signal auch
noch bei -40 °C und bei +125 °C und
hält Überdrücken bis 400 kPa (dau-
ernd) beziehungsweise 1000 kPa
(Burst) stand.
Bild 3 zeigt, daß neben dem eigentli-
chen Sensorelement noch weitere
Funktionsgruppen vorhanden sind,
nämlich eine Temperaturkompensa-
tion, zwei Verstärkerstufen und eine
Asymmetrierschaltung, die das diffe-
rentielle Meßsignal in ein massebezo-
genes verwandelt. Alle diese Funktio-
nen sorgen für das im Bereich 20...105

kPa weitgehend lineare
Ausgangssignal des
Bausteins (Empfind-

lichkeit 54 mV/kPa), wie es in Bild 4
dargestellt ist. Die Übertragungsfunk-
tion beträgt:

V

OUT

= V

S

⋅ (P⋅0,01059-0,1518) ± E

mit
V

S

:

5,1 V ± 0,25 V

P:

Druck [kPa]

E:

Gesamtfehler

Das lineare Verhalten und der Aus-
gangsspannungsbereich erlaubt den
hard- und softwaremäßig einfachen
Anschluß eines A/D-Wandlers und
eines Mikrocontrollers.

D

E R

A / D - W

A N D L E R

Um das analoge in ein digitales Signal
umzusetzen, wird ein preiswerter und
energiesparender Spezialist für nieder-
frequente Meßsignale eingesetzt, der
16-bit-Sigma-Delta-Wandler AD7715-5
von Analog Devices. Angesichts der
Spezifikationen des Sensors scheint
eine Auflösung von 16 bit zwar ein
wenig übertrieben, bei einer Messung
mit einigermaßen konstanter Umge-
bungstemperatur läßt sich aber eine
vertrauenswürdige Höhenauflösung
von 1 m erzielen.
Der AD7715 besitzt einen symmetri-
schen Eingangspuffer und einen pro-
grammierbaren Verstärker (PGA). Da
aber der Eingang AIN(-) genau wie
REF IN(-) auf Masse liegt, arbeitet der
Wandler asymmetrisch und benötigt
ein Eingangssignal von 0...2,5 V (bei
PGA-Verstärkung von 1). Dies erfordert
zwei Widerstandsteiler zwischen Sen-
sor und Wandler, die das Meßsignal
(R1/R2) und die Referenzspannung
(R3/R4) genau halbieren. Die Konden-
satoren C1 und C2 entkoppeln diese
Spannungen.
Meß- und Referenzspannung gelan-
gen zum Sigma-Delta-Modulator, der
von einem digitalen Filter abgeschlos-
sen wird. Das digitale Ausgangssignal
DOUT erscheint in serieller Form, so
daß nur wenige Verbindungen zum
Mikrocontroller gezogen werden
müssen.
Der Wandler bietet dem Controller
(neben der schon erwähnten PGA-Ver-
stärkung) mannigfaltige Möglichkei-
ten, den Betrieb zu beeinflussen. Es ste-
hen neben dem 16-bit-Datenregister
insgesamt drei 8 bit breite Register zur
Verfügung, die seriell über DIN einge-
stellt oder gelesen werden (Communi-
cation, Setup und Test). Wichtig ist hier
nur zu wissen, daß der Wandler sich
selbst kalibrieren kann und auf Befehl
des Controllers auch ab und an diesen
Vorgang durchführt.
Der Wandler wird von einem eigenen
Oszillator mit X1 im 2,4576-MHz-Rhy-
thmus getaktet. Der Auslesetakt aller-
dings wird vom Controller an
Anschluß SCLK vorgegeben.

20

Elektuur

11/98

3

Bild 3. Innenblock-
schaltung des BAP-
Sensors MPXS4100A
mit Signalaufbereitung.

4

Bild 4. Zwischen 20 kPa
und 105 kPa verläuft
die Sensor-Kennlinie
linear.

D

E R

C

O N T R O L L E R

Damit sind wir schon beim Control-
ler, einem 8051-Derivat mit der
Bezeichnung AT89S53-12 von Atmel.
Um die Schaltung möglichst kom-
pakt zu halten, haben wir uns für
diese Einchiplösung entschieden. Mit
Konsequenzen: Der Controller muß
über RAM und ROM verfügen. Diese
Speicher fallen aber mit 12 kByte
Flash-ROM und 256⋅8 bit RAM
naturgegeben recht klein aus (zudem
ist der ROM-Speicher größtenteils
mit dem Programm und mit Kon-
stanten gefüllt, das RAM dient als
Stack und für die Variablen). So kön-
nen die Berechnungen nicht in Fließ-
kommaarithmetik erfolgen, sondern
durch (recht umständliche) Umrech-
nungen. Doch davon nun genug, die
Arbeitsweise der Software soll ein
Schwerpunkt im zweiten Teil des
Artikels sein.
Port 1 ist für die Steuerung des Wand-
lers, das Lesen der Meßdaten sowie die

Kommunikation über die RS232-
Schnittstelle (MAX233) mit dem PC
zuständig. Port 0 und Port 2 steuern ein
LC-Display und fragen die Bedienein-
richtungen (die fünf Taster S2...S6) auf
einem eigenen Platinenabschnitt an.
Am Controller ist auch ein EEPROM
angeschlossen, das seriell über eine
Zweidrahtleitung gesteuert wird. Es
besitzt einen Speicherraum von 16
Kbit, bietet also bis zu 1000 Samples á
16 bit Platz.
Noch ein Wort zum Controller. Er
besitzt eine serielle Programmier-
schnittstelle und kann (dank Flash) in
der Schaltung gelöscht und program-
miert werden. Der Einsatz eines sol-
chen ISP-Controllers (in system pro-
grammable) erschien uns nicht nur aus
Kostengründen sinnvoll. ISP gibt
Ihnen die Möglichkeit, den Controller
selbst zu programmieren und Ände-
rungen an der Software vorzunehmen.
Doch auch dazu mehr im zweiten Arti-
kel im Dezemberheft.

M

E S S F E H L E R

Jedes Bauteil des Meßgerätes stellt eine
mögliche Quelle für Meßfehler dar.
Beim Sensors hat man es innerhalb des
Temperaturbereichs 0...85 °C mit einem
maximalen Druckfehler von ±1,5 kPa
zu tun. Von -40...0 °C und +85...125 °C
muß der Druckfehler mit einem Tem-
peraturfehler-Faktor (TF) von bis zu 3
multipliziert werden. Damit erhält
man einen Gesamtfehler des Sensors
von

E = ± (1,5 kPa ⋅ TF ⋅ 0,01059 ⋅ V

S

)

Dieser Fehler ist auch in Bild 4 einge-
zeichnet. Durch den Widerstandsteiler
R1/R2 wird das Meßsignal halbiert.
Durch die Toleranz der Widerstände
kann aber ein zusätzlicher Fehler von

±2 % der Meßspannung auftreten. Da
auch die Referenzspannung einen Tei-
ler durchläuft (und weitere ±2 % Feh-
ler verursachen kann), wird schnell
klar, daß man die Teilerwiderstände auf

21

Elektuur

11/98

Bild 5. Die vollständige Schaltung des
Barometers/Höhenmessers mit Sensor, Wandler, Con-
troller, Speicher, RS232-Treiber und Netzteil.

X2

11.0592MHz

C6

22p

C5

22p

C13

100n

C3

22p

C4

22p

X1

2.4576MHz

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

K1

C8

10

µ

10V

D0

D1

D2

D3

D4

D5

D6

D7

8x 10k

1

2

3

4

5

6

7

8

9

R6

D0

D1

D2

D3

D4

D5

D6

D7

RS

R/W

E

SW1

SW2

SW3

SW4

SW5

R/W

D0

D2

D4

D6

RS

E

D1

D3

D5

D7

SW2

SW4

SW1

SW3

SW5

AT24C16

IC4

SDA

SCL

A0

A1

A0

WP

1

5

8

4

6

2

3

7

C7

10

µ

10V

R5

10k

JP1

MAX233

R1OUT

R2OUT

T1OUT

T2OUT

IC5

T1IN

T2IN

R1IN

R2IN

C1–

C1+

C2+

C2+

C2–

C2–

V+

V–

11

18

19

20

13

14

12

V–

17

15

16

10

2

3

1

4

5

6

8

7

9

K2

1

2

3

4

5

6

7

8

9

JP2

AT89S53

EA/VP

ALE/P

RESET

-12JC

INT0

INT1

P0.0

P0.1

P0.2

P0.3

P0.4

P0.5

P0.6

P0.7

P1.0

P1.1

P1.2

P1.3

P1.4

P1.5

P1.6

P1.7

P2.0

P2.1

P2.2

P2.3

P2.4

P2.5

P2.6

P2.7

PSEN

IC3

TXD

RXD

RD

WR

T0

T1

43

42

41

40

39

38

37

36

24

25

26

27

28

29

30

31

35

21

X1

20

X2

22

44

19

18

32

33

13

11

14

15

16

17

10

2

3

4

5

6

7

8

9

C12

100n

C18

100n

AD7715

RESET

IC2

REF+

SCLK

AN-5

REF–

AIN–

AIN+

DOUT

DRDY

OUT

CLK

DIN

15

IN

10

11

14

13

12

CS

16

9

1

5

6

2

3

8

7

A

D

A

D

4

C15

100n

R4

25k5

1%

R2

25k5

1%

R3

25k5

1%

R1

25k5

1%

C1

470n

C2

470n

S4100A

IC1

MPX

4

3

2

C17

100n

C14

100n

DCD

RxD

RTS

TxD

DTR

K3

D1

1N4001

D2

BAT85

S1

C9

100

µ

16V

C11

10

µ

10V

C16

10

µ

10V

C10

10

µ

10V

BT1

9V

D3

1N4001

LP2950CZ5.0

IC6

4k7

P1

UO

R7

10k

L1

4

µ

H7

L2

4

µ

H7

S2

S3

S4

S5

S6

K4

20

19

18

17

16

15

5V

A

5V

A

5V

5V

5V

5V

5V

UO

5V

5V

5V

– U

I

R

5V

A

980097 - 11

5

Gleichheit ausmessen sollte.
Die nächste Fehlerquelle ist der A/D-
Wandler. Glücklicherweise kennt der
Wandler die schon erwähnte Selbstka-
librier-Funktion, die den Nullpunkt
und den Vollausschlag beim Einschal-
ten und alle 30 min korrekt einstellt.
Mit Verstärkungsfehlern und Tempe-
raturdift hat man also ebensowenig zu
kämpfen wie mit missing codes

22

Elektuur

11/98

980097-1

(C) ELEKTOR

C1

C2

C3

C4

C5

C6

C7

C8

C9

C10

C11

C12

C13

C14

C15

C16

C17

C18

D1

D2

D3

H1

H2

H3

H4

H5

H6

IC1

IC2

IC3

IC4

IC5

IC6

JP1

JP2

K1

K2

K3

L1

L2

P1

R1

R2

R3
R4

R5

R6

R7

S2

S3

S4

S5

S6

X1

X2

R

I

-

+

BT1

S1

980097-1

K4

980097-1

(C) ELEKTOR

Stückliste

Widerstände:
R1...R4 = 25k5 1%
R5,R7 = 10 k
R6 = Array 8

⋅10 k

P1 = Trimmpoti 4k7

Kondensatoren:
C1,C2 = 470 n MKT
C3...C6 = 22 p keramisch
C7,C8,C11,C16 = 10

µ/10 V stehend

C9 = 100

µ/16 V stehend

C10 = 10

µ/16 V stehend

C12...C15,C17,C18 = 100 n kera-

misch

Spulen:
L1,L2 = 4

µ7

Halbleiter:
D1,D3 = 1N4001
D2 = BAT85
IC1 = MPXS4100A (Motorola, Con-

rad 143200)

IC2 = AD7715AN-5 (Analog Devices)
IC3 = AT89S53-12JC
IC4 = AT24C16
IC5 = ADM233L (Analog Devices) (=

MAX233)

IC6 = LP2950CZ5.0

Außerdem:
X1 = Quarz 2,4576 MHz
X2 = Quarz 11,0592 MHz
JP1 = 2poliger Jumper
JP2 = 3poliger Jumper
K1 = 2

⋅10poliger Pfostenverbinder

mit Schutzkragen

K2 = 9poliger Sub-D-Verbinder

(female) für Platinenmontage,
gewinkelt

K3 = Kleinspannungsbuchse für Pla-

tinenmontage

K4 = 1

⋅6poliger Verbinder (male und

female)

BT1 = 9-V-Block mit Clip
S1 = Schalter 1

⋅an

S2...S6 = Drucktaster D6-R-RD mit

Kappe D6Q-RD-CAP (ITC)

Gehäuse Bopla E435
LC-Display 2

⋅16 Zeichen

5 cm 20poliges Flachbandkabel
1 Flachbandkabelverbinder
Fassung für IC3
Platine EPS 980097-1
Software (Disk) EPS 986031-1
(siehe Service-Seiten in der Heft-

mitte)

Bild 6. Die Schaltung
kann kompakt auf die-
ser doppelseitigen Pla-
tine aufgebaut werden.

6

(Daten, die durch “unglückliches”
Timing verloren gehen). Einzig die
Nichtlinearität des Wandlers von
0,0015 % muß in die Fehlerrechnung
mit einbezogen werden. Zählt man
alles zusammen, erhält der Controller
Daten, die mit Abgleich einen Fehler
von weniger als 1,8 % aufweisen.
Ohne Abgleich sind es im ungünstig-
sten Fall 5,8 %.

A

U F B A U

Bevor wir uns an den Aufbau des Meß-
gerätes machen, noch einmal zur
Schaltung. Die Spannungsversorgung
erfolgt wahlweise durch ein 12-V-
(Stecker-) Netzteil oder eine 9-V-Block-
batterie. Da der Strombedarf mit 25
mA ziemlich hoch liegt, kommt eine
Versorgung aus dem 9-V-Block bei
Dauerbetrieb kaum in Frage. Die bei-
den Spannungsquellen können auch
gleichzeitig angeschlossen sein, die
Dioden D1 und D2 verhindern, daß sie
sich ins Gehege kommen können.
Die Spannung wird von einem Fest-
spannungsregler auf 5 V stabilisiert.
Der eingesetzte L2950CZ-5.0 ist ein
sogenannter micropower voltage regulator
und zeichnet sich durch einen sehr
niedrigen Ruhestrom (typ. 75 µA) und
Spannungsverlust (unter 400 mV) aus.
Der Regler kann bis zu 100 mA liefern.
Direkt hinter dem Spannungsregler
wird durch P1 die Kontrastspannung
U

0

für das LC-Display angegriffen.

Auch die Digital-ICs sind direkt am
Regler angeschlossen. Zwei Drosseln
(L1 und L2) entkoppeln die 5-V-Span-
nung, die zum Sensor geführt wird
und gleichzeitig zum Versorgungs-
und Referenzspannungseingang des
analogen Teils des Wandlers.
Die Platine in Bild 6 muß zunächst in
zwei Teile gebrochen werden. Den
kleinen Abschnitt bestückt man mit
fünf Drucktastern, dem Verbinder K4
und bringt ihn am gemäß Frontplat-
tenlayout (Bild 7) vorbereiteten
Gehäusedeckel an.
Wegen der engen Leiterbahnführung
und der doch recht kompakten
Bestückung der “großen” Platine sollte
man einen kleinen Lötkolben verwen-
den und besondere Sorgfalt walten
lassen, da sich Lötfehler nur schwer
beheben lassen. Achten Sie besonders
auf die korrekte Polung der entspre-
chenden Bauteile und vermeiden Sie
Lötbrücken.
Wenn alles korrekt auf der Platine
sitzt (sie sieht dann so aus wie in Bild
8) und diese in das Gehäuse einge-
baut ist, der Deckel mit der Tastatur
und der Frontplatte versehen ist,
bleibt nichts weiter zu tun, als auf die
Erläuterung des Programmiervor-
gangs, die Kalibrieranleitung, die Soft-
warebeschreibung und die Bedien-
hinweise, sprich, auf das nächste Elek-
tor-Heft zu warten.

(980097-1)rg

23

Elektuur

11/98

Bild 7. Ein Blick auf die
bestückte Platine.

Bild 8. Ein Frontplatten-
vorschlag für das Meß-
gerät.

ON
POWER
OFF

BAROMETER & ALTIMETER

MODE

ENTER

ESCAPE

980097-F