Барометры BMP085, BMP180 и MS5611 – в чем отличие?

МЭМС (микроэлектромеханические системы) барометров в любительских изделиях чаще всего применяется в метеостанциях, либо для определения высоты полёта БПЛА и коптеров. Для метеостанции вполне хватает даже простого BMP 085, но для управления полётом квадрокоптера требуется максимально возможная точность и одним BMP 085 уже не обойтись.

В системах управления беспилотниками используется множество датчиков: акселерометр, гироскоп, компас и барометр. Ими обладают платы полётных контроллеров.

Также производятся сборки с этими датчиками без контроллера, так называемые IMU-сенсоры. Они отличаются количеством степеней свободы. Так, IMU 10DOF означает, что сенсор обладает 10 степенями свободы (DOF– Degrees Of Freedom).

На фотографии ниже показан типичный 10DOF IMU-сенсор:

Такой сборки достаточно для управления практические любым беспилотником вручную. Однако, для полётов в автоматическом режиме она не совсем пригодна, так как барометр BMP085 обладает малой точностью измерения высоты – всего 50 см.

Итак, давайте сравним характеристики барометров BMP085, BMP180 и MS5611.

Несколько лет назад были распространены эти барометры разработки Bosch.

Они обладают следующими характеристиками:

• Измерение давления в диапазоне от 300 гПа до 1100 гПа (эквивалентно высоте от -0,5 до 9 километров);
• Рабочее напряжение: 1.8-3.6 вольт;
• Потребляемый ток: 5 мкА при частоте опроса 1 Гц;
• Точность измерения высоты: от 0.5 до 0.25 метра.
• Скорость измерения: от 3 до 17 миллисекунд.

BMP180 продолжает линейку барометров Bosch, которая началась с BMP085.

Его основные характеристики остались неизменными, исключением является точность – теперь она составляет 0,17 метра.

MS5611 более продвинут, но не очень популярен из-за относительно большой стоимости.

• Измерение давления в диапазоне от 10 гПа до 1200 гПа;
• Рабочее напряжение: 1.8-3.6 вольт;
• Потребляемый ток: 1 мкА при частоте опроса 1 Гц;
• Точность измерения высоты: до 10 см;
• Скорость измерения: от 1 до 9 миллисекунд.

Как можно заметить, его точность составляет уже 10 сантиметров! Кроме того, диапазон давлений шире, чем у обоих BMP. Время измерения и потребляемый ток меньше.

Во всех этих датчиках присутствует термометр. Интерфейсом связи во всех трёх является I2C.

Теперь перейдём непосредственно к сравнению датчиков на практике.

Для правильного тестирования измерения должны быть синхронизированы. Хоть и все барометры имеют интерфейс I2C, а он является адресным и поддерживает множество устройств на одной шине, подключить их к одному микроконтроллеру не удастся, ведь адрес всех барометров одинаков – 0x77. Эта проблема решена с помощью трёх синхронизированных по времени микроконтроллеров.

На плате Arduino Mega2560 имеется 4 аппаратных последовательных порта. К ним подключены две платы Arduino UNO. К каждому из трёх микроконтроллеров по I2C подключен свой барометр.

Для продолжительного сбора данных к Arduino Mega по интерфейсу SPI подключена MicroSD.

Микроконтроллеры синхронизировано очень просто. Mega выступает в роли ведущего, UNO – ведомых. Mega отправляет сигнал о сборе данных и сам снимает показания со своего датчика, а после ждёт ответа от обоих UNO.

Показания датчиков отправляются через COM-порт на компьютер, либо записываются на карту памяти.

Были использованы следующие библиотеки: Arduino-MS5611 и SFE_BMP180.

Библиотека для BMP180 работает и с BMP085.

Были проведены несколько простых тестов в условиях, имитирующих работы датчика в системе управления квадрокоптером и большое испытание длительностью в 22 часа. Тестирование проводилось в закрытом помещении. Измерение давления проводились в паскалях. Везде кроме первого теста выбрана максимальная точность.

Тест №1. Длительность — 1 минута, период опроса — 100 миллисекунд.

По графику видно, что показания BMP085 неслабо разнятся, а MS5611 демонстрирует немного странные показания. Но при этом на измерение MS5611 требуется всего 1 мс, а другие датчики тратят на это в три раза больше времени.

Можно заметить, абсолютные значения давления у каждого датчика сильно отличаются от остальных. Вероятнее всего, барометры неверно откалиброваны по температуре.

Тест №2. Всё то же самое, только точность выбрана максимальная.

Теперь MS5611 стремительно обходит конкурентов. Также можно заметить, что BMP180 чуть точнее, чем BMP085.

Тест №3. Длительность — 15 минут, период опроса — 1 секунда.

Разница давления доходила до 30-33 паскалей, что эквиваленто примерно 250 см высоты (100 см примерно равны 12 паскалям).

Тест №4. Длительность — 45 секунд, период опроса — 100 миллисекунд.

 Стенд был опущен с высоты 81 см. Это видно в середине графика. MS5611 лучше всех проявил себя, показав изменение давления в 10 Па, что соответствует как раз тем самым 80 см.

Тест №5: Длительность — 22 часа, период опроса — 1 минута.

А вот результаты самого длительного теста. График отображает изменение давления за 22 часа. Измерения проводились примерно с 6 часов вечера. Давление становилось выше вплоть до утра, а после начало опускаться, не снизившись до значений прошлых суток.

Лучшим выбором для беспилотника благодаря своей точности будет барометр MS5611. Кроме того, он превосходит аналоги по скорости измерений и энергопотреблению.

При этом для простой метеостанции хватит точности любого из датчиков BMP180 и BMP085, тем более их цена более привлекательна.