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0 前 言 設(shè)計(jì)中的傾角傳感器是新型變質(zhì)面積電容式傾角傳感器，該傾角傳感器技術(shù)是為數(shù)不多的、能夠兼有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、有通用傳感器集成電路等優(yōu)點(diǎn)的傾角傳感器技術(shù)之一。在測(cè)繪儀器儀表、建筑機(jī)械、天線定位、機(jī)器人技術(shù)、坦克和艦船火炮平臺(tái)控制、飛機(jī)姿態(tài)、汽車電子控制、石油勘探、海上平臺(tái)監(jiān)控等方面有廣泛應(yīng)用。 1 傾角傳感器的工作原理 傾角傳感器的電路原理如圖1所示。 圖1 傾角傳感器原理圖 檢測(cè)電路由比較器a1、a2、雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及電容充放電回路組成。c1、c2為可變介質(zhì)面積電容式傾角傳感器，其容量大小與傾角變化成比例。雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩個(gè)輸出端a、b作為差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路的輸出。設(shè)電源接通時(shí)，觸發(fā)器的a端為高電位，b端為低電位，因此a點(diǎn)通過(guò)r1對(duì)c1充電，直至m點(diǎn)的電位等于參考電壓uf時(shí)，比較器a1產(chǎn)生一脈沖，觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，則a點(diǎn)呈低電位，b點(diǎn)呈高電位。此時(shí)m點(diǎn)電位經(jīng)二級(jí)管d1迅速放電至零，而同時(shí)b點(diǎn)的高電位經(jīng)r2向c2充電，當(dāng)n點(diǎn)電位等于uf時(shí)，比較器a2產(chǎn)生一脈沖，使觸發(fā)器又翻轉(zhuǎn)一次，則a點(diǎn)呈高電位，b點(diǎn)呈低電位，重復(fù)上述過(guò)程。如此周而復(fù)始，在雙穩(wěn)(a)(b) 態(tài)觸發(fā)器的兩輸出端各自產(chǎn)生一寬度受c1、c2調(diào)制的方波脈沖。 當(dāng)c1=c2時(shí)，線路上各點(diǎn)電壓波形如圖2（a）所示，a、b兩點(diǎn)間平均電壓為零。當(dāng)c1≠c2時(shí)，c1和c2充放電時(shí)間常數(shù)不同，電壓波形如圖2（b）所示，a、b兩點(diǎn)間平均電壓不再是零。 輸出直流電壓usc由a、b兩點(diǎn)間電壓經(jīng)低通濾波后獲得，等于a、b兩點(diǎn)間電壓平均值uap和ubp之差。 式中u1——觸發(fā)器輸出高電平。 設(shè)充電電阻r1=r2=r，則得 圖2 各點(diǎn)電壓波形圖 當(dāng)傾角傳感器在-90°=－+90°之間轉(zhuǎn)動(dòng)變化時(shí)，c1、c2的電容將隨之發(fā)生變化。由上面的等式可知，差動(dòng)電容的變化使充電時(shí)間不同，從而使雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出端的方波脈沖寬度不同，因此a、b兩點(diǎn)間輸出直流電壓usc也不同，而且具有線性輸出特性。 2 硬件設(shè)計(jì) 用芯片lm339 作為傾角傳感器的兩個(gè)電壓比較器，芯片hbf4013af作為傾角傳感器的rs觸發(fā)器，芯片lm324用作電壓跟隨器。觸發(fā)器的a點(diǎn)電壓經(jīng)低通濾波后，再由芯片lm324進(jìn)行電壓跟隨，然后作為pic16c72單片機(jī)ra0端口的模擬輸入量。基于pic單片機(jī)的檢測(cè)電路如圖3所示。 圖3 pic硬件連接圖 pic16c72 芯片是一種具有28個(gè)引腳的雙列直插式芯片，有2k的程序存儲(chǔ)器和128 byte的ram，它提供22個(gè)i/o引腳與電源掉電復(fù)位功能，內(nèi)置的外圍包括3個(gè)定時(shí)器，一個(gè)捕捉/比較/pwm模塊和一個(gè)同步串行通信端口，這個(gè)通信端口可以設(shè)置為使用兩線的集成電路間通信模式，或是三線的串行外圍接口。pic16c72提供8個(gè)中斷源，并可由軟件來(lái)設(shè)置它們的優(yōu)先權(quán)。 pic16c72芯片的最大特點(diǎn)就是帶有8位a/d轉(zhuǎn)換部件，有5個(gè)a/d通道模擬輸入，這些多通道模擬輸入共用一個(gè)采樣/保持電路，用一個(gè)多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換。使用a/d轉(zhuǎn)換功能時(shí)，應(yīng)首先對(duì)a/d控制寄存器adcon0、adcon1進(jìn)行初始化定義，見(jiàn)圖4. pic16c72的ra1端接有一校零電鍵，當(dāng)pic16c72采樣時(shí)，若電鍵按下，則把當(dāng)前傾角傳感器的傾斜角定為零度角。此時(shí)，數(shù)碼管顯示的數(shù)據(jù)為零（000.0）. 圖4 a／d控制寄存器 本設(shè)計(jì)中，由4 個(gè)led數(shù)碼管顯示傾角傳感器的傾斜角度。第一個(gè)數(shù)碼管顯示符號(hào)位，中間兩個(gè)顯示整數(shù)位，最后一個(gè)數(shù)碼管顯示小數(shù)位。顯示的數(shù)值范圍為-90.0°—+ 90.0°.led數(shù)碼管顯示采用的是共陰極動(dòng)態(tài)掃描。ra2、ra4、ra5、rc0為位選端，當(dāng)該端為高電平時(shí)，由三極管驅(qū)動(dòng)位選。rb0－rb7為段選，當(dāng)它為高電平時(shí)分別驅(qū)動(dòng)八段led. 3 軟件設(shè)計(jì) 主程序和a/d轉(zhuǎn)換子程序流程圖如圖5和圖6所示。 圖5 主程序 圖6 a/d轉(zhuǎn)換子程序 4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 按上述傾角測(cè)量原理及電路，我們制作了實(shí)際傾角測(cè)量裝置，在實(shí)際轉(zhuǎn)角測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行了測(cè)量實(shí)驗(yàn)，圖7 為傾角實(shí)際測(cè)量曲線。其中，實(shí)線表示傾角傳感器從-90°逐漸增大到+90°時(shí)的測(cè)量曲線，虛線表示從剛才的+90°逐漸返回到-90°的測(cè)量曲線。從圖中可以看出，我們?cè)O(shè)計(jì)及制作的傾角傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)-90°－+90°之間的傾角測(cè)量，且具有較好的線性度，但測(cè)量存在一定的回差，這主要是由于傳感器中介質(zhì)的性能造成的。而且，若介質(zhì)對(duì)溫度變化敏感，則傳感器的測(cè)量精度也要隨之受溫度影響。下一步的工作將尋求穩(wěn)定的電容介質(zhì)，提高傳感器的測(cè)量精度。 圖7 傾角實(shí)際測(cè)量曲線 |
