|
0 前 言 設計中的傾角傳感器是新型變質面積電容式傾角傳感器，該傾角傳感器技術是為數不多的、能夠兼有結構簡單、可靠性高、有通用傳感器集成電路等優點的傾角傳感器技術之一。在測繪儀器儀表、建筑機械、天線定位、機器人技術、坦克和艦船火炮平臺控制、飛機姿態、汽車電子控制、石油勘探、海上平臺監控等方面有廣泛應用。 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 檢測電路由比較器a1、a2、雙穩態觸發器及電容充放電回路組成。c1、c2為可變介質面積電容式傾角傳感器，其容量大小與傾角變化成比例。雙穩態觸發器的兩個輸出端a、b作為差動脈沖寬度調制電路的輸出。設電源接通時，觸發器的a端為高電位，b端為低電位，因此a點通過r1對c1充電，直至m點的電位等于參考電壓uf時，比較器a1產生一脈沖，觸發器翻轉，則a點呈低電位，b點呈高電位。此時m點電位經二級管d1迅速放電至零，而同時b點的高電位經r2向c2充電，當n點電位等于uf時，比較器a2產生一脈沖，使觸發器又翻轉一次，則a點呈高電位，b點呈低電位，重復上述過程。如此周而復始，在雙穩(a)(b) 態觸發器的兩輸出端各自產生一寬度受c1、c2調制的方波脈沖。 當c1=c2時，線路上各點電壓波形如圖2（a）所示，a、b兩點間平均電壓為零。當c1≠c2時，c1和c2充放電時間常數不同，電壓波形如圖2（b）所示，a、b兩點間平均電壓不再是零。 輸出直流電壓usc由a、b兩點間電壓經低通濾波后獲得，等于a、b兩點間電壓平均值uap和ubp之差。 式中u1——觸發器輸出高電平。 設充電電阻r1=r2=r，則得 圖2 各點電壓波形圖 當傾角傳感器在-90°=－+90°之間轉動變化時，c1、c2的電容將隨之發生變化。由上面的等式可知，差動電容的變化使充電時間不同，從而使雙穩態觸發器輸出端的方波脈沖寬度不同，因此a、b兩點間輸出直流電壓usc也不同，而且具有線性輸出特性。 2 硬件設計 用芯片lm339 作為傾角傳感器的兩個電壓比較器，芯片hbf4013af作為傾角傳感器的rs觸發器，芯片lm324用作電壓跟隨器。觸發器的a點電壓經低通濾波后，再由芯片lm324進行電壓跟隨，然后作為pic16c72單片機ra0端口的模擬輸入量。基于pic單片機的檢測電路如圖3所示。 圖3 pic硬件連接圖 pic16c72 芯片是一種具有28個引腳的雙列直插式芯片，有2k的程序存儲器和128 byte的ram，它提供22個i/o引腳與電源掉電復位功能，內置的外圍包括3個定時器，一個捕捉/比較/pwm模塊和一個同步串行通信端口，這個通信端口可以設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個中斷源，并可由軟件來設置它們的優先權。 pic16c72芯片的最大特點就是帶有8位a/d轉換部件，有5個a/d通道模擬輸入，這些多通道模擬輸入共用一個采樣/保持電路，用一個多路轉換開關進行切換。使用a/d轉換功能時，應首先對a/d控制寄存器adcon0、adcon1進行初始化定義，見圖4. pic16c72的ra1端接有一校零電鍵，當pic16c72采樣時，若電鍵按下，則把當前傾角傳感器的傾斜角定為零度角。此時，數碼管顯示的數據為零（000.0）. 圖4 a／d控制寄存器 本設計中，由4 個led數碼管顯示傾角傳感器的傾斜角度。第一個數碼管顯示符號位，中間兩個顯示整數位，最后一個數碼管顯示小數位。顯示的數值范圍為-90.0°—+ 90.0°.led數碼管顯示采用的是共陰極動態掃描。ra2、ra4、ra5、rc0為位選端，當該端為高電平時，由三極管驅動位選。rb0－rb7為段選，當它為高電平時分別驅動八段led. 3 軟件設計 主程序和a/d轉換子程序流程圖如圖5和圖6所示。 圖5 主程序 圖6 a/d轉換子程序 4 實驗結果 按上述傾角測量原理及電路，我們制作了實際傾角測量裝置，在實際轉角測試平臺上進行了測量實驗，圖7 為傾角實際測量曲線。其中，實線表示傾角傳感器從-90°逐漸增大到+90°時的測量曲線，虛線表示從剛才的+90°逐漸返回到-90°的測量曲線。從圖中可以看出，我們設計及制作的傾角傳感器能夠實現-90°－+90°之間的傾角測量，且具有較好的線性度，但測量存在一定的回差，這主要是由于傳感器中介質的性能造成的。而且，若介質對溫度變化敏感，則傳感器的測量精度也要隨之受溫度影響。下一步的工作將尋求穩定的電容介質，提高傳感器的測量精度。 圖7 傾角實際測量曲線 |
