基于PIC单片机的倾角传感器的设计
基于pic单片机的倾角传感器的设计 介绍倾角传感器的工作原理，对pic16c72与倾角传感器的硬件接口电路及其软件进行了设计，并且该设计已经由实验得到验证。
关键词：pic16c72；单片机；倾角传感器
0 前 言
设计中的倾角传感器是新型变质面积电容式倾角传感器，该倾角传感器技术是为数不多的、能够兼有结构简单、可靠性高、有通用传感器集成电路等优点的倾角传感器技术之一。在测绘仪器仪表、建筑机械、天线定位、机器人技术、坦克和舰船火炮平台控制、飞机姿态、汽车电子控制、石油勘探、海上平台监控等方面有广泛应用。
图1 倾角传感器原理图
1 倾角传感器的工作原理
倾角传感器的电路原理如图1所示。
检测电路由比较器a1、a2、双稳态触发器及电容充放电回路组成。c1、c2为可变介质面积电容式倾角传感器，其容量大小与倾角变化成比例。双稳态触发器的两个输出端a、b作为差动脉冲宽度调制电路的输出。设电源接通时，触发器的a端为高电位，b端为低电位，因此a点通过r1对c1充电，直至m点的电位等于参考电压uf时，比较器a1产生一脉冲，触发器翻转，则a点呈低电位，b点呈高电位。此时m点电位经二级管d1迅速放电至零，而同时b点的高电位经r2向c2充电，当n点电位等于uf时，比较器a2产生一脉冲，使触发器又翻转一次，则a点呈高电位，b点呈低电位，重复上述过程。如此周而复始，在双稳(a)(b) 态触发器的两输出端各自产生一宽度受c1、c2调制的方波脉冲。
当c1=c2时，线路上各点电压波形如图2（a）所示，a、b两点间平均电压为零。当c1≠c2时，c1和c2充放电时间常数不同，电压波形如图2（b）所示，a、b两点间平均电压不再是零。
输出直流电压usc由a、b两点间电压经低通滤波后获得，等于a、b两点间电压平均值uap和ubp之差。
式中u1——触发器输出高电平。
设充电电阻r1=r2=r，则得
图5 主程序 图6 a/d转换子程序
4 实验结果
按上述倾角测量原理及电路，我们制作了实际倾角测量装置，在实际转角测试平台上进行了测量实验，图7 为倾角实际测量曲线。其中，实线表示倾角传感器从-90°逐渐增大到+90°时的测量曲线，虚线表示从刚才的+90°逐渐返回到-90°的测量曲线。从图中可以看出，我们设计及制作的倾角传感器能够实现-90°－+90°之间的倾角测量，且具有较好的线性度，但测量存在一定的回差，这主要是由于传感器中介质的性能造成的。而且，若介质对温度变化敏感，则传感器的测量精度也要随之受温度影响。下一步的工作将寻求稳定的电容介质，提高传感器的测量精度。
图7 倾角实际测量曲线
参考文献:
［1］ 窦振中.pic系列单片机原理和程序设计［m］.北京：北京航空航天大学出版社，2000.
［2］ 王有绪.pic系列单片机接口技术与应用系统设计［m］.北京：北京航空航天大学出版社，2001.
［3］ 何信龙，李雪银.pic16c7x入门与应用范例［m］.北京：清华大学出版社，2002.
［4］ 彭树生.pic单片机原理及应用［m］.北京：机械工业出版社，2002.
［5］ 王化祥，张淑英.传感器原理及应用［m］.天津：天津大学出版社，1997
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1 倾角传感器的工作原理
倾角传感器的电路原理如图1所示。
检测电路由比较器a1、a2、双稳态触发器及电容充放电回路组成。c1、c2为可变介质面积电容式倾角传感器，其容量大小与倾角变化成比例。双稳态触发器的两个输出端a、b作为差动脉冲宽度调制电路的输出。设电源接通时，触发器的a端为高电位，b端为低电位，因此a点通过r1对c1充电，直至m点的电位等于参考电压uf时，比较器a1产生一脉冲，触发器翻转，则a点呈低电位，b点呈高电位。此时m点电位经二级管d1迅速放电至零，而同时b点的高电位经r2向c2充电，当n点电位等于uf时，比较器a2产生一脉冲，使触发器又翻转一次，则a点呈高电位，b点呈低电位，重复上述过程。如此周而复始，在双稳(a)(b) 态触发器的两输出端各自产生一宽度受c1、c2调制的方波脉冲。
当c1=c2时，线路上各点电压波形如图2（a）所示，a、b两点间平均电压为零。当c1≠c2时，c1和c2充放电时间常数不同，电压波形如图2（b）所示，a、b两点间平均电压不再是零。
输出直流电压usc由a、b两点间电压经低通滤波后获得，等于a、b两点间电压平均值uap和ubp之差。
式中u1——触发器输出高电平。
设充电电阻r1=r2=r，则得
图5 主程序 图6 a/d转换子程序
4 实验结果
按上述倾角测量原理及电路，我们制作了实际倾角测量装置，在实际转角测试平台上进行了测量实验，图7 为倾角实际测量曲线。其中，实线表示倾角传感器从-90°逐渐增大到+90°时的测量曲线，虚线表示从刚才的+90°逐渐返回到-90°的测量曲线。从图中可以看出，我们设计及制作的倾角传感器能够实现-90°－+90°之间的倾角测量，且具有较好的线性度，但测量存在一定的回差，这主要是由于传感器中介质的性能造成的。而且，若介质对温度变化敏感，则传感器的测量精度也要随之受温度影响。下一步的工作将寻求稳定的电容介质，提高传感器的测量精度。
图7 倾角实际测量曲线
参考文献:
［1］ 窦振中.pic系列单片机原理和程序设计［m］.北京：北京航空航天大学出版社，2000.
［2］ 王有绪.pic系列单片机接口技术与应用系统设计［m］.北京：北京航空航天大学出版社，2001.
［3］ 何信龙，李雪银.pic16c7x入门与应用范例［m］.北京：清华大学出版社，2002.
［4］ 彭树生.pic单片机原理及应用［m］.北京：机械工业出版社，2002.
［5］ 王化祥，张淑英.传感器原理及应用［m］.天津：天津大学出版社，1997
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