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基于PIC单片机的倾角传感器的设计

2020-01-06 11:47:15

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