基于单片机的倾角传感器设计

基于PIC单片机的倾角传感器的设计

摘要：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。

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。

图1 倾角传感器原理图

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U f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U f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U SC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U AP和U BP之差。

式中U1——触发器输出高电平。

图2 各点电压波形图

设充电电阻R1=R2=R ，则得

当倾角传感器在-90°=－+90°之间转动变化时，C1、C2的电容将随之发生变化。由上面的等式可知，差动电容的变化使充电时间不同，从而使双稳态触发器输出端的方波脉冲宽度不同，因此A、B两点间输出直流电压U SC也不同，而且具有线性输出特性。

2 硬件设计

用芯片LM339 作为倾角传感器的两个电压比较器，芯片HBF4013AF作为倾角传感器的RS触发器，芯片LM324用作电压跟随器。触发器的A点电压经低通滤波后，再由芯片LM324进行电压跟随，然后作为PIC16C72单片机RA0端口的模拟输入量。基于PIC单片机的检测电路如图3所示。

图3 PIC 硬件连接图

PIC16C72 芯片是一种具有28个引脚的双列直插式芯片，有2k 的程序存储器和128 Byte 的RAM ，它提供22个I/O 引脚与电源掉电复位功能，内置的外围包括3个定时器，一个捕捉/比较/PWM 模块和一个同步串行通信端口，这个通信端口可以设置为使用两线的集成电路间通信模式，或是三线的串行外围接口。PIC16C72提供8个中断源，并可由软件来设置它们的优

先权。

PIC16C72芯片的最大特点就是带有8位A/D 转换部件，有5个A/D 通道模拟输入，这些多通道模拟输入共用一个采样/保持电路，用一个多路转换开关进行切换。使用A/D 转换功能时，应首先对A/D 控制寄存器ADCON0、ADCON1进行初始化定义，见图4.

PIC16C72的RA1端接有一校零电键，当PIC16C72采样时，若电键按下，则把当前倾角传感器的倾斜角定为零度角。此时，数码管显示的数据为零（000.0）

.

图4 A ／D 控制寄存器

本设计中，由4 个LED 数码管显示倾角传感器的倾斜角度。第一个数码管显示符号位，中间两个显示整数位，最后一个数码管显示小数位。

显示的数值范围为-90.0°—+ 90.0°.LED数码管显示采用的是共阴极动态扫描。RA2、RA4、RA5、RC0为位选端，当该端为高电平时，由三极管驱动位选。RB0－RB7为段选，当它为高电平时分别驱动八段LED.

3 软件设计

主程序和A/D转换子程序流程图如图5和图6所示。

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°－

图7 倾角实际测量曲线

+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。

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.