原创 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。

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。

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式中u₁——触发器输出高电平。

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设充电电阻r₁=r₂=r，则得

图2 各点电压波形图

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°－+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.