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摘 要：介紹傾角傳感器的工作原理，對PIC16C72與傾角傳感器的硬件接口電路及其軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并且該設(shè)計(jì)已經(jīng)由實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證。
關(guān)鍵詞：PIC16C72；單片機(jī)；傾角傳感器
中圖分類號：TH822；TP212.12；TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B
0 前 言
設(shè)計(jì)中的傾角傳感器是新型變質(zhì)面積電容式傾角傳感器，該傾角傳感器技術(shù)是為數(shù)不多的、能夠兼有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、有通用傳感器集成電路等優(yōu)點(diǎn)的傾角傳感器技術(shù)之一。在測繪儀器儀表、建筑機(jī)械、天線定位、機(jī)器人技術(shù)、坦克和艦船火炮平臺控制、飛機(jī)姿態(tài)、汽車電子控制、石油勘探、海上平臺監(jiān)控等方面有廣泛應(yīng)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(wěn)態(tài)觸發(fā)器及電容充放電回路組成。C1、C2為可變介質(zhì)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(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩個(gè)輸出端A、B作為差動脈沖寬度調(diào)制電路的輸出。設(shè)電源接通時(shí)，觸發(fā)器的A端為高電位，B端為低電位，因此A點(diǎn)通過R1對C1充電，直至M點(diǎn)的電位等于參考電壓Uf時(shí)，比較器A1產(chǎn)生一脈沖，觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，則A點(diǎn)呈低電位，B點(diǎn)呈高電位。此時(shí)M點(diǎn)電位經(jīng)二級管D1迅速放電至零，而同時(shí)B點(diǎn)的高電位經(jīng)R2向C2充電，當(dāng)N點(diǎn)電位等于Uf時(shí)，比較器A2產(chǎn)生一脈沖，使觸發(fā)器又翻轉(zhuǎn)一次，則A點(diǎn)呈高電位，B點(diǎn)呈低電位，重復(fù)上述過程。如此周而復(fù)始，在雙穩(wěn)(a)(b) 態(tài)觸發(fā)器的兩輸出端各自產(chǎn)生一寬度受C1、C2調(diào)制的方波脈沖。
當(dāng)C1=C2時(shí)，線路上各點(diǎn)電壓波形如圖2（a）所示，A、B兩點(diǎn)間平均電壓為零。當(dāng)C1≠C2時(shí)，C1和C2充放電時(shí)間常數(shù)不同，電壓波形如圖2（b）所示，A、B兩點(diǎn)間平均電壓不再是零。
輸出直流電壓USC由A、B兩點(diǎn)間電壓經(jīng)低通濾波后獲得，等于A、B兩點(diǎn)間電壓平均值UAP和UBP之差。
式中U1——觸發(fā)器輸出高電平。
設(shè)充電電阻R1=R2=R，則得
圖2 各點(diǎn)電壓波形圖
當(dāng)傾角傳感器在-90°=－+90°之間轉(zhuǎn)動變化時(shí)，C1、C2的電容將隨之發(fā)生變化。由上面的等式可知，差動電容的變化使充電時(shí)間不同，從而使雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出端的方波脈沖寬度不同，因此A、B兩點(diǎn)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(shè)計(jì)
用芯片LM339作為傾角傳感器的兩個(gè)電壓比較器，芯片HBF4013AF作為傾角傳感器的RS觸發(fā)器，芯片LM324用作電壓跟隨器。觸發(fā)器的A點(diǎn)電壓經(jīng)低通濾波后，再由芯片LM324進(jìn)行電壓跟隨，然后作為PIC16C72單片機(jī)RA0端口的模擬輸入量。基于PIC單片機(jī)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(gè)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(gè)I/O引腳與電源掉電復(fù)位功能，內(nèi)置的外圍包括3個(gè)定時(shí)器，一個(gè)捕捉/比較/PWM模塊和一個(gè)同步串行通信端口，這個(gè)通信端口可以設(shè)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(gè)中斷源，并可由軟件來設(shè)置它們的優(yōu)
先權(quán)。
PIC16C72芯片的最大特點(diǎn)就是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換部件，有5個(gè)A/D通道模擬輸入，這些多通道模擬輸入共用一個(gè)采樣/保持電路，用一個(gè)多路轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行切換。使用A/D轉(zhuǎn)換功能時(shí)，應(yīng)首先對A/D控制寄存器ADCON0、ADCON1進(jìn)行初始化定義，見圖4.
PIC16C72的RA1端接有一校零電鍵，當(dāng)PIC16C72采樣時(shí)，若電鍵按下，則把當(dāng)前傾角傳感器的傾斜角定為零度角。此時(shí)，數(shù)碼管顯示的數(shù)據(jù)為零（000.0）.
圖4 A／D控制寄存器
4個(gè)LED數(shù)碼管顯示傾角傳感器的傾斜角度。第一個(gè)數(shù)碼管顯示符號位，中間兩個(gè)顯示整數(shù)位，最后一個(gè)數(shù)碼管顯示小數(shù)位。顯示的數(shù)值范圍為-90.0°—+90.0°.LED數(shù)碼管顯示采用的是共陰極動態(tài)掃描。RA2、RA4、RA5、RC0為位選端，當(dāng)該端為高電平時(shí)，由三極管驅(qū)動位選。RB0－RB7為段選，當(dāng)它為高電平時(shí)分別驅(qū)動八段LED.
3 軟件設(shè)計(jì)
主程序和A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換子程序
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
按上述傾角測量原理及電路，我們制作了實(shí)際傾角測量裝置，在實(shí)際轉(zhuǎn)角測試平臺上進(jìn)行了測量實(shí)驗(yàn)，圖7為傾角實(shí)際測量曲線。其中，實(shí)線表示傾角傳感器從-90°逐漸增大到+90°時(shí)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(shè)計(jì)及制作的傾角傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)-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(zhì)的性能造成的。而且，若介質(zhì)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(wěn)定的電容介質(zhì)，提高傳感器的測量精度。
 圖7 傾角實(shí)際測量曲線
參考文獻(xiàn):
［1］ 竇振中.PIC系列單片機(jī)原理和程序設(shè)計(jì)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2000.
［2］ 王有緒.PIC系列單片機(jī)接口技術(shù)與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001.
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