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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行了設計，并且該設計已經由實驗得到驗證。
關鍵詞：PIC16C72；單片機；傾角傳感器
中圖分類號：TH822；TP212.12；TP368.1 文獻標識碼：B
0 前 言
設計中的傾角傳感器是新型變質面積電容式傾角傳感器，該傾角傳感器技術是為數不多的、能夠兼有結構簡單、可靠性高、有通用傳感器集成電路等優點的傾角傳感器技術之一。在測繪儀器儀表、建筑機械、天線定位、機器人技術、坦克和艦船火炮平臺控制、飛機姿態、汽車電子控制、石油勘探、海上平臺監控等方面有廣泛應用。
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、雙穩態觸發器及電容充放電回路組成。C1、C2為可變介質面積電容式傾角傳感器，其容量大小與傾角變化成比例。雙穩態觸發器的兩個輸出端A、B作為差動脈沖寬度調制電路的輸出。設電源接通時，觸發器的A端為高電位，B端為低電位，因此A點通過R1對C1充電，直至M點的電位等于參考電壓Uf時，比較器A1產生一脈沖，觸發器翻轉，則A點呈低電位，B點呈高電位。此時M點電位經二級管D1迅速放電至零，而同時B點的高電位經R2向C2充電，當N點電位等于Uf時，比較器A2產生一脈沖，使觸發器又翻轉一次，則A點呈高電位，B點呈低電位，重復上述過程。如此周而復始，在雙穩(a)(b) 態觸發器的兩輸出端各自產生一寬度受C1、C2調制的方波脈沖。
當C1=C2時，線路上各點電壓波形如圖2（a）所示，A、B兩點間平均電壓為零。當C1≠C2時，C1和C2充放電時間常數不同，電壓波形如圖2（b）所示，A、B兩點間平均電壓不再是零。
輸出直流電壓USC由A、B兩點間電壓經低通濾波后獲得，等于A、B兩點間電壓平均值UAP和UBP之差。
式中U1——觸發器輸出高電平。
設充電電阻R1=R2=R，則得
圖2 各點電壓波形圖
當傾角傳感器在-90°=－+90°之間轉動變化時，C1、C2的電容將隨之發生變化。由上面的等式可知，差動電容的變化使充電時間不同，從而使雙穩態觸發器輸出端的方波脈沖寬度不同，因此A、B兩點間輸出直流電壓USC也不同，而且具有線性輸出特性。
2 硬件設計
用芯片LM339作為傾角傳感器的兩個電壓比較器，芯片HBF4013AF作為傾角傳感器的RS觸發器，芯片LM324用作電壓跟隨器。觸發器的A點電壓經低通濾波后，再由芯片LM324進行電壓跟隨，然后作為PIC16C72單片機RA0端口的模擬輸入量。基于PIC單片機的檢測電路如圖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I/O引腳與電源掉電復位功能，內置的外圍包括3個定時器，一個捕捉/比較/PWM模塊和一個同步串行通信端口，這個通信端口可以設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個中斷源，并可由軟件來設置它們的優
先權。
PIC16C72芯片的最大特點就是帶有8位A/D轉換部件，有5個A/D通道模擬輸入，這些多通道模擬輸入共用一個采樣/保持電路，用一個多路轉換開關進行切換。使用A/D轉換功能時，應首先對A/D控制寄存器ADCON0、ADCON1進行初始化定義，見圖4.
PIC16C72的RA1端接有一校零電鍵，當PIC16C72采樣時，若電鍵按下，則把當前傾角傳感器的傾斜角定為零度角。此時，數碼管顯示的數據為零（000.0）.
圖4 A／D控制寄存器
4個LED數碼管顯示傾角傳感器的傾斜角度。第一個數碼管顯示符號位，中間兩個顯示整數位，最后一個數碼管顯示小數位。顯示的數值范圍為-90.0°—+90.0°.LED數碼管顯示采用的是共陰極動態掃描。RA2、RA4、RA5、RC0為位選端，當該端為高電平時，由三極管驅動位選。RB0－RB7為段選，當它為高電平時分別驅動八段LED.
3 軟件設計
主程序和A/D轉換子程序流程圖如圖5和圖6所示
圖5 主程序 圖6 A/D轉換子程序
4 實驗結果
按上述傾角測量原理及電路，我們制作了實際傾角測量裝置，在實際轉角測試平臺上進行了測量實驗，圖7為傾角實際測量曲線。其中，實線表示傾角傳感器從-90°逐漸增大到+90°時的測量曲線，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，我們設計及制作的傾角傳感器能夠實現-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的性能造成的。而且，若介質對溫度變化敏感，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定的電容介質，提高傳感器的測量精度。
 圖7 傾角實際測量曲線
參考文獻:
［1］ 竇振中.PIC系列單片機原理和程序設計［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2000.
［2］ 王有緒.PIC系列單片機接口技術與應用系統設計［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2001.
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