基于PIC单片机的倾角传感器的设计

　　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USC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