楊立，陳湘萍

（貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025）

0 引言

在檢測(cè)和自動(dòng)控制技術(shù)快速發(fā)展的今天，傳感技術(shù)的發(fā)展也隨之達(dá)到了一個(gè)新的高度[1-3]。由于整個(gè)社會(huì)正逐漸趨向于智能化，而傳感器能代替人類的所有感官且對(duì)外界的檢測(cè)比人更為精準(zhǔn)，所以其無疑就成為了國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者研究的焦點(diǎn)。在我們身邊，傳感器的身影已是無處不在。而傾角傳感器在我們生活中各方面的應(yīng)用也越來越多[4-8]，本文所介紹的液體擺電容傾角傳感器是電容式傳感器的一種，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，是一種通過改變介質(zhì)與傳感器的接觸面積來改變電容值的電容傳感器。所以它的靈敏度相較于其它傳感器會(huì)高一些。此外，由于該傳感器兩極板間沒有接觸，所以相應(yīng)的機(jī)械損失也就比較小。因此，液體擺電容傾角傳感器必將是非常有前景的傳感器之一。但是，由于它存在的一些缺點(diǎn)和問題：如存在寄生電容和用不同的方法測(cè)量時(shí)其輸出可能是非線性等，這就會(huì)影響到它的穩(wěn)定性和實(shí)用性，所以在使用該傳感器時(shí)需要采取一定的調(diào)理措施。本文設(shè)計(jì)了一種液體擺電容傾角傳感器結(jié)構(gòu)，并建立一個(gè)動(dòng)態(tài)水平平臺(tái)控制系統(tǒng)。使平臺(tái)一旦傾斜以后，傳感器立即響應(yīng)并測(cè)出傾斜角度值和傾斜方向并在液晶顯示器上顯示該數(shù)字和方向，同時(shí)直流電機(jī)能夠在單片機(jī)的控制下驅(qū)動(dòng)連接在其一端的渦輪蝸桿調(diào)節(jié)螺桿上下移動(dòng)從而達(dá)到實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)平臺(tái)水平的目的。

圖1 系統(tǒng)整體框圖Fig.1 System block diagram

1 整體設(shè)計(jì)方案

整體框圖如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)主要由傳感器模塊、信號(hào)調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)控制系統(tǒng)組成。將液體擺電容傾角傳感器安裝在平臺(tái)上，如果平臺(tái)發(fā)生傾斜，此時(shí)會(huì)改變傾角傳感器的電容值。再通過信號(hào)調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路就可以將該電容值轉(zhuǎn)化為平臺(tái)的傾斜角度的數(shù)字量。然后將該數(shù)字量送入單片機(jī)控制系統(tǒng)及時(shí)將平臺(tái)調(diào)平，并在LCD上顯示此次的傾角信息。

2 液體擺電容傾角傳感器結(jié)構(gòu)[9]

如圖2所示，傳感器由兩片圓形電極板和一個(gè)圓形密封圈組成。一片電極板作為靜極板，引出線接地，另一片電極板均分成2個(gè)可變靜極板，組成了一個(gè)差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。極板表面用聚氯乙烯薄膜覆蓋，作為電介質(zhì)使液體與電容極板實(shí)現(xiàn)電隔離。當(dāng)傳感器旋轉(zhuǎn)時(shí)，一邊的靜電極板浸在液體中的面積減小，另一邊的靜電極板浸在液體中的面積增大。由于封入的介電常數(shù)比氣體的高，因此，液面的流動(dòng)造成電容發(fā)生變化，據(jù)此可測(cè)出傾斜角。

圖2 傾角傳感器結(jié)構(gòu)Fig.2 Inclination sensor structure

如圖2所示，設(shè)半圓形面積為S，水平狀態(tài)時(shí)有：

當(dāng)有傾角時(shí)：

式中為S圓形極板的面積，d為覆銅板間的距離，ε0為真空的介電常數(shù)，εrk為空氣的相對(duì)介電常數(shù)，εry為電介液的相對(duì)介電常數(shù)。

由式（3）可以看出，傾斜角與兩極板間電容的變化量成正比，即測(cè)出電容的變化量就可以得出傾斜角度的變化量。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

由于電容傳感器的電容值一般在幾皮法至幾十皮法之間，如此微小的電容是很難通過儀器來直接顯示。此外由于電容太小，相對(duì)來說在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)如果稍稍有點(diǎn)干擾的話，傳輸數(shù)據(jù)就非常不準(zhǔn)確了。這就需要用一個(gè)較為合適的測(cè)量電路來測(cè)出這個(gè)微小的電容值，并把電容值轉(zhuǎn)換為和它有線性關(guān)系的其它電信號(hào)。

3.1 信號(hào)采集電路

本設(shè)計(jì)選擇了差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路對(duì)傾角傳感器的信號(hào)進(jìn)行采集。如圖3所示，差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路[10]由兩個(gè)比較器A1和A2，一個(gè)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及兩個(gè)電容充、放電回路組成。C1和C2是液體擺電容傾角傳感器的差動(dòng)電容。雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩個(gè)輸出端A、B作為該電路的輸出。當(dāng)電源接通時(shí)，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩個(gè)輸出端一端為高電平另一端為低電平。其中一個(gè)電容開始充電，直至該電容陽極的電位等于參考電壓UF時(shí)，相應(yīng)的比較器產(chǎn)生一個(gè)脈沖使雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)。此時(shí)，原來充電的電容開始迅速放電至零，而另一電容則開始充電，當(dāng)其陽極的電位等于參考電位UF時(shí)，與之相應(yīng)的比較器產(chǎn)生一個(gè)脈沖，使觸發(fā)器又翻轉(zhuǎn)一次。一直重復(fù)上述過程。這樣，在雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出端就產(chǎn)生了一組寬度受C1、C2調(diào)制的方波脈沖。

圖3 差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路Fig.3 Differential pulse width modulation circuit

當(dāng)充電電阻 R1= R2= R 時(shí)，電路的輸出為：

式中U0為差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路的輸出直流電壓；U1為觸發(fā)器輸出高電平。

由于C0和U1的值是確定不變的，所以輸出電壓U0與電極板間電容的變化量?C成正比。又因?yàn)棣取?C，所以 θ∝U0。所以說，此時(shí)傾角就可以通過測(cè)量輸出電壓的大小來測(cè)得了。

在信號(hào)調(diào)理電路中，需要把-5°～+5°的角度變化量轉(zhuǎn)換成0～5V的電壓信號(hào)。

式中，UAP為A點(diǎn)的電壓平均值。由上式可知，對(duì)地輸出電壓與電容的變化量?C還是成正比。所以在信號(hào)調(diào)理電路中，只需要采取對(duì)地輸出就可以了。

經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路，就把-90°～+90°的角度變化量轉(zhuǎn)換成0～5 V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)了，所以當(dāng)電容水平時(shí)，輸出電壓為2.5 V，相應(yīng)地-90°～ 0°對(duì)應(yīng)的是 0 ～2.5 V， 0°～ +90°對(duì)應(yīng)的是2.5～5 V。然而，在本設(shè)計(jì)中要求的測(cè)量范圍為-5°～+5°。所以還需要對(duì)該輸出信號(hào)做進(jìn)一步的調(diào)整。

3.2 電平放大、遷移電路

放大電路：

遷移電路：

圖4 放大、遷移電路Fig.4 Amplifier, migration circuit

3.3 濾波電路

因?yàn)椴顒?dòng)脈沖寬度調(diào)制電路的輸出信號(hào)一般為100 kHz～1 MHz的矩形波，且經(jīng)過放大遷移后，電路中會(huì)混入不同形式的噪聲，因而會(huì)影響測(cè)量精度。所以，為保證測(cè)量精度，需要用濾波電路對(duì)前級(jí)電路的輸出信號(hào)進(jìn)行處理。得到較為穩(wěn)定的信號(hào)再送入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。所以，在本設(shè)計(jì)中采用了RC低通濾波電路[11-13]，如圖5所示。

圖5 濾波電路Fig.5 Filter circuit

4 軟件設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，軟件設(shè)計(jì)的目的是把經(jīng)調(diào)理電路處理的傳感器模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換[14]，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果送入單片機(jī)進(jìn)行處理，再通過單片機(jī)控制液晶顯示器顯示平臺(tái)傾斜角度及方向等內(nèi)容，并且根據(jù)傾斜角度及傾斜方向通過驅(qū)動(dòng)電路去驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)調(diào)節(jié)渦輪渦桿從而控制平臺(tái)保持水平。

在A/D轉(zhuǎn)換之前由于信號(hào)經(jīng)前級(jí)電路的變換、放大并下遷。所以液體擺傾角電容傳感器的傾角與A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)的關(guān)系為：

當(dāng)單片機(jī)接收到A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)后，需對(duì)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并把平臺(tái)的平衡信息顯示在LCD顯示屏上，然后判斷平臺(tái)是否傾斜，如果是則通過平臺(tái)調(diào)整的執(zhí)行機(jī)構(gòu)將平臺(tái)調(diào)平。平臺(tái)調(diào)整的執(zhí)行機(jī)構(gòu)由直流電機(jī)和渦輪蝸桿及螺桿所組成。其原理為單片機(jī)根據(jù)傳感器的傾角及其方向控制直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)并采用PWM的方法來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速[15-17]，此時(shí)電機(jī)帶動(dòng)蝸桿旋轉(zhuǎn)，并將旋轉(zhuǎn)角度傳給渦輪，渦輪帶動(dòng)與之相連接在一起的螺桿上下移動(dòng)以達(dá)到調(diào)節(jié)平臺(tái)水平的目的。由于單片機(jī)并不能直接驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，所以需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路。本文采用的是 L298芯片[18-20]，該芯片是一個(gè)雙H橋直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，不但可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，還可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)四相電機(jī)。并且可以與單片機(jī)的Ι/O口直接相連，電路設(shè)計(jì)也比較簡(jiǎn)單。電路設(shè)計(jì)框圖如圖6所示。

在本設(shè)計(jì)中，選用的是一種帶編碼器的直流電機(jī)。當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)一次當(dāng)前傾角值，判斷此傾角值為左傾或右傾后發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)控制直流電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)螺桿向上或向下運(yùn)動(dòng)，調(diào)節(jié)一次平臺(tái)的傾斜角。第一次調(diào)解完以后，單片機(jī)再次檢測(cè)判斷當(dāng)前傾角值和傾斜方向并控制直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)并再次檢測(cè)傾斜角和方向，直到當(dāng)平臺(tái)水平時(shí)即傾角傳感器輸出電壓為零時(shí)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。單片機(jī)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)程序框圖如圖7所示。

圖6 直流電機(jī)控制系統(tǒng)框圖Fig.6 Block diagram of DC motor control system

圖7 驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)程序框圖Fig.7 Program block diagram of driving DC motor

圖8 調(diào)平平臺(tái)示意圖Fig.8 Flat platform diagram

5 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

當(dāng)傾角傳感器的信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路調(diào)理后輸出不同的電壓時(shí)，系統(tǒng)測(cè)得的角度值如表1所示。從表中可以看出實(shí)際傾角值和理論傾角值相差甚小，在誤差允許范圍內(nèi)可以忽略不計(jì)。

6 結(jié)論

本設(shè)計(jì)完成了設(shè)計(jì)所要求的性能要求和參數(shù)設(shè)定。傳感器能夠測(cè)量微小偏轉(zhuǎn)角的值，通過標(biāo)度變換使在量程在-5°～+5°之間，分辨率能達(dá)到0.1°，并且能夠?qū)崿F(xiàn)液晶顯示，讓單片機(jī)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)調(diào)平水平平臺(tái)。本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是能夠通過測(cè)量電容的微小改變而準(zhǔn)確的測(cè)量出傾斜角度變化從而控制直流電機(jī)調(diào)平水平平臺(tái)。若結(jié)合處理速度較快的核心處理器、高精度A/D轉(zhuǎn)換器及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)可研發(fā)出具有實(shí)時(shí)檢測(cè)功能的傾角傳感器及平臺(tái)調(diào)平裝置,這對(duì)國(guó)內(nèi)外傾角傳感器的發(fā)展前景的推動(dòng)具有重要意義。

表1 理論傾角與實(shí)際傾角對(duì)比Table 1 Comparison of theoretical and practical dip angles