CAV424傾角傳感矗的檢測系統設計

1 系統工作原理
系統硬件結構模塊框圖如圖1所示，主要由差動(dòng)電容、CAV424、運放、單片機和顯示電路等組成。系統由差動(dòng)電容檢測到傾角傳感器安裝位置的傾斜角度，并把角度變化轉換成電容量變化。此差動(dòng)電容在一個(gè)增大的同時(shí)另一個(gè)減小，然后把兩個(gè)電容的變化值分別送入2片CAV424中，由2片CAV424把電容的變化值轉換成兩個(gè)不同的電壓值。這兩路電壓經(jīng)過(guò)差動(dòng)放大后送入單片機
進(jìn)行處理。最后由顯示電路顯示出被檢測對象的傾斜角度大小。由上述原理可知，被檢測對象的傾斜角度經(jīng)過(guò)了三級差動(dòng)處理，同時(shí)CAV424自帶有溫度傳感器。此傳感器的輸出信號又送入單片機內進(jìn)行溫度補償處理。因而該系統具有較高的精度和靈敏度。

2 系統各部分電路設計
2.1 差動(dòng)電容／電壓轉換電路設計
考慮到差動(dòng)電容的容量很小，傳感器的調理電路往往易受到寄生電容和環(huán)境變化的影響，因此采用德國AMG公司開(kāi)發(fā)的CAV424作為差動(dòng)電容的信號調理電路。又因為單片CAV424只能檢測到1個(gè)電容，因而采用2片CAV424來(lái)完成差動(dòng)電容的檢測。
（1）CAV424簡(jiǎn)介
CAV424是一個(gè)多用途的處理各種電容式傳感器信號的完整的轉換接口集成電路。它同時(shí)具有信號采集(相對電容量變化)、處理和差分電壓輸出的功能，能夠測量出一個(gè)被測電容和參考電容的差值。在相對于參考電容值(10 pF~1nF)5％～100％的范圍內，可以檢測0pF一2nF的電容值，且其輸出差分電壓最大可達士1．4 V；同時(shí)，CAV424還具有內置溫度傳感器，可以直接給微處理器提供溫度信號用于溫度補償，從而簡(jiǎn)化整個(gè)傳感器系統，原理如圖2所示。

(2)CAV424的檢測原理
1個(gè)通過(guò)電容Cosc確定頻率的參考振蕩器驅動(dòng)2個(gè)構造對稱(chēng)的積分器，并使它們在時(shí)間和相位上同步。這2個(gè)積分器的振幅通過(guò)電容Cxl和Cx2確定(如圖2)。這里，Cxl作為參考電容，而Cx2作為被測電容。由于積分器具有很高的共模抑制比和分辨率，所以比較2個(gè)振幅的差值得到的信號反映出2個(gè)電容Cxl和Cx2的相對變化量。該差分信號通過(guò)1個(gè)二級低通濾波器轉換成直流電壓信
號，并經(jīng)過(guò)輸出可調的差分級輸出。只要簡(jiǎn)單調整很少的元件，就可以改變低通濾波器的濾波常數和放大倍數。
參考振蕩器對外接的振蕩器電容Cosc和與它相關(guān)的內部寄生電容Cosc，PAR，INT以及外接的寄生電容Cosc．PAR．EXT充電，然后放電。振蕩器的電容近似地取為Coc=1．6Cxl。參考振蕩器電流Iosc=VM／Rosc。實(shí)測振蕩器的輸出波形，即任一片CAV424的12腳輸出波形，如參考文獻[1]的圖2所示。

電容式積分器的工作方式與參考振蕩器的工作方式接近，區別在于前者放電時(shí)間是參考振蕩器的一半，其次前者的放電電壓被鉗制在一個(gè)內部固定的電壓VCLAAMP上，實(shí)測2片CAV424的14腳和16腳(電容積分器的輸出電壓)，輸出波形可從參考文獻[1]中查找。
兩個(gè)積分器的輸出電壓經(jīng)內部信號調理后的輸出，在理想狀況下應為
VLPOUT=VDIFF+VM
其中差分信號VDIFF=3／8(Vcx1-Vx2)，VM為參考電壓。
（3)實(shí)際硬件電路及電路參數設計
實(shí)際的差動(dòng)電容／電壓轉換電路如圖3所示。

傾角傳感器放在水平位置時(shí)，差動(dòng)電容C10=C20=50pF，所以應選CAV424的參考電容C11=C21=50pF，振蕩電容C12=C22=1.6C11=80pF，低通濾波電容C13=C14=C23=C24=200C11=10nF，穩定參考電壓VM的電容負載C15=C25=100 nF，電流調整電阻R11=R12=R21
=R22=500kΩ。參考振蕩器電流設定電阻R13=R23=250kΩ。為了調整VLPOUT，把輸出級電阻均調整為100kΩ的電位器。另外，為了提高電路的穩定性，在CAV424的引腳4和地之間接了10nF的電容C16和C26。
2. 2運算放大器電路設計
運放電路用來(lái)合成和放大2片CAV424輸出的電壓信號，使其轉換為易被單片機處理的O～5V直流電壓。若按一般設計原則，這里應選用儀用放大器；但考慮到儀用放大器成本較高，而且由于前級使用了兩片CAV424，其輸出電壓已經(jīng)較高，所以這里選用了性?xún)r(jià)比較高的四運放TL084作為信號調理電路。實(shí)驗表明其精度完全達到了預定的設計要求?？紤]到后級電路的簡(jiǎn)易性，這里采用兩級運放。第一級用兩片CAV424的VLPOUT分別作為運放的正反相輸入，使傾角傳感器在90變化時(shí)，Vol輸出為2.5V，用2片CV424的任一VM端作為第二級運放的同相輸入端，使V02輸出電壓為0～5V。然后，再把此信號作為單片機的模擬輸入信號，實(shí)際電路如圖4所示。

這里，選取R1=R2=R3=R4=R5=Rf2=10 kΩ，Rf1=Rp1=100 kΩ，則

Uol=Rfl/R1(Vlpoutl-Vlpout2) (1)

Uo=VM-Uol (2)

把式(1)代入式(2)，可得Uo=VM+Rf1／R1(Vlpout1-Vlpout2)；同時(shí)，調整Rf2和Rp1，使傾角傳感器在90內變化時(shí)，Uo在0～5V內變化。
2．3單片機及其顯示系統的軟硬件設計
(1)硬件設計
考慮到運算放大器輸出的是0～5V模擬電壓信號，同時(shí)CAV424的溫度傳感器輸出也是模擬電壓信號，一般單片機無(wú)法直接處理，因此這里選用Microchip公司生產(chǎn)的PIC16F872作為系統的微處理器。它除了具有一般PIC系列單片機的精簡(jiǎn)指令集(RISC，
Reduced Instruetion Set Computer)、哈佛(Harvard)雙總線(xiàn)和兩級指令流水線(xiàn)結構等特征外，還自帶有5個(gè)10位A／D轉換部件，2K14位的Flash存儲器，為開(kāi)發(fā)系統提供了極大的方便。
另外，考慮到傾角傳感器既要顯示傾斜角度的大小，又要顯示角度的正負，同時(shí)考慮到編程方便和傾角傳感器的顯示精度問(wèn)題，本設計選用HD7279作為8段數碼管顯示驅動(dòng)電路，用以顯示傾角的大小及正負。
這部分的設計電路如圖5所示。

(2)軟件設計
本系統的軟件設計主要包括A／D轉換、工程量轉換和顯示等幾部分。主程序流程如圖6所示。

結語(yǔ)
實(shí)驗證明，該傾角傳感器的測量精度及靈敏度均達預期要求。該設計是一個(gè)通用型模塊，把傾角傳感器的差動(dòng)電容換成其他的差動(dòng)電容式傳感器，就可以進(jìn)行振動(dòng)、加速度、差壓、液面等基于差動(dòng)電容原理的精確測量，因此該系統的設計方案具有很大的應用價(jià)值。