基于电容式倾角传感器CAV424检测系统的软硬件设计

引 言

差动电容式传感器的灵敏度高、非线性误差小，同时还能减小静电引力给测量带来的影响，并能有效地改善由于温度等环境影响所造成的误差，因而在许多测量控制场合中，用到的电容式传感器大多是差动式电容传感器。然而，电容式传感器的电容值十分微小，必须借助信号调理电路，将微小电容的变化转换成与其成正比的电压、电流或频率的变化，这样才可以显示、记录以及传输。目前，大多数电容式传感器信号调理电路使用分立元件或者专门去开发专用集成电路（ASIC）。因为差动电容式传感器的电容量很小，传感器的调理电路往往受到寄生电容和环境变化的影响而难以实现高精度测量；而由德国AMG公司开发的CAV424集成电路则能有效地减小这些影响所带来的误差，因而具有较大的应用灵活性。

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。在测量仪器仪表、建筑机械、天线定位、机器人技术、汽车四轮定位等方面有广泛应用。

1、系统工作原理

系统硬件结构模块框图如图1所示，主要由差动电容、CAV424、运放、单片机和显示电路等组成。系统由差动电容检测到倾角传感器安装位置的倾斜角度，并把角度变化转换成电容量变化。此差动电容在一个增大的同时另一个减小，然后把两个电容的变化值分别送入2片CAV424中，由2片CAV424把电容的变化值转换成两个不同的电压值。这两路电压经过差动放大后送入单片机进行处理。最后由显示电路显示出被检测对象的倾斜角度大小。由上述原理可知，被检测对象的倾斜角度经过了三级差动处理，同时CAV424自带有温度传感器。此传感器的输出信号又送入单片机内进行温度补偿处理。因而该系统具有较高的精度和灵敏度。

2、系统各部分电路设计

2.1 差动电容／电压转换电路设计

考虑到差动电容的容量很小，传感器的调理电路往往易受到寄生电容和环境变化的影响，因此采用德国AMG公司开发的CAV424作为差动电容的信号调理电路。又因为单片CAV424只能检测到1个电容，因而采用2片CAV424来完成差动电容的检测。

（1）CAV424简介

CAV424是一个多用途的处理各种电容式传感器信号的完整的转换接口集成电路。它同时具有信号采集（相对电容量变化）、处理和差分电压输出的功能，能够测量出一个被测电容和参考电容的差值。在相对于参考电容值（10 pF~1nF）5％～100％的范围内，可以检测0pF一2nF的电容值，且其输出差分电压最大可达士1．4 V；同时，CAV424还具有内置温度传感器，可以直接给微处理器提供温度信号用于温度补偿，从而简化整个传感器系统，原理如图1所示。

（2）CAV424的检测原理

1个通过电容Cosc确定频率的参考振荡器驱动2个构造对称的积分器，并使它们在时间和相位上同步。这2个积分器的振幅通过电容Cxl和Cx2确定（如图2）。这里，Cxl作为参考电容，而Cx2作为被测电容。由于积分器具有很高的共模抑制比和分辨率，所以比较2个振幅的差值得到的信号反映出2个电容Cxl和Cx2的相对变化量。该差分信号通过1个二级低通滤波器转换成直流电压信号，并经过输出可调的差分级输出。只要简单调整很少的元件，就可以改变低通滤波器的滤波常数和放大倍数。

参考振荡器对外接的振荡器电容Cosc和与它相关的内部寄生电容Cosc，PAR，INT以及外接的寄生电容Cosc．PAR．EXT充电，然后放电。振荡器的电容近似地取为Coc=1．6Cxl。参考振荡器电流Iosc=VM／Rosc。实测振荡器的输出波形，即任一片CAV424的12脚输出波形，如图2所示。

电容式积分器的工作方式与参考振荡器的工作方式接近，区别在于前者放电时间是参考振荡器的一半，其次前者的放电电压被钳制在一个内部固定的电压VCLAAMP上，实测2片CAV424的14脚和16脚（电容积分器的输出电压），输出波形可从参考文献［1］中查找。

两个积分器的输出电压经内部信号调理后的输出，在理想状况下应为

VLPOUT=VDIFF+VM

其中差分信号VDIFF=3／8（Vcx1-Vx2），VM为参考电压。

（3）实际硬件电路及电路参数设计

实际的差动电容／电压转换电路如图3所示。

倾角传感器放在水平位置时，差动电容C10=C20=50pF，所以应选CAV424的参考电容C11=C21= 50pF，振荡电容C12=C22=1.6C11=80pF，低通滤波电容C13=C14=C23=C24=200C11=10nF，稳定参考电压VM的电容负载C15=C25=100 nF，电流调整电阻R11=R12=R21=R22=500kΩ。参考振荡器电流设定电阻R13=R23=250kΩ。为了调整VLPOUT，把输出级电阻均调整为100kΩ的电位器。另外，为了提高电路的稳定性，在CAV424的引脚4和地之间接了10nF的电容C16和C26。

2. 2运算放大器电路设计

运放电路用来合成和放大2片CAV424输出的电压信号，使其转换为易被单片机处理的O～5V直流电压。若按一般设计原则，这里应选用仪用放大器；但考虑到仪用放大器成本较高，而且由于前级使用了两片CAV424，其输出电压已经较高，所以这里选用了性价比较高的四运放TL084作为信号调理电路。实验表明其精度完全达到了预定的设计要求。考虑到后级电路的简易性，这里采用两级运放。第一级用两片CAV424的VLPOUT分别作为运放的正反相输入，使倾角传感器在±90°变化时，Vol输出为±2.5V，用2片CV424的任一VM端作为第二级运放的同相输入端，使V02输出电压为0～5V。然后，再把此信号作为单片机的模拟输入信号，实际电路如图4所示。

这里，选取R1=R2=R3=R4=R5=Rf2=10 kΩ，Rf1=Rp1=100 kΩ，则

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）；同时，调整Rf2和Rp1，使倾角传感器在±90°内变化时，Uo在0～5V内变化。

2．3单片机及其显示系统的软硬件设计

（1）硬件设计

考虑到运算放大器输出的是0～5V模拟电压信号，同时CAV424的温度传感器输出也是模拟电压信号，一般单片机无法直接处理，因此这里选用Microchip公司生产的PIC16F872作为系统的微处理器。它除了具有一般PIC系列单片机的精简指令集（RISC，Reduced Instruetion Set Computer）、哈佛（Harvard）双总线和两级指令流水线结构等特征外，还自带有5个10位A／D转换部件，2K×14位的Flash存储器，为开发系统提供了极大的方便。

另外，考虑到倾角传感器既要显示倾斜角度的大小，又要显示角度的正负，同时考虑到编程方便和倾角传感器的显示精度问题，本设计选用HD7279作为8段数码管显示驱动电路，用以显示倾角的大小及正负。

这部分的设计电路如图5所示。

（2）软件设计

本系统的软件设计主要包括A／D转换、工程量转换和显示等几部分。主程序流程如图6所示。

3、结 语

实验证明，该倾角传感器的测量精度及灵敏度均达预期要求。该设计是一个通用型模块，把倾角传感器的差动电容换成其他的差动电容式传感器，就可以进行振动、加速度、差压、液面等基于差动电容原理的精确测量，因此该系统的设计方案具有很大的应用价值。

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