智能角度傳感器的應(yīng)用設(shè)計(jì)

湯勤慧,戴 宇,鄭 寅,魯曉東,魯林華,蘆立娟

(浙江海洋學(xué)院,浙江舟山 316000)

智能角度傳感器的應(yīng)用設(shè)計(jì)

湯勤慧,戴 宇,鄭 寅,魯曉東,魯林華,蘆立娟?

(浙江海洋學(xué)院,浙江舟山 316000)

本文設(shè)計(jì)了一種利用單片機(jī)對(duì)角度傳感器采集到的信息進(jìn)行分析、處理方法,并通過(guò)控制電機(jī)和閥門(mén)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制蓄液池的水位高低。

單片機(jī);角度傳感器;控制;電機(jī);閥門(mén)

控制蓄液池的水位在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生產(chǎn)、生活控制過(guò)程中有著極其重要的作用。例如居民生活用水的供應(yīng),飲料、食品加工,溶液過(guò)濾,化工生產(chǎn)等多種行業(yè)的生產(chǎn)加工過(guò)程,通常需要使用蓄液池,蓄液池中的液位需要維持合適的高度,既不能太滿(mǎn)溢出造成浪費(fèi),也不能過(guò)少而無(wú)法滿(mǎn)足需求。因此液面高度是工業(yè)控制過(guò)程中一個(gè)重要的參數(shù),特別是在動(dòng)態(tài)的狀態(tài)下,采用適合的設(shè)備對(duì)液位進(jìn)行檢測(cè)、控制,能收到很好的效果?；谝陨锨闆r,本文設(shè)計(jì)一種利用角度傳感器來(lái)自動(dòng)控制液面高度的裝置[1-3]。

1 儀器及流程

1.1 儀器

角度傳感器SCA60C、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)、鍵盤(pán)、數(shù)字顯示器、電機(jī)、電腦。

1.2 流程

如圖1所示是一個(gè)單回路反饋控制系統(tǒng),控制的任務(wù)是使水箱的液位角度等于給定值,減小或消除來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部或外部擾動(dòng)的影響。用液位角度參數(shù)為被控對(duì)象。交流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)齒輪泵通過(guò)閥向上水箱供水,調(diào)節(jié)閥使之同時(shí)向外排水,令入水的速度大于出水的速度,達(dá)到液位角度的動(dòng)態(tài)調(diào)整。所以今天我們想設(shè)計(jì)一種能感應(yīng)水位的裝置,用水的多少讓浮球產(chǎn)生沉浮情況改變角度的大小。利用角度傳感器最后控制進(jìn)出水情況。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以STC89C51單片機(jī)為控制芯片,采用L293D驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。根據(jù)角度傳感器的反饋信號(hào),經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換之后輸入給單片機(jī),通過(guò)PWM方式,調(diào)節(jié)脈沖大小,從而打開(kāi)或關(guān)閉閥門(mén)的進(jìn)口或者出口,之后改變頁(yè)面高度,于是改變浮球的沉浮角度。該轉(zhuǎn)角可以通過(guò)數(shù)碼顯示器顯示。浮球角度控制系統(tǒng)如圖2所示:

圖1 流程圖

圖2 結(jié)構(gòu)圖

2.1 進(jìn)出水控制算法

使用閉環(huán)控制,把轉(zhuǎn)軸的實(shí)際所在位置經(jīng)角度傳感器檢測(cè)后反饋給單片機(jī)處理,經(jīng)過(guò)與設(shè)定值比較之后再輸出修正量,如此循環(huán)。如圖4所示:

圖3 傳感器實(shí)驗(yàn)原理圖

圖4 進(jìn)出水算法流程圖

2.2

電路中有四個(gè)輸入接口,分別為高水位、低水位、蓄水、出水輸入接口,向單片機(jī)傳輸信號(hào),本電路中規(guī)定輸入信號(hào)為低電平即為0時(shí)表示有水,輸入信號(hào)為高電平即為1時(shí)表示無(wú)水。

3 實(shí)驗(yàn)原理

如圖3所示,水的液面的高低帶動(dòng)浮球的沉浮,從而桿帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生一定的角度,經(jīng)過(guò)角度傳感器檢測(cè)到信號(hào)傳給調(diào)節(jié)裝置,角度傳感器的反饋信號(hào),經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換之后輸入給單片機(jī),通過(guò)PWM方式,調(diào)節(jié)脈沖大小,從而啟動(dòng)電機(jī),控制閥門(mén)的進(jìn)口或者出口。而屏幕上實(shí)時(shí)顯示角度的大小[4-5]。

3.1 采用SCA60C檢測(cè)浮球桿的傾斜角度

SCA60C是一款低成本單軸傾角(加速度)傳感器,可以測(cè)量垂直Z軸方向的加速度值,測(cè)量范圍±1 g。

角度傳感器SCA60C

特點(diǎn):1、單軸傾角傳感器;2、測(cè)量范圍1 g(± 90度);3、單級(jí)5 V供電,比例電壓輸出;4、模擬0.5~4.5 V輸出;5、工作溫度范圍。

應(yīng)用:1、雙軸平臺(tái)調(diào)平,傾斜測(cè)量;2、加速度或者位置測(cè)量;優(yōu)勢(shì):抗沖擊能力強(qiáng),能耗低。

3.2 輸出電壓與角度轉(zhuǎn)換

可以根據(jù)下面的公式將傳感器輸出電壓轉(zhuǎn)換成傾斜角度:

其中,Offset是浮球桿加速度為0 g位置時(shí)的電壓輸出(通常為2.5 V),Sensitivity是設(shè)備的靈敏度(通常為2 V/g)。為了取得更好的精確度,應(yīng)用中可以將實(shí)際輸出值代替通常值。

4 電路圖

4.1 整個(gè)裝置的電路圖如圖5所示:

圖5 總電路圖

4.2 角度傳感器

圖5中1模塊是角度傳感器SCA60C檢測(cè)電路,引腳4接地,引腳8接5 V,引腳4和8之間用電容隔離,電容值不小于47nF,這里取47nF,7引腳是電壓輸出端,傳感器SCA60C在水平位置時(shí), V0端輸出2.5 V,在-90°時(shí)電壓輸出0.5 V,在+ 90°時(shí)電壓輸出4.5 V。如圖6所示:

圖6 角度傳感器

4.3 電源

圖5中2模塊是采用穩(wěn)壓電源供電,輸出電壓12 V。經(jīng)過(guò)降壓穩(wěn)壓器7805輸出5 V電壓,如圖所示,其中5 V電壓供給控制電路,12 V供給L293D驅(qū)動(dòng)直流電機(jī),如圖7所示。

圖7 電源電路圖

信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路,對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、運(yùn)算調(diào)制等,此外信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路以及傳感器的工作必須有輔助電路,如圖8所示:

圖8 輔助電源

4.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

圖5中3、4部分,ADC0809是可以將我們要測(cè)量的模擬電壓信號(hào)量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量從而可以進(jìn)行存儲(chǔ)或顯示的一種轉(zhuǎn)換IC。下面是它的管腳圖和邏輯圖9。

圖9 轉(zhuǎn)換電路圖

IN0-IN7:模擬量輸入通道。就是說(shuō)它可以分時(shí)地分別對(duì)八個(gè)模擬量進(jìn)行測(cè)量轉(zhuǎn)換。

ADDA-C:地址線(xiàn)。也就是通過(guò)這三根地址線(xiàn)的不同編碼來(lái)選擇對(duì)哪個(gè)模擬量進(jìn)行測(cè)量轉(zhuǎn)換。

ALE:地址鎖存允許信號(hào)。在低電平時(shí)向ADDA-C寫(xiě)地址,當(dāng)ALE跳至高電平后ADDA-C上的數(shù)據(jù)被鎖存。

START:啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)。當(dāng)它為上升沿后,將內(nèi)部寄存器清0。當(dāng)它為下降沿后,開(kāi)始 A/D轉(zhuǎn)換。

D0-D7:數(shù)據(jù)輸出口。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)量就是從這輸出給S52的。

OE:輸出允許信號(hào),是對(duì)D0-D7的輸出控制端,OE=0,輸出端呈高阻態(tài),OE=1,輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。

CLOCK:時(shí)種信號(hào)。ADC0809內(nèi)部沒(méi)有時(shí)鐘電路,需由外部提供時(shí)鐘脈沖信號(hào)。一般為500KHz EOC:轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)信號(hào)。EOC=0,正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換。EOC=1,轉(zhuǎn)換結(jié)束,可以進(jìn)行下一步輸出操作REF(+)、REF(-):參考電壓。參考電壓用來(lái)與輸入的模擬量進(jìn)行比較,作為測(cè)量的基準(zhǔn)。一般REF(=)=5v REF(-)=0 V。

5 設(shè)計(jì)要求

(1)用手轉(zhuǎn)動(dòng)浮球桿時(shí),能夠顯示桿的轉(zhuǎn)角θ。顯示范圍為0~60°,分辨率為2°,絕對(duì)誤差小于等5°。

(2)當(dāng)改變液面的高度,使浮球桿能夠在0~ 60°范圍內(nèi)變化并要求實(shí)時(shí)顯示θ。

(3)通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)定浮球桿的轉(zhuǎn)角,其范圍為0 ~60°。要求θ在5秒內(nèi)打到設(shè)定值,并時(shí)刻顯示θ。最大誤差的絕對(duì)值不能超過(guò)5°

6 結(jié) 論

利用現(xiàn)代科學(xué)應(yīng)用技術(shù)(傳感器、計(jì)算機(jī))進(jìn)行遷移的設(shè)計(jì)思想,較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力,進(jìn)行儀器設(shè)計(jì)和改裝的能力。這樣,既利用新技術(shù)解決了老問(wèn)題,又開(kāi)闊了學(xué)生的視野。培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力,可作為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)之一,并可作為新的遷移的基礎(chǔ)。

[1] 李學(xué)揮.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].北京:高等教育出版社.

[2] 胡漢才.單片機(jī)原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社.

[3] 樓然苗,李光飛.51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)例[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社.

[4] 李成龍.基于單片機(jī)增量術(shù)編碼器的分光設(shè)計(jì)[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2015(104):54-56.

[5] 張羽,胡孟軍,冉奉民,等.熱學(xué)實(shí)驗(yàn)恒溫箱的智能控制設(shè)計(jì)[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2014(6):78-80.

The App lication of Intelligent Angle Sensor Design

TANG Qin-hui,DAIYu,ZHENG Yin,LU Xiao-dong,LU Lin-hua,LU Li-juan
(Zhejiang Ocean University;Zhejiang Zhoushan 316000)

We design amicrocontroller to the angle sensor collected information analysis and processing,and by controlling themotor and valves to control the reservoir water level.

single chip microcomputer;the sensor of angle;control;motor;the vale

O 4-33

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.005.022

1007-2934(2015)05-0076-04

2015-05-21

?通訊聯(lián)系人