高精度微小傾角檢測技術研究

劉薇

摘要：給出了一種基于電容數(shù)字轉換芯片AD7745和微處理器P89C668的微小傾角檢測方法，設計了其硬件電路，編寫了相應的測量軟件。結果表明：該方法測量精度和分辨率高，量程寬，穩(wěn)定性好，可廣泛應用于各種平面水平度、傾斜角及平面度等的測量與調整。

關鍵詞：微小傾角檢測；AD7745；P89C668

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）21-0170-03

A Study of High-Accuracy Detection Technology of the Small Angle

LIU Wei

（Jiangxi Vocational College of Finance and Econamics，Jiujiang 332000，China）

Abstract： Proposed a small angle detection method based on CDC converter chip AD7745 and microprocessor P89C668，designed its hardware and software. The result shows that this design has advantages in high-accuracy，high-resolution，wide-range，and also is good in stability， so it can be widely used in the geometrical measurement and adjustment of flat level degrees，small angle and flatness.

Key words：small angle detection；AD7745；P89C668

微小傾角檢測廣泛應用于水平位置傾斜度、兩部件相互平行度和垂直度、機床、儀器導軌的直線度、工作臺面平面度以及平板的平面度等的測量與調整，在機械測量及光機電技術一體化技術應用中占有重要地位。目前對微小傾角的檢測一般是利用電容傳感器來感知被測平面或工作面相對于絕對水平位置的傾斜角度，在穩(wěn)定的交流激勵下，角度的傾斜引起相應的電容變化量，然后經過電容電壓變換、交流濾波、交流放大、交直流轉換、直流濾波、直流放大、模數(shù)轉換和溫度補償?shù)?，最終把電容的變化轉變?yōu)橐子谔幚砗惋@示的電壓變化量，從而實現(xiàn)傾角的測量。上述整個測量是一個復雜的模擬電路處理過程，分立器件多，不但開發(fā)周期長、成本高，而且極易引入干擾，很多時候往往得不到pF級微小電容的變化，從而不能很好地實現(xiàn)高精度微小傾角的測量。而本文所使用的電容數(shù)字轉換芯片AD7745[1]能把被測電容直接轉換為24位數(shù)字量，無需任何外部轉換電路，加上電源管理電路，微處理器外圍電路等就可實現(xiàn)微小傾角的測量與顯示，這是一種全新的檢測方案。

1 總體方案

本文所述的微小傾角檢測主要包括差動電容傳感器、電容數(shù)字轉換芯片AD7745、微處理器P89C668及其外圍電路、電源管理電路、顯示電路和測量軟件等。電容傳感器采用兩靜極片、一動極片的差動結構，外部金屬屏蔽，三個極片通過三根屏蔽線引出直接接到AD7745的差動電容輸入端，AD7745把電容的變化量直接轉換成24位數(shù)字量送微處理器P89C668進行處理，最后送液晶顯示器進行顯示，電源管理電路則為各模塊電路提供穩(wěn)定電壓，如圖1所示。

2 硬件電路設計

硬件電路主要包括電源電路設計、電容測量電路設計、微處理器電路設計、顯示電路設計等，如圖2所示。

2.1 電源電路設計

電源電路負責為各模塊如電容測量模塊、微處理器處理模塊等提供穩(wěn)定的直流電壓。由于微小傾角檢測主要應用于水平儀、傾斜儀等便攜式精密量具中，因而需考慮用電池供電。電容測量芯片AD7745和微處理器P89C668均是5V供電，一般的兩節(jié)干電池只能達到3V電壓，若采用4節(jié)干電池，則相應量儀的外形尺寸就要做得相對更大，而采用鋰電池，雖然能達到5V電壓，但成本太高。因而在設計電源電路時，就需考慮以下幾下問題：采用一或兩節(jié)普通干電池供電以降低成本；電源電路具有升壓功能；輸出電壓穩(wěn)定。基于以上考慮，本設計中電源采用MAX1797芯片[2]，TSSOP超薄微小結構封裝，電路如圖2中MAX1797模塊所示。電源輸入采用一節(jié)1.5V普通干電池，經輸入和輸出電容濾波后，可從該芯片的OUT端輸出5V的穩(wěn)定直流電壓，最大輸出電流370mA。當輸入端干電池電壓降至0.8V時，MAX1797自動關斷。

2.2 電容測量電路設計

電容測量電路的核心是電容數(shù)字轉換芯片（CDC）AD7745，電容測量分辨力4aF，測量精度4fF，線性度0.01%，電容測量范圍±4.096pF，內嵌分辨力0.1℃的溫度傳感器，典型功耗3.5mW，工作時，芯片內部溫度基本不發(fā)生變化。電容測量有兩種方式：單一電容測量和差動電容測量。本設計中采用差動電容測量方式，差動電容傳感器的兩電容靜片通過屏蔽短引線接至AD7745的CIN1+和CIN1-端，動片通過屏蔽短引線或驅動屏蔽技術和EXCA端相連，如圖2中AD7745模塊所示。AD7745上電復位后，內部的時鐘發(fā)生模塊產生的高精度高穩(wěn)定度的頻率為32KHz激勵信號通過EXCA端輸出對電容進行不斷地充放電，若電容傳感器所在平面有一定傾斜，兩電容的電容量就會發(fā)生變化。AD7745約在50mS內完成一次電容變化量到24位數(shù)字量的轉換，轉換結果存放在內部的三個8位寄存器中，若三個寄存器各位全是1，則所測電容為+4.096 pF；若三個寄存器各位全是0，則所測電容為-4.096 pF。AD7745每完成一次電容數(shù)字轉換，RDY端就會輸出低電平并維持至下次轉換開始，同時轉換結果從IIC接口的SDA輸出。由于SDA和SCL是開漏輸出，因而當其和微處理器等進行數(shù)據(jù)傳輸時，為保證數(shù)據(jù)的正確傳輸，需分別用10K的電阻對其進行上拉。這樣，我們就可根據(jù)三個寄存器的值來計算得到所測電容的大小，最后通過標定即可得到傾斜角的大小。

2.3 微處理器和顯示電路設計

本設計中微處理器的主要作用是數(shù)字濾波、對AD7745相關的寄存器進行設置、與AD7745進行通信并獲取與電容相對應的數(shù)字量、電容數(shù)字量到傾斜角度值的轉換、把結果送顯示器進行顯示等。本文選擇P89C668微處理器[3]，自帶64K Flash存儲器和IIC接口，可方便地與AD7745的IIC口進行通信，無需外部擴展存儲器。在AD7745的IIC口線上拉情況下，可用AD7745的SDA和SCL端口分別與P89C668的SDA和SCL端口進行相連，AD7745的RDY數(shù)據(jù)準備口接至P89C668的中斷輸入口，如圖2中P89C668模塊所示。P89C668的P0口與液晶顯示器OCM12232-3的數(shù)據(jù)口連接并用10K電阻上拉，控制線由微處理器的I/O口進行控制。程序下載電路及P89C668與上位機的通訊電路可采用MAX232芯片，只需外接5只電容即可。在下載程序時，只需把P89C668的PSEN口拉低，讓微處理器進入Boot ROM引導程序下載即可。微處理器的晶振電路、復位電路、按鍵電路等在圖2中已略。

3 軟件設計

軟件設計采用C語言，編程環(huán)境為Keil uVision 4。首先微處理器、AD7745和液晶顯示器進行復位及初始化，其中對AD7745相關寄存器的設置很關鍵；微處理器一旦接收來自AD7745數(shù)據(jù)準備好RDY線的中斷，便從AD7745的IIC口讀取一次數(shù)據(jù)，然后對數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波，接著把濾波后的數(shù)據(jù)轉換成相應的傾斜角度并送液晶模塊進行顯示，具體的程序流程如圖3所示。

4 實驗

在軟硬件都設計好后，把差動電容傳感器及電路密封于金屬屏蔽殼內并安裝在水平底座上，若水平底座所在的平面發(fā)生微小的角度傾斜，通過上述檢測方案就能很容易地把相應的角度傾斜量檢測出來。表1列出了利用本檢測方案在±1000角秒（″）傾角范圍內的測量誤差數(shù)據(jù)，表2列出了在恒溫和隔震條件下的讀數(shù)穩(wěn)定度數(shù)據(jù)。

由表1實驗結果可知，當傾角變化在±600″范圍內時，本文所述的傾角測量誤差≤0.5″，分辨力可達0.1″，線性度接近1；當傾角在 ±1000″附近變化時，最大測量誤差為1.4″，線性度變差，這是由于電容傳感器本身的非線性引起的，這種非線性誤差可多次實驗后通過軟件補償進行修正。

由表2實驗結果可知，本文所述的傾角檢測方案在恒溫和隔震條件下，在30分鐘內的最大不穩(wěn)定度為0.2″，這種微小的讀數(shù)漂移基本不會對其在測量應用中產生影響。

5結束語

由以上設計及實驗結果可知，本文給出的微小傾角檢測方法測量精度高，在±600″量程范圍內

精度可達0.5″（若經過線性修正，精度還能更高）分辨率小于0.1″，同時，由于采用了全數(shù)字電路的設計方法，使得檢測電路簡單，也提高了抗干擾性能，從而保證了檢測的高穩(wěn)定度。這種高精度、高分辨率、寬量程和高穩(wěn)定度的微小傾角檢測對工程測量中的各種平面水平度、傾斜角及平面度等的測量與調整具有重要應用價值，對微小角度的測量技術研究也有一定的參考意義。

參考文獻：

[1] 24-Bit Capacitance-to-Digital Converter with Temperature Sensor [Z].Analog Devices，Inc.， 2005.

[2] Low Supply Current， Step-Up DC-DC Converters with True-Shutdown [Z].Maxim，Inc.， 2000.

[3] 80C51 8-bit Flash microcontroller family 64KB ISP FLASH with 8KB RAM [Z].Philips Semiconductors，Inc.， 2001.