現(xiàn)代傳感器技術(shù)及其應(yīng)用(角度傳感器)

1、現(xiàn)代傳感器技術(shù)及其應(yīng)用（角度傳感器）項(xiàng)目 帆板控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制作 設(shè)計(jì)并制作一個(gè)帆板控制系統(tǒng)，通過對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制，調(diào)節(jié)風(fēng)力大小，改變帆板轉(zhuǎn)角，如圖 1 所示。 項(xiàng)目要求 1、基本要求 （1）用手轉(zhuǎn)動(dòng)帆板時(shí)，能夠數(shù)字顯示帆板的轉(zhuǎn)角。顯示范圍為060，分辨力為 2，絕對(duì)誤差5。 （2）當(dāng)間距 d=10cm 時(shí)，通過操作鍵盤控制風(fēng)力大小，使帆板轉(zhuǎn)角能夠在 060范圍內(nèi)變化，并要求實(shí)時(shí)顯示。 （3）當(dāng)間距 d=10cm 時(shí)，通過操作鍵盤控制風(fēng)力大小，使帆板轉(zhuǎn)角穩(wěn)定在 455范圍內(nèi)。要求控制過程在10 秒內(nèi)完成，實(shí)時(shí)顯示，并由聲光提示，以便進(jìn)行測試。 項(xiàng)目要求 2、發(fā)揮部分 （1） 當(dāng)間距 d=10c

2、m 時(shí)，通過鍵盤設(shè)定帆板轉(zhuǎn)角，其范圍為 060。要求在 5 秒內(nèi)達(dá)到設(shè)定值，并實(shí)時(shí)顯示。最大誤差的絕對(duì)值不超過5。 （2） 間距 d 在 715cm 范圍內(nèi)任意選擇，通過鍵盤設(shè)定帆板轉(zhuǎn)角，范圍為060。要求在 5 秒內(nèi)達(dá)到設(shè)定值，并實(shí)時(shí)顯示。最大誤差的絕對(duì)值不超過 5。 （3） 其他。任務(wù)分析任務(wù)分析：關(guān)鍵點(diǎn)？：關(guān)鍵點(diǎn)？（1 1）輸入和輸出端的確定：采用哪些）輸入和輸出端的確定：采用哪些I/OI/O分配給輸入輸出端？分配給輸入輸出端？（2 2）按鈕按下的輸入信號(hào)應(yīng)從哪個(gè)端口輸入？）按鈕按下的輸入信號(hào)應(yīng)從哪個(gè)端口輸入？（3 3）用什么方法可以角度信息反饋給單片機(jī)？）用什么方法可以角度信息反饋給單

3、片機(jī)？（4 4）用什么方法可以實(shí)現(xiàn)基本要求？）用什么方法可以實(shí)現(xiàn)基本要求？（5 5）用什么方法可以實(shí)現(xiàn)發(fā)揮部分要求？用什么方法可以實(shí)現(xiàn)發(fā)揮部分要求？角度傳感器 SCA60C角度檢測 采用SCA60C檢測帆板的傾斜角度。SCA60C是一款低成本單軸傾角(加速度)傳感器，可以測量垂直Z軸方向的加速度值，測量范圍1g，其模擬輸出特性如圖 所示。 SCA60C模擬輸出特性 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 是帆板加速度為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

4、精確度，應(yīng)用中可以將實(shí)際輸出值代替通常值。輸出電壓與角度轉(zhuǎn)換表輸出電壓與角度轉(zhuǎn)換圖 如圖所示， 角度傳感器SCA60C的 “輸出電壓”與“測量角度”關(guān)系曲線明顯不成線性關(guān)系，實(shí)際電路制作調(diào)試中也深有體會(huì)，即轉(zhuǎn)軸的輸出角度總是無法修正。后來我們才找到了它的關(guān)系特性資料，在C51程序中直接使用該反正弦函數(shù)處理速度慢，于是我們根據(jù)該公式擬合出了比較接近的分段函數(shù)，以下是具體算法。角度（）輸出電壓（V）相鄰角度輸出電壓差值02.500 12.535 (0.035)22.570 (0.035)32.605 (0.035)42.640 (0.035)52.674 (0.034)62.709 (0.035)

5、72.744 (0.035)82.778 (0.034)92.813 (0.035)102.847 (0.034)112.882 (0.035)122.916 (0.034)132.950 (0.034)142.984 (0.034)153.018 (0.034)163.051 (0.033)173.085 (0.034)333.589 (0.029)343.618 (0.029)353.647 (0.029)363.676 (0.029)373.704 (0.028)383.731 (0.027)393.759 (0.028)403.786 (0.027)413.812 (0.026)423

6、.838 (0.026)433.864 (0.026)443.889 (0.025)453.914 (0.025)183.118 (0.033)193.151 (0.033)203.184 (0.033)213.217 (0.033)223.249 (0.032)233.281 (0.032)243.313 (0.032)253.345 (0.032) 263.377 (0.032)273.408 (0.031)283.439 (0.031)293.470 (0.031)303.500 (0.030)313.530 (0.030)323.560 (0.030)463.939 (0.025)47

7、3.963 (0.024)483.986 (0.023)494.009 (0.023)504.032 (0.023)514.054 (0.022)524.076 (0.022)534.097 (0.021)544.118 (0.021)554.138 (0.020)564.158 (0.020)574.177 (0.019)584.196 (0.019)594.214 (0.018)604.232 (0.018)擬合公式 列表分析比較相鄰項(xiàng)電壓差值將表格劃分為6個(gè)連續(xù)的區(qū)間，然后再分別擬合其公式，如下： (Vout3.135) angel=(Vout-2.5)/0.034; (3.135 Vo

8、ut 3.574) angel=(Vout-3.135)/0.032+18; (3.574 Vout 3.876) angel=(Vout-3.574)/0.028+33; (3.876 Vout 4.043) angel=(Vout-3.876)/0.025+44; (4.043 Vout 4.168) angel=(Vout-4.044)/0.021+51; (4.168 Vout 4.241) angel=(Vout-4.168)/0.019+57; (4.232 Vout 4.5) angel=60+(v-4.232)*112;引腳定義角度傳感器SCA60C檢測電路如圖所示，引腳4接地

9、，引腳8接5V，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2.5V，在-90時(shí)電壓輸出0.5V，在+90時(shí)電壓輸出4.5V。總體設(shè)計(jì)總體設(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PWM方式，調(diào)節(jié)脈沖寬度，從而調(diào)控直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制，從而調(diào)節(jié)風(fēng)力大小，改變帆板轉(zhuǎn)角，該轉(zhuǎn)角可以通過數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示。帆板控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖所示。風(fēng)扇控制算法使用閉環(huán)控制，把轉(zhuǎn)軸的實(shí)際所在位置經(jīng)角度傳感器檢測后反饋給單片機(jī)處

10、理，經(jīng)過與設(shè)定值比較之后再輸出修正量，如此循環(huán)。電源 采用穩(wěn)壓電源供電，輸出電壓12V。經(jīng)過降壓穩(wěn)壓器7805輸出5V電壓，如圖所示，其中5V電壓供給控制電路，12V供給L293D驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。 穩(wěn)壓電路聲光提示聲光提示 通過單片機(jī)P3.5口電平的高低，控制9014通斷，實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警系統(tǒng)。角度傳感器電路模數(shù)轉(zhuǎn)換電路驅(qū)動(dòng)電路數(shù)碼管顯示 單片機(jī)控制模塊軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 帆板控制系統(tǒng)試驗(yàn)與測試表1 顯示轉(zhuǎn)角與實(shí)測轉(zhuǎn)角顯示轉(zhuǎn)角2304560實(shí)測轉(zhuǎn)角0304562表2顯示轉(zhuǎn)角與實(shí)測轉(zhuǎn)角（單位：度）設(shè)定角度102030 405060實(shí)際到達(dá)角度132030 404856表3 顯示轉(zhuǎn)角與實(shí)測轉(zhuǎn)角（單位：度）設(shè)定角度1020 30 40 5060實(shí)際到達(dá)角度1221 30384857結(jié)論 1、分辨率為2，顯示范圍為060，