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2013年大学生电子设计竞赛专题--角度传感器

发布时间:2013-08-29 文章来源:本站  浏览次数:1932

2013年大学生电子设计竞赛专题
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角度传感器在电子竞赛上的应用

   

 2013年大学生电子设计竞赛元件清单上给出了角度传感器,对于2007年首次登上国赛舞台的一款新型传感器,当时很多人会感觉到陌生,2011年在国赛上再次出现他是身影,随后很多省市将角度传感器列入了元器件清单范围内。到现在大家应该不陌生了,为什么角度传感器越来越受到命题专家的热衷呢,笔者分析原因有二:
其一:不能每次竞赛都是光电,超声波,红外吧,总得来点创新的,系统的创新源于感知,传感器作为感知器件必不可少,专家就想到了角度传感器。
其二:角度传感器的应用越来越广泛了,在汽车四轮定位、铺路机,铁塔安全监测,塔吊安全监测,自动粉墙机垂直校准,水平测量的各个行业和领域都会用到。角度传感器可将各种与角度有关的设备变成自动控制系统。命题中选择角度传感器,自然也是跟上时代脚步。
第三:角度传感器易于对题目进行各种创新和创意,而且你还很难猜中题目,而且试题做出的作品易于演示,便于观察量化,便于评分,生动活波,还具有实用价值。例如2007年的国赛题,电动跷跷板,创意十足。

什么是角度传感器?
   倾角传感器是检测倾斜角度的传感器,又称之为角度传感器、水平传感器等。又分为固体摆、气体摆、液体摆等。这些知识网上都很多,在此就不做过多的介绍。下面以最典型的MEMS(微电子机械系统)倾角传感器做详细的说明。
通过测量地球的重力加速度分量来对倾斜进行测量。也就是说倾斜传感器所测量到的重力加速度分量等于倾斜角度的正弦 (sin) ×1g,通过逆运算就能得到角度数据。如果所测量到的重力加速度分量为0g,那么倾斜角就为0°,即水平状态。


 
举例分析角度传感器在竞赛中的应用
2007年国赛题:是一个电动车跷跷板试题
    设计并制作一个电动车跷跷板,在跷跷板起始端A一侧装有可移动的配重。配重的位置可以在从始端开始的200mm~600mm范围内调整,调整步长不大于50mm;配重可拆卸。电动车从起始端A出发,可以自动在跷跷板上行驶。电动车跷跷板起始状态和平衡状态示意图分别如图1和图2所示。
 
 

    该试题需要通过角度传感器检测水平,这是个动态调平的过程,根据题目要求,对角度传感器的选择为:
1、 单轴即可,不需要测量X和Y方向的角度
2、 需要角度传感器的响应速度较快,例如选择SSA61系列角度传感器,则为最快30Hz的速度,完全够用了。
3、 角度传感器的精度,根据题目要求,调平的标准为AB距离地面的高度差小于40mm,跷跷板长度为1600mm,根据三角形计算反正切,α=atan(40/1600) =1.43度,即传感器的精度一定要小于该数值,可以选择SSA61系列,SSA61系列倾角传感器的精度为0.2度,完全符合要求。
4、  角度传感器要体积小巧,便于安装,可以选择裸板,SSA61系列的裸板只有30*30mm尺寸,很方便安装。
5、 选择量程,根据题目要求,可以计算当跷跷板一端着地情况下,最大的倾斜角度为α=atan(70/800)=5.00度,也就是说最大倾斜角度为5度,这种情况下,只要选择的角度传感器量程大于5度即可满足要求,例如选择10度,15度,30度都可以。但也不是越大越好,量程过大就相当于用磅秤去称一个鸡蛋,不是很协调,另外分辨率和精度也会随这量程的增大而变差。
6、 根据实际需要选择输出方式,SSA61系列角度传感器有多种输出方式,比如说电压,电流,232接口等,不推荐选择电流输出的,因为电流输出是和远距离传输,在本比赛中,传输距离不是很远,可以选择电压输出的,输出电压为0-5V范围,电压输出的角度传感器角度与电压之间的关系为下图所示,但电压输出的需要后续接AD转换芯片,进行AD转换,可以用我们常见的ADC0809,ADC0832等,都行,如果您为了使用更简单,可以选择数字输出的RS232接口的,RS232接口角度传感器直接输出的就是角度值,可以和单片机之间通过串口通信,只需要三根线,RX  TX  GND ,例如您选择了SSA61系列的某一款,SSA6115H1-232,其为量程正负15度,单轴RS232接口的角度传感器,输出数据的格式为:例如当前X轴角度为18.60度,则显示:S + 18.60 - 00.00P
与单片机的接口也很简单,如下图:
以AT89S52单片机为例,需要接电平转换芯片(例如SP232、MAX232等)。
 
2013年元件清单已经公布了,角度传感器您准备好了吗?

根据历年试题分析,推荐两款角度传感器供您选择:
1, 单轴角度传感器SSA61XXH1-ISO2
2, 双轴角度传感器SSA00XXH2-ISO2

第一款属于单轴测量,第二款属于双轴测量,XX代表角度范围,可以是5,10,20,30,45,60等数值。这两款角度传感器具有以下优点:
1、 精度高,稳定性好,精度均为0.1度,分辨率0.01度。
2、 裸板尺寸小,便于系统集成,尺寸只有40*30mm。
3、 RS232接口,该接口可以直接和单片机通信,输出角度值。
4、 隔离型,抗干扰性能好,内置隔离模块,电源地和信号地分开,对于有电机等感性负载场合显得优势很明显。
5、 价格低,适合各种电子设计竞赛。
6、 提供技术支持,提供单片机C程序。

说明书下载地址:

上位机软件下载地址:

单片机C程序下载地址:

更多角度传感器选型:

附录:2013年全国大学生电子设计竞赛元件清单
1.基本仪器清单
60MHz双通道数字示波器
100MHz双通道数字示波器
低频信号发生器(1Hz~1MHz)
标准高频信号发生器(1MHz~100MHz,可输出1mV小信号)
函数发生器(10 MHz,DDS)
低频毫伏表
高频毫伏表
100 MHz频率计
数字式单相电参数测量仪
秒表
量角器
温度计
五位半数字万用表
单片机开发系统及PLD开发系统

2.主要元器件清单
单片机最小系统板
R5F100LEA(瑞萨MCU),已下发到赛区组委会
A/D、D/A转换器
AD9854ASVZ(与AD9854ASQ等同)
运算放大器、电压比较器、乘法器
可编程逻辑器件及其下载板
显示器件
小型继电器
小型电机
带防撞圈的四旋翼飞行器(外形尺寸:长度≤50cm,宽度≤50cm;续航时
间大于10分钟)
滑线变阻器(50Ω/2A)
变容二极管(30pF~100pF)
光电传感器
角度传感器
超声传感器
红外收发管

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