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基于单片机的智能水平仪设计

摘要

电子水平仪是一种非常普遍的测量小角度的量具。

用它可测量对于水平位置的倾斜度。

基于传感器、数字信号处理、单片机技术的数字水平仪是当前倾角测试仪器数字化发展的方向。

本毕业设计就是采用STC89C52单片机和ADI公司生产的三轴加速度传感器ADXL345相结合，利用ADXL345三轴加速度传感器感应水平倾角，通过单片机的控制以及运算将倾角以数值的形式直接在LCD显示屏上进行显示、处理，从而使角度测量变得方便、快捷，实现了倾角的高精度测量。

通过ADXL345三轴加速度传感器原理，提出了使用软件和硬件结合的自动校正技术进行测量角度，最大限度简化了电路，提高了系统的稳定性和可靠性。

通过对本课题的研究，让我对水平仪有了一定的了解，在未来水平仪将在建筑方面起着重要作用，并且随着时代发展，水平仪对角度的测量将越来越精细，随着光学应用领域的不断扩展，也相应的产生了一些基于光电原理的光电式水平仪和激光式水平仪，光电原理的应用将是未来水平仪的发展方向。

关键词：

智能水平仪；单片机；ADXL345；角度

Abstract

Electroniclevelgaugeisaverycommonsmallanglemeasurement.Measurementforthehorizontalpositionoftheinclinationtouseit.Basedonthedigitallevelsensor,digitalsignalprocessing,computertechnologyisthecurrentdevelopmentofdigitalinstrumenttilttestinginstrumentinthedirectionof.

ThisgraduationdesignistheuseofthreeaxisaccelerometerADXL345microcontrollerSTC89C52andADIcompanyproductionofcombination,usingtheADXL345threeaxisaccelerationsensorlevelangle,processingthroughtheMCUcontrolandoperationwilldipinnumericalformdirectlyintheLCDscreendisplay,,sothattheanglemeasuringisconvenient,quick,realizehighprecisionmeasurementofangle.TheprincipleoftheADXL345threeaxisaccelerometer,andproposestousethecombinationofhardwareandsoftwareoftheautomaticcalibrationtechniqueformeasuringtheangle,themaximumsimplifiesthecircuit,improvesthestabilityandreliabilityofthesystem.

Keywords:

Intelligentlevel;MCU;ADXL345;angle

1绪论

1.1课题研究背景和意义

在高楼桥梁等建筑行业，对建筑物自身在水平面倾斜度的测量和处理，需要一个能连续工作几个月甚至一年以上采样进度很高的数字水平仪系统，这就要求该系统必须具有高精度微功耗的功能。

水平仪从过去简单的气泡水平仪到现在的电子水平仪已经历经多次更新。

电子水平仪是一种非常急需的测量小角度的量具。

随着精密制造技术的发展，已有的电子水平仪不能满足精度要求，国内数显式电子水平仪灵敏度，反应时间等与国外相比，差距较大。

研究分辨率更高，性能更好的智能电子水平仪具有重要意义。

为了提高水平仪的测量精度，摆脱传统水平仪智能化程度低、数据处理能力差、抗震能力差等缺点，必须利用现代科技设计一种新的水平仪。

基于MEMS传感器、数字信号处理、单片机的智能水平仪是今后水平仪的发展方向，可以应用于建筑、石油、煤矿和地质勘探等领域。

本毕业设计将STC89C52单片机和ADI公司生产的三轴加速度传感器ADXL345相结合，实现了高精度数显智能水平仪的设计。

1.2国内外水平仪发展现状和趋势

目前国内已有的水平仪不能很好的满足生产和应用的需求，国内电子水平仪的生产和研制能力与国外相比相对落后。

尤其是存在着智能化程度不高，对数据缺乏处理能力，无法一次性测量出被测面倾斜角和方位角等缺点。

近年来，国内在水平仪的研制开发方面取得了不少进展。

国外蒸蒸日上，厂家繁多，种类齐全，速度越来越快，功耗越来越低，性能越来越强，国内除台湾做的比较好外，大陆也有几家具备研发和生产能力，如上海华虹、海尔等，只不过大陆产品占的市场份额太小了

1.3系统设计的主要工作

本毕业设计的主要目标是利用单片机和三轴加速度传感器，设计一种高精度、大角度测量范围、实时显示、便携式的智能水平仪。

该水平仪测量的角度显示在90º以内，并且能通过三个轴的加速度正负值，判断角度的倾斜方向，同时，由于本系统是基于MEMS技术，因此即使在恶劣的现场工业环境中，仍能表现出优秀可靠的性能。

经过文献的翻阅和芯片资料的对比，选择了一套可行的方案。

在硬件方面，可以用于测量倾角的芯片有三种类型，分别是ADXL345三轴加速度传感器、mma7455三轴加速度传感器、三轴陀螺仪。

通过对比，ADXL345具备数字输出，高精度（3.9mg/LSB），误差小等优点，因此选择了ADXL345芯片作为测量倾角的传感器。

同时选择了集成了单片机、LCD液晶显示屏和一些基本元件的开发板，减少设计的时间和复杂度。

在软件方面，采用C语言在Keil软件中编程，使用I2C通信方式实现单片机和传感器的数据传输；利用数学方法推倒出的角度计算公式计算角度大小；最后经过实际测量角度，计算出传感器的测量误差，在偏移寄存器中进行校准。

1.4论文结构及安排

本文将围绕设计一个完整的电容式传感器信号处理系统的过程展开,包括角度转换模块和数据处理模块。

本文主要内容如下：

第1章，绪论，阐述了选题背景和意义，分析了国内外相关技术的发展动态及研究现状，并对本论文的主要工作进行了介绍。

第2章，通过对角度转换中涉及的三轴加速度传感器以及数据处理中涉及的A/D转换、数码显示等各部分综合分析，确定本系统的总体方案，并给出系统总体结构框图，为后续设计做准备。

第3章，先简单介绍了智能水平仪的硬件设计、软件技术，并对其选型和性能进行分析。

第4章，设计结果实现，分析数据。

2三轴加速度传感器感应原理

2.1ADXL345工作原理

ADXL345是一款小而薄的超低功耗三轴加速度测量系统（如图2.1所示），分辨率高达13位，可选择的测量范围有±2g，±4g，±8g或±16g。

数字输出数据格式为16位二进制补码。

ADXL345非常适合应用在移动设备中，它既能测量运动或冲击导致的动态加速度，也能测量静止加速度，例如重力加速度，使得器件可作为倾斜传感器使用。

其高分辨率（3.9mg/LSB）能够测量不到1.0º的倾斜角度变化。

ADXL345的主要特性如下:

超低功耗：

Vs=2.5V时（典型值），测量模式下为23μA，待机模式下为0.1μA；

用户可以选择不同的量程和分辨率，±2g（10bit）,±4g（11bit）,±8g（12bit）,±16g（13bit）；

（1）电源电压范围：

2.0V至3.6V；I/O电压范围：

1.7V至3.5VS；

（2）SPI模式（3线和4线）和I2C模式数字接口；

（3）通过串行命令可选测量范围和带宽；

（4）32级FIFO缓冲器；

（5）使用温度范围：

-40℃至+85℃；

（6）抗冲击能力：

10000g；

（7）小而薄：

3mm*5mm*1mm，LGA封装；

（8）应用范围：

手机、医疗仪器，工业仪器、仪表、个人导航设备等。

图2.1ADXL345芯片

该加速度传感器提供多种特殊检测功能。

活动和非活动检测功能通过比较任意轴上的加速度与用户设置的阈值来检测有无运动发生以及在各个轴上的加速度值是否超过用户设置的阀值。

敲击检测功能可以检测任意方向的单振和双振动作。

自由落体检测功能可以检测器件是否正在掉落。

这些功能可以独立映射到两个中断输出引脚中的一个。

芯片内部集成式存储器管理系统采用一个32级先进先出（FIFO）缓冲器，可用于存储32个X、Y和Z轴的数据样本集，从而将主机处理器负荷降至最低，并降低整体系统功耗。

同时，低功耗模式支持基于运动的智能电源管理，从而以极低的功耗进行阀值感测和运动加速度测量。

ADXL345为多晶硅表面微加工结构，置于晶圆顶部。

由于应用加速度，多晶硅弹簧悬挂于晶圆表面的结构之上，提供力量阻力。

差分电容由独立固定板和活动质量连接板组成，能对结构偏转进行测量。

加速度使惯性质量偏转、差分电容失衡，从而传感器输出的幅度与加速度成正比。

相敏解调用于确定加速度的幅度和极性。

ADXL345的工作原理是：

首先有前端感应器感测加速度大小，然后感应电信号器件将它转换成可识别的电信号，此时的信号还是模拟信号。

在芯片内部集成了AD转化器，因此模拟信号经过转化器变为数字信号输出。

与计算机系统数字信号输出类似，AD转换器输出的也是16位的二进制补码。

数字信号经过数字滤波器的滤波处理后，在控制和中断逻辑单元的控制下访问32级FIFO，单片机通过串行接口读取三个轴的加速度数据。

单片机通过对寄存器的操作，发送对串口的读写命令实现对ADXL345的控制。

芯片内部的功能框图如图2.2所示。

图2.2ADXL345芯片功能框图

2.2ADXL345寄存器映射

表2.1寄存器映射

地址

名称

类型

复位值

描述

十六进制

十进制

0x00

DEVID

11100101

器件ID

0x01-0x1C

1-28

保留

保留不操作

0x1D

THRESH_TAP

00000000

敲击阈值

0x1E

OFSX

00000000

X轴偏移

0x1F

OFSY

00000000

Y轴偏移

0x20

OFSZ

00000000

Z轴偏移

0x21

DUR

00000000

敲击持续时间

0x22

Latent

00000000

敲击延迟

0x23

Window

00000000

敲击窗口

0x24

THRESH_ACT

00000000

活动阈值

0x25

THRESH_INACT

00000000

静止阈值

0x26

TIME_INACT

00000000

静止时间

0x27

ACT_INACT_CTL

00000000

轴使能控制活动和静止检测

0x28

THRESH_FF

00000000

自由落体阈值

0x29

TIME_FF

00000000

自由落体时间

0x2A

TAP_AXES

00000000

单击/双击轴控制

0x2B

ACT_TAP_STATUS

00001010

单击/双击源

0x2C

BW_RATE

00000000

数据速率及功率模式控制

0x2D

POWER_CTL

00000000

省电特性控制

0x2E

INT_ENABLE

00000000

中断使能控制

ADXL345共有30个寄存器（如表2.1所示），其中包括29个功能寄存器和1个识别设备标识的只读寄存器DEVID的，地址分别为0x1D至0x39和0x00。

单片机对ADXL345的控制操作主要是通过对其寄存器的读写来实现的，在访问寄存器之前要先发送一个字节的读写地址信息。

第7位是操作类型位，“1”表示读操作，“0”表示写操作；第6位是读写类型位，“1”表示多值读写，“0”表示单值读写。

字节第5位至第1位是寄存器地址，根据需要可以选择30个寄存器中的任意一个进行读写操作，实现对加速度传感器的初始化和不同功能的控制。

2.3ADXL345主要寄存器定义介绍

寄存器OFSX、OFSY、OFSZ（0x1E、0x1F、0x20）都是8位寄存器，在二进制补码格式中提供用户设置偏移调整，比例因子为15.6mg/LSB。

通过实际测量，确定各个轴平均的偏移量，储存在这三个寄存器中，然后偏移寄存器的存储值会自动添加到加速度数据上，结果值存储在输出数据寄存器中。

速率位（0x2C）能选择器件带宽和输出数据速率，如表2.2所示。

默认值为0x0A，转换后为100Hz的输出数据速率。

在本毕业设计中，选择了适合I2C通信协议和频率的输出数据速率12.5Hz，十六进制为0x08，若选择太高的输出数据速率和过低的通信速度会导致采样的丢失，数据传输失败。

FIFO_CTL，设置缓存器具体的工作模式，比如Bypass、FIFO、Stream、Trigger模式，各种模式区别如下：

在Bypass模式中，FIFO缓存器是退化的，仅FIFO［0］存储一次采样结果，无论是否被读取，新数据到来时将旧数据覆盖；在FIFO模式中，FIFO缓存器不停地收集数据直到缓存器满，此时如果没有及时读数据，新到样本数据将被丢弃，而当FIFO被读取后，它将继续收集新到数据；在Stream模式中，FIFO缓存器不停地收集数据，当缓存器满，自动丢弃FIFO［0］，其他样本值向前移位填充，最新数据填入FIFO［31］；在Trigger模式中，FIFO开始工作与Stream模式类似，收集样本值直到FIFO缓存器满，然后丢弃最旧的数据，一旦触发事件发生（由FIFO_CTL寄存器中TRIG_SOURCE位所定义），FIFO将保留最后n采样值（其中n在FIFO_CTL寄存器中指定），然后像FIFO模式一样运行，即FIFO不满时，继续收集新的样本值。

表2.2输出数据速率

输出数据速率（Hz）

带宽（Hz）

速率代码

IDD（μA）

3200

1600

1111

140

1600

800

1110

800

400

1101

140

400

200

1100

140

200

100

1011

140

100

1010

140

1001

12.5

1000

12.5

6.25

0111

6.25

3.13

0110

3.13

1.56

0101

1.56

0.78

0100

0.78

0.39

0011

0.39

0.2

0010

0.2

0.1

0001

0.1

0.05

0000

寄存器INT_ENABLE（0x2E）字节格式如表2.3所示。

寄存器设置位值为1，使能相应功能，生成中断；设置为0时，阻止这些功能产生中断。

DATA_READY位、水印位和溢出位仅使能中断输出；这些功能总是处于使能状态，在本毕业设计中，在其输出前进行了中断配置,然后读取寄存器内部数据。

表2.3寄存器INT_ENABLE字节格式

DATA_READY

SINGLE_TAP

DOUBLE_TAP

Activity

Inactivity

FREE_FALL

Watermark

Overrun

范围位（0x31）可以设置g范围，如表2.4所述。

在本设计中，选择了±16g范围，全分辨率13位。

表2.4范围设置

设置

g范围

±2g

±4g

±8g

±16g

寄存器DATAX0、DATAX1、DATAY0、DATAY1、DATAZ0和DATAZ1（0x32至0x37）都是8位字节，保存各个轴的输出数据。

寄存器0x32和0x33保存x轴输出数据，寄存器0x34和0x35保存y轴输出数据，寄存器0x36和0x37保存z轴输出数据。

输出数据为二进制补码，DATAx0为最低有效字节，DATAx1为最高有效字节，其中x可代表X、Y或Z。

DATA_FORMAT寄存器（地址0x31）控制数据格式。

在本设计中所有寄存器都执行多字节读取，防止相继寄存器读取之间的数据变化。

2.4测量倾斜角度原理

2.4.1加速度传感器进行倾角测量简介

目前常用的确定平面系统倾斜的方法是对陀螺仪的输出求积分。

尽管这种方法简单明了。

但随着积分周期的增加，与零偏稳定性相关的误差也可能快速增大，即使当器件处于静止状态时也可能导致明显的旋转。

在某些净加速度或者重力加速度的应用中，可以利用加速度传感器来测量静态倾斜角，这样克服了陀螺仪的缺点。

目前加速度传感器测量角度的方法广泛应用于数码相机水平检测，以及工业和医学应用中检测器件方向等。

利用加速度传感器进行倾斜检测的基本假设是：

加速度只与重力相关。

实际上，可以对信号输出进行信号处理，以消除其中的高频组分，因而可以接受一定的交流加速度。

倾斜角度检测是利用重力矢量及其在轴上的投影来确定倾斜角由于重力是直流加速度，因此任何额外加入的直流加速度都会破坏输出信号并且导致计算错误。

造成直流加速度的因素包括车辆以恒定速率加速时的时间，以及在加速度传感器上导致向心加速度的旋转器件。

另外，当目标轴上的重力投影发生变化时，通过重力旋转加速度会导致明显的交流加速度。

在计算角度之前对加速度信号进行的任何过滤都会影响输出达到新静态值的速度。

综上所述，在本毕业设计中，测量平面倾斜角度时，要让加速度传感器在平面上保持一段时间的静止，以保证角度测量的准确性。

下面来介绍下ADXL345三轴加速度传感器通过X、Y、Z轴上的重力加速度换算成倾斜角的基本原理。

2.4.2ADXL345测量角度原理

通过ADXL345测量出X、Y、Z轴上的重力加速度分量大小，分别能得到X轴与水平面的夹角α，Y轴与水平面的夹角β，Z轴与水平面的夹角δ。

设X轴的加速度分量为Ax，Y轴的加速度分量为Ay，Z轴的加速度分量为Az。

对重力进行力学分析可得如下公式：

（2.1）

（2.2）

（2.3）

图2.3水平仪的测量数学模型示图

水平仪测量倾角的数学模型如图2.3所示。

如图所示，DA代表X轴，DB代表Y轴，DG代表Z轴，DA⊥DB，假设X轴与水平面的夹角为α，Y轴与水平面的夹角为β，X轴与Y轴所组成的平面DAB与水平面的夹角为γ。

过D点做水平面的垂线，垂足为点E，那么∠DAE=α。

∠DBE=β。

过E点做AB的垂线与AB交于C点，由立体几何知识可知∠DCE就是平面EAB与水平面的夹角γ，即使水平仪要测量并显示的角度。

下面是推导α、β、γ之间关系的过程，假设DE=1，由DE⊥AE，DE⊥BE可知：

（2.4）

因为△ADB为直角三角形，所以：

（2.5）

将AB代入式

（2）得：

（2.6）

又因为△DEC为一直角三角形，所以可得：

（2.7）

将式

（1）代入式（5）得：

（2.8）

因为

，

，所以：

（2.9）

由

，推出：

（2.10）

即可得出被测面与水平面间的夹角γ:

（2.11）

由图2.4.1的数学模型可知，角γ就是加速度传感器Z轴与自然坐标系Z轴间夹角。

同理可得，加速度传感器X轴与自然坐标系X轴的夹角α为：

（2.12）

加速度传感器Y轴与自然坐标系Y轴的夹角β为：

（2.13）

综上分析，因为单片机能计算简单的反三角函数，所以在程序中利用公式（2.10）就能计算出需要的倾斜角度（弧度值），再将其进行转化就能显示直观的角度值。

在该毕业设计中，为了方便读数，无论Z轴的加速度值是正还是负，都将γ的值取在0º-90º之间。

3水平仪总体设计

电子水平仪的测量系统主要由单片机、ADXL345三轴加速度传感器、数码显示屏以及电源四部分构成。

进行测量时，水平仪发生微小倾斜，传感器的相对位置发生改变，按照测量算法就可得到倾斜角，结果通过LED数码显示屏显示出来。

图3.1水平仪系统设计原理框图

本设计在选用传感器方面，对比了三种，最终使用了误差小，精度高的ADXL345三轴加速度传感器，选择了ADXL345芯片作为测量倾角的传感器。

在单片机方面最后使用了STC89C52单片机，以及液晶12864LED显示屏共同完成本设计。

3.1水平仪硬件设计

通过上述几章的分析，在了解了ADXL345的基本工作原理之后，开始进行智能水平仪的硬件设计。

根据设计需要确定各部分器件的选型，购买合适的电路板，熟悉原理图之后进行连线测试工作。

硬件是一套系统的“躯体”，是系统能够成功运行的基础，没有一个稳定而且可靠的硬件系统，就无法保证系统的稳定运行。

硬件设计的主要任务是根据总体设计所确定方案的要求，选择符合设计指标所要求功能、精度、处理速度并且价格合理的器件，并在所选用元器件的基础之上确定系统硬件扩展所需用到的I/O接口电路以及外围设备电路

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