基于单片机的智能水平仪设计

1、摘褥子电子水平仪是测量小角度的非常普遍的测量仪器。用于测量水平位置的坡率。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斜测试设备数字化发展的方向。本毕业设计结合stc89c52单片机和adi生产的3轴加速度传感器adxl345，使用adxl345 3轴加速度传感器检测水平倾斜，通过单片机的控制和运算，将倾斜以数字形式直接显示在液晶屏上，进行处理，使角度测量更容易、更快、倾斜更准确。通过adxl345三轴加速度传感器原理，使用软件和硬件相结合的自动校正技术测量角度，最大限度地简化电路，提高了系统的稳定性和可靠性。通过对本课题的研究，对水准仪有了一定的了解，以后水准仪在建筑方面将发挥重

2、要作用，随着时代的发展，水准仪的角度测量越来越精密，光学应用领域的不断扩大，产生了基于光电原理的光电水平和激光水准仪，光电原理的应用将成为未来水准仪的发展方向。关键字：智能级别；微控制器；adxl345；角度abstractelectronic level gauge is a very common small angle measurement . measurement for the horizontal position of the inclination to use it。based on the dig ital level sensor、digital signal pro

3、cessing、computer technology is the current development of digital instrument tiltthis graduation design is the use of three axis acceleromer adxl 345 micro controller stc 89 c 52 and adi company production of combination，usingthe principle of the adxl 345 three axis acceleromer，and proposes to use t

4、he combination of hardware and software of the automatic calibration ttemplatethis graduation design is the use of three axis acceleromer adxl 345 micro controller stc 89 c 52 and adi company production of combination，usingthe principle of the adxl 345 three axis acceleromer，and proposes to use the

5、combination of hardware and software of the automatic calibration ttemplatekeywords:智能级别；mcuadxl345角度列表单线程理论11.1主题研究背景和重要性11.2国内外水平仪的发展现状和趋势11.3系统设计的主要任务11.4论文结构和准备22三轴加速度传感器感应原理32.1 adxl345工作原理32.2 adxl345寄存器映射52.3 adxl345主寄存器定义简介62.4倾斜角度测量原理82.4.1加速度传感器简介82.4.2 adxl345测量角度原理93层总体设计123.1级硬件设计123.1.

6、1单片机模块133.1.2液晶屏显示模块143.1.3 adxl345接口设计163.1.4 adxl345加速度传感器模块183.2级软件设计203.2.1 i2c总线协议分析213.2.2液晶屏驱动程序设计253.2.3 adxl345加速度传感器软件模块283.2.4 adxl345加速度传感器错误校准284实验数据和汇总30结论33审计34附录a英文原版37附录b中文翻译41附录c主程序44附录d电路线路图55单线程理论1.1主题研究的背景和重要性在高层桥梁等建筑行业，测量和处理建筑物本身水平面倾斜需要数月甚至一年以上取样进度高的数字水平仪系统，因此该系统必须具备高精度微功率功能。水平

7、仪从过去的简单气泡水平仪到现在的电子水平仪，经过了多次更新。电子水平仪是非常紧急地测量小角度的仪器。随着精密的制造技术的发展，现有的电子水平仪不能满足准确度要求，国内数字电子水平仪灵敏度、反应时间等方面的差异比国外大。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，要摆脱现有水平仪智力低、数据处理能力差或地震能力差等缺点，必须利用现代科学技术设计新的水平仪。基于mems传感器、数字信号处理、单片机的智能水平仪是未来水平仪的发展方向，可应用于建设、石油、煤矿、地质勘探等领域。本毕业设计结合stc89c52单片机和adi生产的三轴加速度传感器adxl345，实现了高

8、精度数字显示智能水平仪的设计。1.2国内外水平仪的发展现状和趋势目前国内已有的水平仪不能很好地满足生产和应用的需求，国内电子水平仪的生产和开发能力相对落后于国外。尤其是智力不高，对数据的处理能力不足，无法一次性测量被赦免的倾斜角和方位角。近年来，国内对水平仪的开发与开发取得了不少进展。海外热敷、厂家、各类、速度快、功耗低、性能越来越强，国内台湾表现越来越好，还有上海华宏、海尔等几个大陆产品的研发和生产能力，市场份额太小1.3系统设计的主要任务毕业项目的主要目标是设计采用单片机和三轴加速度传感器的高精度、大角度测量范围、实时显示、便携式智能水平仪。该水平仪测量在90以内，通过3轴加速度正值和负值

9、可以确定角度的倾斜方向，而该系统基于mems技术，因此在恶劣的现场工业环境下，其性能优良、可靠。通过文献阅览和芯片资料的比较，选择了可行的方案。硬件可用于测量倾斜角的芯片有三种类型：adxl345三轴加速度传感器、mma7455三轴加速度传感器和三轴陀螺。通过比较，adxl345具有数字输出、高精度(3.9mg/lsb)、小误差等优点，因此选择了adxl345芯片作为测量倾角的传感器。选择集成了单片机、液晶屏和几个基本组件的开发主板，减少设计时间和复杂性。软件方面，使用c语言在keil软件中编程，使用i2c通信实现单片机和传感器的数据传输。使用数学方法拉伸角度计算公式计算角度大小。最后，通过实

10、际测量角度，计算传感器的测量误差，在偏移寄存器中进行校正。1.4论文结构和准备本文将围绕设计完整的电容传感器信号处理系统(包括角度转换模块和数据处理模块)的过程展开。本文的主要内容如下：第一章，引言，论述选题的背景和意义，分析国内外相关技术的发展动态和研究现状，介绍本论文的主要工作。第二章综合分析了角度转换中涉及的三轴加速度传感器和数据处理中涉及的a/d转换、数字显示等部分，从而确定了本系统的总体方案，并给出了以后设计的系统总体框图。第三章首先简要介绍了智能水平仪的硬件设计、软件技术，并分析了其选择和性能。第四章，设计结果实施，分析数据。2三轴加速度传感器感应原理2.1 adxl345工作原理

11、adxl345是一种小而薄的低功耗三轴加速度测量系统(如图2.1所示)，可以选择高达13位的分辨率、2g、4g、8g或16g。数字输出数据格式是16位二进制补充代码。adxl345适用于同时测量运动或冲击引起的动态加速度和重力加速度等静止加速度的移动设备，并且可以将该设备用作倾斜传感器。高分辨率(3.9mg/lsb)可以测量小于1.0的倾斜角度变化。adxl345的主要功能包括：超低功耗：vs=2.5v(典型值)时，测量模式下为23a，待机模式下为0.1a；范围和分辨率；2g(10位)、4g (11位)、8g (12位)、16g (13位)；(1)电源电压范围：2.0v至3.6v；i/o电压范

12、围：1.7v至3.5，(2)spi模式(3线和4线)和i2c模式数字接口；(3)通过串行命令选择性地测量范围和带宽。(4)32级fifo缓冲区；(5)使用温度范围：-40 85；(6)抗冲击：10000g；(7)小巧轻薄：3毫米* 5毫米* 1毫米，lga封装；(8)复盖范围：手机、医疗设备、工业设备、仪表、个人导航设备等。图2.1 adxl345芯片加速度传感器提供多种特殊的检测功能。活动和非活动检测功能将任意轴的加速度与用户设置的阈值进行比较，以检测是否发生了运动，以及每个轴的加速度值是否超过用户设置的阈值。打击乐器检测功能检测所有方向的单、双振动动作。自由落体传感器可检测设备是否在下降。

13、这些功能可以独立映射到两个中断输出端号之一。芯片内集成存储管理系统具有32级先进先出(fifo)缓冲区，可用于存储32个x、y、z轴的数据样本集，从而最大限度地减少主机处理器负载并降低总体系统功耗。同时，低功耗模式支持基于运动的智能电源管理，以极低的功耗进行阈值检测和运动加速度测量。adxl345采用多晶硅表面微加工结构，放置在晶片顶部。由于应用加速度，多晶硅弹簧悬浮在晶片表面的结构上，提供力电阻。差动电容由独立固定板和主动质量连接板组成，可以测量结构偏转。加速度引起惯性质量偏转、差动电容的不平衡，使传感器输出的振幅与加速度成正比。相位检测解调用于确定加速度的振幅和极性。adxl345的工作方式是使用前端传感器检测加速度大小，然后将其转换为可识别的电信号。信号也是模拟信号。芯片内部集成了ad转换器，模拟信号通过转换器转换为数字信号输出。与计算机系统数字信号输出一样，ad转换器输出16位二进制补码。当数字信号经过数字滤波器的过滤，在控制和中断逻辑单元的控制下访问32级fifo时，单片机通过串行接口读取3个轴的加速度数据。单片机通过寄存器操作向串行端口发送读写命令来控制adxl345。芯片内部的方块图如图2.2所示。图2.2 adxl345芯片方框图2.2 adxl345寄存器映射表2.1寄存器映射地址名字类型重置值说明十六进制十进制0x000dev