山东大学学士学位论文
第一章 绪论
1.1课题背景及意义
在很多情况下，人们想确定物体相对于重力场是出于垂直位置还是水平位置.在很多国家，对起重机是有规定的，要求对其进行某种形式的倾斜监控，特别是对于运输人的设备.离轨车辆需要倾斜度信息以避免发生事故，或使某些重要部件保持一定的角度.一些车辆，如自倾斜火车，利用倾斜来补偿离心加速度.在这里，倾角仪用来帮助使用重力垂直于地面.光学仪器，如平面激光仪，经常需要
处于水平或垂直位置.在学多情况下，需要测量两个相互垂直方向的倾斜度 [1-5] 。
在国内在生产生活的各个领域，倾角的测量已普遍存在。一般的测量方法是：以单片机为中心，系统在单片机的控制下进行数据采集、数据处理、温度补偿、控制和显示，并完成与上位机的通信等[1-7]。
1.2 本文主要工作及章节安排
本文以单片机STC12C5410AD单片机为核心搭建硬件平台，使用加速度传感器MMA7260Q测量物体倾斜角度，并利用串口实现数据的传输。并进行了实际实验。
本文分五章对研究课题进行阐述：
第一章：绪论。阐述课题的背景及意义，研究现状，最后给出了全文的主要工作和章节安排。
第二章：倾角测量系统硬件设计。详细介绍了以STCSTC12C5410AD为核心的硬件电路设计，包括倾角采集模块、串行通信模块、微处理器外围电路。重点介绍了基于加速度传感器MMA7260Q的数据采集模块、微处理器模块的电路设计。
第三章：倾角测量系统软件设计。重点介绍了下位机程序，包括数据采集程序和数据存储通信程序，并对各个子程序进行了详细介绍。
第四章：给出了实验的方法及测试结果，对倾角测试的原理及倾角的计算做出了详细介绍。
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第二章 角度测量系统硬件设计
2.1 硬件功能及总体结构
系统由单片机、倾角传感器、键盘编码器、键盘、数码管驱动器和数码管等组成。
系统的功能是通过倾角传感器采集角度信息，传送给单片机。通过LED数码管显示时间角度信息。配备有声光报警电路，并通过键盘修改相应参数，通过串口完成与上位机的通信[8,9]。系统结构如图2.1所示。
图2.1系统结构图
2.2 信号采集模块
2.2.1 加速度传感器MMA7260Q简介
MMA7260Q是一种低成本单芯片三轴向高灵敏度加速度传感器，基于表面微机械结构，集成信号调理电路、单极点低通滤波器和温度补偿部分，并且具有4种不同的灵敏度选择模式。同时它包含一种睡眠模式，MMA7260Q能在XYZ 三个轴向上以极高的灵敏度读取低重力水平的坠落、倾斜、移动、放置、震动和摇摆[10]。
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主要具有以下特点: 三轴向加速度测量；
测量范围可选：?1.5g、?2g、?4g、?6g； 低功耗，工作电压：2.2V~3.6V，工作电流500?A； 休眠模式：3?A；
封装：16引脚6mm?6mm?1.45mmQFN封装； 高灵敏度：800mV/g（量程为?1.5g）； 启动时间短：1ms；
低噪音：达到更高的分辨率、更高的精确度。 2.2.2结构与原理
1．结构
MMA7260Q功能框图如图2.2所示。在IC内部主要由双芯片构成，即重力检测单元(负责加速度的侦测)与IC控制单元(负责信号处理) 。重力检测单元将检测到的加速度变化量信号送到C - V转换电路，而后进行取样、保持及信号放大处理，最后用低通滤波器滤除高频噪音，在温度补偿处理后即可输出加速度信息。
VDDg-select1g-select2振荡器 时钟发生器X-温度 补偿X-温度 补偿XOUTSleep ModeG-Cell传感器 容压变换器增益滤波YOUT 控制逻辑EEPROM调整电路X-温度 补偿ZOUTVSS图2.2 MMA7260Q功能框图
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2．原理
重力感测单元(G - CELL)由基于半导体材料的微机械结构构造而成。物理模型可以构造成一对固定的面板，中间包含一块可移动的面板，如图2.3所示。当系统被给定一加速度时，中间板就会漂移。中间板移动时，它到一边(固定的面板)的距离增加，而到另一边的距离相应地减少，这种距离的变化可用来表征加速度。G - CELL 的面板构成了两个背对背的电容，当中间面板随着加速度移动时，两个面板之间的距离就会改变，因此电容值也随之改变， C =Aε/D。这里A是指面板面积，ε是介电常数， D是面板间距。在ASIC （专用集成电路）(Application Specific Integrated Circuit)中使用开关电容测量出G-CELL 的电容值，并从他们的差值中解析出加速度数据。ASIC再进行信号调理和信号滤波(使用开关电容) ，最后输出正比于加速度的电压。
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图2.3 简化的换能物理模型
灵敏度选择( g - Select) :根据g - Select1、g - Select2两脚输入电平的不同，MMA7260Q具有4种灵敏度选择模式，如表2.1所示。根据不同的产品应用可以选择不同的灵敏度，而且在应用时可以任意改变。睡眠模式( Sleep Mode) :当要提供MMA7260Q 12引脚(Sleep Mode)低电平时，传感器在低功耗模式下运行，此时运行电流仅为3μA。当提供其高电平时，传感器就会保持正常的运行模式。
表2.1 MMA7260Q灵敏度选择模式 g-Select1 0 0 1 1
g-Select2 0 1 0 1 g值 1.5g 2g 4g 6g 灵敏度 800mV/g 600mV/g 300mV/g 200mV/g 4
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可按照下面规则选择g值：1.5g适合自由落体或精确的倾斜补偿应用；2g适合手持式运动检测或游戏控制；4g适合与低震动监控、运输和处理；6g适合高震动监控与较高的震动读取。 2.2.3 倾角测试模块电路设计
MMA7260Q的供电电压在2. 2～3. 6V之间，输出信号在0～3V以内，电源本采用3.3伏电压供电 ，而且输出的信号可直接输入STC12的A/D通道而不必对信号电压进行变换。MMA7260Q与STC12单片机的接口电路如图2.4所示。
C110.UFC120.UFG-selsect1G-selsect2C130.UFXOUTYOUTZOUTNCNCNCNCNCR221KR231KR241KXYZP2.7SleepModeVDDMMA7260C140.1UFVSSNCNCNCVCCC17100UFC160.1NFOUTINREG1117-3.3OUTGNDC1910UFC200.01NF
图2.4接口电路图
本文应用中选择g值为1.5g，加速度传感器灵敏度选择引脚g-select1、g-select2全部接为低电平。计算公式如公式2-1所示。
Voff=1.65 （2-1）
?V?G=800mv/g，Vout=0.85~2.45之间变化
给MMA7260Q的12引脚（SleepMode）提供高电平，即不是工作在睡眠模式。
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