基于单片机的智能水平仪设计

2019-04-23 20:41

理工大学学士学位论文

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

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Abstract

Electronic level gauge is a very common small angle measurement. Measurement for the horizontal position of the inclination to use it. Based on the digital level sensor, digital signal processing, computer technology is the current development of digital instrument tilt testing instrument in the direction of.

This graduation design is the use of three axis accelerometer ADXL345 microcontroller STC89C52 and ADI company production of combination, using the ADXL345 three axis acceleration sensor level angle, processing through the MCU control and operation will dip in numerical form directly in the LCD screen display,, so that the angle measuring is convenient, quick, realize high precision measurement of angle. The principle of the ADXL345 three axis accelerometer, and proposes to use the combination of hardware and software of the automatic calibration technique for measuring the angle, the maximum simplifies the circuit, improves the stability and reliability of the system.

Keywords: Intelligent level; MCU; ADXL345; angle

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1 绪论 .................................................................................................................................... 1

1.1 课题研究背景和意义 ............................................................................................... 1 1.2 国内外水平仪发展现状和趋势 ............................................................................... 1 1.3 系统设计的主要工作 ............................................................................................... 1 1.4 论文结构及安排 ....................................................................................................... 2 2 三轴加速度传感器感应原理 .............................................................................................. 3

2.1 ADXL345工作原理 ................................................................................................. 3 2.2 ADXL345寄存器映射 ............................................................................................. 5 2.3 ADXL345主要寄存器定义介绍 ............................................................................. 6 2.4 测量倾斜角度原理 ................................................................................................... 8

2.4.1 加速度传感器进行倾角测量简介 ................................................................ 8 2.4.2 ADXL345测量角度原理 .............................................................................. 9

3 水平仪总体设计 ................................................................................................................ 12

3.1 水平仪硬件设计 ..................................................................................................... 12

3.1.1 单片机模块 .................................................................................................. 13 3.1.2 LCD液晶显示模块 ..................................................................................... 14 3.1.3 ADXL345接口设计 .................................................................................... 16 3.1.4 ADXL345加速度传感器模块 .................................................................... 18 3.2 水平仪软件设计 ..................................................................................................... 20

3.2.1 I2C总线协议分析 ........................................................................................ 21 3.2.2 液晶显示驱动程序设计 .............................................................................. 25 3.2.3 ADXL345加速度传感器软件模块 ............................................................ 27 3.2.4 ADXL345加速度传感器误差校准 ............................................................ 28

4 实验数据及总结 ................................................................................................................ 30 结论 ...................................................................................................................................... 33 致谢 ...................................................................................................................................... 34 附录A 英文原文 .................................................................................................................. 37 附录 B 汉语翻译 ................................................................................................................. 41

III

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附录 C 主程序 ..................................................................................................................... 44 附录 D 电路原理图 ............................................................................................................. 55

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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

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