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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。
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2 三轴加速度传感器感应原理
2.1 ADXL345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2.1 ADXL345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
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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2.2 ADXL345芯片功能框图
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2.2 ADXL345寄存器映射
表2.1 寄存器映射 地址 十六进制 0x00 0x01-0x1C 0x1D 0x1E 0x1F 0x20 0x21 0x22 0x23 0x24 0x25 0x26 0x27 0x28 0x29 0x2A 0x2B 0x2C 0x2D 0x2E 十进制 0 1-28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 DEVID 保留 THRESH_TAP OFSX OFSY OFSZ DUR Latent Window THRESH_ACT THRESH_INACT TIME_INACT ACT_INACT_CTL THRESH_FF TIME_FF TAP_AXES ACT_TAP_STATUS BW_RATE POWER_CTL INT_ENABLE 名称 类型 R - R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R R/W R/W R/W 复位值 11100101 - 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00001010 00000000 00000000 00000000 描述 器件ID 保留不操作 敲击阈值 X轴偏移 Y轴偏移 Z轴偏移 敲击持续时间 敲击延迟 敲击窗口 活动阈值 静止阈值 静止时间 轴使能控制活动和静止检测 自由落体阈值 自由落体时间 单击/双击轴控制 单击/双击源 数据速率及功率模式控制 省电特性控制 中断使能控制 5
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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。
2.3 ADXL345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。
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