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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。
电源ADXL345传感器单片机LED显示屏角度测量模块 角度运算模块
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，然后设计系统的原理图，根据原理图设计 PCB电路图，完成元器件的焊接和电气
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特性测试。在该毕业设计中，我选择了购买已经设计好的模块来实现需要的功能。但是无论是硬件的设计还是选购都要遵循如下原则：
（1）尽可能选择典型电路，并符合单片机的常规用法[9]，为硬件系统的常规化和模块化打下良好的基础。同时硬件系统的设计应充分满足系统的功能要求，并留有适当余地，以便进行二次开发。
（2）硬件设计应结合软件方案一并考虑。在进行总体设计时，系统的整套方案应了如指掌，充分考虑软硬件的相互配合和相互影响。在不影响系统实时性的情况下，能够由软件实现的功能尽量由软件实现，这样可以简化硬件结构、节约硬件成本。
（3）系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。如选用芯片，单片机构成低功耗系统时，系统中所有芯片都应尽可能选择低功耗产品；选用处理速度较快的处理器时，系统中相关芯片都应尽量选择处理能力相近的芯片。
（4）单片机外围电路较多时，必须考虑其驱动能力。驱动能力不足时，系统工作不可靠，可通过增设线驱动器增强驱动能力或减少芯片功耗来降低总线负载。根据设计的需要，将智能水平仪的硬件部分分为3个模块：显示模块、单片机模块、ADXL345加速度传感器模块。整个系统的硬件框图如图3.2所示。
图3.2 系统硬件框图
3.1.1 单片机模块
单片机是本系统的核心部分，在这个模块中包括了单片机芯片、电源电路、复位电路、继电器电路、串行口通信电平转换电路、键盘电路、数码管电路和液晶显示电路，如图3.3所示。电源电路为整个系统提供稳定的5V直流电，保证系统正常工作。串行口通信电平转换电路既能实现单片机与计算机间的全双工通信，又能用于与其它单片机
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通信，同时方便计算机中的程序烧写进单片机。单片机的串行口具有两条独立的数据线：发送端TXD和接收端RXD，它允许数据同时往两个相反的方向传输。一般通信时发送数据由TXD端输出，接收数据由RXD端输入。
图3.3 单片机硬件模块 3.1.2 LCD液晶显示模块
为了使显示效果更好，本毕业设计选择了带中文字库的点阵液晶显示屏FYD12864-0402B。该液晶屏支持4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内置8192个16*16点汉字和128个16*8点ASCII字符集，显示分辨率为128*64。灵活的接口方式和简单、方便的操作指令是12864显示屏的优点，其基本特征如下： (1)低电源电压(VDD为3.0V至5.5V)； (2)显示分辨率：128*64； (3)2MHz时钟频率；
(4)驱动方式：1/32DUTY、1/5BIAS； (5)内置DC—CD转换电路，无需外加负压
(6)工作温度：0℃—+55℃，存储温度：-20℃—+60℃；
(7)背光方式：侧部高亮白色LED，功率仅为普通LED的1/5—1/10。
12864液晶显示屏总共有20个管脚，根据表3.1的管脚功能描述，选择并行接口模式，设计液晶屏与单片机连接的电路图，如图3.4所示。DB0—DB7管脚连接到单片机的P0.0—P0.7I/O接口，传输数据。RS管脚连接到单片机的P1.0端口，R/W管脚接到
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P1.1，EN管脚接到P1.2端口，改变三者的高低电平状态实现读写不同的功能。
表3.1 并行接口管脚信号 管脚号 管脚名称 1 2 3 4 VSS VCC V0 RS(CS) 电平 0V 3.0-5V - H/L 管脚功能描述 电源地 电源正 对比度调整 RS=1，表示DB7—DB0为显示数据；RS=0，表示DB7—DB0为显示指令数据； R/W=1，E=1，数据被读到5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
R/W(SID) E(SCLK) DB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 PSB NC /RESET VOUT A K H/L H/L H/L H/L H/L H/L H/L H/L H/L H/L H/L - H/L - VDD VSS DB7—DB0；R/W=0，E=1→0，DB7—DB0的数据被写到IR或DR 使能信号 三态数据线 三态数据线 三态数据线 三态数据线 三态数据线 三态数据线 三态数据线 三态数据线 1:8位或4位并口方式，0：串口方式 空脚 复位端，低电平有效 LCD驱动电压输出端 背光源正端 背光源负端 15
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图3.4 12864液晶屏模块电路图
3.1.3 ADXL345接口设计
DXL345为用户提供SPI和I2C两种与单片机通信的方式。在这两种方式下ADXL345都是作为从机运行。在该毕业设计中，采集三个轴的加速度数据和对其进行控制操作都是通过I2C方式来完成的。下面分别介绍下这两种通信方式。 （1） SPI通信接口设计
SPI（Serial Peripheral Interface）即串行外围设备接口，是Motorola首先在其处理器上推出的同步接口技术。每个SPI系统由一个主机，一个或者多个从机构成。主机是微控制器，提供SPI时钟信号；从机是接受SPI信号的集成电路，如ADXL345传感器。SPI模式可配置成3线或4线方式，4条线分别为SDI（数据输入）、SDO（数据输出）、SCLK（时钟）和CS（片选）。连线方式如图3.5和图3.6所示。
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