1、基于三軸加速度傳感器的傾角測量儀設計畢業論文 本科畢業論文（設計）題 目： 基于三軸加速度傳感器的傾角測量儀設計 學 生： 學號： 學 院：物電與電子科學學院 專業：電子信息科學與技術入學時間： 2009 年 9 月 15 日指導教師： 職稱： 助教 完成日期： 72013 年 4 月 22 日誠 信 承 諾我謹在此承諾：本人所寫的畢業論文基于三軸加速度傳感器的傾角測量儀設計均系本人獨立完成，沒有抄襲行為，凡涉及其他作者的觀點和材料，均作了注釋，若有不實，后果由本人承擔。 承諾人（簽名）： 年 月 日基于三軸加速度傳感器的傾角測量儀設計姓名： 學號： 指導老師：摘要：本測量儀以stc89c52

2、單片機為主控芯片、三軸模擬加速度傳感器mma7361lc檢測物體運動方向或受重力的改變，它根據物體運動方向或受重力的改變，輸出信號的電壓值也隨之改變。輸出的模擬電壓量經12位a/d轉換器tlc2543轉換成數字量，然后，將采樣數據傳給單片機，單片機將采樣數據進行處理后并計算出對應的角度值。最后把所得角度值送到12864液晶顯示屏上顯示。該傾角測量儀具有功耗低和結構簡單的特點。關鍵詞：stc89c52mcu；mma7361；tlc2543；12864lcd；低功耗angle measuring instrument designbased on three-axis acceleration s

3、ensorname: benjin lu student id: 200940620222 instructor: xiaobo zhouabstract: stc89c52 mcu is the master controller of this angle measuring instrument. the mma7361lc is a three axis simulation accelerometer which can detect the direction of motion of the object or by the change of the gravity, acco

4、rding to the direction of motion of the object or by the change of the gravity its output signal voltage will change. analog voltage output by the 12 bit a/d converter tlc2543 converted into digital voltage, then, sampling data is transmitted to mcu. mcu process the sampling data and calculate the v

5、alue of the angle of the alignment finally, the angle value is sent to 12864 lcd. the angle measuring instrument has the characteristics of low power consumption and simple structure.key words: stc89c52mcu; mma7361; tlc2543; 12864lcd; low power consumption目 錄1 引言11.1 研究背景與意義11.2 研究現狀11.3 研究內容22 系統總體

6、設計方案及概述22.1 系統總體設計框圖22.2 總體設計框圖概述23 系統各模塊設計方案及概述33.1 主控模塊3 stc89c52單片機芯片簡介3 stc89c52芯片主要管腳功能3 特性3 參數43.2 單片機最小系統43.3 數據采集模塊5 mma7361模塊實物圖6 mma7361模塊引腳排布圖63.4 ad 轉換模塊6 tlc2543實物及封裝圖7 tlc2543引腳功能7 tlc2543時序圖83.5 數據顯示模塊8 概述8 lcd12864管腳功能表94 系統硬件設計94.1 主控芯片94.2 電源模塊94.3 數據采集模塊94.4 ad 轉換模塊104.5 數據顯示模塊104

7、.6 系統原理圖與pcb圖10 系統原理圖10 系統pcb圖105 系統軟件設計115.1 編程軟件介紹115.2 tlc2543編程要點11 控制字格式11 內部寄存器12 轉換過程125.3 系統程序流程圖126 調試及調試過程中出現的問題136.1 硬件調試136.2 軟件調試137 調試成功傾角顯示137.1 0和30137.2 60和90147.3 顯示數據分析148 結束語141 引言本作品是基于三軸模擬加速度傳感器的設計與制作，其具體應用之一為檢測地板鋪設的水平與否，如果不平，可重新調整地板的方向和位置，直至傾角測量儀顯示的值為0為止。由于本設計采用的三軸加速度傳感器，故該作品可

8、以同時顯示三個方向的角度，與其他傾角測量儀相比功能更強大。下面將從研究背景與意義、研究現狀及研究內容三個方面予以闡述：1.1 研究背景與意義如今，大多數行業測量角度時仍然采用傳統的水泡式（或條式）水平測試儀。其采用的依然是原始的水泡移動、肉眼分辨的檢測方法，此方法有較多缺點。例如：（1）測量值因人而異：因為是用肉眼觀察水泡的位置來估計，所以測量誤差偏大，且測量誤差主要由人為因素導致；（2）功能單一：其只能在一定的環境下測量角度，而不能完成其他測量；（3）測量范圍小：傳統的水平測試儀只能靠觀察水泡的位置來估計值，因而其測量范圍較小。本設計的研究意義在于克服上述2個缺點，解決人們在角度測量時所面臨

9、的一些問題。1.2 研究現狀目前，市面上研究的傾角測量儀主要有2類：（1）基于雙軸加速度傳感器mma6260的傾角測量儀：該基于雙加速度傳感器mma6260數字化雙傾角測量儀。（2）數字傾角測量儀：該采用差動式電容為20）。由于目前符合測量三個方向傾角功能的數字傳感器還很少，故而采用三軸模擬加速度傳感器mma7361。本測量儀與傳統的水平儀相比具有時時顯示采樣數據、測量范圍大（-65度到90度）、攜帶方便等特點，徹底擺脫了傳統測量方法。另外，由于該測量儀輸出結果為數字量，故它也可與其他的數字設備結合起來使用。該測量儀具有攜帶方便、耗能低（3.3v供電）等特點。它使用方便，應用范圍廣泛，可應用于

10、建筑、機械、道路、橋梁、石油、煤礦和地質等各種需要測量重力參考系下傾角的場合。故該測量儀具有良好的發展前景和使用價值。它與傳統水平測試儀相比有著很大的優越性，因而其必將逐漸取代傳統的水泡式（或條式）水平測試儀。1.3 研究內容本設計研究的內容主要是通過mma7361模塊采集數據，tlc2543ad轉換模塊對采集的模擬電壓量進行采樣處理，將采樣的數字量傳給stc89c52單片機，單片機根據測試的傾角轉換公式計算出角度值，最后將角度值送到12864lcd顯示。本設計遵循結構簡單而可靠性高的原則，設計出基于stc89c52單片機和三軸模擬加速度傳感器的傾角測量儀。2 系統總體設計方案及概述2.1 系

11、統總體設計框圖經比較（源于3.1-3.5）論證，系統總體設計框圖如圖1所示圖1 系統總體設計框圖2.2 總體設計框圖概述（1）電源模塊有5v和3.3v電源模塊；（2）mma7361傳感器模塊檢測物件重力或運動方向的改變，并改變其輸出信號電壓值，工作電壓為3.3v；（3）tlc2543 ad 轉換模塊對傳感器輸出的模擬電壓量進行采樣處理，正、負基準電壓端分別為5v、地；（4）主控芯片stc89c52將采樣來的數字量進行均值處理，再將均值通過測試的傾角轉換公式計算出角度值，工作電壓為5v；（5）lcd12864用于角度值的顯示，工作電壓為5v。3 系統各模塊設計方案及概述3.1 主控模塊 stc8

12、9c52單片機芯片簡介stc89c52是stc公司生產的一種低功耗、高性能cmos8位微控制器其標識分別解釋如下：stc前綴，表示該芯片為stc（宏晶）公司生產的產品；8表示為51內核芯片；9表示內部含flash eeprom存儲器；c表示該芯片為cmos產品；2表示內部含8kbflash。芯片上擁有靈巧的8位cpu和isp在系統可編程flash存儲器，可通過串口（rxd/p3.0,txd/p3.1）直接下載用戶程序，數秒可完成。2 stc89c52實物圖圖3 stc89c52pdip封裝引腳圖 stc89c52芯片主要管腳功能vcc（40腳）、vss（20腳）電源引腳：vcc常壓接5v，vs

13、s接地；xtal1（19腳）、xtal2（18腳）外接時鐘引腳：xtal1為片內振蕩電路輸入端、xtal2為片內振蕩電路輸出端；p0口雙向8位i/o口，每口可獨立控制，作i/o口用時，需加上拉電阻p1口、p2口、p3口準雙向8位i/o口 特性8kbflash（程序存儲空間），512kbram（數據存儲空間），內2kb eeprom存儲空間看門狗定時器 參數3個16位定時器即定時器t0、t1、t2圖4 stc89c52特性&參數圖3.2 單片機最小系統圖5 單片機最小系統時鐘電路作用：為單片機工作提供基本工作時鐘，需在xtal1腳、xtal2腳外接石英晶體和振蕩電容（振蕩電容值一般取10-30p

14、f）。復位電路：用于將mcu內部各電路的狀態恢復到一個確定的初始值（程序計數器pc 0000h）并從這個狀態開始工作。單片機的復位條件：必須使其rst引腳持續出現2個（或2個以上）機器周期的高電平。上電復位電路：采用電容充電復位。3.3 數據采集模塊mma7361三軸小量程加速傳感器是檢測物運動和方向的傳感器，它根據物運動方向改變輸出信號的電壓值。各軸在不運動或不重力作用狀態下（og），其輸出為1.65v。圖6 mma7361芯片管腳圖mma7361是低功耗、微機械型加速度計；具有信號調理和自我測試；0g-detect檢測線性自由落體；g-select靈敏度選擇端；包括睡眠模式，非常適用于由電

15、池供電的手持式電子產品。 mma7361模塊實物圖圖7 mma7361模塊實物圖 mma7361模塊引腳排布圖圖8 mma7361模塊引腳排布實際管腳接線注意事項：self test管腳接3.3v；sleep管腳接3.3v；vss管腳接3.3v；vdd管腳接地；g-select管腳接3.3v或地。3.4 ad 轉換模塊tlc2543是ti公司生產的具有11個輸入端的12位串行模數轉換器，使用開關電容逐次逼近技術完成a/d轉換。tlc2543的特點：（1）轉換時間為10s；（2）11個模擬輸入通道；（3）3路內置自測試方式；（4）采樣率為66kbps；（5）線性誤差1lsb；（6）有轉換結束輸出

16、eoc；（7）具有2種極性輸出；（8）可編程的msb或lsb前導；。 tlc2543實物及封裝圖圖9 tlc2543實物圖 圖10 tlc2543封裝圖 tlc2543引腳功能電源引腳：20腳vcc:正電源端，一般接+5v；10腳gnd：接地；14腳ref+：正基準電壓端，一般接5v；13腳ref-：負基準電壓端，一般接地；控制引腳：15腳cs：片選端，由低變高時，在設定的時間內禁止data input和i/o clock，由高變低時，內部計數器復位；19腳eoc:轉換結束端，在最后的i/o clock下降沿之后，eoc從高電平變為低電平并保持到轉換結束；18腳i/o clock輸入/輸出時鐘

17、端，i/o clock接收串行輸入信號并完成以下3個功能：（1）在i/o clock的前8個上升沿，8位輸入數據按位存入輸入data register；（2）將前一次轉換數據的其余11位輸出的data out端，在i/o clock的下降沿時數據開始變化；（3）i/o clock的最后一個下降沿，將轉換的控制信號傳到內部狀態控制位。模擬輸入引腳：1腳-9腳、11腳-12腳ain0-ain10模擬輸入端：11路輸入信號由內部多路器選通；控制字輸入腳：17腳data input：串行數據輸入端；16腳data output：a/d轉換結果的串行輸出端，cs為高時處于高阻態，cs為低時處于激活態。

18、tlc2543時序圖圖11 tlc2543時序圖編寫ad轉換程序時要嚴格按照tlc2543時序圖來，不然得不到想要的采樣數據，ad轉換模塊也就無法工作。3.5 數據顯示模塊該模塊采用12864液晶顯示器件。 概述12864lcd內含國標一、二級簡體中文字庫，低電壓、低功耗是其顯著特點。由該模塊構成的液晶顯示模塊，其硬件電路和程序都比較簡單都要簡單，且價格也略低。 lcd12864管腳功能表表1 lcd12864管腳功能表4 系統硬件設計4.1 主控芯片主控芯片采用傳統芯片stc89c52，是一款價格低廉、使用簡單、應用廣泛的芯片。4.2 電源模塊采用實驗室已有的電源模塊作為供電電路，本作品用到

19、的有5v，3.3v電源。4.3 數據采集模塊采用數字傳感器可將被測參數直接轉換成數字信號量輸出，但目前為止符合測量三個方向傾角功能的數字傳感器還沒有，若想同時檢測三個方向的角度，需外接電路，這樣會增加電路的復雜度，故而采用三軸模擬加速度傳感器mma7361。4.4 ad 轉換模塊tlc2543是具有11個輸入端的12位模數轉換器，具有轉換快、穩定性好、接口簡單等優點。逐次比較型ad由一個比較器和da轉換器通過逐次比較邏輯構成其優點是速度高、功耗低。數碼管耗能大、電路復雜、精度低、占用資源多且顯示信息量小。lcd具有畫面效果好、影像穩定不閃爍、耗能低等優點；另外其顯示信息量大、分辨率高、抗干擾性

20、較好、外圍電路少、使用方便。故而采用12864作為顯示模塊。4.6 系統原理圖與pcb圖 系統原理圖圖12 系統原理圖該系統由5個模塊組成：usb 5v電源模塊：5v和地個留出8個插針方便其他模塊取電；單片機最小系統模塊：包括復位電路、振蕩電路及電源電路；ad轉換模塊：采用具有11路輸入端的12位模數轉換器，留出的3個插針為2543采樣后的數字量輸出端；液晶顯示模塊：采用12864lcd。 系統pcb圖本設計畫pcb圖時采用的是altium designer6.9，它是原protel軟件開發商altium公司推出的開發系統。這套軟件原理圖設計、pcb布線、設計輸出等為設計者提供了全新的設計解決

21、方案，熟練使用。13 系統pcb圖pcb圖解：（1）vcc、gnd線采用25mil，其他線采用20mil，焊盤越大越好焊；（2）貼片式tlc2543芯片采用的是頂層封裝，但焊接時卻需要放到pcb板的底層。5 系統軟件設計5.1 編程軟件介紹本作品使用keil程序編寫軟件，keil是8位單片機編寫程序常用的一款軟件，其功能非常強大。其中，最關鍵的就是tlc2543的編程特點。5.2 tlc2543編程要點 控制字格式控制字是從data input端串行輸入tlc2543芯片內部的8位數據，它告訴2543要轉換的模擬通道、輸出數據格式及輸出數據長度。其中高4位（d7-d4）決定通道號。低4位決定輸

22、出數據長度及格式，其中d3、d2決定輸出數據的長度，當d3，d2都為0時，輸出數據長度為12位。d1決定是高位先送出，還是低位先送出，若d1 0，則高位先送出。d0決定輸出的數據是單極性還是雙極性，若為單極性則該位為0，反之為1。 內部寄存器從編程角度看，tlc2543內部寄存器含有輸入數據寄存器與輸出數據寄存器。輸入數據寄存器存放從data input端移入的控制字，輸出數據寄存器存放轉換好的數據，以供從data output端移出。 轉換過程剛開始eoc先置1（以后不用管它），輸入數據寄存器被置0，輸出數據寄存器內容是隨機的。tlc2543必須從高到低才能開始一次工作周期，片選cs先置1，

23、接著cs變低，輸入輸出初始化以后數據開始輸入輸出。12個時鐘信號從i/o clock端依次加入，隨著時鐘信號的加入，控制字從data input端按位在時鐘信號的上升沿被送入，同時上一周期轉換的a/d數據按位移出。tlc2543收到第4個時鐘信號后，開始對選定通道的模擬量進行采樣，并保持到第12個時鐘的下降沿。第12個下降沿，eoc變低。開始對本次采樣的模擬量進行a/d轉換，轉換結束后eoc變高，轉換的數字量存在輸出數據寄存器中，待下一個工作周期輸出。此后，即可進行新的工作周期。5.3 系統程序流程圖圖14 程序流程圖6 調試及調試過程中出現的問題6.1 硬件調試首先根據原理圖畫好pcb圖以后

24、，開始刻板子，接著進行焊接前的測試，以免所刻的板子有斷路等；然后開始焊接，邊焊接邊測試，以防虛焊；焊接時需要注意的是貼片式tlc2543芯片的焊接，需要將2543焊到板子的底層。緊接著編寫12864測試程序，正常顯示；再次編寫a/d轉換測試程序，一開始顯示的數據不正確且不穩定，問題是沒有搞懂tlc2543的時序，本設計a/d轉換是關鍵；再給mma7361模塊供3.3v電，用電壓表測量模塊x、y、z三軸輸出，輸出值正常；最后，編寫本系統的完整工作程序，經調試，硬件均能正常工作。6.2 軟件調試軟件是本作品設計和調試過程中的重點和難點。本作品的軟件流程不是很復雜，軟件調試過程主要涉及傳感器采集模塊

25、、ad轉換模塊、lcd顯示模塊；首先需要調試各個模塊本身的運行情況，最后調試所有模塊整體運行的情況。特別關注的是tlc2543的時序問題，一定要嚴格按照tlc2543的時序圖來編寫ad轉換的程序。7 調試成功傾角顯示7.1 0和30 圖15 0顯示 圖16 30顯示7.2 60和90 圖17 60顯示 圖18 90顯示7.3 顯示數據分析顯示的數據不是十分穩定，有小幅度波動。分析問題的原因可能是由于存在電路之間的相互干擾、電源噪聲干擾及電磁干擾。考慮到數據采集的實時性和穩定性，需要對采集的數據進行程序處理，這一過程稱為數據采集的濾波處理。如果傳感器運動狀態發生改變會影響角度測量，測量數據會有明

26、顯錯誤。故在使用前，應盡可能地校正好傳感器，這樣可以提高測量精度。8 結束語經過一個月的努力，設計并制作了一個基于stc89c52具有測量并顯示物體傾角的傾角測量儀。經測試，該傾角測量儀達到了設計的幾項要求。參考文獻1stc89c52rc/rd+系列單片機用戶手冊.stc官網2龍丘mma7361模塊:/3tlc2543芯片:/4彭偉. 單片機c語言程序設計實訓100例基于8051+proteus仿真. 北京：電子工業出版社，20095周潤景，張麗敏，王偉等.altium designer原理圖與pcb設計m.北京：電子工業出版社，20096 張毅剛，彭戲元，彭宇單片機原理及應用（第二版）m北京

27、：高等教育出版社20107譚浩強.c程序設計 第三版 m.北京：清華大學出版社,20058郭天祥.新概念51單片機c語言教程m.北京：電子工業出版社，20099閻石.模擬電子技術基礎m.5版北京: 高等教育出版社20041021ic中11新浪愛問.附錄a元器件清單附錄b基于三軸加速度傳感器的傾角測量儀設計程序/*基于三軸加速度傳感器的傾角測量儀設計mma7361傳感器+tlc2543adc+12864液晶*/#include #include #include #define uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar code num

28、0123456789 ;/* 12864lcd引腳定義 */sbit lcd_rs p25;/寄存器選擇輸入sbit lcd_en p26;/液晶使能控制sbit lcd_psb p27;/串并方式輸入/* tlc2543引腳定義 */sbit cs p10;sbit dop p11;sbit dip p12;sbit clk p13;sbit eoc p14;/* 延時函數 */void delay_1ms uint x uint i,j; for j 0;j 10*x;j+ for i 0;i 110;i+ ; /* 寫命令 */void write_cmd uchar cmd lcd_r

29、s 0; lcd_en 0; p0 cmd; delay_1ms 1 ; lcd_en 1; delay_1ms 1 ; lcd_en 0; /* 寫數據 */void write_dat uint dat lcd_rs 1; lcd_en 0; p0 dat; delay_1ms 1 ; lcd_en 1; delay_1ms 1 ; lcd_en 0; /* 設定顯示位置 */void lcd_pos uchar x,uchar y uchar pos; if x 0 /第一行 x 0x80; /第一行地址 else if x 1 x 0x90; else if x 2 x 0x88; e

30、lse if x 3 x 0x98; pos x+y;/第x行第y列 write_cmd pos ;/顯示地址 /* lcd初始化 */void lcd_init lcd_psb 1;/并口方式 write_cmd 0x30 ;/回到基本指令集 delay_1ms 1 ; write_cmd 0x0c ;/顯示開，關光標 delay_1ms 1 ; write_cmd 0x01 ;/清屏 delay_1ms 1 ; /* 寫中英文字符 */void wright_string uchar x,uchar y,char *s lcd_pos x,y ; while *s /s為指向字符型的指針變

31、量 write_dat *s ; s+; /* 寫角度數據 */void l12864_write_num uchar x, uchar y, uint a uint a,b; lcd_pos x,y ;/設置顯示位置 if a 1345 write_dat + ; a a-1345 /7; b 100*a; write_dat num b/1000%10 ; write_dat num b/100%10 ; write_dat . ; write_dat num b/10%10 ; write_dat num b%10 ; else write_dat - ; a 0- a-1345 /7

32、; b 100*a; write_dat num b/1000%10 ; write_dat num b/100%10 ; write_dat . ; write_dat num b/10%10 ; write_dat num b%10 ; /* tlc2543轉換讀取函數 */uint readad uchar port uchar ch,i,j;uint ad;ch port;for j 0;j 3;j+ /空循環3次，確定轉換過來的數據是正確的 ad 0;ch port;eoc 1;/先置1以后不用管它cs 1;cs 0;/高到低有效，輸入出初始化，以后數據開始輸入出clk 0;for i 0;i 12;i+ /12個時鐘信號，為一個工作周期 dip bit ch&0x80 ; if dop ad| 0x01; clk 1;/