基于STC15單片機(jī)的數(shù)字式傾角儀應(yīng)用設(shè)計(jì)

馬月紅+李昆侖

摘要：在自動(dòng)控制和平臺(tái)調(diào)平場(chǎng)合，需借助于水平儀測(cè)量某個(gè)平面的傾角，并將傾角數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上。本設(shè)計(jì)以STC15系列單片機(jī)為核心，使用6軸傳感器模塊MPU6050芯片，完成三軸加速度和角速度數(shù)據(jù)采集，單片機(jī)將數(shù)據(jù)進(jìn)行融合轉(zhuǎn)換為角度數(shù)據(jù)，送至液晶屏顯示。傾角儀具有測(cè)量精度高，功耗低，操作簡(jiǎn)易方便的特點(diǎn)，可以很好地替換傳統(tǒng)的水平儀。

關(guān)鍵詞：STC15；單片機(jī)；數(shù)字式傾角儀

中圖分類號(hào)：TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）05-0009-01

作為一種小角度測(cè)量?jī)x器，常用的水平儀有氣泡式和數(shù)字式兩種。隨著科技發(fā)展進(jìn)步，廣泛應(yīng)用于機(jī)械工程、工作臺(tái)調(diào)平、導(dǎo)軌平直度、電力系統(tǒng)以及建筑設(shè)計(jì)等角度測(cè)量中[1]。由于外部測(cè)量環(huán)境的影響，要求水平儀有較好的抗干擾能力，設(shè)計(jì)出一種具有精度高、穩(wěn)定性好、性價(jià)比高、使用簡(jiǎn)易的高性能數(shù)字式傾角測(cè)量?jī)x，具有很大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)概述

本設(shè)計(jì)主要由電源模塊、傾角測(cè)量模塊、STC15單片機(jī)控制模塊和液晶顯示模塊等部分組成。其中，電源模塊采用兩節(jié)干電池作為電源，為水平儀供電；傾角測(cè)量模塊使用6軸傳感器MPU6050芯片為主芯片完成傾角測(cè)量；控制模塊采用STC15系列單片機(jī)IAP15W4K61S4芯片作為主控芯片，完成讀取傾角數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)濾波融合，并將處理后的數(shù)據(jù)送至顯示模塊顯示；顯示模塊采用液晶顯示，可在屏幕同時(shí)顯示三個(gè)角度數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)介紹了數(shù)字傾角儀的軟硬件設(shè)計(jì)，采用卡爾曼濾波算法提高測(cè)量精度和穩(wěn)定性，采用低功耗元件降低整機(jī)功耗，可延長(zhǎng)傾角儀的工作時(shí)間。如圖1所示。

2 傾角儀硬件電路設(shè)計(jì)

傾角儀硬件電路主要由電源模塊、傾角測(cè)量模塊、單片機(jī)控制模塊和液晶顯示模塊等部分組成。

傾角儀各模塊芯片的工作電壓不同，主控芯片工作電壓是2.5V～5.5V，傾角傳感器工作電壓是2.5V～3.3 V，液晶顯示屏的工作電壓是3.3 V～5.5V?？紤]到傾角儀便攜式的特點(diǎn)，采用兩節(jié)干電池作為供電電源，比紐扣電池更合適，電池容量更大，更換更為方便[2]。

傾角儀的主控芯片，選用STC公司生產(chǎn)的IAP15W4K61S4芯片，具有寬電壓供電，內(nèi)置高數(shù)時(shí)鐘和可靠復(fù)位電路，功耗非常低，掉電模式可由外部中斷喚醒。主控電路，主要是負(fù)責(zé)接收傾角傳感器的獲取的傾角數(shù)據(jù)并且進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，再將處理好的數(shù)據(jù)送至液晶顯示器顯示。

傾角傳感器采用InvenSense公司推出的一款低成本的6軸傳感器MPU6050模塊，包括三軸加速度，三軸角速度， 免除了組合陀螺儀與加速器時(shí)間軸之差的問題，減少了大量的封裝空間，體積小巧，用途非常廣。應(yīng)用電路中，采用3V直流電壓工作，并聯(lián)兩個(gè)電容，減小信號(hào)干擾。

傾角數(shù)據(jù)顯示是傾角儀的重要部分。傾角儀采用1602液晶顯示屏將主控單片機(jī)濾波融合后的角度數(shù)據(jù)直觀地顯示出來(lái)。

3 傾角儀軟件設(shè)計(jì)

傾角儀軟件部分包括系統(tǒng)初始化，傾角數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)融合濾波轉(zhuǎn)換，液晶角度數(shù)據(jù)顯示等部分。其中，由于傾角傳感器數(shù)據(jù)輸出抖動(dòng)性很大，采用卡爾曼濾波對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合濾波處理，得到較為穩(wěn)定的角度數(shù)據(jù)，有效地提高了角度數(shù)據(jù)精確度和穩(wěn)定性。

傾角儀上電后，系統(tǒng)初始化，對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘、外部中斷、應(yīng)用接口、傾角傳感器等進(jìn)行進(jìn)行配置。初始化完成后，主控制器讀取傾角傳感器輸出的角度數(shù)據(jù)，通過卡爾曼濾波對(duì)數(shù)據(jù)融合和濾波處理，將角度數(shù)據(jù)送至液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示。

傾角儀可以自動(dòng)感知角度變化，當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)角度沒有發(fā)生改變，主控器會(huì)關(guān)閉液晶顯示屏，進(jìn)入低功耗待機(jī)模式，降低系統(tǒng)功耗，延長(zhǎng)使用時(shí)間；當(dāng)感應(yīng)到角度變化后，系統(tǒng)從低功耗模式喚醒，重新開始角度測(cè)量顯示[3]。

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)利用STC單片機(jī)和角度傳感器MPU6050設(shè)計(jì)的傾角儀，能夠?qū)YZ三軸方向的角度進(jìn)行測(cè)量顯示，具有測(cè)量反應(yīng)快速準(zhǔn)確、精度較高、功耗低、體積小的特點(diǎn)，經(jīng)過實(shí)際調(diào)試，設(shè)計(jì)指標(biāo)達(dá)到。作為一種高精度的測(cè)量?jī)x器，本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的傾角儀在精度上，以及降低外部環(huán)境造成的數(shù)據(jù)抖動(dòng)干擾還有待提高。

參考文獻(xiàn)

[1]王存堂，陳剛，徐國(guó)芳.基于ICL7135的電子水平儀[J].儀表技術(shù)與傳感器，2008，8：33-35.

[2]安林艷.電子水平儀的設(shè)計(jì)[J].黑龍江科技信息，2014 （24）：94-94.

[3]岳春芳.高精度數(shù)顯智能水平儀的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀表，2010（12）：11-13.endprint