緒論1.1課題研究背景和意義在現(xiàn)代城市中的高樓或者鐵路橋梁等各類大型建筑施工設(shè)備行業(yè),對(duì)于各種建筑物本身在各個(gè)特殊水平面上的整體傾斜受力程度需要進(jìn)行精確測(cè)量和分析處理,需要一個(gè)同時(shí)可以連續(xù)工作運(yùn)行幾個(gè)半多月乃至一年以上的超高采樣率和精度極高的大型數(shù)字特殊水平儀檢測(cè)系統(tǒng),這就直接決定了該檢測(cè)系統(tǒng)必須同時(shí)要求一個(gè)具備高采樣精度和高顯微功耗的特殊水平檢測(cè)處理功能。水平儀由過(guò)去簡(jiǎn)單的新型氣泡電子水平儀技術(shù)改變而來(lái),現(xiàn)在的新型電子氣泡水平儀也已經(jīng)陸續(xù)經(jīng)歷了多次的技術(shù)更新。電子小徑水平測(cè)試計(jì)數(shù)器是一種極其廣泛亟需的用于測(cè)量小徑和角度的水平測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)量具。隨著精密電子裝備機(jī)械制造企業(yè)工藝技術(shù)的逐步改進(jìn)和不斷發(fā)展,已有的大型數(shù)顯式精密電子測(cè)量水平儀已經(jīng)無(wú)法完全滿足較高精度的測(cè)量要求,國(guó)內(nèi)外的數(shù)顯式精密電子測(cè)量水平儀的測(cè)量靈敏度,反應(yīng)時(shí)間等都與國(guó)外產(chǎn)品相比,差距較大。研究者提出一種對(duì)于分辨率要求越高,性能越佳的自動(dòng)智慧型人體電子運(yùn)動(dòng)水平高度檢測(cè)儀器就具備重要的現(xiàn)實(shí)意義。為了不斷改善測(cè)量水平儀科學(xué)測(cè)量的工作精度,擺脫目前傳統(tǒng)測(cè)量水平儀的測(cè)量智能化應(yīng)用程度低、數(shù)據(jù)處理反應(yīng)能力弱、抗震干擾性能差等不良優(yōu)勢(shì),必須充分運(yùn)用各種現(xiàn)代科學(xué)信息技術(shù)手段來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)--是一種新型的測(cè)量水平儀。在MEMS數(shù)字傳感器、數(shù)字信號(hào)圖像處理、單片機(jī)的新型智能自動(dòng)水平儀的應(yīng)用上將逐漸成為今后智能水平儀技術(shù)發(fā)展的一個(gè)主導(dǎo)技術(shù)方向,它們將被廣泛應(yīng)用在城市建筑、石油、煤礦和自然地質(zhì)科學(xué)考察等工業(yè)領(lǐng)域[2]。1.2數(shù)字水平儀的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)中國(guó)最早引入數(shù)字水平計(jì)算機(jī)技術(shù)是在20世紀(jì)90年代的中后兩個(gè)階段,盡管這一階段的時(shí)間并不是非常長(zhǎng),但近些年來(lái)這種數(shù)字水平計(jì)算機(jī)在我國(guó)各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域各個(gè)應(yīng)用范圍都已經(jīng)十分普遍。我國(guó)近幾年在研發(fā)制造水平儀的技術(shù)水平有著顯著提高。目前,電感式液位計(jì)和電容式液位計(jì)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中。他們的基準(zhǔn)是基于重物的鉛垂線。由于數(shù)碼電容傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,運(yùn)行后結(jié)果可信,且對(duì)輸出能量要求低,輸入極小的動(dòng)力就是可以獲得相對(duì)較大的變化量,所以該電容傳感器被廣泛地應(yīng)用于各種數(shù)字電子水平計(jì)算機(jī)中。另外,還有一個(gè)電容式電子傾角測(cè)量?jī)x,它的輸出電壓信號(hào)會(huì)根據(jù)不同的情況而變化。原理是兩個(gè)差動(dòng)電容式傳感器的固定極板分別安裝到電子傾角測(cè)量?jī)x底座上。當(dāng)一個(gè)電子傾角測(cè)量?jī)x在水平狀態(tài)下處于活動(dòng)極板時(shí),會(huì)將其放置在兩個(gè)固定的極板中間。此時(shí)可動(dòng)極板與固定極板間空隙相等,因此電容量也相等,電橋平衡,這時(shí)輸出電壓信號(hào)為零。但當(dāng)?shù)鬃幱诜撬綘顟B(tài)時(shí),兩塊固定極板也隨之發(fā)生傾斜,可動(dòng)極板與固定極板間空隙發(fā)生變化,破壞了電橋的平衡狀態(tài),導(dǎo)致電容量不等,進(jìn)而此時(shí)輸出的電壓信號(hào)將反應(yīng)水平儀的傾斜量[1]。目前,國(guó)內(nèi)的數(shù)字化水平儀研究開(kāi)發(fā)技術(shù)水平已逐漸得到提高,然而,與國(guó)外的數(shù)字化水平儀在設(shè)計(jì)和制造技術(shù)上的能力相比,我國(guó)在生產(chǎn)技術(shù)上的能力和其他領(lǐng)域仍然是比較落后。就是說(shuō),數(shù)據(jù)處理技術(shù)不足、數(shù)字化程度仍然有待提高、無(wú)法進(jìn)行一次性精確地測(cè)量得到待測(cè)量平面上的方位角和傾斜度等不足之處。此外,現(xiàn)有的電子傾角測(cè)量?jī)x已難以滿足日常生產(chǎn)活動(dòng)和生活應(yīng)用中的要求。國(guó)外的生產(chǎn)廠家相比于國(guó)內(nèi)來(lái)說(shuō)數(shù)量繁多,而且種類也比較齊全,他們所生產(chǎn)的產(chǎn)品無(wú)論在測(cè)量速度還是功耗方面都具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。他們生產(chǎn)的產(chǎn)品在測(cè)量速度和功耗方面具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。國(guó)外先進(jìn)的數(shù)字電子水平儀在線技術(shù)主要包括:美國(guó)聯(lián)邦公司v-4683電子水平儀在線控制系統(tǒng),法國(guó)eda公司,德國(guó)diatest公司以及瑞士聯(lián)wyler公司等先進(jìn)的電子水平儀。其中,瑞士威勒公司研制出的nt系列新型計(jì)算機(jī)電子水平計(jì)算儀最為出名。該系列在測(cè)量微小角度時(shí)具備獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。主要用來(lái)測(cè)量各種機(jī)械零部件的幾何誤差和對(duì)工件表面平面程度。這一系列其中的nt11型平面電子水平計(jì)算機(jī)已經(jīng)具備了數(shù)字化的顯示功能,有兩種不同的讀數(shù)方式分別為角度讀數(shù)和mm/m讀數(shù),其最高分辨率可達(dá)0.001mm/m。在國(guó)內(nèi)的其他同類產(chǎn)品中,能夠有一些與之相當(dāng)?shù)漠a(chǎn)品也并非一無(wú)所有,例如青島前哨的所研發(fā)的SDSIO和SDS11型水平儀,其最高精度也均可達(dá)到0.001mm/m[2-3]。在國(guó)內(nèi),能達(dá)到較高生產(chǎn)水平的除臺(tái)灣以外,大陸的上海華虹與海爾等企業(yè)也具備較強(qiáng)的研發(fā)能力和生產(chǎn)技術(shù)。1.3本文主要內(nèi)容本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要是設(shè)計(jì)一個(gè)能實(shí)現(xiàn)對(duì)水平傾角的測(cè)量和顯示數(shù)字化水平儀,此水平儀主要器件有六軸加速度傳感器MPU-6050、STM32F103C6T6單片機(jī)和OLED液晶顯示屏。在本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中要求完成了對(duì)單片機(jī)的主控電路、液晶顯示電路、傳感器的數(shù)據(jù)采集電路等硬件原理圖的設(shè)計(jì)要求,以及系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì),完成硬件調(diào)試和制作,最終實(shí)現(xiàn)水平傾角的測(cè)量和顯示。本次設(shè)計(jì)的測(cè)量范圍在90度以內(nèi),通過(guò)三個(gè)軸的正負(fù)加速度值完全可以判斷角度的傾斜方向。因此具有三軸測(cè)量方向且為數(shù)字量輸出的MPU-6050芯片成為本系統(tǒng)的傳感器,在顯示模塊就選用了OLED液晶顯示屏。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)是利用c語(yǔ)言進(jìn)行編程,并且下載在keil軟件中進(jìn)行實(shí)現(xiàn),單片機(jī)通過(guò)i2c無(wú)線通信連接傳感器;用一種數(shù)學(xué)方法可以推導(dǎo)得出的傾斜角度計(jì)算公式如下圖所示:最后,通過(guò)OLED液晶顯示屏來(lái)顯示測(cè)量結(jié)果。2數(shù)字水平儀總體設(shè)計(jì)2.1數(shù)字水平儀設(shè)計(jì)思路本次工程設(shè)計(jì)原理框圖如下表2.1所示。從圖中我們可以清楚地看出,本測(cè)量系統(tǒng)主要包括四個(gè)重點(diǎn)模塊:單片機(jī)主控部分、傾角傳感器感應(yīng)位置的變化采集數(shù)據(jù)部分、oled顯示屏部分以及電源管理部分。主要設(shè)計(jì)思路是當(dāng)一個(gè)水平儀稍微向外傾斜時(shí),該傳感器在其相對(duì)位置上就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)變化，用傳感器MPU-6050芯片感應(yīng)待測(cè)面的加速度，然后通過(guò)STM32F103C6T6單片機(jī)中的程序進(jìn)行的控制與運(yùn)算，計(jì)算出水平面的傾斜角度，最后通過(guò)OLED液晶顯示屏來(lái)顯示最后的傾斜角度值。同時(shí)系統(tǒng)中還有兩個(gè)輔助鍵：復(fù)位鍵可以重啟整個(gè)系統(tǒng)；暫停鍵可以鎖定當(dāng)前顯示的角度數(shù)據(jù)。待測(cè)角度傾角傳感器顯示模塊單片機(jī)待測(cè)角度傾角傳感器顯示模塊單片機(jī)電源管理系統(tǒng)電源管理系統(tǒng)圖2.1水平儀總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)原理框圖在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，在單片機(jī)方面使用了存儲(chǔ)器容量更大一點(diǎn)的STM32F103C6T6單片機(jī)；數(shù)據(jù)采集傳感器選用了高精度、低誤差的MPU-6050傾角加速度傳感器；顯示屏模塊部分選擇了液晶OLED顯示屏。三者來(lái)共同完成本次設(shè)計(jì)。2.2模塊設(shè)計(jì)方案2.21數(shù)據(jù)采集模塊在本系統(tǒng)中用來(lái)采集數(shù)據(jù)的模塊用到了三軸傾角加速度傳感器MPU-6050芯片。用于測(cè)量?jī)A角的芯片很多種。通過(guò)對(duì)比，MPU-6050具備數(shù)字量輸出的功能，可以計(jì)算出物體總的傾斜角度，所以精度更高（3.9mg/LSB），誤差也更小，因此就選用了該芯片。2.22控制模塊經(jīng)過(guò)多年的對(duì)比,stm32f103c6t6單片機(jī)的算術(shù)和運(yùn)算功能強(qiáng)大,不易被破譯,超強(qiáng)抗干擾,不需要任何編程器,自由度大,簡(jiǎn)單易學(xué),算法類型繁多,并且有著超低功耗,體積很小,運(yùn)行速度快,可靠性好,性價(jià)比高等特征,適用范圍也很廣泛。因此本系統(tǒng)的控制模塊中的主控制器就選用了STM32F103C6T6單片機(jī)。2.23顯示模塊本系統(tǒng)中的顯示器選擇了OLED,它可以顯示總的加速度值以及傾斜角值。1602液晶數(shù)字顯示器因?yàn)楫a(chǎn)品具有顯示功耗超低、體積小、簡(jiǎn)單易學(xué)、超薄、重量輕、無(wú)輻射無(wú)毒危害、能夠準(zhǔn)確地測(cè)量顯示在水平面上的角度和數(shù)值及穩(wěn)定的顯示無(wú)閃爍等六大特性,被廣泛應(yīng)用在袖珍式計(jì)量?jī)x表和低功耗的工業(yè)應(yīng)用顯示系統(tǒng)上。3.適用范圍硬件設(shè)計(jì)3.1芯片模塊3.11芯片概述mpu-6050芯片的規(guī)格分別為3×5×1(單位mm),14引腳的小型超薄塑料密封。該芯片是ADI公司首個(gè)推出的一款身材小巧且超低功耗,且輸出數(shù)字信號(hào)的三軸加速度傳感器。它是移動(dòng)設(shè)備的理想選擇,其分辨率(3.9mg/lsb)它能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)量微小到0.25°的傾角和溫度變化,并且其中的數(shù)字輸入和補(bǔ)碼信號(hào)是16位二進(jìn)制補(bǔ)碼,芯片的測(cè)量范圍為±16g之間。在一些稱為傾斜式的檢測(cè)應(yīng)用中,它們也可以被廣泛地用來(lái)計(jì)算和測(cè)量動(dòng)態(tài)或者是動(dòng)態(tài)的加速度,無(wú)論是由于重力引起的還是振動(dòng)或沖擊引起的。該裝置還同時(shí)具有多種特殊的爆震檢測(cè)功能:具有爆震檢測(cè)功能，即可檢測(cè)任何一個(gè)方向的單振動(dòng)和雙重振動(dòng);自由墜體檢查功能用于檢測(cè)裝置是否有墜落;靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的感知功能，它們可以用來(lái)檢測(cè)物體是否發(fā)生了移動(dòng)[4];并且活動(dòng)和非活動(dòng)檢測(cè)功能可以用來(lái)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中有沒(méi)有發(fā)生,這些檢測(cè)功能都可以通過(guò)獨(dú)立地映射給兩個(gè)輸入中斷引腳之一[5]。其中一個(gè)采用32級(jí)別的fifo數(shù)據(jù)緩沖器可以作為用于數(shù)據(jù)庫(kù)管理存儲(chǔ)的一個(gè)集成型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行管理操作系統(tǒng),這樣就已經(jīng)能夠有效地大大減少了整個(gè)管理系統(tǒng)在虛擬主機(jī)和內(nèi)存處理器上的驅(qū)動(dòng)功耗。在極低功耗的情況下可以實(shí)現(xiàn)閾值感知和運(yùn)動(dòng)加速度測(cè)量。MPU-6050芯片可通過(guò)SPI或I2C數(shù)字接口進(jìn)行訪問(wèn)。圖3.2MPU-6050芯片MPU-6050的性能指標(biāo)如下：(1)在一個(gè)測(cè)量模式下輸出電流范圍為40μa,在一個(gè)電源等待模式下2.5v(典型值)電流僅為0.1μA,因此其功耗極低;(2）測(cè)量范圍可選擇2g(10位）、4g(11位）、8g(12位）、16g(13位），測(cè)量精度可達(dá)到4mg/LSB；(3）電源電壓適用范圍2.0V-3.6V；(4）兩種通信模式：SPI模式和I2C模式；(5）與處理器通信有32級(jí)FIFO協(xié)調(diào)；(6）可用帶寬為1.6KHz；(7)在使用時(shí)的溫度區(qū)間可以從-40攝氏度調(diào)整到85攝氏度;(8）可以接受10000g的沖擊；(9）可以應(yīng)用于電源去耦、敲擊檢測(cè)，在醫(yī)療器械、個(gè)人導(dǎo)航設(shè)備等領(lǐng)域使用甚廣[6]。下面介紹一下MPU-6050的工作原理。芯片功能框圖如圖3.3所示。由模擬轉(zhuǎn)換器輸出的信號(hào)為16位二進(jìn)制補(bǔ)碼。這一點(diǎn)和以前所學(xué)習(xí)到的課程中計(jì)算機(jī)系統(tǒng)輸出的數(shù)字信號(hào)相同。首先，在MPU-6050芯片上處于前端的傳感器感知待測(cè)的加速度，隨后有一個(gè)可以捕捉到電信號(hào)的裝置將測(cè)得的加速度轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，這個(gè)模擬信號(hào)也就是電信號(hào)，因?yàn)樵谘b置中只有電信號(hào)才可以被識(shí)別[6]。接下來(lái)就有可能需要對(duì)芯片進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換了,但是mpu-6050芯片并不必再需要,因?yàn)樵趍pu-6050中裝有一個(gè)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器,此轉(zhuǎn)換裝置可以把上述方法中采集得到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成整個(gè)系統(tǒng)中所需要的模擬數(shù)字信號(hào),再由轉(zhuǎn)換器進(jìn)行輸出。數(shù)字濾波器把一個(gè)在轉(zhuǎn)換器中輸入的由電子信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換而來(lái)的數(shù)字信號(hào)放大后立刻接入32級(jí)別的fifo緩沖器,此操作需要基于控制和中斷邏輯單元的控制下，最后微控制器就可以通過(guò)SPI或I2C的串行通信方式接口讀取MPU-6050中所測(cè)量并處理過(guò)的數(shù)據(jù)了[7]。要想實(shí)現(xiàn)對(duì)MPU-6050芯片的控制就需要單片機(jī)通過(guò)寄存器操作，然后通過(guò)SPI或I2C的串行通信方式發(fā)送串行端口讀寫(xiě)命令。圖3.3芯片功能框圖mpu-6050傳感器采用的是一種微機(jī)械加工的結(jié)構(gòu),它主要是把多晶硅放置在一個(gè)晶圓的頂部,這主要是為了提供抗力,可以用于測(cè)量加速度。該傳感器輸出信號(hào)的頻率和幅值與加速度是否成正比主要原因是因?yàn)檫@種頻率使得加速度不穩(wěn)定受到影響主要因素包括兩個(gè):偏轉(zhuǎn)慣性質(zhì)量和不平衡的差動(dòng)電容。相位敏感解調(diào)是用來(lái)確定加速度時(shí)的幅值和極化。差動(dòng)電容是由兩個(gè)主要部分共同組成:一個(gè)可以移動(dòng)的質(zhì)量連接板和一個(gè)單獨(dú)的固定板,可以被廣泛地用來(lái)檢測(cè)結(jié)構(gòu)不平衡。3.12角度測(cè)量原理將代測(cè)量的角度和x、y、z軸用數(shù)學(xué)模型符號(hào)表示了出來(lái),如圖3.4所示。x軸用da表示,y軸用db來(lái)表示,那么z軸則用dg來(lái)表示,且da與db是垂直。由下式如下圖,假設(shè)α就是da與其他水平面的一個(gè)夾角,β就是db軸與其他水平面之間的一個(gè)夾角公式為,γ就是dab與其他水平面之間的一個(gè)夾角。如果,點(diǎn)E是垂直腳,則∠DAE=α,∠DBE=β。從數(shù)學(xué)模型來(lái)看,我們可以把它當(dāng)作一條輔助線,過(guò)點(diǎn)d當(dāng)作一條水平面上的垂直線和相交點(diǎn)c?！蟙ce就是一個(gè)平面eab與一個(gè)水平面之間的夾角,它本身就是在該系統(tǒng)中需要進(jìn)行測(cè)量和展現(xiàn)出來(lái)的角度。然后，就是要求α、β和γ三者的關(guān)系。假定為DE為單位1，DE⊥AE且DE⊥BE求得：圖3.4水平儀測(cè)量角度數(shù)學(xué)模型Ax=g*cos(90-α)=g*sinα(3.1)Ay=g*cos(90-β)=g*sinβ(3.2)Az=g*cos(90-δ)=g*sinδ=g*cosγ(3.3)DA=1/sinαDB=1/sinβ(3.4)因?yàn)棣DB為直角三角形，所以：AB^2=DA^2+DB^2(3.5)將AB帶入（3.5）式得：(3.6)又因?yàn)棣EC為直角三角形，所以：(3.7)由上述公式推導(dǎo)可得：(3.8)因?yàn)閟inα=Ax/g,sinβ=Ay/g，所以：(3.9)由cosγ=Az/g，得：(3.10)即可得出被測(cè)面與水平面的夾角：(3.11)根據(jù)角度圖3.4可知,dab與兩個(gè)水平面之間的直線夾角角度是其意指在自然光學(xué)坐標(biāo)系下位于z點(diǎn)的軸與角度傳感器中位于z點(diǎn)的軸之間的角度夾角。由此,同理我們由此可得,可以通過(guò)公式求得在一個(gè)新的自然矢量坐標(biāo)系下的點(diǎn)在y上點(diǎn)軸與一個(gè)測(cè)量傳感器點(diǎn)在y上的軸的角度夾角而將公式定義為:(3.12)同理,自然科學(xué)坐標(biāo)系系統(tǒng)中的稱為x的兩軸和電子傳感器中稱為x的兩軸之間的一個(gè)夾角是在公式中的定義方程為:(3.13)只要把帶有上述公式算法的程序燒錄至單片機(jī)中，該系統(tǒng)就可以計(jì)算簡(jiǎn)單的反三角函數(shù)，所需的傾角可以用程序中的公式（3.11）計(jì)算出來(lái)，通過(guò)轉(zhuǎn)換就可以直接顯示傾斜的角度值。在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，為了滿足老師的要求，無(wú)論z軸的加速度是正還是負(fù)，測(cè)量值取0-90度之間。3.13寄存器映射mpu-6050傳感器總共包含有30個(gè)寄存器,如表3.1所示[8]。單片機(jī)主要通過(guò)閱讀寄存器實(shí)現(xiàn)對(duì)mpu-6050芯片的控制。如果訪問(wèn)到寄存器,它就會(huì)首次發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)上的讀取和地址。寄存器的位置為每個(gè)字節(jié)中的第1至5位;讀寫(xiě)結(jié)構(gòu)類型位為第6位,“0”是單個(gè)值的讀寫(xiě)，“1”是多個(gè)值的讀寫(xiě)；第7位是操作類型位，“0”則代表寫(xiě)過(guò)程，“1”則代表讀過(guò)程。當(dāng)進(jìn)行讀寫(xiě)過(guò)程時(shí)，MPU-6050中的30個(gè)寄存器的任何一個(gè)寄存器都可以選擇用來(lái)實(shí)現(xiàn)mpu-6050傳感器的初始化和各種功能的控制與實(shí)現(xiàn)。表3.1MPU-6050寄存器地址名稱類型復(fù)位值描述十六進(jìn)制十進(jìn)制0x000x01-0x1C0x1D0x1E0x1F0x200x210x220x230x240x250x260x270x280x290x2A0x2B0x2C0x2D0x2E01-28293031323334353637383940414243444546DEVID保留THRESH_TAPOFSXOFSYOFSZDURLatentWindowTHRESH_ACTTHRESH_INACTTIME_INACTACT_INACTT_CTLTHRESH_FFTIME_FFTAP_AXESACT_TAP_STATUSBW_RATEPOWER_CTLINT_ENABLER-RR/R/R/R/R/R/R/R/R/R/R/R/R/R/R/R/R/11100101-000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001010000000000000000000000000器件ID保留不操作敲擊閾值X軸偏移Y軸偏移Z軸偏移敲擊持續(xù)時(shí)間敲擊延遲敲擊窗口活動(dòng)閾值靜止閾值靜止時(shí)間軸使能控制活動(dòng)自由落體閾值自由落體時(shí)間單擊/雙擊軸控制單擊/雙擊源數(shù)據(jù)速率及功率模式控制省電特性控制中斷使能控制3.14主要寄存器介紹ofsx,ofsy,和ofsz(0x1e,0x1f,和0x20)分別是8位的寄存器,它們向用戶提供的偏差系數(shù)調(diào)整以一種二進(jìn)制代碼的格式來(lái)進(jìn)行設(shè)置,比例系數(shù)是15.6mg/lsb。在我們進(jìn)行實(shí)際測(cè)量的這時(shí)候,這些8位的寄存器就可以作為一種方法,來(lái)在每一軸的偏轉(zhuǎn)量被確定了之后就可以存儲(chǔ)它們的數(shù)據(jù)。其中,存儲(chǔ)在主要目的就是一種可以用來(lái)存放和處理輸出的數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù),此時(shí)這些數(shù)據(jù)會(huì)被自動(dòng)地添加到一個(gè)帶有相同的加速度值并被保留地存儲(chǔ)在一個(gè)偏移的寄存器中。速率位(0x2c)可選擇如下表中所示的設(shè)備輸出數(shù)據(jù)的速率和帶寬。默認(rèn)值為100赫茲的輸入數(shù)據(jù)速率,可表示為0x0A。在本次的設(shè)計(jì)中應(yīng)用到該協(xié)議所需要輸出的數(shù)據(jù)速率和頻率分別為0x08,也就是12.5赫茲的i2c通信協(xié)議串行方式,其當(dāng)該協(xié)議所需要輸出的數(shù)據(jù)率太高時(shí),通信的速度相對(duì)過(guò)低,數(shù)據(jù)的傳輸將有可能會(huì)發(fā)生失敗,隨之采樣也會(huì)丟失。表3.2MPU-6050主要寄存器輸出數(shù)據(jù)速率（Hz）帶寬（Hz）速率代碼I(uA)32001600800400200100502512.56.253.131.560.780.390.20.11600800400200100502512.56.253.131.560.780.390.20.10.0511111110110111001011101010011000011101100101010000110010000100001409014014014014090605045403423232323

輸出的數(shù)據(jù)速度(hz)帶寬(hz)速度代碼i(uA)下面介紹寄存器的字節(jié)格式。寄存器置1,使能位進(jìn)行相應(yīng)功能并產(chǎn)生中斷。當(dāng)設(shè)置到0時(shí),可以有效防止該部分的功能被切換為不同的電源。數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完成位、使用能位、漏出位和水印位,僅中斷數(shù)據(jù)的輸出,這些功能始終保持在有效的狀態(tài),從而使用戶可以直接讀取寄存器內(nèi)部的數(shù)據(jù)。在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中,將該寄存器的電平設(shè)置為高電平,以便實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能,它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷。如果設(shè)置為0,就可以防止使能位被中斷。而且數(shù)據(jù)就緒位,水印位,溢出位會(huì)導(dǎo)致中斷輸入,這些功能會(huì)一直保持到啟用的狀態(tài)。在本次系統(tǒng)中,我們需要首先對(duì)寄存器進(jìn)行中斷配置,然后再次輸出,最后把所有寄存器內(nèi)部的數(shù)據(jù)都讀出。表3.3寄存器INT_ENABLE(0x2E）字節(jié)格式D7DATA_READYD6SINGLE_TAPD5DOUBLE_TAPD4ActivityD3InactivityD2FREE_FALLD1WatermarkD0Overrun本系統(tǒng)的范圍選擇了16g，分辨率選擇了13位。范圍位（0x31）可以設(shè)置為G范圍，如表3.4所示。表3.4范圍位設(shè)置g范圍D1D0001101012g4g8g16g3.15傳感器通信方式本設(shè)計(jì)使用的MPU-6050可采用I2C和SPI數(shù)字通信。本次設(shè)計(jì)的加速度數(shù)據(jù)采集通過(guò)I2C方式來(lái)完成。處于SPI模式時(shí),與I2C模式不同,CS是由總線主機(jī)控制的,最高時(shí)鐘為5MHZ。在通信開(kāi)始時(shí),主單片機(jī)會(huì)自動(dòng)選擇一個(gè)操控開(kāi)關(guān)的位置,控制一個(gè)開(kāi)關(guān)進(jìn)行復(fù)位并停止通信,stm32f103c6t6芯片可以為sclk提供串行時(shí)鐘。要想在通訊期間同時(shí)讀取和寫(xiě)入多個(gè)字節(jié),MB位必須設(shè)置。sdo為一個(gè)帶有串行輸入數(shù)據(jù)的數(shù)字輸出輸入信號(hào)引腳,sdi為一個(gè)帶有串行輸入數(shù)據(jù)的數(shù)字輸入輸出信號(hào)引腳,二者采集數(shù)據(jù)均是在時(shí)鐘上升沿。當(dāng)處于讀取在第一個(gè)寄存器中的數(shù)據(jù)的狀態(tài)時(shí),MPU-6050芯片會(huì)自動(dòng)指向下一個(gè)要讀取的寄存器的地址。SPI通信有兩種連線模式:三線連接模式或四線連接模式,如圖3.5和圖3.6的連接所示。圖3.5三線式SPI連接圖圖3.6四線式SPI連接圖當(dāng)選擇3線路相互連接的模式時(shí),在寄存器0x31中分別設(shè)定spi的位置,建議將SDO引腳拉至VDDI/O,除此方法外還可以使用10kΩ電阻將其拉至地平面。選擇四線程的串聯(lián)處理模式就一定能自動(dòng)清除一個(gè)spi位。如果一個(gè)mpu-6050芯片引腳是在一個(gè)專用主處理器的一個(gè)時(shí)鐘線路極性和芯片相位被進(jìn)行重新配置之前才能進(jìn)行二次供電的,則一個(gè)cs引腳必須滿足要求它在一個(gè)時(shí)鐘線的極性和芯片相位沒(méi)有發(fā)生重大改變之前與兩個(gè)cs引腳之間連接得更高。下面介紹I2C通信方式。簡(jiǎn)單而有效的特點(diǎn)是i2c總線的主要優(yōu)勢(shì)[9]。有兩點(diǎn)原因。一個(gè)是因?yàn)榻涌谥饕窃诹悴考?很低的空間被占用,減少對(duì)于電路板進(jìn)行擴(kuò)展時(shí)所需要的空間和引腳。還有一個(gè)原因是總線長(zhǎng)度為7.6米,它支持40個(gè)零部件能夠在10千位/秒發(fā)送最高傳輸頻率的數(shù)據(jù)。i2c另外的優(yōu)點(diǎn)是它能夠支持多臺(tái)主機(jī)同時(shí)操作。在這種情況下,所有的可傳輸裝置都是主總線上,并且可以控制傳輸和系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)的頻率。MPU-6050的I2C通信只需要簡(jiǎn)單的兩線式連接。如圖3.7所示,連接CS引腳至電源,此時(shí)MPU-6050芯片進(jìn)入I2C串口通信。同時(shí),I2C通信模式下還支持單或者多字節(jié)的讀取和寫(xiě)入,還具有快速的數(shù)據(jù)傳輸方式。在使用該通信方式時(shí),當(dāng)ALTADDRESS(引腳12)置電源時(shí),低7位地址是0x1D,此時(shí),0x3B地址讀取數(shù)據(jù),0x3A地址寫(xiě)入數(shù)據(jù)。如果將該引腳連接地,就可以使用備用的地址0x53,此時(shí)與該引腳置于高電平的情況不同,0xA7地址讀取數(shù)據(jù),0xA6地址寫(xiě)入數(shù)據(jù)。在上述說(shuō)明中可以看出,如果想要利用I2C通信時(shí),ALTADDRESS引腳也一定要任意連接至電源或者接地,除此之外,一定要連接CS引腳至電源。由于網(wǎng)絡(luò)通信頻率和速度的特殊性所限制,當(dāng)我們?cè)谑褂胕2c進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信時(shí),其最大輸入和數(shù)據(jù)的速率約為400千赫茲時(shí),也就是800赫茲,即隨著i2c網(wǎng)絡(luò)通信頻率增加而逐漸變大,成正比線性地變化。由此看來(lái),當(dāng)一個(gè)輸出的數(shù)據(jù)速率在運(yùn)行到最大和最小范圍之外時(shí),就有可能對(duì)這些加速度數(shù)據(jù)的測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生不利的影響,例如說(shuō)樣本的丟失或者是產(chǎn)生額外的噪聲。圖3.7I2C通信連接圖（地址0x53)在上述兩種情況下,MPU-6050芯片主要作為從機(jī)運(yùn)行。當(dāng)處于i2c的模式下,應(yīng)始終將cs引腳連接到高電平,使該模式進(jìn)入一個(gè)使能狀態(tài),此時(shí)外部的控制器還是可以驅(qū)動(dòng)mpu-6050芯片,因?yàn)楫?dāng)沒(méi)有完全連接到cs引腳的時(shí)候,當(dāng)前的狀態(tài)被默認(rèn)為不存在這種模式,因此,當(dāng)沒(méi)有對(duì)cs引腳進(jìn)行這種連接方式時(shí),可能會(huì)直接導(dǎo)致mpu-6050無(wú)法進(jìn)行通信。當(dāng)處于spi模式下,總線主機(jī)可以控制cs引腳。在上述兩種通信模式下,當(dāng)MPU-6050處于寫(xiě)入狀態(tài)時(shí),從MPU-6050芯片發(fā)送到主機(jī)的數(shù)據(jù)應(yīng)該被忽略。3.16接口設(shè)計(jì)該芯片總共有14個(gè)引腳，引腳配置如圖3.8所示：圖3.8MPU-6050引腳配置圖在上面的論述中，已經(jīng)詳細(xì)介紹了MPU-6050芯片與單片機(jī)STM32F103C6T6的基本原理。根據(jù)其模式、原理和引腳的描述，可以進(jìn)行MPU-6050的接口設(shè)計(jì)。如圖3.9所示：圖3.9MPU-6050的接口連接由于STM32F103C6T6單片機(jī)的工作電壓為5V，與之不同的是，MPU-6050傳感器的正常工作電壓為2.0-3.6V，因此，為了使整個(gè)系統(tǒng)能夠正常工作，此時(shí)就需要設(shè)計(jì)一個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路。在本次設(shè)計(jì)中，ME6206低壓差電壓穩(wěn)壓器用于將5V的輸入電壓轉(zhuǎn)換為3.3V的輸出電壓。如圖3.10所示：圖3.10MPU-6050電源模塊在本次設(shè)計(jì)中，為了方便起見(jiàn)，也是直接購(gòu)買了MPU-6050模塊。3.2單片機(jī)模塊STM32F103C6T6單片機(jī)系列采用得是具有極高性能的ARM?Cortex?-M332位的RISC內(nèi)核，其工作頻率為72MHz，內(nèi)置的高速存儲(chǔ)器（可以達(dá)到128K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的SRAM)，極大地增強(qiáng)了I/O端口和連接到兩條APB總線的外設(shè)。全部型號(hào)的器件都包含2個(gè)12位的ADC、3個(gè)通用16位定時(shí)器和1個(gè)PWM定時(shí)器，并且包含了標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：具有2個(gè)I2C接口和SPI接口、3個(gè)USART接口、一個(gè)USB接口和一個(gè)CAN接口。STM32F103C6T6單片機(jī)中等容量增強(qiáng)型系的列產(chǎn)品供電電壓都為2.0V-3.6V，包括－40°C低溫至+85°C高溫的溫度范圍和-40°C低溫至+105°C高溫的延展溫度范圍。還有一系列的省電模式可以讓低功耗應(yīng)用的要求得到保證。STM32F103C6T6單片機(jī)中等容量增強(qiáng)型的系列產(chǎn)品提供包括從36腳至100腳的6種不同的密封形式；根據(jù)不同的密裝形式，器件中的外設(shè)配置也會(huì)有區(qū)別。下面也列出了該系列產(chǎn)品中全部外設(shè)的一些基本的介紹。這些比較多的外部設(shè)備和配置,讓stm32f103c6t6的產(chǎn)品中等容量增強(qiáng)型一系列小規(guī)模微控制器可以廣泛地應(yīng)用在多種不同的應(yīng)用場(chǎng)所:利用STM32F103C6T6單片機(jī)作為主要的模塊，為了實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信功能，單片機(jī)還可以使用串口連接藍(lán)牙模塊或其他模塊，對(duì)設(shè)計(jì)有很大幫助，還可以利用Keil進(jìn)行編程，將程序燒入單片機(jī)內(nèi)，使系統(tǒng)可以進(jìn)行部分仿真等。單片機(jī)的電路圖如圖3.11所示。圖3.11單片機(jī)主控電路圖STM32F103C6T6單片機(jī)的引腳如圖3.12所示。這種器件是由atmel密度非易失性存儲(chǔ)器生產(chǎn)技術(shù)制造而成,且與行業(yè)內(nèi)最先進(jìn)的mcs-51指令集及其輸出引腳相互兼容。這種單片機(jī)本身就是一種僅需要低電壓卻又具有很好的高性能微處理器。它可以實(shí)現(xiàn)各種特殊功能,設(shè)有8k字節(jié)的快閃存儲(chǔ)器,可編程、直接擦拭可讀存儲(chǔ)器。圖3.12STM32F103C6T6單片機(jī)引腳圖STM32F103C6T6單片機(jī)的主要功能如表3.13所示。表3.13STM32F103C6T6單片機(jī)主要功能主要功能兼容MCS51指令系統(tǒng)8K可以反復(fù)地擦寫(xiě)FlashROM32個(gè)I/O端口且為雙向256x8bit內(nèi)部RAM3個(gè)16位可編程定時(shí)器和計(jì)數(shù)器中斷時(shí)鐘頻率0-24MHz2個(gè)串行的中斷可編程UART串行通道2個(gè)外部的中斷源共6個(gè)中斷源2個(gè)讀寫(xiě)的中斷3級(jí)加密位低功耗的空閑和掉電模式低功率消耗睡眠空閑與大量掉電睡眠時(shí)間控制模式通過(guò)軟件設(shè)置可以自動(dòng)設(shè)置定時(shí)睡眠與自動(dòng)喚醒等睡眠功能3.3液晶顯示模塊ssd1306是一款采用帶有兩個(gè)單片機(jī)的cmosoled/pled的激光驅(qū)動(dòng)控制芯片,它們是能夠直接驅(qū)動(dòng)所有您需要的有機(jī)/聚合式無(wú)機(jī)發(fā)光晶體二極管的小型點(diǎn)陣激光圖形圖像顯示器。它通常包括128segments,64commons。這種光電芯片主要是專門(mén)針對(duì)共陰極上的oled光電面板而設(shè)計(jì)制造。ssd1306中已經(jīng)成功嵌入了一個(gè)可以具有最佳高對(duì)比度的圖像控制器、一個(gè)液晶顯示器的ram和一個(gè)晶振,并因此大大減少了外部控制元件和系統(tǒng)功耗。有256級(jí)的大燈亮度可以自動(dòng)控制。數(shù)據(jù)/串口命令的信息傳輸與數(shù)據(jù)發(fā)送主要可以有三個(gè)數(shù)據(jù)接收串口供用戶選擇:6800/8000串口,i2c數(shù)據(jù)接口或是sspi2c接口。適用于多數(shù)用戶個(gè)人簡(jiǎn)介的管理使用,注入智能手機(jī)上和移動(dòng)通信的超大屏幕頭顯,mp3播放器和平板電腦上的數(shù)字計(jì)算器。oled字符體類型液晶顯示屏是一種廣泛應(yīng)用于視頻顯示中。它主要由四個(gè)大部分組成:一個(gè)是字符式的液晶顯示器、可以延伸驅(qū)動(dòng)電路、控制驅(qū)動(dòng)的主電路,還有一些散件,主要是一些少量的電阻、電容元件和結(jié)構(gòu)元件。本課程系統(tǒng)在總體設(shè)計(jì)中所說(shuō)的需要選擇使用的這種直接字符顯示類型的數(shù)字液晶模塊主要的就是用5x7點(diǎn)陣式的圖形顯示方式輸出來(lái)對(duì)其進(jìn)行直接顯示字符的比如oled這種液晶數(shù)字顯示器,它的這種數(shù)字液晶顯示器的容量及其大小就是可以直接劃分到形成這么多種類型,有1行16個(gè)字符、2行的16個(gè)字符,2行的20個(gè)字符等。圖3.14OLED顯示屏實(shí)物圖在這種設(shè)計(jì)中，OLED顯示屏使用標(biāo)準(zhǔn)的8針接口，可以通過(guò)10K電位計(jì)連接第三個(gè)針來(lái)調(diào)節(jié)屏幕的對(duì)比度，該顯示屏的8位數(shù)據(jù)線直接連接到單片機(jī)的PO端口，控制信號(hào)線RS、RW和e連接到單片機(jī)的P3端口。當(dāng)連接到正電源時(shí)，對(duì)比度最弱，而當(dāng)連接到的電源時(shí)，對(duì)比度最高。圖3.15液晶顯示結(jié)構(gòu)方框圖圖3.16液晶顯示器原理圖ssd1306mcu接口引腳包括8個(gè)模擬數(shù)據(jù)引腳和8個(gè)數(shù)據(jù)控制引腳。引腳的選項(xiàng)分配通常是由不同網(wǎng)絡(luò)接口之間的引腳選項(xiàng)分配來(lái)進(jìn)行確定,詳情請(qǐng)參見(jiàn)文件下面列表。不同的的mcu模塊之間的硬件設(shè)置區(qū)別可以從aabs[2:0]中根據(jù)使用硬件配置選項(xiàng)卡的方式表來(lái)進(jìn)行。引腳總線接口Data/Command接口控制信號(hào)D7D6D5D4D3D2D1D0ER/W#CS#D/C#RES#8-bit8080D[7:0]RD#WR#CS#D/C#RES#8-bit6800D[7:0]ER/W#CS#D/C#RES#3-wireSPITieLOWNCSDINSCLKTieLOWCS#TieLOWRES#4-wireSpiTieLOWNCSDINSCLKTieLOWCS#D/C#RES#I2CTieLOWSDAoutSDAinSClTieLOWSA0RES#SSD1306采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，其中：第1腳：VSS為的電源；第2腳：VDD：+5v電源；第3腳:v0為oled顯示器的視覺(jué)對(duì)比度進(jìn)行調(diào)節(jié)端。當(dāng)連接到一個(gè)正電源時(shí),其對(duì)比性就是最差了。所以當(dāng)連接到相同或者接地點(diǎn)的電源,其對(duì)比性能是最好的。但是當(dāng)其對(duì)比程度過(guò)高,"疊影"將不再能夠被觀察到。當(dāng)實(shí)際應(yīng)用時(shí),對(duì)比程度可由10k電位自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié);第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)選擇指令寄存器。第5腳:rw是一個(gè)主要用于數(shù)據(jù)讀寫(xiě)的數(shù)字信號(hào)傳輸接口,在中或高電平上的進(jìn)行讀寫(xiě)傳輸讀寫(xiě)操作,在中或低電平上的進(jìn)行書(shū)寫(xiě)讀輸操作。例如當(dāng)我的rs和s與rw都的值是低,則我們就完全可以在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上快速寫(xiě)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)指令或者在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上快速顯示一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址,當(dāng)s和rs的值是低,rw的總和值為高時(shí),我們就完全可以在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上快速讀出繁忙的網(wǎng)絡(luò)信號(hào),當(dāng)s和rs的值是高,rw的總和值為低時(shí),可以將這些信號(hào)數(shù)據(jù)全部重新寫(xiě)入;第6腳:e為用戶使用功能的前端。當(dāng)從一個(gè)高電平模塊到一個(gè)低電平模塊發(fā)生溫度改變時(shí),oled兩個(gè)模塊將自動(dòng)停止執(zhí)行所述的指定命令;第7～14腳：D0～D7是8位的雙向數(shù)據(jù)線；第15～16腳：空腳。mcui2c的從機(jī)通訊數(shù)據(jù)接口主要包括從機(jī)的一個(gè)地址信號(hào)是一個(gè)sa0,i2c數(shù)據(jù)總線的一個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)(sdaout/d2的數(shù)據(jù)輸出及一個(gè)sdain/d1的數(shù)據(jù)輸入)和一個(gè)i2c的數(shù)據(jù)總線的和時(shí)鐘控制信號(hào)以及scl(d0)兩個(gè)大部分。而且用于數(shù)據(jù)與視頻時(shí)鐘的兩個(gè)信號(hào)電源線均可能需要另外連接一個(gè)使用帶有斯特拉克斯電阻的電源線。res#它可以同時(shí)用于對(duì)所有設(shè)備文件進(jìn)行自動(dòng)初始化。從機(jī)地址位（SA0）ssd1306在向多個(gè)用戶信息發(fā)送或者用戶接受任意一個(gè)用戶信息前必須先明確辨認(rèn)出來(lái)的信息是從哪個(gè)機(jī)器和地址。設(shè)備將首先的是會(huì)對(duì)從機(jī)的數(shù)據(jù)地址位置進(jìn)行實(shí)時(shí)響應(yīng),后面的將是同時(shí)跟隨從機(jī)的數(shù)據(jù)地址位(sa0位)和從機(jī)的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)地址選項(xiàng)位(r/w#位),格式化的列表顯示如下:b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b00 1 1 1 1 0 SA0 R/W#SA0位對(duì)從機(jī)地址供應(yīng)了一個(gè)位的擴(kuò)展。0111100或0111101都可以作為ssd1306地從機(jī)地址。D/C#引腳作為SA0用于從機(jī)地址選擇。R/W#則用來(lái)決定I2C總線接口的操作模式。R/W#=1為讀模式。R/W#=0為寫(xiě)模式。I2C總線數(shù)據(jù)信號(hào)sdasda是作為信號(hào)傳輸發(fā)送方與接收方之間的一種通信渠道。所有的數(shù)據(jù)與應(yīng)答全部由sda進(jìn)行發(fā)送。值得注意的一點(diǎn)是當(dāng)將itod的軌道穩(wěn)壓電阻與itsda引入管腳上的上或下拉穩(wěn)壓電阻將可以轉(zhuǎn)換成成為一個(gè)潛在的有源電壓分壓器。其他的結(jié)果也就是在在sda上的使用回歸式邏輯應(yīng)答器的方法很有可能導(dǎo)致無(wú)法直接達(dá)到有效率的邏輯0。sdain與sdaout綁定并組成了一個(gè)稱為sda。sdain的引腳之間必須有sda相互聯(lián)系。sdaout的引腳之間可以是不相互連接的。但是當(dāng)sdaout的引腳沒(méi)有相互連接,應(yīng)答信號(hào)將不會(huì)被i2c總線所忽略。4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1程序開(kāi)發(fā)環(huán)境要設(shè)計(jì)水平儀首先要進(jìn)行流程內(nèi)置,一系列的流程才能保證此儀器的正常工作。其中它們既包含了一個(gè)主程序的流程,中斷了一個(gè)子程序的流程,又有很多其他子程序的流程。編寫(xiě)程序的語(yǔ)言有C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言[9]。對(duì)比兩者,C語(yǔ)言是高級(jí)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言,在實(shí)現(xiàn)較難的算法時(shí)比較方便。由于設(shè)計(jì)算法比較復(fù)雜,而且在Keil中用C語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行仿真比較常見(jiàn),所以我用C語(yǔ)言編程。在完成了硬件電路模塊的分析選型之后,為了更好地使得芯片正常工作,就需要自行編寫(xiě)一套相應(yīng)的硬件程序以驅(qū)動(dòng)整個(gè)單片機(jī)。本次課程設(shè)計(jì)中主要采用的應(yīng)該是keiluvision2軟件。本次設(shè)計(jì)采用c-rom編程,KeiluVision2非常強(qiáng)大,支持多種語(yǔ)言編程,其中就包括c語(yǔ)言。所以本次軟件設(shè)計(jì)選擇了軟件KeiluVision2。4.2KeilC51簡(jiǎn)介來(lái)自德國(guó)慕尼黑的凱伊勒克特魯尼克公司和美國(guó)德克薩斯州的凱伊軟件公司兩家聯(lián)合運(yùn)營(yíng)的Keil公司是行業(yè)內(nèi)獨(dú)立微控制器軟件開(kāi)發(fā)工具供應(yīng)商中的獨(dú)角獸,它支持500多種8051變體。ansic軟件編譯器、宏文件匯編器、調(diào)試器、鏈路器、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)資源管理器、固件及實(shí)時(shí)正在運(yùn)行的移動(dòng)操作系統(tǒng)軟件核心等都已經(jīng)是公司keil公司研究并廣泛地應(yīng)用于軟件生產(chǎn)和開(kāi)發(fā)銷售的重要工具。有超過(guò)十萬(wàn)名微控制器的研究人員使用大家都認(rèn)同的一種解決方案。事實(shí)上,從1988年引入市場(chǎng)的keilc51編譯器已經(jīng)成為行業(yè)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)。兩家公司于2015年arm收購(gòu)keil之后就分別重新改稱美國(guó)國(guó)貿(mào)公司與德國(guó)國(guó)貿(mào)公司。keil的首席執(zhí)行官賴因哈德凱爾曾經(jīng)說(shuō):"我們將會(huì)不斷地在uvision環(huán)境中使用8051和c16x編譯器。隨著32位的微控制器在中國(guó)市場(chǎng)上的快速增長(zhǎng),我們的公司也將通過(guò)此次的收購(gòu)可以更好的為中國(guó)市場(chǎng)客戶提供一個(gè)完整的解決方案。"4.3系統(tǒng)工作流程介紹電子水平計(jì)以單片機(jī)元件為核心。電容式傳感器通過(guò)檢測(cè)電路而輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)adc0809轉(zhuǎn)換,由一個(gè)單片機(jī)的i/o口進(jìn)行讀入,根據(jù)該算法來(lái)完成被檢測(cè)表面的測(cè)量,并將其結(jié)果輸出給oled的顯示器上。測(cè)量系統(tǒng)上電復(fù)位后,進(jìn)行初始化,然后再看開(kāi)始鍵是否按下,如果沒(méi)有按下進(jìn)行測(cè)量,依次運(yùn)行的過(guò)程主要有數(shù)據(jù)采集、濾波和計(jì)算機(jī)處理、數(shù)字信號(hào)顯示,這部分過(guò)程在一個(gè)終止鍵沒(méi)有按下之前通過(guò)一個(gè)循環(huán)來(lái)執(zhí)行,當(dāng)一個(gè)終止鍵沒(méi)有按下后,再次對(duì)一個(gè)單片機(jī)進(jìn)行初始化,等待下個(gè)測(cè)量任務(wù)。流程如下圖所示：圖4.1工作流程圖4.4I2C總線協(xié)議分析用于連接整體電路就是的主要工作。隨著近年我國(guó)企業(yè)大規(guī)模的應(yīng)用集成電路和其它相關(guān)應(yīng)用技術(shù)的不斷迅猛發(fā)展,現(xiàn)在的市場(chǎng)需要一種連接總線少且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的一種擴(kuò)展方式,在此需求下,飛利浦半導(dǎo)體公司在十多年前就設(shè)計(jì)出來(lái)了I2C總線協(xié)議的串行方式。眾所周知,單片機(jī)及相關(guān)外圍設(shè)備的連接適用范圍線,串行總線兩種擴(kuò)展方式。本系統(tǒng)中單片機(jī)與MPU-6050傳感器之間的通信方式就是I2C串行總線協(xié)議。I2C總線協(xié)議有很多優(yōu)點(diǎn),它具有以下幾點(diǎn)特征:1.在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中只有兩條總線,分別為串行數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL[11];2.在不同的模式下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)念l率也會(huì)有所差異,在標(biāo)準(zhǔn)模式下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾室话隳軌驅(qū)崿F(xiàn)100kbit/s,快速模式下進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸頻率一般會(huì)比較高,其中傳輸速度大約是標(biāo)準(zhǔn)模式的四倍水平,高速模式下進(jìn)行的傳輸頻率最高,傳輸過(guò)程中的速度能夠達(dá)到3.4Mbit/s[11];3.i2c總線在對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)的工作過(guò)程中,其中一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)可能會(huì)因?yàn)槌霈F(xiàn)明顯的變化而改變,并最終轉(zhuǎn)換成高電平,在一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生轉(zhuǎn)變的工作環(huán)節(jié)中,數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的每一個(gè)數(shù)據(jù)必須始終保持較高穩(wěn)定系數(shù),與此同時(shí),只有當(dāng)一個(gè)時(shí)鐘的信號(hào)開(kāi)始從一個(gè)高電平逐漸轉(zhuǎn)化成低電平時(shí),數(shù)據(jù)才可以逐漸出現(xiàn)變化[11]。在I2C總線中，首先圍繞起始條件S與停止條件P這兩種情況進(jìn)行明確定義：當(dāng)SCL線處于高電平狀態(tài)時(shí)，通過(guò)SDA數(shù)據(jù)線產(chǎn)生的不同變化可以進(jìn)一步判斷是停止條件還是起始條件。如果數(shù)據(jù)線開(kāi)始出現(xiàn)下降沿的情況，則說(shuō)明這種情況是起始條件，反之，如果這個(gè)數(shù)據(jù)線出現(xiàn)上升沿的情況，那么則進(jìn)一步說(shuō)明這種情況是停止條件[12]。如果在總線的連接器件中已經(jīng)配備了接口硬件，那么充分發(fā)揮這些硬件的功能和優(yōu)勢(shì)，能夠有效降低檢測(cè)啟動(dòng)和停止條件的難度系數(shù)。但是，要是沒(méi)有配備這種專業(yè)的微控制器設(shè)備，每一個(gè)時(shí)鐘周期的過(guò)程中就必須對(duì)SDA線進(jìn)行不少于兩次的采樣工作，以此進(jìn)一步判斷線路中是否出現(xiàn)電瓶平切換的問(wèn)題。圖4.2I2C起始和停止條件信息傳輸?shù)倪^(guò)程中必須確保線路中的字節(jié)都是八位的格式,除此之外,每次傳輸過(guò)程中可以發(fā)送的字節(jié)數(shù)量不受其他條件的約束。在每個(gè)字節(jié)后面必須確保有相應(yīng)的響應(yīng)位,其中,0代表的是確認(rèn),1代表的是不確認(rèn)。第一,對(duì)msb數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)精確的傳輸。如果在數(shù)據(jù)傳輸中有無(wú)法正常接收或向主機(jī)發(fā)送完全的數(shù)據(jù)字節(jié)信號(hào)的情況,可以通過(guò)外部條件來(lái)迫使主機(jī)保持一種低電平的狀態(tài)。一旦從機(jī)啟動(dòng)將會(huì)對(duì)下一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)開(kāi)始接收,且當(dāng)它們開(kāi)始再次釋放時(shí)鐘線的同時(shí),這些信號(hào)傳輸工作會(huì)繼續(xù)進(jìn)行。發(fā)射器將會(huì)在響應(yīng)過(guò)程中釋放高電平。采用把sda線路進(jìn)行拉低的方法,確保此期間的低電平頻率能夠長(zhǎng)期地處于穩(wěn)定的狀態(tài)。如果出現(xiàn)由于從機(jī)不能響應(yīng)地址的情況,必須要確保數(shù)據(jù)線處于高電平運(yùn)行狀態(tài),并通過(guò)由主機(jī)自動(dòng)產(chǎn)生的停止條件,從而全方位停止對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸工作,也可以選擇通過(guò)重新啟動(dòng)的方式進(jìn)行下一輪的全新傳輸。如果我們?cè)趥鬏斶^(guò)程中配備了板載接收器,該設(shè)備會(huì)充分結(jié)合時(shí)鐘最后一個(gè)字節(jié)是否發(fā)生響應(yīng)來(lái)發(fā)送相應(yīng)的指令使數(shù)據(jù)停止傳輸。這一個(gè)操作過(guò)程中,從屬變送器必須進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)線進(jìn)行釋放,確保主機(jī)能夠自由操作停止或啟動(dòng)的條件。就當(dāng)前具體單片機(jī)的應(yīng)用情況而言,在單片機(jī)開(kāi)發(fā)中實(shí)際應(yīng)用性較高的有51、96系列,這一系列單片機(jī)均具有一些短板,就是它們普遍都不能夠配備i2c串行通信接口,因此也導(dǎo)致了這些單片機(jī)器件無(wú)法在系統(tǒng)中同時(shí)進(jìn)行廣泛的使用。通過(guò)前文研究i2c總線接口的時(shí)序展開(kāi)了了一系列的研究與分析內(nèi)容不難看到,可以把51系列單片機(jī)的端口模擬成為i2c總線接口,從而進(jìn)一步地實(shí)現(xiàn)了相關(guān)元器件的功能。充分地結(jié)合本文對(duì)該總線的有關(guān)規(guī)范我們就能發(fā)現(xiàn),scl線和sda線分別是所有器件在其相應(yīng)的輸出狀態(tài)下所做成的具體結(jié)果。該設(shè)備能夠充分發(fā)揮高電平對(duì)低頻輸出功能,使得高速設(shè)備迅快地進(jìn)入等候狀態(tài),以此來(lái)進(jìn)一步增加SCL狀態(tài)的時(shí)長(zhǎng),使不同設(shè)備間時(shí)間同步的目標(biāo)得以完成。從這個(gè)角度而言,盡管兩種電平鐘脈沖的持續(xù)時(shí)長(zhǎng)具有差異性,但是依然能夠達(dá)到高效準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)傳輸目標(biāo),除此之外,還可以在充分發(fā)揮軟件強(qiáng)大功能的基礎(chǔ)上,通過(guò)軟件對(duì)輸入和輸出端口進(jìn)行精準(zhǔn)控制,從而實(shí)現(xiàn)I2C接口的制作目標(biāo)。本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)的通用輸入和輸出端口作為I2C總線接口,通過(guò)軟件控制實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與傳感器之間的數(shù)據(jù)傳輸。4.5液晶顯示液晶顯示功能模塊是一個(gè)OLED顯示器，主功能可以根據(jù)指令顯示相應(yīng)的信息。在本系統(tǒng)中，OLED液晶顯示屏要成功顯示出數(shù)值，這就要系統(tǒng)中不僅要能控制四個(gè)信號(hào)，還必要合理的設(shè)定數(shù)值之間的顯示位置。在設(shè)計(jì)這個(gè)液晶顯示模塊程質(zhì)時(shí)還要嚴(yán)格遵循一些基本原則:在程序剛剛開(kāi)始時(shí),液晶顯示模塊的功能已經(jīng)進(jìn)行了初始化,顯示的格式已由輸入指令來(lái)確定,即先在程序中設(shè)置一個(gè)顯示的地址,再在程序中寫(xiě)入一個(gè)中文字符進(jìn)行編碼。請(qǐng)注意，當(dāng)OLED顯示字符時(shí)，其光標(biāo)不需要手動(dòng)干預(yù)就會(huì)自動(dòng)向右移動(dòng)。在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，在每次輸入指令之前首先需要讀取BF位標(biāo)志，BF需為“0”才可接受新指令。此做法是為了判斷液晶模塊是否忙。液晶顯示驅(qū)動(dòng)程序：voiddelay(unsignedintk);voidInitOLED();//初始化OLEDvoidWriteDataLCM(uchardataW);voidWriteCommandLCM(ucharCMD,ucharAttribc);voidDisplayOneChar(ucharX,ucharY,ucharDData);voidShow_welcome();voidShow_ERROR();voidShow_PleaseReset();voidrst_1();voidrst_2();4.6軟件模塊系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)需要首先對(duì)mpu-6050芯片進(jìn)行初始化的設(shè)置,然后才有機(jī)會(huì)獲取到加速度傳感器的數(shù)據(jù)。寄存器可以通過(guò)i2c通信方式在程序中進(jìn)行設(shè)定。首先,需要在模式中設(shè)置寄存器0x31和寄存器0x2c,此時(shí)我們需要將寄存器的測(cè)量區(qū)域定義在±16g之間,13位模式的精度為分辨率并且傳輸速率控制在12.5hz。其次就是選擇一個(gè)電源模型并且要使得所有功能data_ready都被中斷,最后就是設(shè)置x、y、z三個(gè)軸的偏移。初始化后,stm32f103c6t6控制器將自動(dòng)讀取并處理傳感器輸出的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)就緒中斷信號(hào)顯示數(shù)據(jù)寄存器中的三軸加速度數(shù)據(jù)正在進(jìn)行更新。所以當(dāng)新的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了,它將被設(shè)置為高,使用低--高轉(zhuǎn)換方式來(lái)觸發(fā)一個(gè)中斷服務(wù)的例程。然后,stm32f103c6t6控制器分別可以從datax0、datax1、datay0、datay1、dataz0和dataz1寄存器中直接讀取這些數(shù)據(jù)。由于mmmpu-6050輸出16位元的二進(jìn)制碼是補(bǔ)字編碼的一個(gè)數(shù)據(jù)文件格式,因此從補(bǔ)碼寄存器中再次獲取一個(gè)基于加速度的補(bǔ)碼數(shù)據(jù)后,必須先在編譯程序中再次對(duì)它進(jìn)行補(bǔ)碼編譯。在13位加速模式下,1lsb可以代表3.9mg,如果16位模式代碼定義為0000,則其單位加速度的一個(gè)平均值應(yīng)該為0;加速度值為3.9毫克;如果代碼是0001。如果代碼是ffff,加速度的值應(yīng)該是-3.9mg,以此類推。在這個(gè)程序中,依次將datax0和datax1寄存器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行合成并乘以3.9就可以使其表現(xiàn)為正確的運(yùn)算加速度。在計(jì)算了三個(gè)軸的加速度后,根據(jù)公式(3.11),利用程序中的反三角函數(shù)進(jìn)行反正切,弧度值γ可以轉(zhuǎn)換成滿足本工程設(shè)計(jì)要求的角度值。因?yàn)閍z分別具有一個(gè)正值和一個(gè)負(fù)值,所以必須分別設(shè)置兩個(gè)信號(hào)處理函數(shù)。即,當(dāng)az>=0時(shí),其角度平均值定義為γ*180/3.14;例如,當(dāng)az<0時(shí),其角度取值為-γ*180/3.14。5系統(tǒng)硬件運(yùn)行與調(diào)試5.1實(shí)物總體連接本次畢業(yè)設(shè)計(jì)最終實(shí)物實(shí)物上方是由STM32F103C6T6芯片通過(guò)傳感器測(cè)得的加速度計(jì)算出的水平面傾斜角度值將被顯示在屏幕的左上角，這樣所測(cè)水平面的傾斜度就可以直接從屏幕觀察到，剩余部分顯示的數(shù)值是由MPU-6050傳感器測(cè)得的x、y和z軸的重力加速度值，理論范圍在±1g之間（有誤差）。本系統(tǒng)中還設(shè)置了一個(gè)復(fù)位鍵和暫停鍵。當(dāng)按下復(fù)位鍵時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)將重新啟動(dòng)；當(dāng)按下暫停鍵時(shí)，液晶顯示屏幕將保持當(dāng)前測(cè)量到的所有數(shù)值，當(dāng)再次按下該鍵時(shí)，系統(tǒng)將繼續(xù)運(yùn)行測(cè)量，這樣會(huì)使測(cè)量變得更加方便快捷。5.2結(jié)果根據(jù)設(shè)計(jì)，只要將MPU-6050傳感器放置在被測(cè)水平面上，就可以正確測(cè)量出其放置的水平面的傾斜角度。只要在測(cè)試前了解清楚MPU-6050芯片的正負(fù)軸分布，就可以根據(jù)屏幕上的正負(fù)值來(lái)確定被測(cè)平面的偏轉(zhuǎn)方向。一般來(lái)說(shuō)，被測(cè)表面的角度低于90度，因此,角度計(jì)的測(cè)量就變得更加方便和迅速,并且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水平和傾斜角進(jìn)行高精度的測(cè)量。具體總結(jié)如下:1.本設(shè)計(jì)中使用到的傳感器MPU-6050是一種低誤差且高精度的三軸傾角加速度傳感器的非接觸式傳感器。2.除了設(shè)計(jì)了一個(gè)單片機(jī)的主控電路,還有一個(gè)數(shù)字顯示模塊的電路、按鈕控制器電路、復(fù)位控制器電路。3.本文所要求設(shè)計(jì)的程序編制語(yǔ)言選用c++語(yǔ)言,程序的編寫(xiě)軟件是keil,uVision2軟件,對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。6總結(jié)水平測(cè)量?jī)x是一種通過(guò)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理能夠?qū)崟r(shí)地測(cè)量被測(cè)平面的傾角和傾斜方位信息的儀器，與傳統(tǒng)的電子數(shù)字化水平儀相比解決了一些在平面傾斜測(cè)量中的問(wèn)題，是一種極具推廣前景的現(xiàn)代測(cè)控儀器。本儀器還可以應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域和現(xiàn)場(chǎng)，具有良好的再開(kāi)發(fā)功能。在本設(shè)計(jì)中結(jié)合了STM32F103C6T6單片機(jī)與MPU-6050傳感器。首先利用傳感器感應(yīng)待測(cè)水平面三個(gè)軸的加速度數(shù)據(jù)并通過(guò)I2C的通信方式將測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸給STM32F103C6T6單片機(jī)，然后通過(guò)燒錄好程序的單片機(jī)進(jìn)行的控制與運(yùn)算，計(jì)算出水平面的傾斜角度，最后通過(guò)OLED液晶顯示屏來(lái)顯示最后的傾斜角度值。在了解了MPU-6050傳感器的原理之后，本文提出了一種軟硬件結(jié)合的角度自動(dòng)校測(cè)量技術(shù)，使本系統(tǒng)變得更加穩(wěn)定、精確和可靠，同時(shí)也最大限度地簡(jiǎn)化了電路。因此，角度測(cè)量變得方便和快速，并且實(shí)現(xiàn)了對(duì)水平傾斜角的高精度測(cè)量。具體總結(jié)如下：1.本設(shè)計(jì)中使用到的傳感器MPU-6050是一種低誤差且高精度的三軸傾角加速度傳感器的非接觸式傳感器。2.設(shè)計(jì)了單片機(jī)主控電路，還設(shè)計(jì)了數(shù)碼顯示模塊電路、按鍵電路、復(fù)位電路等。3.本設(shè)計(jì)的編程語(yǔ)言選擇了C語(yǔ)言，程序編寫(xiě)軟件為Keil，uVision2軟件，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。參考文獻(xiàn)[1]王鍇磊,劉莎,王春喜,高秋娟.光電式電子水平儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].宇航計(jì)測(cè)技術(shù),2018,38(04):1-6+17.[2]王鵬超,劉愛(ài)東.無(wú)線差分水平儀設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程,2019,47(06):1512-1516+1520.[3]劉艷玲,胡海華,王洪忠,杜紀(jì)柱,趙庶嫻.數(shù)顯傾角儀校準(zhǔn)方法[J].上海計(jì)量測(cè)試,2020,47(05):51-53.

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