理工大学学士学位论文
1 绪 论
1.1 课题研究背景和意义
在高楼桥梁等建筑行业，对建筑物自身在水平面倾斜度的测量和处理，需要一个能连续工作几个月甚至一年以上采样进度很高的数字水平仪系统，这就要求该系统必须具有高精度微功耗的功能。水平仪从过去简单的气泡水平仪到现在的电子水平仪已经历经多次更新。电子水平仪是一种非常急需的测量小角度的量具。
随着精密制造技术的发展，已有的电子水平仪不能满足精度要求，国内数显式电子水平仪灵敏度，反应时间等与国外相比，差距较大。研究分辨率更高，性能更好的智能电子水平仪具有重要意义。
为了提高水平仪的测量精度，摆脱传统水平仪智能化程度低、数据处理能力差、抗震能力差等缺点，必须利用现代科技设计一种新的水平仪。基于MEMS传感器、数字信号处理、单片机的智能水平仪是今后水平仪的发展方向，可以应用于建筑、石油、煤矿和地质勘探等领域。本毕业设计将STC89C52单片机和ADI公司生产的三轴加速度传感器ADXL345相结合，实现了高精度数显智能水平仪的设计。
1.2 国内外水平仪发展现状和趋势
目前国内已有的水平仪不能很好的满足生产和应用的需求，国内电子水平仪的生产和研制能力与国外相比相对落后。尤其是存在着智能化程度不高，对数据缺乏处理能力，无法一次性测量出被测面倾斜角和方位角等缺点。近年来，国内在水平仪的研制开发方面取得了不少进展。国外蒸蒸日上，厂家繁多，种类齐全，速度越来越快，功耗越来越低，性能越来越强，国内除台湾做的比较好外，大陆也有几家具备研发和生产能力，如上海华虹、海尔等，只不过大陆产品占的市场份额太小了
1.3 系统设计的主要工作
本毕业设计的主要目标是利用单片机和三轴加速度传感器，设计一种高精度、大角度测量范围、实时显示、便携式的智能水平仪。该水平仪测量的角度显示在90o以内，并且能通过三个轴的加速度正负值，判断角度的倾斜方向，同时，由于本系统是基于
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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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