基于STC15單片機的數字式傾角儀應用設計

馬月紅+李昆侖

摘要：在自動控制和平臺調平場合，需借助于水平儀測量某個平面的傾角，并將傾角數據顯示在液晶屏上。本設計以STC15系列單片機為核心，使用6軸傳感器模塊MPU6050芯片，完成三軸加速度和角速度數據采集，單片機將數據進行融合轉換為角度數據，送至液晶屏顯示。傾角儀具有測量精度高，功耗低，操作簡易方便的特點，可以很好地替換傳統的水平儀。

關鍵詞：STC15；單片機；數字式傾角儀

中圖分類號：TP368.1 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）05-0009-01

作為一種小角度測量儀器，常用的水平儀有氣泡式和數字式兩種。隨著科技發展進步，廣泛應用于機械工程、工作臺調平、導軌平直度、電力系統以及建筑設計等角度測量中[1]。由于外部測量環境的影響，要求水平儀有較好的抗干擾能力，設計出一種具有精度高、穩定性好、性價比高、使用簡易的高性能數字式傾角測量儀，具有很大的實際應用價值。

1 系統概述

本設計主要由電源模塊、傾角測量模塊、STC15單片機控制模塊和液晶顯示模塊等部分組成。其中，電源模塊采用兩節干電池作為電源，為水平儀供電；傾角測量模塊使用6軸傳感器MPU6050芯片為主芯片完成傾角測量；控制模塊采用STC15系列單片機IAP15W4K61S4芯片作為主控芯片，完成讀取傾角數據與數據濾波融合，并將處理后的數據送至顯示模塊顯示；顯示模塊采用液晶顯示，可在屏幕同時顯示三個角度數據。本設計介紹了數字傾角儀的軟硬件設計，采用卡爾曼濾波算法提高測量精度和穩定性，采用低功耗元件降低整機功耗，可延長傾角儀的工作時間。如圖1所示。

2 傾角儀硬件電路設計

傾角儀硬件電路主要由電源模塊、傾角測量模塊、單片機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。考慮到傾角儀便攜式的特點，采用兩節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公司生產的IAP15W4K61S4芯片，具有寬電壓供電，內置高數時鐘和可靠復位電路，功耗非常低，掉電模式可由外部中斷喚醒。主控電路，主要是負責接收傾角傳感器的獲取的傾角數據并且進行數據處理，再將處理好的數據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。應用電路中，采用3V直流電壓工作，并聯兩個電容，減小信號干擾。

傾角數據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濾波融合后的角度數據直觀地顯示出來。

3 傾角儀軟件設計

傾角儀軟件部分包括系統初始化，傾角數據采集，數據融合濾波轉換，液晶角度數據顯示等部分。其中，由于傾角傳感器數據輸出抖動性很大，采用卡爾曼濾波對數據進行融合濾波處理，得到較為穩定的角度數據，有效地提高了角度數據精確度和穩定性。

傾角儀上電后，系統初始化，對系統時鐘、外部中斷、應用接口、傾角傳感器等進行進行配置。初始化完成后，主控制器讀取傾角傳感器輸出的角度數據，通過卡爾曼濾波對數據融合和濾波處理，將角度數據送至液晶顯示屏實時顯示。

傾角儀可以自動感知角度變化，當一段時間內角度沒有發生改變，主控器會關閉液晶顯示屏，進入低功耗待機模式，降低系統功耗，延長使用時間；當感應到角度變化后，系統從低功耗模式喚醒，重新開始角度測量顯示[3]。

4 結語

本設計利用STC單片機和角度傳感器MPU6050設計的傾角儀，能夠對XYZ三軸方向的角度進行測量顯示，具有測量反應快速準確、精度較高、功耗低、體積小的特點，經過實際調試，設計指標達到。作為一種高精度的測量儀器，本設計實現的傾角儀在精度上，以及降低外部環境造成的數據抖動干擾還有待提高。

參考文獻

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

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

[3]岳春芳.高精度數顯智能水平儀的設計[J].自動化與儀表，2010（12）：11-13.endprint