基于STC15单片机的数字式倾角仪应用设计

马月红+李昆仑

摘要：在自动控制和平台调平场合，需借助于水平仪测量某个平面的倾角，并将倾角数据显示在液晶屏上。本设计以STC15系列单片机为核心，使用6轴传感器模块MPU6050芯片，完成三轴加速度和角速度数据采集，单片机将数据进行融合转换为角度数据，送至液晶屏显示。倾角仪具有测量精度高，功耗低，操作简易方便的特点，可以很好地替换传统的水平仪。

关键词：STC15；单片机；数字式倾角仪

中图分类号：TP368.1 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）05-0009-01

作为一种小角度测量仪器，常用的水平仪有气泡式和数字式两种。随着科技发展进步，广泛应用于机械工程、工作台调平、导轨平直度、电力系统以及建筑设计等角度测量中[1]。由于外部测量环境的影响，要求水平仪有较好的抗干扰能力，设计出一种具有精度高、稳定性好、性价比高、使用简易的高性能数字式倾角测量仪，具有很大的实际应用价值。

1 系统概述

本设计主要由电源模块、倾角测量模块、STC15单片机控制模块和液晶显示模块等部分组成。其中，电源模块采用两节干电池作为电源，为水平仪供电；倾角测量模块使用6轴传感器MPU6050芯片为主芯片完成倾角测量；控制模块采用STC15系列单片机IAP15W4K61S4芯片作为主控芯片，完成读取倾角数据与数据滤波融合，并将处理后的数据送至显示模块显示；显示模块采用液晶显示，可在屏幕同时显示三个角度数据。本设计介绍了数字倾角仪的软硬件设计，采用卡尔曼滤波算法提高测量精度和稳定性，采用低功耗元件降低整机功耗，可延长倾角仪的工作时间。如图1所示。

2 倾角仪硬件电路设计

倾角仪硬件电路主要由电源模块、倾角测量模块、单片机控制模块和液晶显示模块等部分组成。

倾角仪各模块芯片的工作电压不同，主控芯片工作电压是2.5V～5.5V，倾角传感器工作电压是2.5V～3.3 V，液晶显示屏的工作电压是3.3 V～5.5V。考虑到倾角仪便携式的特点，采用两节干电池作为供电电源，比纽扣电池更合适，电池容量更大，更换更为方便[2]。

倾角仪的主控芯片，选用STC公司生产的IAP15W4K61S4芯片，具有宽电压供电，内置高数时钟和可靠复位电路，功耗非常低，掉电模式可由外部中断唤醒。主控电路，主要是负责接收倾角传感器的获取的倾角数据并且进行数据处理，再将处理好的数据送至液晶显示器显示。

倾角传感器采用InvenSense公司推出的一款低成本的6轴传感器MPU6050模块，包括三軸加速度，三轴角速度， 免除了组合陀螺仪与加速器时间轴之差的问题，减少了大量的封装空间，体积小巧，用途非常广。应用电路中，采用3V直流电压工作，并联两个电容，减小信号干扰。

倾角数据显示是倾角仪的重要部分。倾角仪采用1602液晶显示屏将主控单片机滤波融合后的角度数据直观地显示出来。

3 倾角仪软件设计

倾角仪软件部分包括系统初始化，倾角数据采集，数据融合滤波转换，液晶角度数据显示等部分。其中，由于倾角传感器数据输出抖动性很大，采用卡尔曼滤波对数据进行融合滤波处理，得到较为稳定的角度数据，有效地提高了角度数据精确度和稳定性。

倾角仪上电后，系统初始化，对系统时钟、外部中断、应用接口、倾角传感器等进行进行配置。初始化完成后，主控制器读取倾角传感器输出的角度数据，通过卡尔曼滤波对数据融合和滤波处理，将角度数据送至液晶显示屏实时显示。

倾角仪可以自动感知角度变化，当一段时间内角度没有发生改变，主控器会关闭液晶显示屏，进入低功耗待机模式，降低系统功耗，延长使用时间；当感应到角度变化后，系统从低功耗模式唤醒，重新开始角度测量显示[3]。

4 结语

本设计利用STC单片机和角度传感器MPU6050设计的倾角仪，能够对XYZ三轴方向的角度进行测量显示，具有测量反应快速准确、精度较高、功耗低、体积小的特点，经过实际调试，设计指标达到。作为一种高精度的测量仪器，本设计实现的倾角仪在精度上，以及降低外部环境造成的数据抖动干扰还有待提高。

参考文献

[1]王存堂，陈刚，徐国芳.基于ICL7135的电子水平仪[J].仪表技术与传感器，2008，8：33-35.

[2]安林艳.电子水平仪的设计[J].黑龙江科技信息，2014 （24）：94-94.

[3]岳春芳.高精度数显智能水平仪的设计[J].自动化与仪表，2010（12）：11-13.endprint