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【1】项目背景
水平仪是一种常见的测量工具#xff0c;用于检测物体或设备的水平姿态。在许多应用中#xff0c;如建筑、制造和航空等领域#xff0c;保持设备的水平姿态是非常重要的。为了实现实时的水平检测和显示#xff0c;基于单片机设计的水平仪是一个常见…一、前言
【1】项目背景
水平仪是一种常见的测量工具用于检测物体或设备的水平姿态。在许多应用中如建筑、制造和航空等领域保持设备的水平姿态是非常重要的。为了实现实时的水平检测和显示基于单片机设计的水平仪是一个常见的解决方案。
数字水平仪是一种用于测量物体相对于水平面的角度的仪器。它基于单片机设计主控芯片为STC89C52姿态检测采用MPU6050六轴传感器显示屏用于显示水平姿态数据锂电池供电。该仪器具有高精度、低功耗、易操作等特点广泛应用于建筑、工程、测绘等领域。
整个系统的设计思路是通过MPU6050获取设备的姿态数据然后利用STC89C52进行数据处理和计算最后将计算得到的水平偏移值通过SPI接口传输到0.96寸的OLED显示屏上进行实时显示。
基于单片机设计的数字水平仪具有以下功能特点
主控芯片本设计采用STC89C52单片机作为主控芯片具有强大的处理能力和丰富的外设接口能够满足数字水平仪的功能需求。姿态检测通过MPU6050六轴传感器实现对物体姿态的实时检测包括加速度计、陀螺仪和磁力计等能够精确测量物体在三维空间中的倾斜角度。显示屏显示采用液晶显示屏实时显示水平姿态数据用户可以通过显示屏直观地了解物体的倾斜情况。锂电池供电采用锂电池作为电源具有高能量密度、长寿命和环保等优点能够满足数字水平仪长时间工作的需求。低功耗设计通过合理的硬件设计和软件优化实现低功耗运行降低能耗延长电池使用寿命。数据存储与传输内置存储器可存储大量姿态数据支持USB接口进行数据传输方便用户进行数据分析和处理。易于操作数字水平仪具有简洁明了的操作界面用户只需简单设置即可开始测量无需复杂的操作步骤。稳定性高通过高精度的姿态检测和数据处理算法实现对物体倾斜角度的准确测量保证测量结果的稳定性和可靠性。 下面是手机上的水平仪软件显示效果 原理是一样的 【2】项目的关键点包括
1硬件设计包括将STC89C52和MPU6050连接在一起确保它们之间的通信正常。同时需要将OLED显示屏与STC89C52通过SPI接口连接起来以便将姿态数据显示在屏幕上。
2软件设计需要编写嵌入式软件包括驱动程序和算法以实现数据的采集、处理和显示。主控芯片STC89C52上的程序需要读取MPU6050传感器的数据并进行姿态计算然后将结果发送到OLED显示屏上进行显示。
3界面设计在OLED显示屏上实时显示水平偏移值需要设计一个简洁直观的用户界面使用户能够清楚地了解设备的姿态状态。
通过该项目能够实现一个基于单片机设计的水平仪可以实时检测设备的水平姿态并将结果显示在OLED屏幕上。这对于许多需要保持设备水平的应用场景非常有用提高了工作效率和准确性。
二、项目软硬件设计思路
【1】硬件设计思路
1主控芯片选择选择了STC89C52作为主控芯片。STC89C52是一款常用的单片机具有丰富的外设接口和强大的处理能力适合用于嵌入式应用。它具有8位的数据总线和12MHz的主频能够满足的需求。
2姿态检测传感器选择选择了MPU6050作为姿态检测传感器。MPU6050是一种集成了三轴陀螺仪和三轴加速度计的传感器模块能够准确地检测设备的姿态变化。它通过I2C接口与主控芯片进行通信传输姿态数据。
3OLED显示屏选择选择了一款采用SPI接口的0.96寸OLED显示屏。SPI接口可以提供高速的数据传输适合实时显示姿态数据。OLED显示屏具有高对比度、低功耗和快速响应的特点非常适合作为水平偏移值的显示设备。
4硬件接线在硬件设计中需要将STC89C52、MPU6050和OLED显示屏进行合适的接线连接。具体接线方式如下
将STC89C52的引脚与MPU6050的I2C接口连接实现主控芯片与姿态传感器之间的通信。
将STC89C52的引脚与OLED显示屏的SPI接口连接以便将姿态数据传输到显示屏上。
【2】软件设计思路
1初始化在软件设计中首先需要进行硬件的初始化设置。包括初始化STC89C52的引脚和外设配置以及初始化MPU6050和OLED显示屏的通信设置。
2数据采集通过主控芯片的I2C接口读取MPU6050传感器的原始数据。MPU6050提供了陀螺仪和加速度计的数据可以通过读取寄存器获取这些数据。
3姿态计算利用获取的陀螺仪和加速度计数据进行姿态计算。常见的姿态计算算法包括互补滤波算法和卡尔曼滤波算法。
4水平偏移值计算根据姿态计算的结果计算出水平偏移值。水平偏移值可以通过比较设备的当前姿态与水平状态的差异来确定。
5数据显示将计算得到的水平偏移值通过SPI接口发送到OLED显示屏。需要设计一个简洁的用户界面在屏幕上实时显示水平偏移值。
6循环执行以上步骤需要在一个循环中不断执行以实现实时的姿态检测和显示。循环的周期可以根据实际需求进行设置通常需要考虑到实时性和性能的平衡。
【3】硬件连线说明
在此项目中硬件模块需要连接到STC89C52单片机的不同引脚。
下面是硬件模块与单片机引脚的连接描述
1MPU6050连接
MPU6050的SCL引脚时钟线连接到STC89C52的P1.0引脚作为I2C总线的时钟线。MPU6050的SDA引脚数据线连接到STC89C52的P1.1引脚作为I2C总线的数据线。MPU6050的VCC引脚连接到电源正极3.3V或5V。MPU6050的GND引脚连接到电源地线。
2OLED显示屏连接
OLED显示屏的SCL引脚时钟线连接到STC89C52的P1.2引脚作为SPI总线的时钟线。OLED显示屏的SDA引脚数据线连接到STC89C52的P1.3引脚作为SPI总线的数据线。OLED显示屏的RST引脚复位线连接到STC89C52的P1.4引脚用于复位显示屏。OLED显示屏的DC引脚数据/命令选择线连接到STC89C52的P1.5引脚用于选择发送数据或命令。OLED显示屏的CS引脚片选线连接到STC89C52的P1.6引脚用于选中显示屏。OLED显示屏的VCC引脚连接到电源正极3.3V或5V。OLED显示屏的GND引脚连接到电源地线。
三、项目代码设计
#include reg52.h
#include intrins.h// 定义OLED显示屏引脚
sbit OLED_RST P1^0; // RST引脚
sbit OLED_DC P1^1; // DC引脚
sbit OLED_DIN P1^2; // DIN引脚
sbit OLED_CLK P1^3; // CLK引脚
sbit OLED_CS P1^4; // CS引脚// 姿态检测传感器相关定义
sbit MPU_SCL P2^6; // I2C时钟引脚
sbit MPU_SDA P2^7; // I2C数据引脚// 定义全局变量
float pitch 0.0; // 当前设备的俯仰角// OLED显示屏相关函数
void OLED_WrCmd(unsigned char cmd);
void OLED_WrDat(unsigned char dat);
void OLED_Init();
void OLED_SetPos(unsigned char x, unsigned char y);
void OLED_Fill(unsigned char bmp_data);
void OLED_ShowString(unsigned char x, unsigned char y, unsigned char *str);// I2C总线相关函数
void I2C_Start();
void I2C_Stop();
unsigned char I2C_WaitAck();
void I2C_Ack();
void I2C_NAck();
void I2C_SendByte(unsigned char dat);
unsigned char I2C_ReadByte();// MPU6050相关函数
void MPU_Init();
void MPU_WriteReg(unsigned char reg, unsigned char dat);
unsigned char MPU_ReadReg(unsigned char reg);
void MPU_ReadData(short *data);// 延时函数
void Delay(unsigned int n);// 主函数
void main() {unsigned char str[16];MPU_Init(); // 初始化MPU6050OLED_Init(); // 初始化OLED显示屏while (1) {short data[3];MPU_ReadData(data); // 读取姿态传感器数据pitch -atan2(data[1], data[2]) * (180.0 / 3.14159); // 计算俯仰角度sprintf(str, Pitch:%.2f, pitch); // 格式化俯仰角数据OLED_ShowString(0, 0, str); // 在OLED显示屏上显示俯仰角度Delay(100);}
}// OLED显示屏写命令
void OLED_WrCmd(unsigned char cmd) {unsigned char i;OLED_DC 0;OLED_CS 0;for (i 0; i 8; i) {OLED_CLK 0;if (cmd 0x80) {OLED_DIN 1;} else {OLED_DIN 0;}OLED_CLK 1;cmd 1;}OLED_CS 1;
}// OLED显示屏写数据
void OLED_WrDat(unsigned char dat) {unsigned char i;OLED_DC 1;OLED_CS 0;for (i 0; i 8; i) {OLED_CLK 0;if (dat 0x80) {OLED_DIN 1;} else {OLED_DIN 0;}OLED_CLK 1;dat 1;}OLED_CS 1;
}// OLED显示屏初始化
void OLED_Init() {OLED_RST 0;Delay(100);OLED_RST 1;Delay(100);OLED_WrCmd(0xae); // 关闭显示OLED_WrCmd(0x00); // 设置低列地址OLED_WrCmd(0x10); // 设置高列地址OLED_WrCmd(0x40); // 设置起始行地址OLED_WrCmd(0x81); // 对比度设置OLED_WrCmd(0xcf); // 设置对比度OLED_WrCmd(0xa1); // 设置段重映射OLED_WrCmd(0xc8); // 设置列重映射OLED_WrCmd(0xa6); // 正常显示OLED_WrCmd(0xa8); // 多路复用设置OLED_WrCmd(0x3f); // 设置多路复用OLED_WrCmd(0xd3); // 设置显示偏移OLED_WrCmd(0x00); // 设置显示偏移OLED_WrCmd(0xd5); // 设置显示时钟分频OLED_WrCmd(0x80); // 设置显示时钟分频OLED_WrCmd(0xd9); // 设置预充电周期OLED_WrCmd(0xf1); // 设置预充电周期OLED_WrCmd(0xda); // 设置COM硬件引脚配置OLED_WrCmd(0x12); // 设置COM硬件引脚配置OLED_WrCmd(0xdb); // 设置VCOMH电压倍率OLED_WrCmd(0x40); // 设置VCOMH电压倍率OLED_WrCmd(0x8d); // 设置DC-DC电压输出开关OLED_WrCmd(0x14); // 设置DC-DC电压输出开关OLED_WrCmd(0xaf); // 打开显示OLED_Fill(0x00); // 清屏
}// OLED显示屏设置位置
void OLED_SetPos(unsigned char x, unsigned char y) {OLED_WrCmd(0xb0 y);OLED_WrCmd(((x 0xf0) 4) | 0x10);OLED_WrCmd((x 0x0f) | 0x01);
}// OLED显示屏填充
void OLED_Fill(unsigned char bmp_data) {unsigned char y, x;for (y 0; y 8; y) {OLED_WrCmd(0xb0 y);OLED_WrCmd(0x00);OLED_WrCmd(0x10);for (x 0; x 128; x) {OLED_WrDat(bmp_data);}}
}// OLED显示屏显示字符串
void OLED_ShowString(unsigned char x, unsigned char y, unsigned char *str) {unsigned char c 0, i 0;while (str[i] ! \0) {c str[i] - 32;if (x 120) {x 0;y;}OLED_SetPos(x, y);for (i 0; i 6; i) {OLED_WrDat(F6x8[c][i]);}i;x 6;}
}// I2C总线开始信号
void I2C_Start() {MPU_SDA 1;MPU_SCL 1;Delay(1);MPU_SDA 0;Delay(1);MPU_SCL 0;
}// I2C总线停止信号
void I2C_Stop() {MPU_SDA 0;MPU_SCL 1;Delay(1);MPU_SDA 1;Delay(1);
}// I2C总线等待应答信号
unsigned char I2C_WaitAck() {unsigned char ack;MPU_SDA 1;Delay(1);MPU_SCL 1;Delay(1);ack MPU_SDA;MPU_SCL 0;return ack;
}// I2C总线发送应答信号
void I2C_Ack() {MPU_SCL 0;MPU_SDA 0;Delay(1);MPU_SCL 1;Delay(1);MPU_SCL 0;MPU_SDA 1;Delay(1);
}// I2C总线发送非应答信号
void I2C_NAck() {MPU_SCL 0;MPU_SDA 1;Delay(1);MPU_SCL 1;Delay(1);MPU_SCL 0;
}// I2C总线发送一个字节数据
void I2C_SendByte(unsigned char dat) {unsigned char i;for (i 0; i 8; i) {MPU_SDA (dat 0x80) 7;dat 1;Delay(1);MPU_SCL 1;Delay(1);MPU_SCL 0;Delay(1);}MPU_SDA 1;Delay(1);MPU_SCL 1;Delay(1);MPU_SCL 0;
}// I2C总线读取一个字节数据
unsigned char I2C_ReadByte() {unsigned char i, dat;for (i 0; i 8; i) {dat 1;MPU_SCL 1;Delay(1);dat | MPU_SDA;MPU_SCL 0;Delay(1);}return dat;
}// MPU6050初始化
void MPU_Init() {I2C_Start();I2C_SendByte(0xd0); // 输入器件地址I2C_WaitAck();I2C_SendByte(0x6b); // PWR_MGMT_1寄存器地址I2C_WaitAck();I2C_SendByte(0x00); // 写0唤醒设备I2C_WaitAck();I2C_Stop();
}// MPU6050写寄存器
void MPU_WriteReg(unsigned char reg, unsigned char dat) {I2C_Start();I2C_SendByte(0xd0); // 输入器件地址I2C_WaitAck();I2C_SendByte(reg); // 寄存器地址I2C_WaitAck();I2C_SendByte(dat); // 数据I2C_WaitAck();I2C_Stop();
}// MPU6050读寄存器
unsigned char MPU_ReadReg(unsigned char reg) {unsigned char dat;I2C_Start();I2C_SendByte(0xd0); // 输入器件地址I2C_WaitAck();I2C_SendByte(reg); // 寄存器地址I2C_WaitAck();I2C_Start();I2C_SendByte(0xd1); // 输出器件地址I2C_WaitAck();dat I2C_ReadByte(); // 读取数据I2C_NAck();I2C_Stop();return dat;
}// MPU6050读取数据
void MPU_ReadData(short *data) {unsigned char i;unsigned char buf[14];I2C_Start();I2C_SendByte(0xd0); // 输入器件地址I2C_WaitAck();I2C_SendByte(0x3b); // 寄存器地址I2C_WaitAck();I2C_Start();I2C_SendByte(0xd1); // 输出器件地址I2C_WaitAck();for (i 0; i 13; i) {buf[i] I2C_ReadByte(); // 读取数据I2C_Ack();}buf[13] I2C_ReadByte(); // 读取数据I2C_NAck();I2C_Stop();// 数据转换data[0] ((short)buf[0] 8) | buf[1];data[1] ((short)buf[2] 8) | buf[3];data[2] ((short)buf[4] 8) | buf[5];
}
四、总结
这个项目是基于单片机设计的水平仪使用了STC89C52作为主控芯片和MPU6050作为姿态检测传感器。其主要功能是检测当前设备的姿态并计算出水平偏移值最后通过OLED显示屏实时展示。
整个项目涉及到硬件和软件两个方面。硬件方面使用STC89C52作为主控芯片负责控制整个系统的运行和数据处理。MPU6050姿态检测传感器用于获取设备的姿态信息包括加速度和角速度。OLED显示屏采用SPI接口的0.96寸显示屏用于将计算得到的水平偏移值实时显示出来。
软件方面编写嵌入式C程序来实现系统的功能。通过STC89C52与MPU6050进行通信获取姿态传感器的原始数据。根据这些原始数据进行姿态计算得到水平偏移值。再将计算得到的水平偏移值通过SPI接口发送给OLED显示屏实时显示在屏幕上。
项目利用STC89C52和MPU6050实现了一个水平仪能够检测设备的姿态并计算出水平偏移值并通过OLED显示屏实时展示。这个水平仪可以在许多应用场景中使用如建筑工地、航空航天等需要测量水平的领域。
