李尚富，饒連周，魏名捷，曾金頂，林永福，陳俊瑋

(1.三明學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，福建三明365004 2.福建廣播電視大學(xué)三明分校，福建三明365000)

基于單片機(jī)的智能測角儀設(shè)計(jì)

李尚富1，饒連周1，魏名捷1，曾金頂1，林永福1，陳俊瑋2

(1.三明學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，福建三明365004 2.福建廣播電視大學(xué)三明分校，福建三明365000)

研究了一種基于STC12C5A60S2單片機(jī)的智能測角儀。該測角儀由加速度傳感器模塊MMA7455、時鐘模塊DS1302、溫濕度模塊DHT11、語音模塊ISD4004組成，實(shí)現(xiàn)了角度、時間、溫濕度的顯示、存儲以及語音播報的功能，具有一定的推廣價值和實(shí)用性。

單片機(jī)；MMA7455L；角度測量

如今的科學(xué)技術(shù)滲透到我們?nèi)粘Ｉ畹拿總€角落，信息的獲取非常重要，比如在建筑工地中需要保證樓層的采光就需要有一個合適兩棟樓的角度。角度測量在許多領(lǐng)域運(yùn)用中都有重要作用。傳統(tǒng)的測量角度的方法都是通過笨重不方便的儀器讀取其刻度值來獲得的，得到的角度值不僅會因人眼的判斷產(chǎn)生誤差，而且測量的范圍有限，這種情況造成了許多的不便。為此筆者采用單片機(jī)和加速度傳感器為核心設(shè)計(jì)了一種簡單、方便、性價比高又實(shí)用的智能角度測量儀，以解決使用不便和精度差的問題[1]。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理

智能測角儀整個系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是由微控制器、數(shù)據(jù)信息采集模塊、信息輸出及存儲模塊3個部分組成，如圖1所示。微控制器采用超低功耗STC12C5A60S2單片機(jī)，它能夠?qū)崟r處理數(shù)據(jù)信息采集部分傳來的各種信息并控制各個器件正常運(yùn)作。數(shù)據(jù)信息采集部分由加速度傳感器MMA7455模塊[2-3]、時鐘DS1302模塊[4]、溫濕度傳感器DHT11模塊[5]組成，實(shí)現(xiàn)實(shí)時采集時間、角度、溫濕度數(shù)據(jù)。同時測量部分還采用激光瞄準(zhǔn)技術(shù)，延長了基準(zhǔn)線的長度。信息輸出及存儲部分由液晶顯示模塊LCD12864、存儲模塊AT24C32和語音播報模塊ISD4004組成,實(shí)現(xiàn)角度和時間數(shù)據(jù)的顯示、存儲功能，以及語音播報角度的功能。系統(tǒng)還具有通過按鍵對測角模式、時間設(shè)置模式和存儲模式的切換功能。

圖1 智能測角儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 信息采集模塊電路設(shè)計(jì)

信息采集電路采集的數(shù)據(jù)有加速度、時間、溫濕度。以下是其中的有關(guān)模塊的介紹。

MMA7455模塊可以使用SPI或I2C總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。本設(shè)計(jì)中采用I2C總線形式，把MMA7455采集回來的加速度通過P2.0、P2.1送給單片機(jī)進(jìn)行處理轉(zhuǎn)換成角度。其中將MMA7455的CS端接VCC,在SCL、SDA端各接一個10K的上拉電阻防止在總線空閑時外部干擾造成誤啟動I2C總線，保證了整個硬件的穩(wěn)定[2-3]。

時鐘DS1302模塊采用串行數(shù)據(jù)傳輸，三線接口SCLK、I/O、RES分別與單片機(jī)的P1.6、P3.5、P1.7口相連進(jìn)行同步通信，可準(zhǔn)確地計(jì)算年、月、日、周、時、分、秒。通過單片機(jī)設(shè)置時間后可以精確地按正常的時間行走，但要注意在I/O口上加10 k的強(qiáng)上拉以保證能正確的讀出寄存器中的時間[4]。

溫濕度模塊DHT11為數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器模塊，可用來測量溫度、濕度。它采用單總線模式，DHT11的數(shù)據(jù)管腳2與單片機(jī)的P3.7口相連，一次連續(xù)讀出的數(shù)據(jù)分為濕度高8位、濕度低8位、溫度高8位、溫度低8位、校驗(yàn)碼8位，共5個字節(jié)的數(shù)據(jù)。需要在DATA端口接上拉電阻[5]。

激光瞄準(zhǔn)部分直接使用紅色激光管實(shí)現(xiàn)延長基準(zhǔn)線的長度。信息采集模塊的設(shè)計(jì)電路原理圖如圖2所示。

2.2 信息輸出及存儲模塊電路設(shè)計(jì)

LCD12864顯示模塊可顯示兩行共32個字符的內(nèi)容，可以顯示角度、時間、溫濕度?？刂凭€RS、RW、E、PSB、NC、RST分別接單片機(jī)的P2.7、P2.6、P2.5、P2.4、P2.3、P2.2，數(shù)據(jù)線D0～D7接單片機(jī)的P0口。

語音模塊運(yùn)用ISD4004的電路[6]。將SCLK、MISO、MOSI、SS分別接單片機(jī)的P1.3、P1.2、P1.1、P1.0口，通過SPI總線實(shí)現(xiàn)語音模塊與單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。在語音芯片內(nèi)部的存儲單元里，將各個的語音片段存儲于相應(yīng)的地址，當(dāng)需要播報語音時，就可以一段一段提取相應(yīng)存儲地址的語音，實(shí)現(xiàn)分段播報。將INT接于單片機(jī)的P3.2，當(dāng)此管腳被拉低，即觸發(fā)中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，在服務(wù)程序中通過語音模塊與單片機(jī)的通信讀出語音芯片相應(yīng)地址的語音片段，即實(shí)現(xiàn)了語音播報。并注意是采用3.3 V電源供電，這個模塊內(nèi)有5 V轉(zhuǎn)3.3 V的電路。

圖2 信息采集模塊設(shè)計(jì)電路原理圖

存儲模塊選擇了擁有32 k存儲空間的AT24C32，采用2線串行EEPROM通信。管腳SCA、SDA接單片機(jī)的P1.5、P3.6口。由于存儲的空間已滿足設(shè)計(jì)的要求，故將電路中將芯片的1～4腳和7腳接地。且SCA、SDA各接一個10 k上拉電阻[4]。

圖3為信息輸出和存儲模塊的設(shè)計(jì)電路原理圖。

在獨(dú)立按鍵模塊中各按鍵功能如下：

按鍵0：進(jìn)入時間設(shè)置模式，該模式下按鍵1，按鍵2，按鍵3分別實(shí)現(xiàn)光標(biāo)移位，數(shù)字加一，減一的功能。

圖3 信息輸出及存儲模塊設(shè)計(jì)電路原理圖

按鍵1：進(jìn)入存儲記錄模式，該模式下按鍵2，按鍵3分別實(shí)現(xiàn)地址加，減的功能。

按鍵2：進(jìn)入測角模式，該模式下按鍵1實(shí)現(xiàn)存儲和播報功能。

按鍵3：實(shí)現(xiàn)模式的退出功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總流程

系統(tǒng)可分為3種模式：測角模式，存儲模式，時間設(shè)置模式。圖4為系統(tǒng)總流程圖。

3.2 MMA7455測角子程序流程圖和DHT11子程序流程圖

在測角模式下進(jìn)行采集數(shù)據(jù)信息，信息采集部分采集的有加速度、時間、溫濕度數(shù)據(jù)。

重力加速度范圍選擇了適合測傾角的2 g模式，在程序中對+1 g的加速度輸出0～0x3f設(shè)為正值，用公式（1）轉(zhuǎn)換為角度，超出范圍的為負(fù)值，在轉(zhuǎn)換成角度之前要先將其取反變成正值。MMA7455模塊將單軸重力加速度轉(zhuǎn)換為角度的公式如式（1）：xyz_angle=asin((((float)xyz_angle)/64))*10*360/2π（1）

系統(tǒng)先進(jìn)行MMA7455模塊的自檢（是否為2g模式）和程序初始化，再按X軸地址0x06讀出X軸的加速度值。上述條件下用公式（1）轉(zhuǎn)換成角度的有效范圍是-60°～+60°。要實(shí)現(xiàn)測量0～90°的傾角，采用單個X軸測量是不夠的，故選擇采用了在0～60°范圍內(nèi)用X軸進(jìn)行測量，大于60°的用Z軸測量送。這樣通過X軸、Z軸兩軸的測量就可實(shí)現(xiàn)0～90°的角度測量。測角模式下的7455測角子程序流程圖見圖5。

溫濕度的采集要先進(jìn)行系統(tǒng)函數(shù)的初始化，然后按單總線形式讀出5個字節(jié)的數(shù)據(jù)。將溫濕度的4個字節(jié)數(shù)據(jù)相加和校驗(yàn)值比較來確定最終的輸出數(shù)據(jù)。DHT11子程序流程圖見圖6。

圖4 系統(tǒng)總流程圖

圖5 MMA7455測角子程序流程圖

圖6 DHT11子程序流程圖

4 結(jié)論

采用單片機(jī)STC12C5A60S2和加速度傳感器模塊MMA7455，設(shè)計(jì)了一種簡單、方便、性價比高、實(shí)用的智能測角儀，它具有測量角度、測量環(huán)境的溫濕度、存儲測量結(jié)果、語音播報角度、激光延長了測量的基準(zhǔn)線等功能。通過硬件調(diào)試，其測角精度可達(dá)可0.5°左右，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。該智能測角儀體積小，使用方便，性能優(yōu)越，具有一定的應(yīng)用和推廣價值。

[1]田東亮,向中凡.微型數(shù)字測角儀設(shè)計(jì)[J].西華大學(xué)學(xué)報,2008,27(4)：77-80.

[2]胡文,陳永軍,周健,等.基于I2C總線的位置檢測的設(shè)計(jì)[J].儀器儀表與分析監(jiān)測,2011,(3)：9-11.

[3]林永福,孫清泉,王志江,等.基于加速度傳感器的無線三維鼠標(biāo)的設(shè)計(jì)[J].三明學(xué)院學(xué)報,2013,30(2)：36-39．

[4]王晨光,孫運(yùn)強(qiáng).串行時鐘芯片DS1302在溫度測量記錄儀表中的應(yīng)用[J].電子測試,2008(12)：65-70.

[5]倪天龍.單總線傳感器DHT11在溫濕度測控中的應(yīng)用[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2010(6)：60-63.

[6]張建華,高守瑋,楊建國.ISD4004語音芯片在語音報站器中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2003,29(8)：70-71.

Design of Intelligent Goniometer Based on Single Chip Microprocessor

LI Shang-fu1,RAO Lian-zhou1,WEI Ming-jie1,ZENG Jin-ding1,LIN Yong-fu1,LI Jun-wei2
(1.College of Electromechanical Engineering,Sanming University,Sanming 365004,China 2.Sanming Branch School,Fujian Television Univetsity,Sanming 365000,China)

An intelligent goniometer based on STC12C5A60S2 microprocessor is studied in this paper.The goniometer is composed of the acceleration sensor module MMA7455,the clock module DS1302,the temperature and humidity module DHT11,and the voice module SD4004.The goniometer realizes the function of displaying the angle,time,temperature and humidity,and it also has the function of data-storage and voice broadcast,which possesses a certain value of practicability and popularization.

single chip microprocessor；MMA7455L;angle measuring

TH741.23

A

1673-4343（2013）04-0039-04

2013-05-30

大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目（201211311009,201211311014,ZL1216/CS(sj)）;“卓越工程師”教育培養(yǎng)計(jì)劃改革試點(diǎn)項(xiàng)目（SD1108）

李尚富，男，福建龍巖人，大學(xué)生；通訊作者:饒連周，男，福建明溪人，教授。研究方向:光電技術(shù)及自動控制。