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作者：山东交通学院 解来尊 唐田震 杨明建
指导教师：潘为刚 韩耀振

　　作品简介　　

　　开发背景：
　　随着中国水平仪市场的迅猛发展，与之相关的核心生产技术应用与研发必将成为业内企业关注的焦点。了解国内外水平仪生产核心技术的研发动向、工艺设备、技术应用及趋势对于企业提升产品技术规格，提高市场竞争力十分关键。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。用它可测量对于水平位置的倾斜度、两部件相互平行度和垂直度，机床、仪器导轨的直线度，工作台平面度，以及平板的平面度等。在机械测量及光机电技术一体化技术应用中占有重要地位。

　　结构说明：
　　1、电源模块：采用7805稳压芯片，输出5V的稳定电压。
　　2、处理器模块：即单片机开发板(以STC15F2K60S2芯片为控制核心)
　　3、外围设备：
　　①MMA8451Q传感器模块：MMA8451Q是一款具有 14 位分辨率的智能低功耗、三轴、电容式微机械加速度传感器。这款加速度传感器具有丰富嵌入式功能，带有灵活的用户可编程选项，可以配置多达两个中断引脚。嵌入式中断功能可以节省整体功耗，解除主处理器不断轮询数据的负担。MMA8451Q具有±2g/±4g/±8g 的用户可选量程，可以实时输出高通滤波数据和非滤波数据。
　　②DS18B20模块：DS18B20 的测温范围-55℃~125℃，分辨率最大可达0.0625 ℃。DS18B20 可以直接读出被测温度值。
　　③PCF8563时钟模块：PCF8563 是PHILIPS 公司推出的一款工业级内含I2C 总线接口功能的具有极低功耗的多功能时钟/日历芯片。
　　④显示模块：采用12864液晶显示屏
　　⑤报警模块：采用有源蜂鸣器报警

　　功能：
　　1、 测量待测工件与水品面的倾斜角
　　2、 实时时钟
　　3、 温度计

　　使用说明：
         1、打开电源开关，水平仪进入待机状态，实时时钟，温度计正常工作。
　　2、按下K1(SL16)按键，水平仪进入工作状态。
　　3、按下K2(SL15)按键，测量角度清零同时水平仪进入待机状态。
　　4、打开电源开关后，当温度高于30℃时，蜂鸣器报警。

　　平台选型说明

　　本设计采用STC15F2K60S2单片机为主控芯片。STC15F2K60S2单片机是STC生产的单时钟/机器周期的单片机，是高速/高可靠/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，采用第八代加密技术，加密性超强，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成高精度R/C时钟，±1%温漂，常温下温漂5‰，5MHZ～35MHZ宽范围可设置，可彻底省掉外部昂贵的晶振和外部复位电路。3路CCP/PWM/PCA,8路高速10位A/D转换，内置2K字节大容量SRAM，2组高速异步串行通信端口，1组高速同步串行通信端口SPI，针对多串行口通信/电机控制、强干扰场合。
　　平台如下图所示：　　

　　设计说明

　　1、设计原理　　

　　2、方案论证
　　2.1控制器模块
　　方案一：采用ATmega16单片机作为系统主控制器。Atmel公司的ATmega16单片机具有先进的RISC(精简指令集计算机)结构、非易失性程序和数据存储器，16 KB可编程Flash存储器、512 B的EEPROM和1 KB片内SRAM，具有丰富的外设接口，其USART(通用同步和异步接收器和转发器)是一个高度灵活的串行通信设备，SPI(串行外设接口)允许ATmega16与外设或其他AVR器件进行高速的同步数据传输。内部集成高精度10位A/D转换器。
　　方案二：STC15F2K60S2单片机是STC生产的单时钟/机器周期的单片机，是高速/高可靠/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，采用第八代加密技术，加密性超强，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成高精度R/C时钟，±1%温漂，常温下温漂5‰，5MHZ～35MHZ宽范围可设置，可彻底省掉外部昂贵的晶振和外部复位电路。
　　综上所述，STC公司生产的STC15F2K60S2单片机是一款新型，高速高效的产品，考虑到还能扩宽知识范围，因此决定采用STC15F2K60S2单片机。
　　2.2角度传感器模块
　　方案一：采用MMA7361，它是一款低功耗(3µA)加速度计，5V/3.3V 电压输入，模拟量输出，工作电流400µA，启动和休眠都可通过单片机的IO口控制。
　　方案二：采用MMA8451加速度传感器，数字量输出，14位分辨率，待机功耗1.8µA，工作电流150µA。
　　通过方案一和方案二的对比，MMA8451直接输出数字量，而且分辨率高，功耗低，所以本设计采用方案二。
　　2.3温度传感器模块
　　方案一：采用DS18B20传感器，它是一种支持 “一线总线”接口的温度传感器。DS18B20 的测温范围-55℃~125℃，分辨率最大可达0.0625 ℃。DS18B20 可以直接读出被测温度值。而且采用3线制与单片机相连，减少了外部硬件电路，具有低成本和易使用的特点。
　　方案二：AD590温度传感器是美国模拟器件公司的电流输出型温度传感器，供电电压范围为3~30V，输出电流223μA(-50℃)~423μA(+150℃)，灵敏度为1μA/℃。
　　通过对比，考虑到经济与便利问题，直接选用DS18B20传感器。
　　2.4时钟模块
　　方案一：DS1302时钟芯片能在非常低功耗的情况下运行，DS1302制作的电子时钟精度高,能完整的提供秒、分、时、日、星期、月、年的信息,并且每个月的天数和闰年的天数可自动调整。
　　方案二：PCF8563时钟芯片是PHILIPS 公司推出的一款工业级内含I2C 总线接口功能的具有极低功耗的多功能时钟/日历芯片。
　　方案一和方案二对比，由于考虑开发板有PCF8563时钟芯片，所以采用PCF8563。
　　2.5显示模块
　　方案一：选用市场上买到的六位液晶LCD玻璃片，该玻璃片在显示关闭的时候功耗可视为零;选用LCD驱动专用芯片HT1621，在3V工作电压下，关闭LCD省电模式下的功耗典型值仅为0.1 µA。
　　方案二：采用LCD12864点阵液晶显示。该液晶支持串行连接方式，有利于节省资源。
　　方案一与方案二对比，考虑到显示需要，采用12864液晶显示屏
　　2.6 报警模块
　　方案一：有源蜂鸣器直接接上额定电源就可连续发声;
　　方案二：无源蜂鸣器则和电磁扬声器一样，需要接在音频输出电路中才能发声。
　　通过对比，选择使用较为方便的有源蜂鸣器。
　　3.软件设计
　　3.1 软件实现的功能如下：①加速度传感器检测斜度;②时钟显示;③气温显示。
　　3.2 工作流程图　　

　　4.原理图
　　4.1 该系统使用STC15F2K60S2单片机，其最小系统原理图如图：　　

　　4.2 外围模块　　

　　作品特色

　　先进性：将物理气泡水平仪电子数字化：气泡水平仪系检验机器安装面或平板是否水平，及测知倾斜方向与角度大小的测量仪器。而我们的作品多功能电子水平仪用更加精确，明晰的数字化来代替现象，使测量结果更加直观。
　　实用性：水平仪广泛应用于检验各种机床及其它类型设备导轨的直线度和设备安装的水平位置，垂直位置。它也能应用于小角度的测量和带有V 型槽的工作面，还可测量圆柱工件的安装平行度，以及安装的水平位置和垂直位置。我们的作品多功能电子水平仪还具有容易操作，一物多用等特点。
　　创新性：1、我们的作品多功能电子水平仪实现了二维的角度测量。
　　2、多功能：集实时时钟，温度测量，水平仪等功能于一身。

系统演示视频：http://v.eepw.com.cn/video/play/id/2642