基于单片机设计的水平仪(STC589C52+MPU6050)

DS小龙哥

发布于 2023-11-17 08:48:32

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发布于 2023-11-17 08:48:32

文章被收录于专栏：嵌入式项目开发

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。

（3）OLED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：

（1）MPU6050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。

（2）OLED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MPU6050
    OLED_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];
}