一、前言

【1】項目背景

水平儀是一種常見的測量工具，用于檢測物體或設備的水平姿態(tài)。在許多應用中，如建筑、制造和航空等領域，保持設備的水平姿態(tài)是非常重要的。為了實現(xiàn)實時的水平檢測和顯示，基于單片機設計的水平儀是一個常見的解決方案。

數(shù)字水平儀是一種用于測量物體相對于水平面的角度的儀器。它基于單片機設計，主控芯片為STC89C52，姿態(tài)檢測采用MPU6050六軸傳感器，顯示屏用于顯示水平姿態(tài)數(shù)據(jù)，鋰電池供電。該儀器具有高精度、低功耗、易操作等特點，廣泛應用于建筑、工程、測繪等領域。

整個系統(tǒng)的設計思路是通過MPU6050獲取設備的姿態(tài)數(shù)據(jù)，然后利用STC89C52進行數(shù)據(jù)處理和計算，最后將計算得到的水平偏移值通過SPI接口傳輸?shù)?.96寸的OLED顯示屏上進行實時顯示。

基于單片機設計的數(shù)字水平儀具有以下功能特點：

1. 主控芯片：本設計采用STC89C52單片機作為主控芯片，具有強大的處理能力和豐富的外設接口，能夠滿足數(shù)字水平儀的功能需求。
2. 姿態(tài)檢測：通過MPU6050六軸傳感器實現(xiàn)對物體姿態(tài)的實時檢測，包括加速度計、陀螺儀和磁力計等，能夠精確測量物體在三維空間中的傾斜角度。
3. 顯示屏顯示：采用液晶顯示屏實時顯示水平姿態(tài)數(shù)據(jù)，用戶可以通過顯示屏直觀地了解物體的傾斜情況。
4. 鋰電池供電：采用鋰電池作為電源，具有高能量密度、長壽命和環(huán)保等優(yōu)點，能夠滿足數(shù)字水平儀長時間工作的需求。
5. 低功耗設計：通過合理的硬件設計和軟件優(yōu)化，實現(xiàn)低功耗運行，降低能耗，延長電池使用壽命。
6. 數(shù)據(jù)存儲與傳輸：內置存儲器可存儲大量姿態(tài)數(shù)據(jù)，支持USB接口進行數(shù)據(jù)傳輸，方便用戶進行數(shù)據(jù)分析和處理。
7. 易于操作：數(shù)字水平儀具有簡潔明了的操作界面，用戶只需簡單設置即可開始測量，無需復雜的操作步驟。
8. 穩(wěn)定性高：通過高精度的姿態(tài)檢測和數(shù)據(jù)處理算法，實現(xiàn)對物體傾斜角度的準確測量，保證測量結果的穩(wěn)定性和可靠性。

下面是手機上的水平儀軟件顯示效果： 原理是一樣的

【2】項目的關鍵點包括

（1）硬件設計：包括將STC89C52和MPU6050連接在一起，確保它們之間的通信正常。同時，需要將OLED顯示屏與STC89C52通過SPI接口連接起來，以便將姿態(tài)數(shù)據(jù)顯示在屏幕上。

（2）軟件設計：需要編寫嵌入式軟件，包括驅動程序和算法，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理和顯示。主控芯片STC89C52上的程序需要讀取MPU6050傳感器的數(shù)據(jù)，并進行姿態(tài)計算，然后將結果發(fā)送到OLED顯示屏上進行顯示。

（3）界面設計：在OLED顯示屏上實時顯示水平偏移值，需要設計一個簡潔直觀的用戶界面，使用戶能夠清楚地了解設備的姿態(tài)狀態(tài)。

通過該項目，能夠實現(xiàn)一個基于單片機設計的水平儀，可以實時檢測設備的水平姿態(tài)，并將結果顯示在OLED屏幕上。這對于許多需要保持設備水平的應用場景非常有用，提高了工作效率和準確性。

二、項目軟硬件設計思路

【1】硬件設計思路

（1）主控芯片選擇：選擇了STC89C52作為主控芯片。STC89C52是一款常用的單片機，具有豐富的外設接口和強大的處理能力，適合用于嵌入式應用。它具有8位的數(shù)據(jù)總線和12MHz的主頻，能夠滿足的需求。

（2）姿態(tài)檢測傳感器選擇：選擇了MPU6050作為姿態(tài)檢測傳感器。MPU6050是一種集成了三軸陀螺儀和三軸加速度計的傳感器模塊，能夠準確地檢測設備的姿態(tài)變化。它通過I2C接口與主控芯片進行通信，傳輸姿態(tài)數(shù)據(jù)。

（3）OLED顯示屏選擇：選擇了一款采用SPI接口的0.96寸OLED顯示屏。SPI接口可以提供高速的數(shù)據(jù)傳輸，適合實時顯示姿態(tài)數(shù)據(jù)。OLED顯示屏具有高對比度、低功耗和快速響應的特點，非常適合作為水平偏移值的顯示設備。

（4）硬件接線：在硬件設計中，需要將STC89C52、MPU6050和OLED顯示屏進行合適的接線連接。具體接線方式如下：

將STC89C52的引腳與MPU6050的I2C接口連接，實現(xiàn)主控芯片與姿態(tài)傳感器之間的通信。

將STC89C52的引腳與OLED顯示屏的SPI接口連接，以便將姿態(tài)數(shù)據(jù)傳輸?shù)斤@示屏上。

【2】軟件設計思路

（1）初始化：在軟件設計中，首先需要進行硬件的初始化設置。包括初始化STC89C52的引腳和外設配置，以及初始化MPU6050和OLED顯示屏的通信設置。

（2）數(shù)據(jù)采集：通過主控芯片的I2C接口，讀取MPU6050傳感器的原始數(shù)據(jù)。MPU6050提供了陀螺儀和加速度計的數(shù)據(jù)，可以通過讀取寄存器獲取這些數(shù)據(jù)。

（3）姿態(tài)計算：利用獲取的陀螺儀和加速度計數(shù)據(jù)，進行姿態(tài)計算。常見的姿態(tài)計算算法包括互補濾波算法和卡爾曼濾波算法。

（4）水平偏移值計算：根據(jù)姿態(tài)計算的結果，計算出水平偏移值。水平偏移值可以通過比較設備的當前姿態(tài)與水平狀態(tài)的差異來確定。

（5）數(shù)據(jù)顯示：將計算得到的水平偏移值通過SPI接口發(fā)送到OLED顯示屏。需要設計一個簡潔的用戶界面，在屏幕上實時顯示水平偏移值。

（6）循環(huán)執(zhí)行：以上步驟需要在一個循環(huán)中不斷執(zhí)行，以實現(xiàn)實時的姿態(tài)檢測和顯示。循環(huán)的周期可以根據(jù)實際需求進行設置，通常需要考慮到實時性和性能的平衡。

【3】硬件連線說明

在此項目中，硬件模塊需要連接到STC89C52單片機的不同引腳。

下面是硬件模塊與單片機引腳的連接描述：

（1）MPU6050連接：

• MPU6050的SCL引腳（時鐘線）連接到STC89C52的P1.0引腳，作為I2C總線的時鐘線。
• MPU6050的SDA引腳（數(shù)據(jù)線）連接到STC89C52的P1.1引腳，作為I2C總線的數(shù)據(jù)線。
• MPU6050的VCC引腳連接到電源正極（3.3V或5V）。
• MPU6050的GND引腳連接到電源地線。

（2）OLED顯示屏連接：

• OLED顯示屏的SCL引腳（時鐘線）連接到STC89C52的P1.2引腳，作為SPI總線的時鐘線。
• OLED顯示屏的SDA引腳（數(shù)據(jù)線）連接到STC89C52的P1.3引腳，作為SPI總線的數(shù)據(jù)線。
• OLED顯示屏的RST引腳（復位線）連接到STC89C52的P1.4引腳，用于復位顯示屏。
• OLED顯示屏的DC引腳（數(shù)據(jù)/命令選擇線）連接到STC89C52的P1.5引腳，用于選擇發(fā)送數(shù)據(jù)或命令。
• OLED顯示屏的CS引腳（片選線）連接到STC89C52的P1.6引腳，用于選中顯示屏。
• OLED顯示屏的VCC引腳連接到電源正極（3.3V或5V）。
• OLED顯示屏的GND引腳連接到電源地線。

三、項目代碼設計

#include <reg52.h>
#include <intrins.h>

// 定義OLED顯示屏引腳
sbit OLED_RST = P1^0;   // RST引腳
sbit OLED_DC = P1^1;    // DC引腳
sbit OLED_DIN = P1^2;   // DIN引腳
sbit OLED_CLK = P1^3;   // CLK引腳
sbit OLED_CS = P1^4;    // CS引腳

// 姿態(tài)檢測傳感器相關定義
sbit MPU_SCL = P2^6;    // I2C時鐘引腳
sbit MPU_SDA = P2^7;    // I2C數(shù)據(jù)引腳

// 定義全局變量
float pitch = 0.0;       // 當前設備的俯仰角

// OLED顯示屏相關函數(shù)
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總線相關函數(shù)
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相關函數(shù)
void MPU_Init();
void MPU_WriteReg(unsigned char reg, unsigned char dat);
unsigned char MPU_ReadReg(unsigned char reg);
void MPU_ReadData(short *data);

// 延時函數(shù)
void Delay(unsigned int n);

// 主函數(shù)
void main() {
    unsigned char str[16];
    
    MPU_Init();   // 初始化MPU6050
    OLED_Init();   // 初始化OLED顯示屏
    
    while (1) {
        short data[3];
        MPU_ReadData(data);   // 讀取姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)
        
        pitch = -atan2(data[1], data[2]) * (180.0 / 3.14159);   // 計算俯仰角度
        
        sprintf(str, "Pitch:%.2f", pitch);   // 格式化俯仰角數(shù)據(jù)
        OLED_ShowString(0, 0, str);   // 在OLED顯示屏上顯示俯仰角度
        
        Delay(100);
    }
}

// OLED顯示屏寫命令
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顯示屏寫數(shù)據(jù)
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顯示屏初始化
void OLED_Init() {
    OLED_RST = 0;
    Delay(100);
    OLED_RST = 1;
    Delay(100);
    
    OLED_WrCmd(0xae);   // 關閉顯示
    OLED_WrCmd(0x00);   // 設置低列地址
    OLED_WrCmd(0x10);   // 設置高列地址
    OLED_WrCmd(0x40);   // 設置起始行地址
    OLED_WrCmd(0x81);   // 對比度設置
    OLED_WrCmd(0xcf);   // 設置對比度
    OLED_WrCmd(0xa1);   // 設置段重映射
    OLED_WrCmd(0xc8);   // 設置列重映射
    OLED_WrCmd(0xa6);   // 正常顯示
    OLED_WrCmd(0xa8);   // 多路復用設置
    OLED_WrCmd(0x3f);   // 設置多路復用
    OLED_WrCmd(0xd3);   // 設置顯示偏移
    OLED_WrCmd(0x00);   // 設置顯示偏移
    OLED_WrCmd(0xd5);   // 設置顯示時鐘分頻
    OLED_WrCmd(0x80);   // 設置顯示時鐘分頻
    OLED_WrCmd(0xd9);   // 設置預充電周期
    OLED_WrCmd(0xf1);   // 設置預充電周期
    OLED_WrCmd(0xda);   // 設置COM硬件引腳配置
    OLED_WrCmd(0x12);   // 設置COM硬件引腳配置
    OLED_WrCmd(0xdb);   // 設置VCOMH電壓倍率
    OLED_WrCmd(0x40);   // 設置VCOMH電壓倍率
    OLED_WrCmd(0x8d);   // 設置DC-DC電壓輸出開關
    OLED_WrCmd(0x14);   // 設置DC-DC電壓輸出開關
    OLED_WrCmd(0xaf);   // 打開顯示
    OLED_Fill(0x00);    // 清屏
}

// OLED顯示屏設置位置
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顯示屏填充
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顯示屏顯示字符串
void OLED_ShowString(unsigned char x, unsigned char y, unsigned char *str) {
    unsigned char c = 0, i = 0;
    
    while (str[i] != '?') {
        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總線開始信號
void I2C_Start() {
    MPU_SDA = 1;
    MPU_SCL = 1;
    Delay(1);
    MPU_SDA = 0;
    Delay(1);
    MPU_SCL = 0;
}

// I2C總線停止信號
void I2C_Stop() {
    MPU_SDA = 0;
    MPU_SCL = 1;
    Delay(1);
    MPU_SDA = 1;
    Delay(1);
}

// I2C總線等待應答信號
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總線發(fā)送應答信號
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總線發(fā)送非應答信號
void I2C_NAck() {
    MPU_SCL = 0;
    MPU_SDA = 1;
    Delay(1);
    MPU_SCL = 1;
    Delay(1);
    MPU_SCL = 0;
}

// I2C總線發(fā)送一個字節(jié)數(shù)據(jù)
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總線讀取一個字節(jié)數(shù)據(jù)
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);   // 輸入器件地址
    I2C_WaitAck();
    I2C_SendByte(0x6b);   // PWR_MGMT_1寄存器地址
    I2C_WaitAck();
    I2C_SendByte(0x00);   // 寫0，喚醒設備
    I2C_WaitAck();
    I2C_Stop();
}

// MPU6050寫寄存器
void MPU_WriteReg(unsigned char reg, unsigned char dat) {
    I2C_Start();
    I2C_SendByte(0xd0);   // 輸入器件地址
    I2C_WaitAck();
    I2C_SendByte(reg);    // 寄存器地址
    I2C_WaitAck();
    I2C_SendByte(dat);    // 數(shù)據(jù)
    I2C_WaitAck();
    I2C_Stop();
}

// MPU6050讀寄存器
unsigned char MPU_ReadReg(unsigned char reg) {
    unsigned char dat;
    
    I2C_Start();
    I2C_SendByte(0xd0);   // 輸入器件地址
    I2C_WaitAck();
    I2C_SendByte(reg);    // 寄存器地址
    I2C_WaitAck();
    I2C_Start();
    I2C_SendByte(0xd1);   // 輸出器件地址
    I2C_WaitAck();
    dat = I2C_ReadByte();  // 讀取數(shù)據(jù)
    I2C_NAck();
    I2C_Stop();
    
    return dat;
}

// MPU6050讀取數(shù)據(jù)
void MPU_ReadData(short *data) {
    unsigned char i;
    unsigned char buf[14];
    
    I2C_Start();
    I2C_SendByte(0xd0);   // 輸入器件地址
    I2C_WaitAck();
    I2C_SendByte(0x3b);   // 寄存器地址
    I2C_WaitAck();
    I2C_Start();
    I2C_SendByte(0xd1);   // 輸出器件地址
    I2C_WaitAck();
    
    for (i = 0; i < 13; i++) {
        buf[i] = I2C_ReadByte();   // 讀取數(shù)據(jù)
        I2C_Ack();
    }
    
    buf[13] = I2C_ReadByte();   // 讀取數(shù)據(jù)
    I2C_NAck();
    I2C_Stop();
    
    // 數(shù)據(jù)轉換
    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、總結

這個項目是基于單片機設計的水平儀，使用了STC89C52作為主控芯片和MPU6050作為姿態(tài)檢測傳感器。其主要功能是檢測當前設備的姿態(tài)，并計算出水平偏移值，最后通過OLED顯示屏實時展示。

整個項目涉及到硬件和軟件兩個方面。硬件方面，使用STC89C52作為主控芯片，負責控制整個系統(tǒng)的運行和數(shù)據(jù)處理。MPU6050姿態(tài)檢測傳感器用于獲取設備的姿態(tài)信息，包括加速度和角速度。OLED顯示屏采用SPI接口的0.96寸顯示屏，用于將計算得到的水平偏移值實時顯示出來。

軟件方面，編寫嵌入式C程序來實現(xiàn)系統(tǒng)的功能。通過STC89C52與MPU6050進行通信，獲取姿態(tài)傳感器的原始數(shù)據(jù)。根據(jù)這些原始數(shù)據(jù)進行姿態(tài)計算，得到水平偏移值。再將計算得到的水平偏移值通過SPI接口發(fā)送給OLED顯示屏，實時顯示在屏幕上。

項目利用STC89C52和MPU6050實現(xiàn)了一個水平儀，能夠檢測設備的姿態(tài)并計算出水平偏移值，并通過OLED顯示屏實時展示。這個水平儀可以在許多應用場景中使用，如建筑工地、航空航天等需要測量水平的領域。