0 引言
随着科技水平的提高，机械产品需求越来越高，倾角测量仪越来越广泛地应用于工程机械设计、汽车电子设计、水平测量、电力系统监控以及建筑设计等各个行业的角度测量中。由于环境条件的干扰，对测量仪的要求越来越高，需要有较高的精度以及较强的抗干扰和抗冲击能力，并且需要结构简单易用。基于这种要求，本文改进设计出了一种新型倾角测量仪器。
1 系统概述
本设计主要由充电模块、倾角测量仪模块、主控制电路模块、显示模块等几部分组成。其中充电模块由电容、干电池等组成，为测量倾角提供电源；倾角测量仪模块是由加速度传感器ADXL345作为主要芯片的设计，主要用于测量倾角；主控模块采用了基于PIC16F685单片机为主芯片的设计；显示模块采用LCD显示模块，可以清晰地显示所测角度。设计中软硬件互相配合，并采用各种保护和抗干扰技术，通过优质算法使倾角测量仪的测量精度大大提高，并且采用低功耗元器件使所需能耗大大降低。
系统框架如图1所示。采用PIC16F685[1]作为主控制器,具有低电压启动、功耗低、体积小、抗干扰性强等优点，且内置I2C模块，可大大简化硬件电路和软件编程。ADXL345[2]是一款小而薄的超低功耗三轴加速度计，分辨率高(13位)，测量范围达±16 g，用其测量静态重力加速度。显示器选用低功耗的段码液晶，具有低压微功耗、外观小巧精致、显示信息量大、寿命长等优点。其工作原理是通过ADXL345模块检测得到数据，通过接口传送给单片机PIC16F685，再把测量结果通过输出接口传送给LCD显示。
2 理论分析与计算
2.1 倾角计算
在立体坐标轴情况下，可在全球面范围确定传感器的方向。可通过传统的直角坐标(x，y，z)—球面(ρ，θ，φ)转换法来表征xy平面倾斜角θ及重力矢量倾斜角与各轴测得加速度之间的关系。如以下二式[3]所示：
2.2 理论功耗分析
PIC16F685为采用纳瓦技术的20引脚8位CMOS闪存单片机。待机电流： 2.0 V时，典型值为1 nA；工作电流：32 kHz、2.0 V时，典型值为20 μA；4 MHz、5.5 V 时，典型值< 1 mA；看门狗定时器电流：2.0 V时，典型值< 1 μA。
RA2上的超低功耗唤醒（ULPWU）功能允许缓慢下降的电压能够在RA2上产生电平变化中断，同时不消耗很大的电流。将ULPWUE 位（PCON<5>）置1将选取超低功耗唤醒模式。这将产生一个小的灌电流，可用来对RA2上电容器进行放电。将ULPWUE位置1 以开始放电，并执行SLEEP指令。当RA2上电压下降到低于VIL时，将产生中断，将器件唤醒。该功能提供了一种周期性将器件从休眠中唤醒的低功耗方法。休眠时间取决于RA2上RC电路的放电时间。
如果运行条件超过了“绝对极限参数值”（总功耗：800 mw），即可能对器件造成永久性损坏。器件长时间工作在绝对极限参数条件下，其稳定性可能受到影响。MCLR引脚上若出现低于VSS的尖峰电压，感应电流超过80 mA，可能导致闭锁[4]。因此，在MCLR 引脚上施加低电平时，应使用一个50~100 Ω的串联电阻，而不是将该引脚直接与VSS 连接。
功耗计算公式为：
PDIS = VDD × {IDD - Σ IOH} +
Σ {(VDD - VOH) × IOH} +
Σ(VOL × IOL)
ADXL345是一款小而薄的超低功耗三轴加速度计，分辨率高(13位)，测量范围达±16 g。它具有自动调节功耗功能，与输出数据速率成比例，如表1所示。如果需要额外省电，可采用低功耗模式。该模式下，内部采样速率降低，12.5 Hz~400 Hz数据速率范围内达到省电目的，而噪声略微变大。要进入低功耗模式，在BW_ RATE寄存器(地址0x2C)中设置LOW_POWER位(位4)。表2为低功耗模式下的功耗，低功耗模式的优势从中可见。相对于正常功耗模式的数据速率，低功耗模式的数据速率并无任何优势。
3 硬件与程序设计
3.1 硬件设计
（1）主电路电气原理图如图2所示。
（2）电容充电装置电路图如图3所示。开关S闭合电池对电容C1充电，当C1电压达到一定电压值时，使VT1、VT2导通，此时C1通过R1、R2、VT2放电，当C1电压降到一定电压值时，VT1、VT2截止，电池再对C1充电，如此重复形成高频电，通过升压变压器升压后整流输出，再经稳压管VD2稳压给电容充电。
3.2 软件流程图与程序设计
（1）本设计的软件流程图如图4所示。
（2）程序设计
PIC16F685通过I2C方式对ADXL345芯片的内部寄存器进行读写操作，从而实现对该芯片的设置和对检测结果的数据读取[3]。
I2C通信模式电路连接图如图5所示，CS引脚拉高至VDD I/O，ADXL345处于I2C模式，需要简单2线式连接。ALT ADDRESS引脚处于高电平，器件的7位I2C地址是0x1D，随后为R/W位。这转化为0x3A写入，0x3B读取。通过ALT ADDRESS引脚(引脚12)接地，可以选择备用I2C地址0x53(随后为R/W位)。这转化为0xA6写入，0xA7读取。对于任何不使用的引脚，没有内部上拉或下拉电阻，因此，CS引脚或ALT ADDRESS引脚悬空或不连接时，任何已知状态或默认状态不存在。使用I2C时，CS引脚必须连接至VDD I/O，ALT ADDRESS引脚必须连接至任一VDD I/O或接地。
4 系统测试
4.1 测试方案
⑴目的：倾角变化时，能够达到设计要求，测量斜面倾角，范围为0°~ 90°。
⑵环境：日常情况，斜面倾角改变。
⑶设备：木板、电解电容、倾角测量装置。
⑷方法：通过自制充电装置给电解电容充电，然后电容给倾角测量仪供电；将倾角测量仪放在斜面上固定，手动控制木板变化，显示器件自动显示不同数据值，测量斜面倾斜角度。
4.2 测试结果及分析
（1）倾角改变而测量仪在斜面上固定时，实测角度和沿x轴、y轴、z轴方向上的分量显示结果如表3所示。
（2）倾角固定而测量仪在斜面上旋转时，实测角度和沿x轴、y轴、z轴方向上的分量测得一组数据如表4所示。
利用绝对误差和相对误差公式：
计算表3中的平均绝对误差为0.4°，平均相对误差值为0.88%，达到设计要求。同理可计算表4中的数据亦达到设计要求。
5 结论
经过试验测试分析表明，设计的倾角测量仪能够达到精度要求，并且能够满足实际的需求。实现了实时数字显示，功耗较低，能够在实际的工业中有较广的应用。