1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

一、倾角测量的实际应用：

物体在运动中的倾角是描述物体运动状态及特征的重要参数。在很多应用领域中，经常需要测量某个物体是否处于水平、垂直位置或者与水平面的夹角,并且通过对测得的数据的分析和处理，实现对系统的监测控制^[1]。

倾角测量在现实生活中的应用有很多，如建筑施工中的质量检测，船舶、飞机、汽车等的姿态控制，地震、山体滑坡、雪崩等自然灾害的监测，特殊仪器设备的水平校准，铁路、桥梁、大坝、高层建筑等的安全系数的监测，手持电子设备新功能的开发等^[2]。

总而言之，在交通、航天、军事等诸多领域中，倾角测量都有着十分重要的作用，因此开发出成本适中、测量精度高、测量范围广、抗干扰能力强的倾角测量模块具有很大的现实意义^[3]。

二、倾角测量的研究现状：

倾斜角度的传统测量方法通常采用水泡式水准仪或者是基于”液摆式”电解质检测的倾角传感器。前者测量范围小，稳定时间长，不能给出具体倾斜角值，难以用于高自动化程度场合；后者虽然精度高，但是价格昂贵，响应速度较慢^[4,5]。

目前，研究人员已经做了大量利用加速度传感器实现高精度倾角测量的设计研究，但以单轴、双轴的测量居多，关于三轴测量的研究涉及相对较少。单轴、双轴的测量法相对简单，但在摆幅和方位上不能兼顾，而通过三轴加速度传感器却可以设计出全摆幅、全方位、高精度的倾角测量模块^[6]。

在众多的倾角测量方法研究中，基于的技术和平台也不尽相同，常用的单片机主要有STC12C5A、STC12C5410AD、C8051F040、C8051F352、SPCE061A、STM32F103VE、MSP430系列单片机等，常用的加速度传感器模块有ADXL203、ADXL213、ADXL345、MMA7260Q、MMA7361L等。

三、倾角测量工作原理：

加速度传感器以重力（F =mg）为输入矢量来确定物体在空间的姿态。但加速度传感器不直接测量倾角，而是通过测量静止状态下重力加速度在三轴加速度传感器X、Y、Z三轴上的加速度分量，计算出各敏感轴与重力加速度方向的夹角，从而得出系统倾角^[7]。

当加速度传感器水平放置在水平面上时，其初始状态坐标系如图1所示，此时X轴与水平面的仰角为0，各轴上的静态加速度值为： ，，。

当X轴与水平面产生倾角θ时，加速度传感器的坐标系如图2所示。得各轴上的静态加速度值为： ，，。

由上述等式，可以得到倾角θ的计算公式：

公式 1

其他各敏感轴与水平面的夹角可用类似方法求出^[8,9]。

四、系统构成：

此次课题研究的倾角测量系统结构框图如图3所示。MMA7455为三轴加速度传感器模块，用于数据的采集。需在PC机上完成相应的程序设计，并下载到STM32开发板中，MMA7455模块采集数据经STM32处理之后，测得的角度将显示在液晶显示屏LCD上。

下面对系统中的主要组成部分MMA7455及STM32进行简单介绍：

1、加速度传感器模块介绍：

微机电系统(Micro Electro-Mechanical Systems，MEMS)是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域。目前MEMS市场的主导产品有微型压力传感器、加速度传感器、微喷墨打印头、数字微镜显示器等，其中微传感器所占比例相当大。新型的MEMS加速度传感器具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化等优点，其主要类型有压电式、压阻式、电容式和谐振式等^[10-13]。

此次设计选用的MEMS加速度传感器是MMA7455数字三轴加速度传感器模块。该模块的核心为Freescale公司的MMA7455L数字三轴加速度传感器，该模块设计使用官方推荐设计，板卡线路经过高电磁兼容设计和优化，具有输出精确、体积小、工作可靠、各种标识清晰、扩展性好等优点^[14,15]。

MMA7455是一款数字输出（I²C /SPI）、低功耗、紧凑型电容式微机械三轴加速度计，可以测量空间加速度，能够全面准确反映物体的运动性质，也可以利用测量出来的重力加速度在某方向上的分量来计算器件与水平面间的夹角^[16]。具有信号调理、低通滤波器、温度补偿、自测、可配置通过中断引脚（INT1或INT2）检测0g、以及脉冲检测（用于快速运动检测）等功能。0偏置和灵敏度是出厂配置，无需外部器件。用户可使用指定的0g寄存器和g-Select量程选择对0g偏置进行校准，量程可通过命令选择3个加速度范围（2g/4g/8g）^[17]。MMA745xL系列具备待机模式，这也使它成为以电池为电源的手持式电子器件的理想选择。

目前MMA7455在诸多方面都有应用，如手机/PMP/PDA等设备的图像稳定性、文字滚动、移动拨号、点击静音，自由下落检测，运动传感，故障记录仪，计步器等等，适用于手机、汽车、高档电子玩具和健身器械等领域^[18]。作为一款性能稳定且价格实惠的MEMS加速度传感器，MMA7455在未来的市场竞争中具有较大潜力。

2、STM32处理器介绍：

STM32系列处理器由ST Microelectronics公司推出，基于ARM公司的Cortex-M3内核，具有高性能、高兼容度、易开发、低功耗、低工作电压以及实时、数字信号处理的特点，是专为实现系统高性能与低功耗并存而设计的，且价格相对低廉^[19]。

STM32最初发布的时候共推出14个不同的型号，他们按性能被分为增强型STM32F103和基本型STM32F101两个版本，增强型最高CPU时钟为72MHz，外设配备完整，基本型最高CPU时钟为36MHz，外设配备数量较少^[20]。不同版本的STM32器件之间在引脚功能和应用软件上是兼容的，无论是增强型还是基本型，它们的封装类型和引脚分布是完全一致的，这一特点可以让开发人员在使用STM32系列微控制器的时候，不必改动PCB就可以随意更换器件型号。这些不同的STM32型号里内置Flash最大可达128KB，SRAM最大为20KB^[21]。目前市面上流通的STM32型号比较多，STM32F101表示基本型，STM32F102表示USB基本型，STM32F103表示增强型，STM32F105/107表示互联型。

此次设计选用的STM32系列处理器是由野火嵌入式开发工作室研发的野火STM32，其CPU型号为STM32F103VET6。根据STM32型号命名规则可知，STM32代表基于ARM Cortex-M3内核的32位微控制器，F代表通用类型，103代表增强型系列，V代表引脚数为100，E代表512K字节Flash，T代表LQFP封装，6代表工作温度范围为-40～85℃。

相对于其他系列的STM32，野火STM32整版尺寸只有13cm*11cm，却集成了众多功能模块，已经板载的模块有3.2寸TFT、以太网、CAN、485、TF Card、温湿度计等，另外还拥有摄像头接口、三轴加速接口、无线接口、音频接口、zigbee接口、WiFi接口等接口，其中三轴加速接口就是此次设计所选用的接口，用来连接MMA7455模块。

五、总结及展望：

在导师的指导下，并结合自己在专业课学习过程中积累的知识，我的毕业设计课题选择了”基于STM32和数字三轴加速度传感器的倾角测量”，目标是实现对器件加速度和倾角的较高精度测量，并通过串口打印数据。

在设计的前期准备工作中，要注重收集并整理相关学习资料，整体学习STM32系列处理器以及MEMS加速度传感器的知识，也要结合所选用的器材，重点学习野火STM32开发板的相关接口和使用方法以及MMA7455模块的相关知识。由于野火STM32开发板的硬件配置比较完善，此次设计的重点在于倾角测量的软件设计部分（程序编写及调试），因此，不仅要了解三轴加速度传感器的工作原理，还要提前巩固C语言的相关知识。相信经过充分的前期准备以及对课题的深入研究和把握，预期的课题效果基本可以达到。

六、参考文献：

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

一、本课题要研究或解决的问题：

以stm32微控制器为平台，通过c语言完成程序的设计及调试，采用数字三轴加速度传感器mma7455进行较高精度的器件加速度和倾角测量，并且并通过串口打印数据。

本课题的研究要点：