摘 要

本次设计的目标是基于FPGA的MMA7361倾角测量仪，本次设计采用的是睿智FPGA开发板ALTERA IV EP4CE四代，在本次设计中，传感器部分使用的是加速度传感器MMA7361，它可以根据物体重力的变化使自己的输出电压值发生变化，当角度发生倾斜时，传感器模块输出的电压值发生变化，然后通过ADS1118将得到的电压值转换成16位数字量输入FPGA进行处理，然后FPGA模块将所得的数据进行处理后得到倾斜角度，最后将角度值在LCD1602上面显示出来，进而完成了整个设计。

最后顺利地设计出了基于MMA7361传感器的倾角测量仪，设计出来的测量仪能够实现x,y两个方向上角度的测量，得到的倾角的测量范围为-90度到 90度。设计出的测量仪在x轴上的误差在3度，而在y轴上的误差在1度。该测量仪能够实时显示倾斜角度的变化最后还根据测得的具体数据对引起误差的因素进行了分析，可能是由于传感器或模数转换模块的精度不足。

关键词：FPGA；加速度传感器；MMA7361；LCD1602；倾角测量仪

Abstract

The goal of this design is based on FPGA MMA7361 tilt measuring instrument, this design is used in the wisdom of FPGA development board ALTERA IV EP4CE four generations, in this design, the sensor part of the use of three-axis acceleration sensor MMA7361, it can be based on Changes in the gravity of the object changes its output voltage, when the angle occurs when the sensor module output voltage changes, and then through the ADS1118 will be converted to the voltage value of 16-bit digital input FPGA processing, and then FPGA module The resulting data to be processed after the tilt angle, and finally the angle value displayed on the LCD1602 above, and then completed the entire design.

Finally, the design of the MMA7361 sensor based on the tilt measuring instrument, the design of the measuring instrument can achieve x, y angle measurement in both directions, the resulting tilt of the measurement range of -90 degrees to 90 degrees. The measured instrument has an error of 3 degrees on the x-axis and an error of 1 degree on the y-axis. The measuring instrument can display the change of the inclination angle in real time. Finally, the factors that cause the error are analyzed according to the measured specific data, which may be due to the lack of accuracy of the sensor or analog-to-digital conversion module.

Key words:FPGA；Accelerometer；MMA7361；LCD1602；Inclinometer

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1倾斜角测量概况 1

1.2倾斜角测量技术的发展现状和研究趋势 2

1.2.1发展现状 2

1.2.2研究趋势 3

1.3 研究内容 3

第2章 设计研究中的理论介绍 5

2.1 FPGA简介 5

2.2 Quartus II 5

2.2.1利用Quartus II软件的设计流程 6

2.2.2 加载至芯片流程 8

2.3本章小结 9

第3章 系统硬件设计 10

3.1供电模块 10

3.2 MMA7361加速度传感器模块 10

3.3 模数转换模块 11

3.4 FPGA模块 12

3.5 LCD1602液晶显示模块 14

3.6整体电路图 14

3.7 本章小结 16

第4章 系统软件设计 17

4.1系统模型 17

4.2 FPGA数据处理 18

4.3 LCD显示模块 19

4.4 模数转换模块 20

4.5本章小结 20

第5章 实物调试与误差分析 21

5.1实物图及原理图 21

5.2 调试及调试过程中遇到的问题 23

5.2.1 硬件调试 23

5.2.2软件调试 23

5.3倾角显示 23

5.4误差分析 25

第6章 总结与展望 26

6.1总结 26

6.2 展望 26

参考文献 28

附录 29

致谢 40

第1章 绪论

1.1 倾斜角测量概况

在目前这个科技技术迅猛进展的时代中，倾斜角测量技术被普遍应用于人们的日常活动中，伴着现代科技的进步，国际之间的深化交流，人们对这个技术的需求比以前更高了。这些年来，倾斜角测量在动态测量、精度等方面有了十分明显的提升。并与业界的高科技紧密联合，以更好地提高产品在市场上的竞争力。系统理论、人工智能、数字滤波、动态数学模型的建设，在倾斜角度测量领域得到了使用和推广。

对于倾角测量技术，从目前中国的发展情况来看，尽管在种类和质量方面都有了长足的提升与进步，产品在基本组件的配合方式方面也有了非常显著的提高，然而和外国先进程度比较还是存在较大的差距，技术展开的路途仍然还很漫长。

最原始的水泡式测量仪依然是使用频率最高的用来判别倾斜角度的仪器，经常在修建工程领域得到应用，因为电子科技与制作技艺的进步，倾角测量的工具也比之前的工具更加智能化。中国此类产品的研发和实验大致上是从二十世纪九十年代逐渐开展的，研究开发的原理被限制在小范围里面，产品也未能形成大规模的产能，因而大多数用户都是从国外直接购置产品的。但从中国的测量技术工业根底来看，我们有自己完成设计的实力。中国在之前引入的测量技术，仅仅局限在部分技术层次上而没有获得关键性技术。对于各国大量投资研究出来的新技术和以前研究成功的技术，外国公司转让给我们的是被淘汰的科技，并没有真正的将核心科技转让给我们，替他们原来的产品延伸使用周期，将产品的生产线迁移到国内进行生产，得以霸占国内的消费市场，并且从中获取利益。长此以往，国内的公司对这些外来技术的依赖性逐渐增强，使得该产业在国内的创造发展和竞争实力的增强充满了局限性。更加严重的情况是，刚开始对于外国仪器的引入投产时，是由多个国度，多个企业一同协作在国内的产物，因为多个国家、公司在技术布局、详细规范等方面没有办法达成一致，导致早期所引进的那些在国人看来非常先进的技术产品，其实其中技术标准都是乱七八糟的，对用户在日后对于这些产品的使用，维护带来了诸多不便。在这种复杂的局势之下，难以制订统一的规范用来构成国家标准，所以，中国要想解决这种对于国外技术的依赖性，必须制定标准化的研究产能规范，走科技研发创新的路线。

二十世纪末，国外的倾角测量技术逐渐步入数字化时代。产品在步入二十一世纪之后不但能够测量得出非常准确的结论，并且还可以对测量结果的形态、变换趋向提供一个非常准确的评价，对于动态变化过程中的量而言，还能进行实时测量。虽然，国内在这个行业起步较晚，但随着持续深化地改变，致力于赶超国外一流程度，以中国传统测量方法为基础，深化改革，勇于创新，有朝一日肯定可以使国内测量行业达到较高水平。

1.2 倾斜角测量技术的发展现状和研究趋势

1.2.1 发展现状

为了迎合时代飞快发展的进程以及满足人们对于产品及服务近乎苛刻的要求,和其余行业那样,研究人员的考虑重心是如何让倾角测量这项任务满足人们日常工作学习中应用的具体要求。对于一般的外国产品而言,已经满足了人性化、操作方便简单、适用面十分广泛、产品功能丰富等特点,而中国产品因为功能不太全面、适用面较窄、精度不够高、稳定性能较差等因素导致在与国外产品的竞争中处于严格意义上的劣势。