【正文】 可持續(xù)發(fā)展的最終的目標。 2 系統(tǒng)方案分析與選擇論證 系統(tǒng)方案設計 主控芯片方案 方案一：采用 ST(STMicroelectronics)公司的 STM32F103VCT6 單片機作為主控芯片。 農業(yè)機械車輛的姿態(tài)角監(jiān)測設計 2 方案二： ATmega16 芯片是 ATmel公司一款 8 位微處理器。此芯片為51 類單片機，不帶內部時鐘，外部資源少。 無線通信模塊方案 方案一：采用 GSM(Global System for Mobile)模塊進行通信， GSM 模塊需要借助移動衛(wèi)星或者手機卡，雖說能夠遠距離傳輸，但是其 成本較大，且需要內置 SIM(Subscriber Identity Module)卡，通信過程中需要收費，后期成本較高。能傳輸上千米的距離 (加定向天線 )，而且價格較便宜，采用 SPI 總線通信模式電路簡單，操作方便。 ADIS16355 具有三軸陀螺和三軸加速度計。傳感器內部完成了信號的采集、校準與濾波處理，具有自檢功能，還有 1 路 ADC 輸入、 1 路 DAC 輸出和 2 路數(shù)字 I/O。 ADXL345 是 AD(IAnalog Devices, Inc.)公司于 20xx年發(fā)布的一款數(shù)字式三軸加速度計傳感器。 ADXL345 可以在傾斜感測應用中測量靜態(tài)重力加速度，還可以從運動或者振動中生成動態(tài)加速度，其可工作在溫度范圍內。 500dps、177。相比于同時使用 ADXL34 L3G4200 和 HMC5883 三種種傳感器，線路比較簡單，都可以用 I2C 通信進行采集數(shù)據。 方案二：采用字符液晶 LCD1602 顯示信息， LCD1602 是一款比較通用的字符液晶模塊，能顯示字符和數(shù)字等信息，且價格便宜，容易控制。 系統(tǒng)最終方案 發(fā)送端：由 ADXL345 三軸加速度計、 L3G4200 三軸陀螺儀傳感器和 HMC5883 磁阻傳感器采集目標 載體的三個軸向的線加速度和角加速度數(shù)據以及磁場強度信息，經STM32F103VCT6 主控處理數(shù)據后通過無線射頻模塊 nRF24L01 發(fā)送數(shù)據到接收端顯示。晶振電路由兩個 10pF 左右電容和一個 8MHz 晶體振蕩器構成。 BOOT094NC73NRST14OSC_IN12OSC_OUT13PA0WKUP23PA124PA225PA326PA429PA530PA631PA732PA867PA968PA1069PA1170PA1271PA13/JTMS/SWDIO72PA14/JTCK/SWCLK76PA15/JTDI77PB035PB136PB2/BOOT137PB3/JTDO89PB4/JNTRST90PB591PB692PB793PB895PB996PB1047PB1148PB1251PB1352PB1453PB1554PC015PC116PC217PC318PC433PC534PC663PC764PC865PC966PC1078PC1179PC1280PC13TAMPERRTC7PC14OSC32_IN8PC15OSC32_OUT9PD081PD182PD283PD384PD485PD586PD687PD788PD855PD956PD1057PD1158PD1259PD1360PD1461PD1562PE097PE198PE21PE32PE43PE54PE65PE738PE839PE940PE1041PE1142PE1243PE1344PE1445PE1546VDD_150VDD_275VDD_3100VDD_428VDD_511VDDA22VREF20VREF+21VSS_149VSS_274VSS_399VSS_427VSS_510VSSA19VBAT6U110pfC310pfC5128MGND10kR110kR4GND1234PA0PA1PA2PA3SPI1_NSSSPI1_SCKSPI1_MISOSPI1_MOSIPA8PA9PA10PA11PA12SWDIOSWCLKPA15PB0PB1INT0DRDYPB5PB6PB7SCLSDAPB10PB11PB12PB13PB14PB15SWDIOSWCLKPC0PC1PC2PC3PC4PC5PC6PC7PC8PC9PC10PC11PC12PC13PD0PD1INT2INT1PD4PD5PD6PD7PD8PD9PD10PD11PD12PD13PD14PD15PE0PE1PE2PE3PE4PE5PE6PE7PE8PE9PE10PE11PE12PE13PE14PE15NRST3V33V3GNDGNDGNDGNDGNDGNDGND3V33V33V33V33V3 圖 2 STM32F103VCT6 系統(tǒng)電路 農業(yè)機械車輛的姿態(tài)角監(jiān)測設計 6 nRF24L01 無線模塊 無線模塊原理圖 nRF24L01(陶成林， 20xx)芯片是由 NORDIC 公司生產一款無線通信芯片，采用 FSK調制方式，內部集成有 NORDIC 的 Enhanced Short Burst 協(xié)議。 P7++CE1CSN2SCK3MOSI4MISO5IRQ6VDD7VSS8XC29XC110VDD_PA11ANT112ANT213VSS14VDD15IREF16VSS17VDD18DVDD19VSS20NRF24L011 216MY11MR122pFC122pFC2C3C415pFC515pFC612nHL1L2L310nFC91nFC833nFC722KR2E1CECSNSCKMOSIMISOIRO 圖 3 nRF24L01 模塊電路原理圖 接口電路 nRF24L01 是一款新型單片射頻收發(fā)器件，工作于 GHz～ GHz ISM(Industrial Scientific Medical)頻段。nRF24L01 功耗低，在以 6dBm 的功率發(fā)射時，工作電流也只有 9mA；接收時，工作電流只有 ，多種低功率工作模式 (掉電模式和空閑模式 )使節(jié)能設計更方便。 nRF24L0l 所有的配置字都由配置寄存器定義，這些配置寄存器可通過 SPI口訪問。其結構特點消除了軸與軸之間的干擾，可以使輸出信號避免受干擾信號的影響。 陀螺儀電路圖 圖 6 所示為陀螺儀電路圖，表 3 所示為 L3G4200 各引腳功能。20xxdps)供用戶選擇。 SDO 引腳可被用來修改設備的地址有效位。 加速度計傳感器 ADXL345三軸加速度計 ADXL345 是一款小而薄的超低功耗 3 軸加速度計傳感器，分辨率高 (13 位 )，可供用戶選擇四種測量范圍 (177。 16g)，可通過 SPI(3 線或 4 線 )或 I2C 通信接口輸出 16 位二進制補碼格式的數(shù)字數(shù)據，其可工作在溫度范圍內。自由落體檢測功能可以檢測器件是否正在掉落。 加速度計電路圖 圖 7 所示為加速度計的電路圖，與 STM32F103VCT6 通過 I2C 接口連接。如果其他設備連接到同樣的 I2C 總線上， 這些設備上的可控電壓不得超過 VDDI/ V。通過施加供電電源，傳感器可以將量測軸方向上的任何入射磁場轉變成一種差分電壓輸出。選擇測量模式為連續(xù)測量模式，采用 I2C 總線連接，測量速率取 75Hz。 AGND31X113X212RESET9PD2 (INT0)16PD3 (INT1)17PD4 (OC1B)18PD5 (OC1A)19PB0 (T0)1PB1 (T1)2PB2 (AIN0)3PB3 (AIN1)4PB4 (SS)5PB5 (MOSI)6PB6 (MISO)7PB7 (SCK)8(ADC0) PA040(ADC1) PA139(ADC2) PA238(ADC3) PA337(ADC4) PA436(ADC5) PA535(ADC6) PA634(ADC7) PA733PC022PC123PC224PC325PC426PC527(TOSC1) PC628(TOSC2) PC729PD7 (TOSC2)21PD6 (ICP)20AVCC30AREF32PD1 (TXD)15PD0 (RXD)14GND11VCC10RGND5V1222pfC1622pfC17RGND12345678 12345678B0B1B2B3ssmosimisosckA0A1A2A3A4A5A6A7RESET 圖 9 ATmega16 單片機模塊電路圖 4 系統(tǒng)軟件設計 單片機軟件設計 發(fā)送端流程 初始化過程：進行對 STM32F103VCT6 進行基本配置，包括時鐘的配置和引腳的配置，初始化定時器，初始化并配置 ADXL345 傳感器和 L3G4200 傳感器，初始化無線模塊 NRF24L01；對 ADXL345 傳感器進行校正。 發(fā)送端程序流程圖如下圖 10 所示 開始使能設備時鐘RC初始化NRF20LIC3G4和ADX345定時器是否到10ms？讀取L3G420數(shù)據讀取45數(shù)據讀取HMC58數(shù)據對ADXL345數(shù)據中值濾波四元數(shù)運算Kalmn濾波NRF24L01發(fā)送數(shù)據是 圖 10 發(fā)送端程序流程圖 中值濾波算法 對按照時間輸出的數(shù)據進行篩選，假設為對象為 M 個數(shù)據，則每輸出 M 個數(shù)據則選出該 M 個數(shù)據中的中間值作為該時段的代表值。其形式為： (1) 四元數(shù)可以表示旋轉，它的標量部分表示旋轉角度的大小，矢量部分表示轉軸的方向。 K1 是時間段 T 開始時的斜率， K2 是時間段中點的斜率， K3 也是中點的斜率， K4是時間段終點的斜率。 (12) 上式是利用上一狀態(tài)預測的結果來估計 X(k|k1)， X(k1|k1)是上一狀態(tài)最優(yōu)的結果。 卡爾曼濾波的算法流程如下圖 12 所示。將通道 0、 5 設置為接收模式來接收應答信號，并且允許自動應答，自動重發(fā) 10 次，間隔為。 硬件的制作流程。晶體振蕩器和電容應盡可農業(yè)機械車輛的姿態(tài)角監(jiān)測設計 17 能靠近單片機芯片安裝，以減少寄生電容，更好是保證振蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。 在斷電的情況下，除單片機以外，用仿真插頭將所連接電路與單片機仿真器的仿真接口相連，為軟件調試做好準備。同時，移動進行四元素陀螺儀和加速度計模塊，觀察數(shù)據是否變化正確。剛上電的時 候，液晶顯示器上顯示空白，通過改變顯示內容和位置都都不能正常顯示，然后經過排查，發(fā)現(xiàn)問題在于液晶顯示器的對比度沒調節(jié)正確。發(fā)送成功后，調試接收端，接收端也禁用自動應答功能，直接接收發(fā)送端發(fā)過來的數(shù)據并通過液晶顯示出來。 圖 16 偏航角 kalman 濾波前后對比圖 以上三個濾波效果圖表明： kalman 算法能緩沖突變的數(shù)據，在一定程度上能減少毛刺，濾波效果明顯，不足之處是濾波不夠干凈，有時間上的延遲。 表 5 俯仰角實驗數(shù)據 參考數(shù)據 測量數(shù)據 絕對誤差 相對誤差 如表 6 翻滾角實驗數(shù)據所示，翻滾角是指繞著前進方向 X 軸翻轉。 本設計雖完成基本功能，且包含有無線傳輸功能