【正文】 可持續(xù)發(fā)展的最終的目標(biāo)。 2 系統(tǒng)方案分析與選擇論證 系統(tǒng)方案設(shè)計 主控芯片方案 方案一：采用 ST(STMicroelectronics)公司的 STM32F103VCT6 單片機(jī)作為主控芯片。 農(nóng)業(yè)機(jī)械車輛的姿態(tài)角監(jiān)測設(shè)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(jī)，不帶內(nèi)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(jìn)行通信， GSM 模塊需要借助移動衛(wèi)星或者手機(jī)卡，雖說能夠遠(yuǎn)距離傳輸，但是其 成本較大，且需要內(nèi)置 SIM(Subscriber Identity Module)卡，通信過程中需要收費(fèi)，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(nèi)部完成了信號的采集、校準(zhǔn)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(yīng)用中測量靜態(tài)重力加速度，還可以從運(yùn)動或者振動中生成動態(tài)加速度，其可工作在溫度范圍內(nèi)。 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(jìn)行采集數(shù)據(jù)。 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(biāo) 載體的三個軸向的線加速度和角加速度數(shù)據(jù)以及磁場強(qiáng)度信息，經(jīng)STM32F103VCT6 主控處理數(shù)據(jù)后通過無線射頻模塊 nRF24L01 發(fā)送數(shù)據(jù)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(gòu)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(nóng)業(yè)機(jī)械車輛的姿態(tài)角監(jiān)測設(shè)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(chǎn)一款無線通信芯片，采用 FSK調(diào)制方式，內(nèi)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(shè)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(shè)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(jìn)制補(bǔ)碼格式的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，其可工作在溫度范圍內(nèi)。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(shè)備連接到同樣的 I2C 總線上， 這些設(shè)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(zhuǎn)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(jī)模塊電路圖 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計 單片機(jī)軟件設(shè)計 發(fā)送端流程 初始化過程：進(jìn)行對 STM32F103VCT6 進(jìn)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(jìn)行校正。 發(fā)送端程序流程圖如下圖 10 所示 開始使能設(shè)備時鐘RC初始化NRF20LIC3G4和ADX345定時器是否到10ms？讀取L3G420數(shù)據(jù)讀取45數(shù)據(jù)讀取HMC58數(shù)據(jù)對ADXL345數(shù)據(jù)中值濾波四元數(shù)運(yùn)算Kalmn濾波NRF24L01發(fā)送數(shù)據(jù)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(jù)進(jìn)行篩選，假設(shè)為對象為 M 個數(shù)據(jù)，則每輸出 M 個數(shù)據(jù)則選出該 M 個數(shù)據(jù)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(zhuǎn)，它的標(biāo)量部分表示旋轉(zhuǎn)角度的大小，矢量部分表示轉(zhuǎn)軸的方向。 K1 是時間段 T 開始時的斜率， K2 是時間段中點(diǎn)的斜率， K3 也是中點(diǎn)的斜率， K4是時間段終點(diǎn)的斜率。 (12) 上式是利用上一狀態(tài)預(yù)測的結(jié)果來估計 X(k|k1)， X(k1|k1)是上一狀態(tài)最優(yōu)的結(jié)果。 卡爾曼濾波的算法流程如下圖 12 所示。將通道 0、 5 設(shè)置為接收模式來接收應(yīng)答信號，并且允許自動應(yīng)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(yīng)盡可農(nóng)業(yè)機(jī)械車輛的姿態(tài)角監(jiān)測設(shè)計 17 能靠近單片機(jī)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(jī)以外，用仿真插頭將所連接電路與單片機(jī)仿真器的仿真接口相連，為軟件調(diào)試做好準(zhǔn)備。同時，移動進(jìn)行四元素陀螺儀和加速度計模塊，觀察數(shù)據(jù)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(nèi)容和位置都都不能正常顯示，然后經(jīng)過排查，發(fā)現(xiàn)問題在于液晶顯示器的對比度沒調(diào)節(jié)正確。發(fā)送成功后，調(diào)試接收端，接收端也禁用自動應(yīng)答功能，直接接收發(fā)送端發(fā)過來的數(shù)據(jù)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(jù)，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(jù) 參考數(shù)據(jù) 測量數(shù)據(jù) 絕對誤差 相對誤差 如表 6 翻滾角實驗數(shù)據(jù)所示，翻滾角是指繞著前進(jìn)方向 X 軸翻轉(zhuǎn)。 本設(shè)計雖完成基本功能，且包含有無線傳輸功能