本科毕业设计
农业机械车辆的姿态角监测设计
摘 要
姿态角是一个非常重要的参数。在工业、农业和军事等各个领域中，都需要用姿态角反馈目标载体的运动状况。随着当今科学技术的高速发展，高新技术在现代化农业中应用越加广泛，农业现代化需要以智能化的技术作支撑。而在实现智能化过程中，需要对检测目标的运动状况进行实时反馈以进行控制。因此，采集姿态角的数据以反馈目标载体运动状况在智能化设备中尤为重要。
本文提出一种基于ADXL345三轴加速度计、L3G4200三轴陀螺仪传感器和HMC5883磁阻传感器的姿态角检测系统。该系统采用了基于ARM Cortex-M3内核的STM32f103VCT6单片机作主控芯片，采集和处理ADXL345、L3G4200和HMC5883的数据得到姿态角数据，利用nRF24L01无线模块发送到接收显示模块上进行数据显示。通过nRF24L01无线发送接收模块，可以实现姿态角的实时检测的功能。
通过实验测试分析，结果表明，采用ADXL345、L3G4200和HMC5883的三者的数据融合处理后得出的数据绝对误差小于10%。
关键字：单片机 无线模块 加速度计 陀螺仪 磁阻传感器
Monitor the Attitude Angle of Agricultural Machinery Vehicle
Wu Bangbin
(College of Engineering,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China) Abstract:Attitude angle is a very important paramete. In various fields of industry, agriculture and military,there needs attitude angle to give feedback on the movement of the target vector.With the rapid development of today 's science and technology, High-tech applications become increasingly and widely used in modern agriculture, thus the modernization of agriculture needs to be supported by intelligent technology. In the process of realization of intelligent, it needs to control real-time feedback on the status of the motion of the detection target.Therefore,the data collected by attitude angle to give feedback on target carrier movement of intelligent devices is particularly important.
This paper presents an attitude angle detection system based on ADXL345 three-axis accelerometer,L3G4200 three axis gyro sensor and HMC5883 magnetoresistive sensor. The system uses STM32F103VCT6 ARM Cortex-M3 core-based microcontroller as the master chip. Through acquisition and processing data from ADXL345, L3G4200 and HMC5883, attitude angle data was obtained. Then, nRF24L01 sent the obtained information to the receiver on whose display module shows real-time data. Through wireless transmission, function of real-time detection can be realized.
Through the experimental analysis, the results show that abse of the data after being pocessed the fusion by using ADXL345, L3G4200 and HMC5883 is less than 10%.
Keywords : SCM nRF24L01 acceleration sensor Gyroscope Magnetoresistive sensor
目 录
1 前言......................................................................................................................................... 1
2 系统方案分析与选择论证................................................................................................... 1
2.1 系统方案设计.................................................................................................................. 1
2.1.1 主控芯片方案.............................................................................................................. 1
2.1.2 无线通信模块方案...................................................................................................... 2
2.1.3 陀螺仪、加速度计传感器方案.................................................................................. 2
2.1.4 显示模块方案.............................................................................................................. 3
2.2 系统最终方案.................................................................................................................. 4
3 主要芯片介绍和系统模块硬件设计................................................................................... 4
3.1 STM32F103VCT6模块 .................................................................................................. 4
3.2 nRF24L01无线模块 ....................................................................................................... 6
3.2.1 无线模块原理图.......................................................................................................... 6
3.2.2 接口电路.................................................................................................................... 6
3.2.3 寄存器配置.................................................................................................................. 7
3.3 供电电源........................................................................................................................ 8
3.4 陀螺仪传感器.................................................................................................................. 8
3.4.1 L3G4200三轴陀螺仪 ................................................................................................. 8
3.4.2 陀螺仪电路图.............................................................................................................. 8
3.4.3 L3G4200陀螺仪工作特点 ......................................................................................... 9
3.5 加速度计传感器.............................................................................................................. 9
3.5.1 ADXL345三轴加速度计 ........................................................................................... 9
3.5.2 加速度计电路图........................................................................................................ 10
3.5.3 ADXL345工作特点 ................................................................................................. 11
3.6 磁阻传感器...................................................................................................................... 11
3.6.1 HMC5883磁阻传感器 ............................................................................................... 11
3.6.2 HMC5883电路图 ........................................................................................................ 11
3.6.3 HMC5883工作特点 ................................................................................................... 11
3.7 ATmega16单片机模块................................................................................................. 12
4 系统软件设计....................................................................................................................... 12
4.1 单片机软件设计.............................................................................................................. 12
4.1.1 发送端流程.................................................................................................................. 12
4.1.2 中值滤波算法.............................................................................................................. 13
4.1.3 四元数算法.................................................................................................................. 14
4.1.4 kalman 滤波算法 . ...................................................................................................... 14
4.2.1 接收端流程.................................................................................................................. 16
5 硬件电路............................................................................................................................... 16
5.1 硬件制作........................................................................................................................ 16
5.2 硬件调试........................................................................................................................ 16
5.3 硬件调试结果................................................................................................................ 17
5.4测试数据........................................................................................................................... 17
6 结论..................................................................................................................................... 20
参考文献................................................................................................................................... 21
附录........................................................................................................................................... 22 致谢.......................................................................................................... 错误！未定义书签。 华南农业大学本科生毕业设计成绩评定表
1 前言
我国既是一个农业大国同时在某种意义上来说也是人口大国，农业不仅仅关系到国家安全及国计民生，而且在国民经济中也占有很举足轻重的地位。目前，我国正面临着人多地少、环境恶化、资源短缺、人增地减等现状。人均耕地水平不能满足人民日常生活需要，所以，如何在现代农业生产中增加粮食的产量和提高农机作业效率成为当前农业生产的首要目标，因此，农业要实现现代化就一定要走大农业和机械化、智能化道路。伴随着科学技术的发展，农业科技技术也随着科学技术的更新也已经在全球发展，进而产生了以信息技术及生物技术为导向的现代化农业，“精准农业”技术就是现代化农业技术的代表，是我国农业信息现代化的一个重要的组成部分。实施现代化农业也就是利用现代化高科技技术到现在的传统农业生产中，目前我国现代化农业的大致趋向是在农机机械在实现机械化的基础之上，把各种高科技技术应用到农业生产中，例如全球卫星定位技术、地理信息技术及3D 遥感技术等，最终实现农业生产现代化、科学化、智能化，能够达到高效产出的效果，并且能够保护生态环境进而实现农业可持续发展的最终的目标。
农业机械姿态角的检测系统作为“精准农业”技术的重要一部分，担任着反馈桥梁的作用。为了能更好的农业的智能化，必须提高姿态角检测的稳定性和准确性，以更好的得到反馈信息进行精确控制农业机械的运转状况。本文通过对三轴陀螺仪和三轴加速度计的数据进行采集和处理，进行四元数算法的计算和kalman 滤波，得到稳定的目标载体姿态角的数据。
2 系统方案分析与选择论证
2.1 系统方案设计
2.1.1 主控芯片方案
方案一：采用ST(STMicroelectronics)公司的STM32F103VCT6单片机作为主控芯片。ST 公司的32位STM32系列微控制器是专门为微控制系统、工业控制系统和无线网络等对功耗和成本敏感的嵌入式应用领域而设计的。STM32F103VCT6是一款基于ARMv7- M 体系结构的32位标准处理器，工作频率高达72 MHz ，具有3个通用定时器、1个高级控制定时器、7个独立的DMA 通道、1个USB 接口、3个USART 接口、2个SPI 接口和2个I 2C 接口。STM32F103VCT6的外围电路仅需要外部晶振和少数电容，内部自带的SW 接口便于调试和下载。
方案二：ATmega16芯片是ATmel 公司一款8位微处理器。它的主频高达16MHz ，片内集成16KB 的闪存存储器(Flash)、512字节的EEPROM 、1K 的SRAM ，另外指令系统丰富，I/O的控制和扩展功能较强。同时集成了许多标准模块，具有1路异步串行通信USART 接口，1路串行设备接口(SPI)，2个8位定时器，1个16位定时器，3个PWM 通道，一个实时时钟RTC ，8个8通道10字节的模数转换器(ADC)，一个模拟比较器，同时它还具有一个片内系统时钟、JTAG 接口、ISP 接口、自编程SPM 。
方案三：采用宏晶科技有限公司的STC89C52RC 单片机作为主控芯片。此芯片为51类单片机，不带内部时钟，外部资源少。
考虑到此系统主控部分对数据处理算法的复杂度和实时性要求，需要对传感器采集的数据进行数字滤波、四元数运算和kalman 滤波等复杂运算，需要求主控芯片处理速率较快。从性能和要求上综合考虑我们选择方案一，即用STM32F103VCT6作为本系统的主控芯片。对于系统的接收显示部分，为了简化外围电路设计，则选用ATmega16做主控芯片。
2.1.2 无线通信模块方案
方案一：采用GSM(Global System for Mobile)模块进行通信，GSM 模块需要借助移动卫星或者手机卡，虽说能够远距离传输，但是其成本较大，且需要内置SIM(Subscriber Identity Module)卡，通信过程中需要收费，后期成本较高。
方案二：采用TI(德州仪器) 生产的C2430无线通信模块，此模块采用Zigbee 总线模式，传输速率可达250kbps ，且内部集成高性能8051内核。但是此模块价格较贵，且Zigbee 协议相对较为复杂。
方案三：采用nRF24L01无线射频模块进行通信，nRF24L01是一款高速低功耗的无线通信芯片, 由NORDIC 公司生产。能传输上千米的距离(加定向天线) ，而且价格较便宜，采用SPI 总线通信模式电路简单，操作方便。
综合考虑系统要求和成本等方面的因素，采用方案三作为本系统的无线通信方案。
2.1.3 陀螺仪、加速度计传感器方案
方案一：采用ADIS16355作为测量线加速度和角加速度的传感器。ADIS16355是ADI 公司推出的一款具有-40℃~85℃温度范围内校准、SPI 接口输出的六自由度惯性测量传感器，出厂前已经对产品的零偏和灵敏度进行了全温校准。ADIS16355具有三轴陀螺和三轴加速度计。三轴陀螺和加速度计具有14位分辨率，陀螺的测量范围可配置
为、、，加速度计的测量范围为±10g ，传感器带宽达350 Hz。ADIS16355的输出零偏稳定性为，温度系数为，角度随机游走为，适于精度要求较高的应用。传感器内部完成了信号的采集、校准与滤波处理，具有自检功能，还有1路ADC 输入、1路DAC 输出和2路数字I/O。SPI 接口能够输出3个角速率信号、3个线加速度计信号、3个温度传感器信号和电源电压信号。但是其体积较大，成本高，接口类型等原因使用不方便。
方案二：采用ADXL345三轴加速度计、L3G4200三轴陀螺仪和磁阻传感器分别测量线加速度、角加速度和磁阻值。ADXL345是AD(IAnalog Devices, Inc.) 公司于2009年发布的一款数字式三轴加速度计传感器。ADXL345最大量程可以达到±16g ，可以进行高分辨率(13位) 测量。数字输出数据为16位二进制补码的形式，可通过SPI(3线或4线) 或者I 2C 数字接口访问。ADXL345可以在倾斜感测应用中测量静态重力加速度，还可以从运动或者振动中生成动态加速度，其可工作在温度范围内。它的高分辨率能够分辨仅为的倾角变化。L3G4200为ST 公司的三轴陀螺仪传感器，可供用户自主设定±250dps 、±500dps 、±2000 dps三种量程，工作在温度范围内，16位数据的输出，可通过SPI(3线或4线) 或者I 2C 数字接口访问，使用方便，成本低，外围电路简单。MC5883 是霍尼韦尔的一种表面贴装的带有数字接口高集成模块的弱磁传感器芯片，采用霍尼韦尔各向异性磁阻(AMR)技术，具有在轴向高灵敏度和线性高精度的特点，附带霍尼韦尔专利的集成电路包括放大器、自动消磁驱动器、偏差校准、能使罗盘精度控制在的12 位模数转换器以及简易的I 2C 系列总线接口。
使用ADIS16355则会使目标板布电路图困难，而且体积大，接口不方便使用。相比于同时使用ADXL345、L3G4200和HMC5883三种种传感器，线路比较简单，都可以用I 2C 通信进行采集数据。考虑到电路的设计复杂、成本高，故选择方案二，即用ADXL234、L3G4200和HMC5883作为采集线加速度、角加速度和磁阻值的传感器(代刚，2010) 。
2.1.4 显示模块方案
方案一：选择主控为ST7920驱动器的带字库的LCD12864来显示信息。LCD12864是一款通用的液晶显示屏，能够显示常用的汉字及ASCII 码，而且能够绘制图片，描点画线，设计成比较理想的结果，但成本较高。
方案二：采用字符液晶LCD1602显示信息，LCD1602是一款比较通用的字符液晶模块，能显示字符和数字等信息，且价格便宜，容易控制。
方案三：采用LED7段数码显示管显示，其成本低，容易显示控制，但不能显示字符。显示多点温湿度信息需要多位，多位数码管布线较多而且占板面积较大。
综合以上方案，考虑到系统需要显示的内容比较少，选择了经济实惠的字符液晶LCD1602来作为接收端的显示。
2.2 系统最终方案
发送端：由ADXL345三轴加速度计、L3G4200三轴陀螺仪传感器和HMC5883磁阻传感器采集目标载体的三个轴向的线加速度和角加速度数据以及磁场强度信息，经STM32F103VCT6主控处理数据后通过无线射频模块nRF24L01发送数据到接收端显示。
接收端：由nRF24L01无线射频模块接收主控端发过来处理后的数据信息，经SPI 接口传输给ATmega16单片机，由ATmega16单片机控制液晶LCD1602实时显示目标载体的偏航角、俯仰角和翻滚角。
图1 系统方框图
3 主要芯片介绍和系统模块硬件设计
3.1 STM32F103VCT6模块
核心控制模块由STM32F103VCT6最小系统组成，包括STM32F103VCT6、晶振电路、时钟电路和SW 下载接口电路。STM32F103VCT6具有100个引脚的芯片，其功能比一般的51单片机强大，外部中断通道可由客户自主设置，使用方便，下载及调试程序的操作过程简单容易，处理速度可达到72MHz ，可以运行较复杂的算法。晶振电路由两个10pF 左右电容和一个8MHz 晶体振荡器构成。时钟电路由两个22pF 电容和一个32.786KHz 晶振构成，为定时器提供稳定的外部时钟。SW 下载接口电路为四个接口
最小系统电路如下图2所示。 农业机械车辆的姿态角监测设计 电路，简化电路设计，与JTAG 接口一样的有调试和下载程序的功能。STM32F103VCT6图2 STM32F103VCT6系统电路
3.2 nRF24L01无线模块 3.2.1 无线模块原理图
nRF24L01(陶成林，2012) 芯片是由NORDIC 公司生产一款无线通信芯片，采用FSK 调制方式，内部集成有NORDIC 的Enhanced Short Burst协议。可以实现点对点的无线通信。通信速度可以达到2Mb/s。nRF24L01无线射频模块的电路原理图如图3所示。
图3 nRF24L01模块电路原理图
3.2.2 接口电路
nRF24L01是一款新型单片射频收发器件，工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM(Industrial Scientific Medical)频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强型ShockBurst 技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。通过配置寄存器可将nRF241L01配置为发射、接收、空闲及掉电四种工作模式。在掉电模式下电流损耗最小，同时nRF24L01也不工作，但其所有配置寄存器的值仍然保留。nRF24L01功耗低，在以-6dBm 的功率发射时，工作电流也只有9mA ；接收时，工作电流只有12.3mA ，多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式) 使节能设计更方便。图4所示为STM32F103VCT6与nRF24L01的连接电路图。
图4 STM32F103VCT6与无线模块连接电路图
nRF24L01无线射频模块的各引脚功能描述如表1所示。
表1 nRF24L01模块引脚功能
管脚 CE CSN SCK MOSI MISO IRQ VDD GND
功能
工作模式，TX 或者RX 模式选择 SPI 片选使能，低电平有效
SPI 时钟 SPI 数据输入 SPI 数据输出 中断输出
电源1.9-3.6V 输入
接地
3.2.3 寄存器配置
SPI 口为同步串行通信接口，最大传输速率为10 Mb/s，传输时先传送低位字节，再传送高位字节。nRF24L0l 所有的配置字都由配置寄存器定义，这些配置寄存器可通过SPI 口访问。nRF24L01 的配置寄存器共有25个，常用的配置寄存器如表2所示。
表2 常用配置寄存器
地址（H ）
00 01 02 03 04 07 0A~0F 10 11-16
寄存器名称 CONFIG EN_AA EN_RXADDR SETUP_AW SETUP_RETR STATUS RX_ADDR_P0~P5
TX_ADDR RX_PW_P0~P5
功能
设置nRF24L01工作模式 设置接收通道及自动应答 使能接收通道地址 设置地址宽度
设置自动重发数据时间和次数 状态寄存器，用来判定工作状态
设置接收通道地址 设置接收节点地址 设置接收通道的有效数据宽度
3.3 供电电源
本系统中采用3.3V 直流电源对无线射频模块和STM32F103VCT6供电，5V 电源经AMS1117芯片进行转换后得到稳定的直流电源，其电源电路图如图5所示。
图5 电源电路图
3.4 陀螺仪传感器 3.4.1 L3G4200三轴陀螺仪
L3G4200D 是意法半导体推出的三轴共用一个感应结构的低功耗三轴陀螺仪，能同时检测三条正交轴向运动。其结构特点消除了轴与轴之间的干扰，可以使输出信号避免受干扰信号的影响。L3G4200D 量程可设定在±250dps 到±2000dps ，可外接低通和高通滤波器，输出数据为16位，不易受温度变化的影响，支持I 2C 、SPI 总线协议通信。 3.4.2 陀螺仪电路图
图6所示为陀螺仪电路图，表3所示为L3G4200各引脚功能。
图6 陀螺仪电路图
管脚 1 2 3 4 5 6 7 8~12 13 14 15 16
名称
表3 L3G4200各引脚功能
功能
供电 3－5.5VDC I 2C 串行时钟/SPI串行时钟
I 2C 串行数据/SPI串行数据输入/3-wire串行接口数据输出
SPI 串行数据输出/I2C 设备最低位有效 模式选择：1.I 2C 模式；0.SPI 模式
数据就绪 可编程中断 连接到GND
接地
锁相环环路滤波器 连接到VDD
电源
VDD SCL/SPC SDA/SDI/SDO SDO/SA0 CS DRDY 诠释 保留 GND PLLFILT 保留 VDD
3.4.3 L3G4200陀螺仪工作特点
L3G4200可提供三个不同的量程(±250/±500/±2000dps) 供用户选择。它包括一个传感元件和一个I 2C 接口，能够检测芯片的角速度，通I 2C 或者SPI 两种通信方式输出16位数字数据。两种通信方式下，L3G4200均为从设备。本方案采用I 2C 串口通信，L3G4200D 的从属地址(SAD)是110100xb 。SDO 引脚可被用来修改设备的地址有效位。如果SDO 引脚连接到高电平，LSB 的地址1101001xb 中的是，即为地址1101001b 。相反，如果SDO 引脚连接到地GND ，则设备的地址LSB 的值1101000b 。对陀螺仪的操作步骤如下所示：
① 对STM32F103VCT6、陀螺仪进行初始化，配置各个寄存器； ② 启动I 2C 总线，数据读取；
③ STM32F103VCT6发出应答，读数据有效； ④ 解析并转换数据。 3.5 加速度计传感器
3.5.1 ADXL345三轴加速度计
ADXL345是一款小而薄的超低功耗3轴加速度计传感器，分辨率高(13位) ，可供用户选择四种测量范围(±2g, ±4g, ±8g, ±16g) ，可通过SPI(3线或4线) 或I 2C 通信接口输出16位二进制补码格式的数字数据，其可工作在温度范围内。该器件提供多种
特殊检测功能(袁西，2010) 。活动和非活动检测功能通过比较任意轴上的加速度与用户设置的阈值来检测有无运动发生。敲击检测功能可以检测任意方向的单振和双振动作。自由落体检测功能可以检测器件是否正在掉落。这些功能可以独立映射到两个中断输出引脚中的一个。ADXL345非常适合移动设备应用，它可以在倾斜检测应用中测量静态重力加速度，还可以测量运动或冲击导致的动态加速度。其高分辨率，能够测量不到的倾斜角度变化。 3.5.2 加速度计电路图
图7所示为加速度计的电路图，与STM32F103VCT6通过I 2C 接口连接。表4所示为ADXL345各引脚功能描述。
图7 加速度计电路图 表4 ADXL345各引脚功能
管脚 1 2、4、5 3 6 7 8 9 10 11 12 13 14
名称
VDD GND 保留 Vs CS INT1 INT2 NC 保留
SDO/ALT ADDRESS SDA/SDI/SDIO SCL/SCLK
功能
电源电压 接地
保留，该引脚必须连接到Vs 或保持断开
电源电压 片选 中断1输出 中断2输出
空 保留
SPI 串行数据输出/备用I 2C 地址选择
I 2C 串行数据/SPI4线串行数据输入/SPI3线串行数据输入和输出
I 2C 串行通信时钟/SPI串行通信时钟
本科毕业设计
农业机械车辆的姿态角监测设计
摘 要
姿态角是一个非常重要的参数。在工业、农业和军事等各个领域中，都需要用姿态角反馈目标载体的运动状况。随着当今科学技术的高速发展，高新技术在现代化农业中应用越加广泛，农业现代化需要以智能化的技术作支撑。而在实现智能化过程中，需要对检测目标的运动状况进行实时反馈以进行控制。因此，采集姿态角的数据以反馈目标载体运动状况在智能化设备中尤为重要。
本文提出一种基于ADXL345三轴加速度计、L3G4200三轴陀螺仪传感器和HMC5883磁阻传感器的姿态角检测系统。该系统采用了基于ARM Cortex-M3内核的STM32f103VCT6单片机作主控芯片，采集和处理ADXL345、L3G4200和HMC5883的数据得到姿态角数据，利用nRF24L01无线模块发送到接收显示模块上进行数据显示。通过nRF24L01无线发送接收模块，可以实现姿态角的实时检测的功能。
通过实验测试分析，结果表明，采用ADXL345、L3G4200和HMC5883的三者的数据融合处理后得出的数据绝对误差小于10%。
关键字：单片机 无线模块 加速度计 陀螺仪 磁阻传感器
Monitor the Attitude Angle of Agricultural Machinery Vehicle
Wu Bangbin
(College of Engineering,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China) Abstract:Attitude angle is a very important paramete. In various fields of industry, agriculture and military,there needs attitude angle to give feedback on the movement of the target vector.With the rapid development of today 's science and technology, High-tech applications become increasingly and widely used in modern agriculture, thus the modernization of agriculture needs to be supported by intelligent technology. In the process of realization of intelligent, it needs to control real-time feedback on the status of the motion of the detection target.Therefore,the data collected by attitude angle to give feedback on target carrier movement of intelligent devices is particularly important.
This paper presents an attitude angle detection system based on ADXL345 three-axis accelerometer,L3G4200 three axis gyro sensor and HMC5883 magnetoresistive sensor. The system uses STM32F103VCT6 ARM Cortex-M3 core-based microcontroller as the master chip. Through acquisition and processing data from ADXL345, L3G4200 and HMC5883, attitude angle data was obtained. Then, nRF24L01 sent the obtained information to the receiver on whose display module shows real-time data. Through wireless transmission, function of real-time detection can be realized.
Through the experimental analysis, the results show that abse of the data after being pocessed the fusion by using ADXL345, L3G4200 and HMC5883 is less than 10%.
Keywords : SCM nRF24L01 acceleration sensor Gyroscope Magnetoresistive sensor
目 录
1 前言......................................................................................................................................... 1
2 系统方案分析与选择论证................................................................................................... 1
2.1 系统方案设计.................................................................................................................. 1
2.1.1 主控芯片方案.............................................................................................................. 1
2.1.2 无线通信模块方案...................................................................................................... 2
2.1.3 陀螺仪、加速度计传感器方案.................................................................................. 2
2.1.4 显示模块方案.............................................................................................................. 3
2.2 系统最终方案.................................................................................................................. 4
3 主要芯片介绍和系统模块硬件设计................................................................................... 4
3.1 STM32F103VCT6模块 .................................................................................................. 4
3.2 nRF24L01无线模块 ....................................................................................................... 6
3.2.1 无线模块原理图.......................................................................................................... 6
3.2.2 接口电路.................................................................................................................... 6
3.2.3 寄存器配置.................................................................................................................. 7
3.3 供电电源........................................................................................................................ 8
3.4 陀螺仪传感器.................................................................................................................. 8
3.4.1 L3G4200三轴陀螺仪 ................................................................................................. 8
3.4.2 陀螺仪电路图.............................................................................................................. 8
3.4.3 L3G4200陀螺仪工作特点 ......................................................................................... 9
3.5 加速度计传感器.............................................................................................................. 9
3.5.1 ADXL345三轴加速度计 ........................................................................................... 9
3.5.2 加速度计电路图........................................................................................................ 10
3.5.3 ADXL345工作特点 ................................................................................................. 11
3.6 磁阻传感器...................................................................................................................... 11
3.6.1 HMC5883磁阻传感器 ............................................................................................... 11
3.6.2 HMC5883电路图 ........................................................................................................ 11
3.6.3 HMC5883工作特点 ................................................................................................... 11
3.7 ATmega16单片机模块................................................................................................. 12
4 系统软件设计....................................................................................................................... 12
4.1 单片机软件设计.............................................................................................................. 12
4.1.1 发送端流程.................................................................................................................. 12
4.1.2 中值滤波算法.............................................................................................................. 13
4.1.3 四元数算法.................................................................................................................. 14
4.1.4 kalman 滤波算法 . ...................................................................................................... 14
4.2.1 接收端流程.................................................................................................................. 16
5 硬件电路............................................................................................................................... 16
5.1 硬件制作........................................................................................................................ 16
5.2 硬件调试........................................................................................................................ 16
5.3 硬件调试结果................................................................................................................ 17
5.4测试数据........................................................................................................................... 17
6 结论..................................................................................................................................... 20
参考文献................................................................................................................................... 21
附录........................................................................................................................................... 22 致谢.......................................................................................................... 错误！未定义书签。 华南农业大学本科生毕业设计成绩评定表
1 前言
我国既是一个农业大国同时在某种意义上来说也是人口大国，农业不仅仅关系到国家安全及国计民生，而且在国民经济中也占有很举足轻重的地位。目前，我国正面临着人多地少、环境恶化、资源短缺、人增地减等现状。人均耕地水平不能满足人民日常生活需要，所以，如何在现代农业生产中增加粮食的产量和提高农机作业效率成为当前农业生产的首要目标，因此，农业要实现现代化就一定要走大农业和机械化、智能化道路。伴随着科学技术的发展，农业科技技术也随着科学技术的更新也已经在全球发展，进而产生了以信息技术及生物技术为导向的现代化农业，“精准农业”技术就是现代化农业技术的代表，是我国农业信息现代化的一个重要的组成部分。实施现代化农业也就是利用现代化高科技技术到现在的传统农业生产中，目前我国现代化农业的大致趋向是在农机机械在实现机械化的基础之上，把各种高科技技术应用到农业生产中，例如全球卫星定位技术、地理信息技术及3D 遥感技术等，最终实现农业生产现代化、科学化、智能化，能够达到高效产出的效果，并且能够保护生态环境进而实现农业可持续发展的最终的目标。
农业机械姿态角的检测系统作为“精准农业”技术的重要一部分，担任着反馈桥梁的作用。为了能更好的农业的智能化，必须提高姿态角检测的稳定性和准确性，以更好的得到反馈信息进行精确控制农业机械的运转状况。本文通过对三轴陀螺仪和三轴加速度计的数据进行采集和处理，进行四元数算法的计算和kalman 滤波，得到稳定的目标载体姿态角的数据。
2 系统方案分析与选择论证
2.1 系统方案设计
2.1.1 主控芯片方案
方案一：采用ST(STMicroelectronics)公司的STM32F103VCT6单片机作为主控芯片。ST 公司的32位STM32系列微控制器是专门为微控制系统、工业控制系统和无线网络等对功耗和成本敏感的嵌入式应用领域而设计的。STM32F103VCT6是一款基于ARMv7- M 体系结构的32位标准处理器，工作频率高达72 MHz ，具有3个通用定时器、1个高级控制定时器、7个独立的DMA 通道、1个USB 接口、3个USART 接口、2个SPI 接口和2个I 2C 接口。STM32F103VCT6的外围电路仅需要外部晶振和少数电容，内部自带的SW 接口便于调试和下载。
方案二：ATmega16芯片是ATmel 公司一款8位微处理器。它的主频高达16MHz ，片内集成16KB 的闪存存储器(Flash)、512字节的EEPROM 、1K 的SRAM ，另外指令系统丰富，I/O的控制和扩展功能较强。同时集成了许多标准模块，具有1路异步串行通信USART 接口，1路串行设备接口(SPI)，2个8位定时器，1个16位定时器，3个PWM 通道，一个实时时钟RTC ，8个8通道10字节的模数转换器(ADC)，一个模拟比较器，同时它还具有一个片内系统时钟、JTAG 接口、ISP 接口、自编程SPM 。
方案三：采用宏晶科技有限公司的STC89C52RC 单片机作为主控芯片。此芯片为51类单片机，不带内部时钟，外部资源少。
考虑到此系统主控部分对数据处理算法的复杂度和实时性要求，需要对传感器采集的数据进行数字滤波、四元数运算和kalman 滤波等复杂运算，需要求主控芯片处理速率较快。从性能和要求上综合考虑我们选择方案一，即用STM32F103VCT6作为本系统的主控芯片。对于系统的接收显示部分，为了简化外围电路设计，则选用ATmega16做主控芯片。
2.1.2 无线通信模块方案
方案一：采用GSM(Global System for Mobile)模块进行通信，GSM 模块需要借助移动卫星或者手机卡，虽说能够远距离传输，但是其成本较大，且需要内置SIM(Subscriber Identity Module)卡，通信过程中需要收费，后期成本较高。
方案二：采用TI(德州仪器) 生产的C2430无线通信模块，此模块采用Zigbee 总线模式，传输速率可达250kbps ，且内部集成高性能8051内核。但是此模块价格较贵，且Zigbee 协议相对较为复杂。
方案三：采用nRF24L01无线射频模块进行通信，nRF24L01是一款高速低功耗的无线通信芯片, 由NORDIC 公司生产。能传输上千米的距离(加定向天线) ，而且价格较便宜，采用SPI 总线通信模式电路简单，操作方便。
综合考虑系统要求和成本等方面的因素，采用方案三作为本系统的无线通信方案。
2.1.3 陀螺仪、加速度计传感器方案
方案一：采用ADIS16355作为测量线加速度和角加速度的传感器。ADIS16355是ADI 公司推出的一款具有-40℃~85℃温度范围内校准、SPI 接口输出的六自由度惯性测量传感器，出厂前已经对产品的零偏和灵敏度进行了全温校准。ADIS16355具有三轴陀螺和三轴加速度计。三轴陀螺和加速度计具有14位分辨率，陀螺的测量范围可配置
为、、，加速度计的测量范围为±10g ，传感器带宽达350 Hz。ADIS16355的输出零偏稳定性为，温度系数为，角度随机游走为，适于精度要求较高的应用。传感器内部完成了信号的采集、校准与滤波处理，具有自检功能，还有1路ADC 输入、1路DAC 输出和2路数字I/O。SPI 接口能够输出3个角速率信号、3个线加速度计信号、3个温度传感器信号和电源电压信号。但是其体积较大，成本高，接口类型等原因使用不方便。
方案二：采用ADXL345三轴加速度计、L3G4200三轴陀螺仪和磁阻传感器分别测量线加速度、角加速度和磁阻值。ADXL345是AD(IAnalog Devices, Inc.) 公司于2009年发布的一款数字式三轴加速度计传感器。ADXL345最大量程可以达到±16g ，可以进行高分辨率(13位) 测量。数字输出数据为16位二进制补码的形式，可通过SPI(3线或4线) 或者I 2C 数字接口访问。ADXL345可以在倾斜感测应用中测量静态重力加速度，还可以从运动或者振动中生成动态加速度，其可工作在温度范围内。它的高分辨率能够分辨仅为的倾角变化。L3G4200为ST 公司的三轴陀螺仪传感器，可供用户自主设定±250dps 、±500dps 、±2000 dps三种量程，工作在温度范围内，16位数据的输出，可通过SPI(3线或4线) 或者I 2C 数字接口访问，使用方便，成本低，外围电路简单。MC5883 是霍尼韦尔的一种表面贴装的带有数字接口高集成模块的弱磁传感器芯片，采用霍尼韦尔各向异性磁阻(AMR)技术，具有在轴向高灵敏度和线性高精度的特点，附带霍尼韦尔专利的集成电路包括放大器、自动消磁驱动器、偏差校准、能使罗盘精度控制在的12 位模数转换器以及简易的I 2C 系列总线接口。
使用ADIS16355则会使目标板布电路图困难，而且体积大，接口不方便使用。相比于同时使用ADXL345、L3G4200和HMC5883三种种传感器，线路比较简单，都可以用I 2C 通信进行采集数据。考虑到电路的设计复杂、成本高，故选择方案二，即用ADXL234、L3G4200和HMC5883作为采集线加速度、角加速度和磁阻值的传感器(代刚，2010) 。
2.1.4 显示模块方案
方案一：选择主控为ST7920驱动器的带字库的LCD12864来显示信息。LCD12864是一款通用的液晶显示屏，能够显示常用的汉字及ASCII 码，而且能够绘制图片，描点画线，设计成比较理想的结果，但成本较高。
方案二：采用字符液晶LCD1602显示信息，LCD1602是一款比较通用的字符液晶模块，能显示字符和数字等信息，且价格便宜，容易控制。
方案三：采用LED7段数码显示管显示，其成本低，容易显示控制，但不能显示字符。显示多点温湿度信息需要多位，多位数码管布线较多而且占板面积较大。
综合以上方案，考虑到系统需要显示的内容比较少，选择了经济实惠的字符液晶LCD1602来作为接收端的显示。
2.2 系统最终方案
发送端：由ADXL345三轴加速度计、L3G4200三轴陀螺仪传感器和HMC5883磁阻传感器采集目标载体的三个轴向的线加速度和角加速度数据以及磁场强度信息，经STM32F103VCT6主控处理数据后通过无线射频模块nRF24L01发送数据到接收端显示。
接收端：由nRF24L01无线射频模块接收主控端发过来处理后的数据信息，经SPI 接口传输给ATmega16单片机，由ATmega16单片机控制液晶LCD1602实时显示目标载体的偏航角、俯仰角和翻滚角。
图1 系统方框图
3 主要芯片介绍和系统模块硬件设计
3.1 STM32F103VCT6模块
核心控制模块由STM32F103VCT6最小系统组成，包括STM32F103VCT6、晶振电路、时钟电路和SW 下载接口电路。STM32F103VCT6具有100个引脚的芯片，其功能比一般的51单片机强大，外部中断通道可由客户自主设置，使用方便，下载及调试程序的操作过程简单容易，处理速度可达到72MHz ，可以运行较复杂的算法。晶振电路由两个10pF 左右电容和一个8MHz 晶体振荡器构成。时钟电路由两个22pF 电容和一个32.786KHz 晶振构成，为定时器提供稳定的外部时钟。SW 下载接口电路为四个接口
最小系统电路如下图2所示。 农业机械车辆的姿态角监测设计 电路，简化电路设计，与JTAG 接口一样的有调试和下载程序的功能。STM32F103VCT6图2 STM32F103VCT6系统电路
3.2 nRF24L01无线模块 3.2.1 无线模块原理图
nRF24L01(陶成林，2012) 芯片是由NORDIC 公司生产一款无线通信芯片，采用FSK 调制方式，内部集成有NORDIC 的Enhanced Short Burst协议。可以实现点对点的无线通信。通信速度可以达到2Mb/s。nRF24L01无线射频模块的电路原理图如图3所示。
图3 nRF24L01模块电路原理图
3.2.2 接口电路
nRF24L01是一款新型单片射频收发器件，工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM(Industrial Scientific Medical)频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强型ShockBurst 技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。通过配置寄存器可将nRF241L01配置为发射、接收、空闲及掉电四种工作模式。在掉电模式下电流损耗最小，同时nRF24L01也不工作，但其所有配置寄存器的值仍然保留。nRF24L01功耗低，在以-6dBm 的功率发射时，工作电流也只有9mA ；接收时，工作电流只有12.3mA ，多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式) 使节能设计更方便。图4所示为STM32F103VCT6与nRF24L01的连接电路图。
图4 STM32F103VCT6与无线模块连接电路图
nRF24L01无线射频模块的各引脚功能描述如表1所示。
表1 nRF24L01模块引脚功能
管脚 CE CSN SCK MOSI MISO IRQ VDD GND
功能
工作模式，TX 或者RX 模式选择 SPI 片选使能，低电平有效
SPI 时钟 SPI 数据输入 SPI 数据输出 中断输出
电源1.9-3.6V 输入
接地
3.2.3 寄存器配置
SPI 口为同步串行通信接口，最大传输速率为10 Mb/s，传输时先传送低位字节，再传送高位字节。nRF24L0l 所有的配置字都由配置寄存器定义，这些配置寄存器可通过SPI 口访问。nRF24L01 的配置寄存器共有25个，常用的配置寄存器如表2所示。
表2 常用配置寄存器
地址（H ）
00 01 02 03 04 07 0A~0F 10 11-16
寄存器名称 CONFIG EN_AA EN_RXADDR SETUP_AW SETUP_RETR STATUS RX_ADDR_P0~P5
TX_ADDR RX_PW_P0~P5
功能
设置nRF24L01工作模式 设置接收通道及自动应答 使能接收通道地址 设置地址宽度
设置自动重发数据时间和次数 状态寄存器，用来判定工作状态
设置接收通道地址 设置接收节点地址 设置接收通道的有效数据宽度
3.3 供电电源
本系统中采用3.3V 直流电源对无线射频模块和STM32F103VCT6供电，5V 电源经AMS1117芯片进行转换后得到稳定的直流电源，其电源电路图如图5所示。
图5 电源电路图
3.4 陀螺仪传感器 3.4.1 L3G4200三轴陀螺仪
L3G4200D 是意法半导体推出的三轴共用一个感应结构的低功耗三轴陀螺仪，能同时检测三条正交轴向运动。其结构特点消除了轴与轴之间的干扰，可以使输出信号避免受干扰信号的影响。L3G4200D 量程可设定在±250dps 到±2000dps ，可外接低通和高通滤波器，输出数据为16位，不易受温度变化的影响，支持I 2C 、SPI 总线协议通信。 3.4.2 陀螺仪电路图
图6所示为陀螺仪电路图，表3所示为L3G4200各引脚功能。
图6 陀螺仪电路图
管脚 1 2 3 4 5 6 7 8~12 13 14 15 16
名称
表3 L3G4200各引脚功能
功能
供电 3－5.5VDC I 2C 串行时钟/SPI串行时钟
I 2C 串行数据/SPI串行数据输入/3-wire串行接口数据输出
SPI 串行数据输出/I2C 设备最低位有效 模式选择：1.I 2C 模式；0.SPI 模式
数据就绪 可编程中断 连接到GND
接地
锁相环环路滤波器 连接到VDD
电源
VDD SCL/SPC SDA/SDI/SDO SDO/SA0 CS DRDY 诠释 保留 GND PLLFILT 保留 VDD
3.4.3 L3G4200陀螺仪工作特点
L3G4200可提供三个不同的量程(±250/±500/±2000dps) 供用户选择。它包括一个传感元件和一个I 2C 接口，能够检测芯片的角速度，通I 2C 或者SPI 两种通信方式输出16位数字数据。两种通信方式下，L3G4200均为从设备。本方案采用I 2C 串口通信，L3G4200D 的从属地址(SAD)是110100xb 。SDO 引脚可被用来修改设备的地址有效位。如果SDO 引脚连接到高电平，LSB 的地址1101001xb 中的是，即为地址1101001b 。相反，如果SDO 引脚连接到地GND ，则设备的地址LSB 的值1101000b 。对陀螺仪的操作步骤如下所示：
① 对STM32F103VCT6、陀螺仪进行初始化，配置各个寄存器； ② 启动I 2C 总线，数据读取；
③ STM32F103VCT6发出应答，读数据有效； ④ 解析并转换数据。 3.5 加速度计传感器
3.5.1 ADXL345三轴加速度计
ADXL345是一款小而薄的超低功耗3轴加速度计传感器，分辨率高(13位) ，可供用户选择四种测量范围(±2g, ±4g, ±8g, ±16g) ，可通过SPI(3线或4线) 或I 2C 通信接口输出16位二进制补码格式的数字数据，其可工作在温度范围内。该器件提供多种
特殊检测功能(袁西，2010) 。活动和非活动检测功能通过比较任意轴上的加速度与用户设置的阈值来检测有无运动发生。敲击检测功能可以检测任意方向的单振和双振动作。自由落体检测功能可以检测器件是否正在掉落。这些功能可以独立映射到两个中断输出引脚中的一个。ADXL345非常适合移动设备应用，它可以在倾斜检测应用中测量静态重力加速度，还可以测量运动或冲击导致的动态加速度。其高分辨率，能够测量不到的倾斜角度变化。 3.5.2 加速度计电路图
图7所示为加速度计的电路图，与STM32F103VCT6通过I 2C 接口连接。表4所示为ADXL345各引脚功能描述。
图7 加速度计电路图 表4 ADXL345各引脚功能
管脚 1 2、4、5 3 6 7 8 9 10 11 12 13 14
名称
VDD GND 保留 Vs CS INT1 INT2 NC 保留
SDO/ALT ADDRESS SDA/SDI/SDIO SCL/SCLK
功能
电源电压 接地
保留，该引脚必须连接到Vs 或保持断开
电源电压 片选 中断1输出 中断2输出
空 保留
SPI 串行数据输出/备用I 2C 地址选择
I 2C 串行数据/SPI4线串行数据输入/SPI3线串行数据输入和输出
I 2C 串行通信时钟/SPI串行通信时钟