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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特别重要的参数。在工业、农业和军事等各个领域中，都须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，农业现代化须要以智能化的技术作支撑。而在实现智能化过程中，须要对检测目标的运动状况进行实时反馈以进行限制。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ADX1.345三轴加速度计、1.3G4200三轴陀螺仪传感器和HMC5883磁阻传感器的姿态角检测系统。该系统采纳了基于ARMCortex-M3内核的STM32flO3VCT6单片机作主控芯片，采集和处理ADX1.345>1.3G4200和HMC5883的数据得到姿态角数据，利用nRF241.01无线模块发送到接收显示模块上进行数据显示。通过nRF241.01无线发送接收模块，可以实现姿态角的实时检测的功能。通过试验测试分析，结果表明，采纳ADX1.345、1.3G4200和HMC5883的三者的数据融合处理后得出的数据肯定误差小于10%o关键字：单片机无线模块加速度计陀螺仪磁阻传感器MonitortheAttitudeAngleofAgriculturalMachineryVehicleWuBangbin(CollegeofEngineering,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou510642,China)AbstractjAttitudeangleisaveryimportantparamete.Invariousfieldsofindustry,agricultureandmilitary,thereneedsattitudeangletogivefeedbackonthemovementofthetargetvector.Withtherapiddevelopmentoftoday,sscienceandtechnology,High-techapplicationsbecomeincreasinglyandwidelyusedinmodernagriculture,thusthemodernizationofagricultureneedstobesupportedbyintelligenttechnology.Intheprocessofrealizationofintelligent,itneedstocontrolreal-timefeedbackonthestatusofthemotionofthedetectiontarget.Therefore,thedatacollectedbyattitudeangletogivefeedbackontargetcarriermovementofintelligentdevicesisparticularlyimportant.ThispaperpresentsanattitudeangledetectionsystembasedonADX1.345three-axisaccelerometer,1.3G4200threeaxisgyrosensorandHMC5883magnetoresistivesensor.ThesystemusesSTM32F103VCT6ARMCortex-M3core-basedmicrocontrollerasthemasterchip.ThroughacquisitionandprocessingdatafromADX1.345,1.3G4200andHMC5883,attitudeangledatawasobtained.Then,nRF241.01senttheobtainedinformationtothereceiveronwhosedisplaymoduleshowsreal-timedata.Throughwirelesstransmission,functionofreal-timedetectioncanberealized.Throughtheexperimentalanalysis,theresultsshowthatabseofthedataafterbeingpocessedthefusionbyusingADX1.345,1.3G4200andHMC5883islessthan10%.Keywords:SCMnRF241.01accelerationsensorGyroscopeMagnetoresistivesensor1前言12系统方案分析与选择论证12.1 系统方案设计11. 1.1主控芯片方案12. 1.2无线通信模块方案23. 1.3陀螺仪、加速度计传感器方案34. 1.4显示模块方案45. 2系统最终方案43主要芯片介绍和系统模块硬件设计56. 1STM32F103VCT6模块53.2nRF241.01无线模块73.2.1无线模块原理图73.2.2接口电路73.2.3寄存器配置83.3供电电源93.4陀螺仪传感器103.4.11.3G4200三轴陀螺仪103.4.2陀螺仪电路图103.4.31.3G4200陀螺仪工作特点113.5.1ADX1.345三轴加速度计123.5.2加速度计电路图123.5.3ADX1.345工作特点133.6磁阻传感器133.6.1HMC5883磁阻传感器13HMC5883电路图143.6.3HMC5883工作特点143.7ATmega16单片机模块144系统软件设计154.1 单片机软件设计154.1.1 发送端流程154.1.2 1.2中值滤波算法164.1.3 四元数算法164. 1.4kalman滤波算法184.2.1接收端流程195硬件电路205. 1硬件制作205. 2硬件调试205. 3硬件调试结果215. 4测试数据21参考文献26附录27致谢错误!未定义书签。华南农业高校本科生毕业设计成果评定表刖百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平安及国计民生，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意人民日常生活须要，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肯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，并且能够爱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，担当着反馈桥梁的作用。为了能更好的农业的智能化，必需提高姿态角检测的稳定性和精确性，以更好的得到反馈信息进行精确限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 系统方案设计主控芯片方案方案一:采纳ST(STMiCroeleCIrOniCS)公司的STM32F103VCT6单片机作为主控芯片。ST公司的32位STM32系列微限制器是特地为微限制系统、工业限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72MHz,具有3个通用定时器、1个高级限制定时器、7个独立的DMA通道、1个USB接口、3个USART接口、2个SPl接口和2个12C接口。STM32F103VCT6的外围电路仅须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EEPRe)M、IK的SRAM,另外指令系统丰富，I/O的限制和扩展功能较强。同时集成了很多标准模块，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：采纳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困难度和实时性要求，须要对传感器采集的数据进行数字滤波、四元数运算和kalman滤波等困难运算，须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：采纳GSM(GlobalSystemforMObile)模块进行通信，GSM模块须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，且须要内置SlM(SubscriberIdentityModUle)卡，通信过程中须要收费，后期成本较高。方案二：采纳TI(德州仪器)生产的C2430无线通信模块，此模块采纳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协议相对较为困难。方案三：采纳nRF241.01无线射频模块进行通信，11RF241.O1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，采纳SPI总线通信模式电路简洁，操作便利。综合考虑系统要求和成本等方面的因素，采纳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：采纳ADIS16355作为测量线加速度和角加速度的传感器。ADIS16355是ADl公司推出的一款具有-40°C85°C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。ADISI6355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位辨别率，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350Hz。ADISI6355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/OoSPl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，接口类型等缘由运用不便利。方案二：采纳ADX1.345三轴加速度计、1.3G4200三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。ADX1.345ADdAnalogDevices,Inc.）公司于2009年发布的一款数字式三轴加速度计传感器。ADX