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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。ADX1.345最大量程可以达到±16g,可以进行高辨别率（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ac数字接口访问。ADX1.345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。它的高辨别率能够辨别仅为的倾角变更。1.3G4200为ST公司的三轴陀螺仪传感器，可供用户自主设定±250dps.±500dps.±200OdPS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"C数字接口访问，运用便利，成本低，外围电路简洁。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，采纳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、能使罗盘精度限制在的12位模数转换器以及简易的JC系列总线接口。运用ADlSI6355则会使目标板布电路图困难，而且体积大，接口不便利运用。相比于同时运用ADX1.345、1.3G4200和HMC5883三种种传感器，线路比较简洁，都可以用FC通信进行采集数据。考虑到电路的设计困难、成本高，故选择方案二，即用ADX1.234、1.3G4200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1.CDI2864来显示信息。1.CD12864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，设计成比较志向的结果，但成本较高。方案二：采纳字符液晶1.CDI602显示信息，1.CDI602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，简洁限制。方案三：采纳1.ED7段数码显示管显示，其成本低，简洁显示限制，但不能显示字符。显示多点温湿度信息须要多位，多位数码管布线较多而且占板面积较大。综合以上方案，考虑到系统须要显示的内容比较少，选择了经济实惠的字符液晶1.CD1602来作为接收端的显示。2.2 系统最终方案发送端：由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nRF241.01发送数据到接收端显示。接收端：由nRF241.01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单片机限制液晶1.CD1602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模块核心限制模块由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，运用便利，下载及调试程序的操作过程简洁简洁，处理速度可达到72MHz,可以运行较困难的算法。晶振电路由两个IOPF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，为定时器供应稳定的外部时钟。SW下载接口电路为四个接口电路，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最小系统电路如下图2所示。图2STM32F103VCT6系统电路3.2 nRF241.01无线模块3.2.1 无线模块原理图nRF241.01(陶成林，2012)芯片是由NORDIC公司生产一款无线通信芯片，采纳FSK调制方式，内部集成有NoRDIC的EnhanCedShOrtBUrSt协议。可以实现点对点的无线通信。通信速度可以达到2Mbs.nRF241.01无线射频模块的电路原理图如图3所示。图3nRF241.01模块电路原理图3.2.2 接口电路nRF241.01是一款新型单片射频收发器件，工作于2.4GHz2.5GHzlSM(lndustrialSCientifiCMediCaI)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，并融合了增加型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nRF2411.01配置为放射、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FRF241.01也不工作,但其全部配置寄存器的值仍旧保留。nRF241.01功耗低，在以-6dBm的功率放射时，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）使节能设计更便利。图4所示为STM32F103VCT6与nRF241.01的连接电路图。图4STM32FIO3VCT6与无线模块连接电路图nRF241.01无线射频模块的各引脚功能描述如表1所示。表1nRF241.01模块引脚功能管脚功能CE工作模式，TX或者RX模式选择CSNSPl片选使能，低电平有效SCKSPI时钟MOSISPI数据输入MISOSPI数据输出IRQ中断输出VDD电源输入GND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IOMbs,传输时先传送低位字节，再传送高位字节。nRF241.01全部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。nRF241.01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（三）寄存器名称功能00CONFIG设置nRF241.01工作模式OlEN_AA设置接收通道及自动应答02EN.RXADDR使能接收通道地址03SETUP_AW设置地址宽度04SETUP_RETR设置自动重发数据时间和次数07STATUS状态寄存器，用来判定工作状态OA-OFRX_ADDR_P0P5设置接收通道地址10TX_ADDR设置接收节点地址11-16RX_PW_P0P5设置接收通道的有效数据宽度3.3 供电电源本系统中采纳3.3V直流电源对无线射频模块和STM32F1O3VCT6供电，5V电源经AMSIIl7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 1.3G4200三轴陀螺仪1.3G4200D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。其结构特点消退了轴与轴之间的干扰，可以使输出信号避开受干扰信号的影响。1.3G4200D量程可设定在±25OdPS到±2000dps,可外接低通和高通滤波器，输出数据为16位，不易受温度变更的影响，支持ac、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1.3G4200各引脚功能。图6陀螺仪电路图表31.3G4200各引脚功能管脚名称功能1VDD供电3-5.5VDC2SC1./SPCPC串行时钟/SPI串行时钟4SDO/SAOSPl串行数据输出/Pc设备最低位有效5CS模式选择：1.PC模式；O.SPI模式6DRDY数据就绪7诠释可编程中断812保留连接到GND13GND接地14P1.1.FI1.T锁相环环路滤波器15保留连接到VDD16VDD电源3SDA/SDI/SDOI?c串行数据/SPI串行数据输入3wire串行接口数据输出3.4.3 1.3G4200陀螺仪工作特点1.3G4200可供应三个不同的量程(±250±500±2000dps)供用户选择。它包括一个传感元件和一个Pc接口，能够检测芯片的角速度，通Jc或者SPl两种通信方式输出16位数字数据。两种通信方式下，1.3G4200均为从设备。本方案采纳Pc串口通信，1.3G4200D的从属地址(SAD)是IIOlOOxb。SDO引脚可被用来修改设备的地址有效位。假如SDo引脚连接到高电平,1.SB的地址IIOlooIXb中的是,即为地址Il(HOOlb.相反，假如SDc)引脚连接到地GND,则设备的地址1.SB的值UOlOOOb。对陀螺仪的操作步骤如下所示：对STM32F103VCT6、陀螺仪进行初始化，配置各个寄存器；启动PC总线，数据读取；STM32F103VCT6发出应答，读数据有效；解析并转换数据。3.5 加速度计传感器3.5.1 ADX1.345三轴加速度计ADX1.345是一款小而薄的超低功耗3轴加速度计传感器，辨别率高（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Fc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。该器件供应多种特殊检测功能（袁西，2010）o活动和非活动检测功能通过比较随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随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。ADX1.345特别适合移动设备应用，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。其高辨别率，能够测量不到的倾斜角度变更。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通过接口连接。表4所示为ADX1.345各引脚功能描述。管脚名称功能1VDD电源电压2、4、5GND接地3保留保留，该引脚必需连接到VS或保持断开6Vs电源电压7CS片选8INTl中断1输出9INT2中断2输出10NC空11保留保留12SDO/A1.TaddressSPI串行数据输出/备用Pc地址选择13SDA/SDI/SDIO产(2串行数据/SPI4线串行数据输入/SPI3线串行数据输入和输出14SC1./SC1.KPC串行通信时钟/SPI串行通信时钟表4ADX1.345各引脚功能3.5.3 ADX1.345工作特点本方案采纳I2C串口通信进行数据读取，ADX1.345支持标准(100kHz)和快速(400kHz)的数据传输模式。当引脚SDo为高电平常，其aC设备地址是OxlD,进行写操作时变为0x3A,读操作时变为0x3B°假如其他设备连接到同样的aC总线上，这些设备上的可控电压不得超过Vddio0.3V03.6 磁阻传感器3.6.1 HMC5883磁阻传感器HMC5883是一款霍尼韦尔公司的低电压低功耗三轴磁阻传感器，其内置自检功能,能工作在宽电压范围，能测量地球磁场的方向和大小,其测量范围从mgauss到8gauss0最大输出速率可达160Hz,供应一产(2接口与主机通信。HMC5883磁阻传感器是应用特殊协助电路来测量磁场。通过施加供电电源，传感器可以将量测轴方向上的任何入射磁场转变成一种差分电压输出。3.6.2 HMC5883电路图如下图8所示为磁阻传感器HMC5883的电路图，与STM32F103VCT6通过I2C接口连接。图8中SETP接置位/复位正一电容；。接存储电容；SETC接电容；DRDY为数据连接与中断引脚。图8磁阻传感器HMC5883电路图3.6.3 HMC5883工作特点HMC5883传感器的测量模式可以运用连续测量模式，测量速率最快为75Hz,也可以运用单侧模式加中断的方式进行，测量速率可达到160Hz。选择测量模式为连续测量模式，采纳产C总线连接，测量速率取75Hz。HMC5883有12个寄存器，其中运用到的有3个可读/写的配置寄存器(CRA、CRB>CRM),6个只读的数据寄存器(XMSB、X1.SBYMSBsY1.SBZMSB、Z1.SB)03.7 ATmega16单片机模块ATmega16单片机模块由ATmega16单片机最小系统组成，主要包括ATmega16单片机模块、下载电路、复位电路和晶振电路。ATmegal6单片机模块电路图如图9所示。图9ATmega16单片机模块电路图4系统软件设计4.1 单片机软件设计4.1.1 发送端流程初始化过程：进行对STM32F103VCT6进行基本配置，包括时钟的配置和引脚的配置,初始化定时器，初始化并配置ADX1.345传感器和1.3G4200传感器，初始化无线模块NRF241.01；对ADX1.345传感器进行校正。读取数据过程：在定时器中对传感器ADX1.345和1.3G4200进行定时采集数据，并对采集的数据进行中值滤波，滤波后的数据和定时的时间代入主程序中的四元数算法进行计算，得出四个元素值和转换为欧拉角。对得出的欧拉角数据进行kalman滤波。发送数据过程：通过nRF241.01将kalman滤波后的数据无线传输。发送端程序流程图如下图10所示图10发送端程序流程图4.1.2 中值滤波算法对依据时间输出的数据进行筛选，假设为对象为M个数据，则每输出M个数据则选出该M个数据中的中间值作为该时段的代表值。中值滤波流程图如下图11所示。，连续输出M个数值二）对M个数值进行排序选取中间的数值二，图11中值滤波流程图4.1.3 四元数算法四元数是由爱尔兰数学家哈密顿首先提出来的数学概念。它由1个实数单位和3个虚数单位切水组成(黄旭，2005；叶锂锋，2012)o其形式为：(1)四元数可以表示旋转，它的标量部分表示旋转角度的大小，矢量部分表示转轴的方向。应用四元数时要进行归一化，即使它的模值为Io四元数微分方程为：(2)四元数微分方程(冯智勇，2011)可以实现四元数的更新，其中，是陀螺仪测得的角速度。四阶龙格一库塔法可以用来求解四元数微分方程，详细过程如下：设(4)(5)(6)则上式中，T为更新周期，仪。为初始四元数，式什7)为更新后的四元数。K/是时间段丁起先时的斜率，K2是时间段中点的斜率，K3也是中点的斜率，K是时间段终点的斜率。姿态矩阵可以用四元数描述为：其中T可以简化表示为：从姿态矩阵中可以得到姿态角：(10)(11)上式中，为俯仰角，为偏航角，为翻横滚角。4.1.4kalman滤波算法卡尔曼滤波公式主要由下述几部分组成。预料方程：预料方程就是要由第k-1时刻的状态值来对k时刻的的状态估计值进行预料。(12)上式是利用上一状态预料的结果来估计内川kT),Xk-1k-1)是上一状态最优的结果。滤波方程：滤波方程的目的就是利用第k-i时刻的状态估计值、第k时刻的观测值和第2时刻的增益值，来估计第A时刻的状态值(籍颖，2009)o(13)其中Kg为卡尔曼增益(KaImanGain)0增益方程：增益方程是用于更新卡尔曼增益Kg,P表示X(AZ-I)的协方差，则有：(14)滤波误差协方差的推导：(15)(16)式中：/为1的矩阵，对于单模型单测量,=hP(邵力)是X(砾”)对应的协方差,P(hh)是X(hh)对应的协方差;表示A的转置矩阵;Q是系统过程的协方差(施闻明,2005)。卡尔曼滤波的算法流程如下图12所示。(开始)图12kalman滤波算法流程图4.2.1接收端流程初始化液晶显示1602和无线模块nRF241.01.初始化液晶显示1.CDI602。单片机限制引脚CE为低，使nRF241.01进入待机模式。将本机地址(TX_ADDR)通过SPl接口写入nRF241.01,当CSN为低时数据被不断写入。将通道0、1、2、3、4、5设置为接收模式来接收应答信号，并且允许自动应答，自动重发10次，间隔为。各通道接收地址(RX_ADDR_P0RX_ADDR_P5)与发送端地址(TX_ADDR)相同(其中通道2-5只需设置低8位地址，高32位地址与通道1相同，无需设置)，各通道接收数据长度设置为4个字节，各通道工作频率设为2.4GHz(收发保持一样)，各通道放射速率为IMb/S。接收端程序流程如图13所示。图13接收端程序流程图5硬件电路5.1 硬件制作硬件的制作由万用板、PCB板和电子元器件组成。硬件的制作流程。首先在AltiUmDeSigner软件中画好原理图和PCB板的布线图，然后转换成reg格式，发给印刷公司定制PCB板；依据已经画好的PCB布线图，在万用板上焊出自己所设计的电路。5.2 硬件调试在没通电之前，先用万用表检查线路的正确性，并核对元器件的型号、规格是否符合要求。特殊留意电源的正负极以及电源之间是否有短路，并重点检查地址总线、数据总线、限制总线是否存在相互间的短路或其他信号线的短路。晶体振荡器和电容应尽可能靠近单片机芯片安装，以削减寄生电容，更好是保证振荡器稳定和牢靠地工作。在本系统中我们都进行了细致的检查，所以此步骤不会发生故障，这一步假如检查不细通电后可能会造成不行想象的后果，所以这一步也至关重要。通电后检查各器件引脚的电位，细致测量各点电位是否正常，尤其应留意单片机的插座上的各点电位，若有高压，将有可能损坏单片机仿真器。同样，假如电压过低就没有实力驱动其负载。在断电的状况下，除单片机以外，用仿真插头将所连接电路与单片机仿真器的仿真接口相连，为软件调试做好打算。其中遇到的问题很多，如印制电路途不合格，中间有些许短路，造成调试的失败。还有USB电源供电电压不足的问题，电源电压经过供电给负载，电压下降0.5V,致使单片机工作不正常的问题。5.3 硬件调试结果首先调试陀螺仪和加速度计传感器，使其能输出数据，并将数据用USart串口发到电脑串口调试助手软件上显示数据。同时，移动进行四元素陀螺仪和加速度计模块，视察数据是否变更正确。数据输出正确后，则将采集的数据进行四元素算法的转换，每计算一次则转换成欧拉角，Kalman滤波后，通过USart串口将未滤波前和滤波后的欧拉角数据发送到电脑上，用SeriaIChart软件进行波形显示对比。其次调试液晶显示，便利观看其他各项调试结果。主要视察液晶显示屏是否能正常显示。刚上电的时候，液晶显示器上显示空白，通过变更显示内容和位置都都不能正常显示，然后经过排查，发觉问题在于液晶显示器的对比度没调整正确。经过变更变阻器阻值大小调整液晶屏幕的对比度，液晶显示正常。再次调试无线收发电路。调试时先调试发送端，禁用自动应答功能，禁用自动重发功能,通过读状态寄存器,查看发送胜利标记是否置位检测是否发送胜利。发送胜利后，调试接收端，接收端也禁用自动应答功能，干脆接收发送端发过来的数据并通过液晶显示出来。5.4 测试数据通过Usart串口将kalman滤波前和滤波后的欧拉角发送到电脑上的SerialChart软件上画图表示，通过将数据做出图表，如下图14俯仰角(PitCh)滤波前后对比图所示，含有圆点的曲线为俯仰角还没经过kalman滤波的数据曲线，线宽粗的曲线表示kalman滤波后的数据曲线。图14俯仰角Pitch滤波前后对比图如下图15翻滚角RoOl滤波前后对比图所示，为翻滚角数据绘图，含有圆点的曲线是翻滚角还还没经过kalman滤波数据曲线，线宽粗的曲线为翻滚角kalman滤波后的数据曲线。图15翻滚角ROol滤波前后对比图偏航角kalman滤波效果如下图16所示，含有圆点的曲线为滤波前的数据曲线，线宽粗的曲线为kalman滤波后的数据曲线。图16偏航角kalman滤波前后对比图以上三个滤波效果图表明：kalman算法能缓冲突变的数据，在肯定程度上能削减毛刺，滤波效果明显，不足之处是滤波不够干净，有时间上的延迟。通过四元数算法所得到俯仰角、翻滚角和偏航角的测量数据与参考数据做对比。如表5俯仰角试验数据所示，测量数据与参考数据有肯定的误差。在测出的五个数据中，肯定误差保持在的范围内，相对误差则不是在一个小范围内，并且肯定误差没有随着变量的规律变更而规律变更。表5俯仰角试验数据参考数据测量数据肯定误差相对误差-36.1-35.20.92.49-60.0-61.21.22.0011.912.80.97.5645.045.90.92.00如表6翻滚角试验数据所示，翻滚角是指围着前进方向X轴翻转。在抽取五个测量数据中，肯定误差保持在的范围内，相对误差则不是在一个小范围内，并且肯定误差没有随着变量的规律变更和肯定误差的变更而规律变更。表6翻滚角试验数据参考数据测量数据、口*F3定1天龙相对误差-22.2-23.61.46.31-12.2-12.90.75.7415.817.01.27.5933.935.21.33.8354.355.20.91.66如表7偏航角试验数据所示，测量的数据与参考数据肯定误差较大，随着偏转角度越大，肯定误差就变大，相对误差同时变大。表7偏航角试验数据参考数据测量数据-ifcir、口头相对误差-135.0-129.25.84.30-90.0-89.20.80.89-45.0-45.20.20.4445.048.23.27.1190.097.37.38.116结论本次毕业设计收获良多，完成了设计的要求，实现对姿态角的监测，该系统能够通过实时采集目标载体上的传感器的数据，经过四元数算法和滤波处理后得到所要的姿态角数据，并用无线模块发送给接收显示模块通过液晶1.CD1602实姿态角。本设计虽完成基本功能，且包含有无线传输功能扩展。但是还有很多可以改进的地方，如可以采纳ARM9处理器，在1.inUX嵌入式系统平台上，通过TFT建立三维图像动态显示目标载体的状态，将数据进行图像化，会更形象更简洁懂。还可以通过一些更好的滤波方式进行数据滤波，已得到更精确的姿态角数据。参考文献冯智勇，曾瀚，张力等.基于陀螺仪及加速度计信号融合的姿态角度测量J.西南师范高校学报(自然科学版)，2011,36(4)：137141.籍颖，刘兆祥，刘刚等.基于Kalman滤波农用车辆导航定位方法J.农业机械学报，2009,9(40)：1317.黄旭，王常虹，伊国兴等.利用磁强计及微机械加速度计和陀螺的姿态估计扩展卡尔曼滤波器J.中国惯性技术学报,2005,13(2)：2734.代刚，李枚，苏伟等.自旋导弹捷联式陀螺/地磁姿态测量方法J.中国惯性技术学报,2010,18(6)：702705.施闻明，徐彬，陈利敏.捷联式航姿系统中四元素算法KaIman滤波器的实现探讨J.自动化技术与应