智能車設(shè)計 論文

摘要在全國大學(xué)生飛思卡爾“智能汽車”競賽中，對智能車前輪傾角的調(diào)整是一個十分重要的過程，它關(guān)系到車模在高速行進(jìn)過程中的直線行駛性能，轉(zhuǎn)彎的性能等許多方面。為了提高傾角調(diào)整的準(zhǔn)確性、一致性，本畢業(yè)設(shè)計旨在開發(fā)一種運(yùn)用于前輪小傾角的高精度的傾角測量儀。首先設(shè)計硬件電路，主要包括SCA100T傾角傳感器硬件SPI接口電路、ATmega16單片機(jī)及外圍電路和LCM046模塊信息顯示硬件電路設(shè)計。完成硬件電路部分后是對傾角測量儀軟件程序的開發(fā)，主要包括傾角傳感器驅(qū)動模塊和信息顯示模塊的程序兩方面。實(shí)驗(yàn)證明此設(shè)計可以完成精確度為0.2°的小傾角測量，但仍有需要改進(jìn)之處，有待優(yōu)化。關(guān)鍵字：傾角測量SCA100T—D01ATmega16AbstractInNationalUndergraduateFreescale"smartcar"contest,adjustingtheangleofthefrontwheelofthesmartcarisaveryimportantprocess.Itisrelatedtomanyaspectslikethestraight-linedrivingandtheturnperformancesofthecarmodelsintheprocessofhigh-speedtravel.Inordertoimprovetheaccuracyandconsistencyoftheinclinationadjustment,thisgraduationprojectaimstodevelopasmallanglehigh-precisioninclinometertomeasureinclinationofthefrontwheel.First,buildthehardwarecircuit,includingthedesignofSCA100TtiltsensorhardwareSPIinterfacecircuit,ATmega16microcontrollerandperipheralcircuitsandLCM046moduleinformationdisplayhardwarecircuit.Aftercompletingthepartofhardwarecircuit,thefollowingistodevelopthesoftwareprogramoftheinclinometer,mainlyincludingthetiltsensordrivemoduleandtheinformationdisplaymoduleoftheprogram.Theexperimentsshowthatthisdesigncanbedonewithanaccuracyof0.2°inclinationmeasurement,butitstillneedstobeimproved,needstobeoptimized.Keywords:DipAngleMeasurementSCA100T—D01ATmega16目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"摘要IAbstractII\o"CurrentDocument"引言1\o"CurrentDocument"概述2\o"CurrentDocument"1.1基于AVR單片機(jī)的傾角測量儀開發(fā)的意義2\o"CurrentDocument"1.2四輪定位2\o"CurrentDocument"傾角測量儀硬件設(shè)計4\o"CurrentDocument"2.1主要元器件介紹42.1.1傳感器的選型42.1.2單片機(jī)的選型62.1.3顯示屏的選型8\o"CurrentDocument"2.2硬件的總體設(shè)計方案92.2.1傾角傳感器模塊設(shè)計102.2.2單片機(jī)電路模塊11\o"CurrentDocument"2.2.3LCM046的顯示模塊122.2.4傾角測量儀硬件設(shè)計整體電路圖13\o"CurrentDocument"2.3裝置樣機(jī)13\o"CurrentDocument"傾角測量儀的軟件設(shè)計14\o"CurrentDocument"3.1軟件開發(fā)環(huán)境14\o"CurrentDocument"3.2軟件設(shè)計的總體方案153.2.1傳感器模塊153.2.2顯示屏模塊20\o"CurrentDocument"4.實(shí)驗(yàn)23\o"CurrentDocument"4.1傾角測量實(shí)驗(yàn)23\o"CurrentDocument"4.2溫度測量實(shí)驗(yàn)24結(jié)論25\o"CurrentDocument"致謝26\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn)27引言在智能車比賽中，存在許多影響車子的穩(wěn)定行駛以及各項(xiàng)性能的機(jī)械結(jié)構(gòu)，因此，對前輪傾斜角度的調(diào)整成為了至關(guān)重要的一個步驟。為了讓智能車能夠在比賽中有好的表現(xiàn)，主要有以下四種定位方式：主銷后傾、主銷內(nèi)傾、前輪外傾、前輪前束，但目前市場上在專用于智能車輪胎的低成本、高精度傾角測量儀這個方面依舊是一塊空白。經(jīng)過調(diào)查，我發(fā)現(xiàn)大多數(shù)的選手在準(zhǔn)備階段還主要是用目測對小車前輪傾斜角度進(jìn)行調(diào)整，這樣就大大的降低了精確度，進(jìn)而影響到小車性能的發(fā)揮。因此，本設(shè)計的主要目的就是開發(fā)一款適用于智能車輪胎小傾角的高精度測量儀。設(shè)計和實(shí)現(xiàn)一個基于AVR單片機(jī)傾角測量儀，主要有以下兩個方面的內(nèi)容:一是基于AVR單片機(jī)傾角測量儀硬件電路設(shè)計，其中主要包括傾角傳感器硬件接口電路、單片機(jī)及外圍電路和信息顯示硬件電路設(shè)計；二是傾角測量儀軟件程序的開發(fā)，主要包括傾角傳感器驅(qū)動模塊、信息顯示模塊、按鍵模塊以及傳感器內(nèi)部溫度補(bǔ)償模塊程序的開發(fā)。概述1.1基于AVR單片機(jī)的傾角測量儀開發(fā)的意義全國大學(xué)生飛思卡爾“智能汽車”競賽是教育部倡導(dǎo)的大學(xué)生科技競賽之一。該競賽旨在培養(yǎng)大學(xué)生的綜合知識運(yùn)用能力、基本工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識，激發(fā)大學(xué)生從事科學(xué)研究與探索的興趣和潛能。對于智能車而言，要保持車輛直線行駛的穩(wěn)定性，使之轉(zhuǎn)彎自動回正、轉(zhuǎn)向輕便，必須確定車輪定位參數(shù)。而在目前的智能車比賽中，調(diào)整智能車輪胎的傾角一般都采用目測，用人眼來觀察左右前輪的傾角存在誤差大，難以調(diào)整等問題。1.2四輪定位車輪定位角度是存在于懸架系統(tǒng)和各活動機(jī)件間的相對角度，保持正確的車輪定位角度可確保智能車直線行駛，改善車輛的轉(zhuǎn)向性能，確保轉(zhuǎn)向系統(tǒng)自動回正，避免軸承因受力不當(dāng)而受損失去精度，還可以保證輪胎與地面緊密接合，減少輪胎磨損、懸架系統(tǒng)磨損以及降低油耗等。汽車懸架系統(tǒng)主要定位角度包括：車輪外傾、車輪前束、主銷后傾、主銷內(nèi)傾等。1、車輪外傾車輪外傾角是指車輪中心平面與汽車垂直平面的夾角。當(dāng)車輪頂部向汽車外部傾斜時角度為正，反之為負(fù)。車輪外傾角主要作用是使車輪與地面的動態(tài)承載中心得到合理的分配，從而達(dá)到提高機(jī)械零件的使用壽命，減少輪胎的磨損等效果。若車輪外傾角不正確，輪胎會出現(xiàn)異常的磨損，智能車在行駛時也會發(fā)生偏駛的現(xiàn)象。一般前輪外傾角為1°左右如圖1-1所示。乍輪外傾圖1-1車輪外傾2、車輪前束車輪的水平直徑與車輛縱向?qū)ΨQ平面之間的夾角為前束角。由于車輪外傾及路面阻力使前輪有向兩側(cè)張開做滾錐運(yùn)動的趨勢但受車軸約束，不能向外滾動，導(dǎo)致車輪邊滾邊滑，增加了磨損，通過前束可使車輪在每瞬間的滾動方向都接近

于正前方，減輕了輪轂外軸承的壓力和輪胎的磨損。前輪前束一般為0?12mm。如圖1-2所示。3、主銷后傾圖3、主銷后傾圖1-2車輪前束過車輪中心的鉛垂線和真實(shí)或假想的轉(zhuǎn)向主銷軸線在車輛縱向?qū)ΨQ平面的投影線所夾銳角為主銷后傾角，向前為負(fù)，向后為正。主銷后傾角的存在可使車輪轉(zhuǎn)向軸線與地面的交點(diǎn)在輪胎接地點(diǎn)的前方，可利用地面對輪胎的阻力產(chǎn)生繞主銷軸線的回正力矩，該力矩的方向正好與車輪偏轉(zhuǎn)方向相反，使車輛保持直線行駛。通常后傾角為1°?3°。如圖1-3所示。圖1-3圖1-3王銷后傾4、主銷內(nèi)傾主銷內(nèi)傾定義為在同時垂直于車輛縱向?qū)ΨQ平面和車輛支承平面的平面內(nèi)，由真實(shí)的或假想的轉(zhuǎn)向主銷的軸線在該平面上的投影與車輛支承平面的垂線所構(gòu)成的銳角。主銷內(nèi)傾角的作用，是使車輪在受外力偏離直線行駛時，前輪會在重力作用下自動回正。另外，主銷內(nèi)傾角還可減少前輪傳至轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上的沖擊，并使轉(zhuǎn)向輕便，但內(nèi)傾角不宜過大，否則在轉(zhuǎn)向時，會使輪胎磨損加快。通常主銷內(nèi)傾角不大于8°。如圖1-4所示。傾角測量儀硬件設(shè)計2.1主要元器件介紹2.1.1傳感器的選型1、SCA60C：N1000060SCA60C：N1000060加速度計是由硅體微機(jī)傳感元件芯片和一個信號調(diào)節(jié)ASIC組成的。封裝過程中是標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體傳輸成型工藝。該傳感器具有8個SMD管腳（鷗翼式）。測量傾角范圍為±90。，由于測量范圍大，所以精度也就相對降低許多。另外，由于它是單軸傾角傳感器，對于測量多方向的四輪定位的傾角是不能夠滿足要求的。2、SCA100T-D01SCA100T系列是一個基于3D測量的雙重軸傾角測量儀。傳感單元的2條測量軸與安裝平面平行，且相互垂直。它有低溫度依賴性，高精度和低噪聲，以及一個高效的傳感單元設(shè)計，這使得SCA100T成為大多傾角測量儀的理想的選擇。該傳感器主要應(yīng)用于：平臺水準(zhǔn)和穩(wěn)定性測量、水準(zhǔn)儀、360°垂直定向測量及容積率測量等。經(jīng)過多次的對比，一開始我考慮選用的是角度傳感器，但經(jīng)過考察實(shí)際情況以及查閱大量的資料，我發(fā)現(xiàn)在本設(shè)計中需要用到的是傾角傳感器。最終，我選用SCA100T—D01傾角傳感器來獲取傾角信號，它精度高，且為雙軸傳感器，非常適合智能車輪胎傾角測量時所需的小角度、多方向等要求。1）特性雙軸傾角測量（X軸和Y軸）；SCA100T-D01的測量范圍為±30°；精度為0.0025°（10HzBW，模擬輸出）；傳感單元控制過阻尼頻率響應(yīng)（-3dB18Hz）；過溫度的高穩(wěn)定性；數(shù)字SPI傾斜及溫度輸出；通過靜電力的偏轉(zhuǎn)傳感單元的檢測質(zhì)量的自檢功能；連續(xù)傳感單元互連錯誤檢查。2）實(shí)物圖與引腳圖實(shí)物圖與引腳圖如圖2-1所示。圖2-1SCA100T-D01實(shí)物圖與引腳圖3）SCA100T-D01的SPI串行接口一個串行外圍接口（SPI）系統(tǒng)包括一個主設(shè)備和一個或多個的從屬設(shè)備。主機(jī)設(shè)備為一個單片機(jī)提供SPI時鐘以及從屬設(shè)備從主機(jī)設(shè)備處接收任何集成電路SPI時鐘。VTI的ASIC科技產(chǎn)品總是作為一個從屬設(shè)備來使用。SPI有4線程同步串行接口。數(shù)據(jù)通信是通過低電平活動的附屬選擇或是片選線程（CSB）使能的。數(shù)據(jù)是由一個3線程接口來傳送的，其中包括串行數(shù)據(jù)輸入（MOSI）、串行數(shù)據(jù)輸出（MISO）以及串行時鐘（SCK）。該傳感器可以用軟件或是硬件進(jìn)行SPI通信，其中在硬件條件下接受的加速度數(shù)據(jù)是11位的。每一次傳輸始于CSB的下降沿，止于CSB的上升沿。在傳輸過程中，命令和數(shù)據(jù)是由SCK和CSB依據(jù)以下規(guī)則控制的：命令和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移時，MSB先，LSB最后；每個輸出數(shù)據(jù)/狀態(tài)流在SCK下降沿時輸出（MISO線），在SCK上升沿時進(jìn)行抽樣（MOSI線）；?在CSB下降沿選擇設(shè)備后，開始接收一個8位的命令并執(zhí)行命令定義的操作；如果收到無效命令，將不會有數(shù)據(jù)傳輸入片中并且MISO將保持在高阻狀態(tài)，直到下一次CSB的下降沿，重新初始化串行通信；數(shù)據(jù)從MISO傳出開始于SCK的下降沿，在SPI命令最后一位結(jié)束后SCK立即變?yōu)樯仙?；SPI時鐘頻率的最大值為500kHz；SPI命令可以是單獨(dú)命令或是數(shù)據(jù)與命令的結(jié)合。在數(shù)據(jù)與命令結(jié)合的情況下，輸入數(shù)據(jù)遵循不間斷的SPI命令，輸出數(shù)據(jù)時與輸入數(shù)據(jù)平行。4）自檢及錯誤檢測模式為了保證可靠的測量結(jié)果，SCA100T有連續(xù)互連錯誤校準(zhǔn)記憶正確度檢測。若檢測出錯誤，將強(qiáng)制使輸出信號接近0V或VDD電壓。校準(zhǔn)記憶正確度是通過不斷運(yùn)行的奇偶校驗(yàn)檢查控制寄存器記憶內(nèi)容來驗(yàn)證的。一旦檢測到奇偶校驗(yàn)誤差，控制寄存器就會自動從EEPROM重載。如果重載數(shù)據(jù)后檢測到一個新的奇偶校驗(yàn)誤差，所有模擬輸出電壓都會強(qiáng)制接近0V。SCA100T也包括一個分離的自檢模式。它是利用靜電力模擬加速或是減速狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)自檢的。自檢功能可通過SPI接口并由STX或是STY命令來激活的，可由MEAS命令來停止。自檢模式同時也能由ST管腳（管腳9和10）的高電平激活。自檢模式不能同時為所有通道激活。自檢包括以下幾個檢測方面：傳感元件運(yùn)動檢測；ASIC信號路徑檢測、PCB信號路徑檢測、微控制器模數(shù)轉(zhuǎn)換以及信號路徑檢測。

2.1.2單片機(jī)的選型1、MC9S12XS128MC9S12XS128是一個16位的單片機(jī)，由128KB程序Flash、8KB隨機(jī)存儲器、8KB數(shù)據(jù)Flash組成片內(nèi)存儲器。同時還包括2個異步串行通信接口、1個串行外設(shè)接口、1個8通道輸入捕捉/輸出比較定時器模塊、16通道12位A/D轉(zhuǎn)換器和一個8通道脈沖寬度調(diào)制模塊。端口引腳大多為復(fù)用引腳，具有多重功能。但因?yàn)閄S128價格較高，并且其中許多的功能在本設(shè)計中都不需要使用，性價比不高，因此不選用XS128作為本設(shè)計的傳感器。2、ATmega16ATmega16是基于增強(qiáng)的AVRRISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz，可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，512字節(jié)EEPROM，32個通用I/O口線，32個通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個具有比較模式的靈活的定時器/計數(shù)器（T/C），片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART，有起始條件檢測器的通用串行接口，8路10位具有可選差分輸入級可編程增益（TQFP封裝）的ADC，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，一個SPI串行端口，以及六個可以通過軟件進(jìn)行選擇的省電模式。其實(shí)物圖與引腳圖如圖2-2所示：=09圖2-2ATmega16實(shí)物圖與引腳圖=091）產(chǎn)品特性ATmega16的外設(shè)特點(diǎn)：它有兩個8位、一個16位的具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的定時器/計數(shù)器，它的實(shí)時計數(shù)器RTC具有獨(dú)立振蕩器以及可工作于主機(jī)/從機(jī)模式的SPI串行接口。?特殊的處理器特點(diǎn)：上電復(fù)位以及可編的掉電檢測、經(jīng)過標(biāo)定的片內(nèi)RC振蕩器以及五種睡眠模式。ATmega16的工作電壓為4.5-5.5V，正常模式下工作電流為1.1mA。2）引腳說明ATmega16的引腳功能如表2-1所示。

表2-1ATmega16引腳說明表引腳名稱功能說明VCC數(shù)字供電電源GND地PORTA(PA7..PA0)A端口作為模擬輸入傳輸給模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。在沒有使用模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的情況下，A端口也作為一個八位的雙向輸入/輸出端口。端口管腳能提供內(nèi)部上拉電阻（選定每一位）。A端口輸出緩存器有著對稱的驅(qū)動特性，可以輸入和輸出大電流。當(dāng)管腳PA0至PA7被用作輸出并外部置低，內(nèi)部上拉電阻被激活的情況下，它們將輸出電流。當(dāng)在重置的條件下A端口管腳處在高阻狀態(tài)，即使系統(tǒng)時鐘還未工作。PORTB(PB7..PB0)B端口作為一個八位的雙向輸入/輸出端口并且端口管腳能提供內(nèi)部上拉電阻（選定每一位）。B端口輸出緩存器有著對稱的驅(qū)動特性，可以輸入和輸出大電流。作為輸入端，B端口管腳在外部置低，內(nèi)部上拉電阻被激活的情況下，它們將輸出電流。當(dāng)在重置的條件下B端口管腳處在高阻狀態(tài)，即使系統(tǒng)時鐘還未工作。B端口也能用作ATmega16多種特殊功能。PORTC(PC7..PC0)與B端口類同。PORTD(PD7..PD0)與B端口類同。RESET重置輸入。持續(xù)時間超過最小脈沖長度的低電平將產(chǎn)生系統(tǒng)復(fù)位，即使系統(tǒng)時鐘不在工作狀態(tài)。過短的脈沖將不保證能產(chǎn)生重置。XTAL1作為反向振蕩放大器與和內(nèi)部時鐘操作電路的輸入。XTAL2作為反向振蕩放大器的輸出。AVCCAVCC為A端口以及模/數(shù)轉(zhuǎn)換器提供電壓。即使沒有使用模數(shù)裝換器，也必須外連至Vcc。如果使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器，必須通過一個低通濾波器連至Vcc。AREFAREF是模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的模擬參考管腳。3)ATmega16的SPI接口ATmega16集成了一個串行外設(shè)SPI接口，允許ATmega16和外設(shè)之間進(jìn)行高速的同步數(shù)據(jù)傳輸。它的主要特點(diǎn)有：全雙工，3線同步數(shù)據(jù)傳輸；主機(jī)或從機(jī)操作；LSB首先發(fā)送或MSB首先發(fā)送；7種可編程的波特率；傳輸結(jié)束中斷標(biāo)志；寫沖突標(biāo)志檢測；可以從閑置模式喚醒。主機(jī)和從機(jī)系統(tǒng)包括兩個移位寄存器和一個主機(jī)時鐘發(fā)生器。主機(jī)拉低SS引腳來啟動一次數(shù)據(jù)傳輸。其中，SPI接口不自動控制SS引腳，而必須通過用戶的程序來處理。主機(jī)和從機(jī)將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)放入相應(yīng)的移位寄存器。對SPI數(shù)據(jù)寄存器（SPDR）寫入數(shù)據(jù)即可啟動時鐘脈沖，雙方以此為基準(zhǔn)進(jìn)行8位數(shù)據(jù)交換。傳輸結(jié)束后，SPI時鐘停止，傳輸結(jié)束標(biāo)志位SPIF置1。如果此時SPCR中的SPIE位置1就會產(chǎn)生中斷。MOSI情況下，主機(jī)移出數(shù)據(jù)，從機(jī)接受數(shù)據(jù)；MISO情況下，主機(jī)接受數(shù)據(jù)，從機(jī)移出數(shù)據(jù)。每次數(shù)據(jù)傳輸完成，主機(jī)都可以通過拉高SS實(shí)現(xiàn)與從機(jī)的同步。SPI模塊使用的外部引腳有4個：MOSI（與PB5復(fù)用）、MISO（與PB6復(fù)用）、SCK（與PB7復(fù)用）和CSB（與PB4復(fù)用）引腳。2.1.3顯示屏的選型1、LCM046顯示屏的特點(diǎn)及功用LCM046可與任何單片機(jī)相連，功耗非常低，數(shù)據(jù)傳輸方式是串口傳輸。顯示狀態(tài)50pA（典型值），省電模式＜1pA，工作電壓2.4?5.2V，視角對比度可調(diào)顯示清晰，穩(wěn)定可靠,使用編程簡單，是儀器儀表、手持便攜儀器、電話系列、家用電器、運(yùn)動器材、醫(yī)療保健儀器、智能充電器等的最佳通用型顯示模塊。2、LCM046顯示屏引腳說明由于LCM046內(nèi)部有上拉電阻,為保證低功耗，每次送數(shù)之后,/CS、/RD、/WR、DATA必須接高電平或懸浮。根據(jù)采用的MCU不同，采用不同方式接口，不必使用分壓電阻若MCU與LCM046工作電壓相同可直接相接。/RD、/IRQ、BZ可不用，用三線接口即可:/CS、/WR、DATA。LCM046引腳說明見表2-2。表2-2LCM046引腳說明引腳符號說明輸入/輸出1/CS模塊片選，內(nèi)部上拉，必須接！輸入2/RD模塊數(shù)據(jù)讀出控制線，內(nèi)部上拉輸入3/WR模塊數(shù)據(jù)/指令寫入控制線，內(nèi)部上拉，必須接！輸入4DA數(shù)據(jù)輸入/輸出，內(nèi)部上拉，必須接！輸入/輸出5GND地線，必須接！輸入6VLCDLCD屏工作電壓調(diào)整，可調(diào)整視角對比度，必須接！輸入7VDD正電源，必須接！輸入8IRQWDT/定時器輸出，集電極開路輸出，不用可不接輸出9BZ壓電陶瓷蜂鳴片驅(qū)動+極輸出10/BZ壓電陶瓷蜂鳴片驅(qū)動-極輸出

3、LCM046顯示屏的相關(guān)時序1)寫命令/數(shù)據(jù)時序WP-EHI3EZHDATAleaeaes瀕幽撅魂WP-EHI3EZHDATAleaeaes瀕幽撅魂[XJXXCommand_orAddr2orData2Command_orAddr2orData2DataModeCommandorAddi3orDataJDataModeCSIDATAn0I1IA5-4A3#AlA。[DODID2D3]DODI以D3|DODI。2D3[DODIDWD3[DOMemoryAddjess(MA)DataCN'IA)Data(MA+l)Data(MA+2)Data(MA+3)注A5=0,MA為寫入的第一位數(shù)據(jù)地址此后連續(xù)送數(shù)地址自動加1.4、使用模塊注意事項(xiàng)RAM表數(shù)據(jù)位為1則顯示，為0則滅。當(dāng)模塊工作電壓為3.3V以下時，VLCD腳與VDD直接相接，當(dāng)模塊工作電壓＞3.3V時，VLCD腳與VDD間接一個電位器50K調(diào)節(jié)，參考值為5V/36K。2.2硬件的總體設(shè)計方案硬件設(shè)計主要包括傾角傳感器模塊、單片機(jī)模塊、按鍵模塊、顯示屏模塊以及電源供電模塊。系統(tǒng)的整體硬件設(shè)計原理框圖如圖2-3所示。圖2-3硬件設(shè)計原理框圖傾角傳感器模塊的設(shè)計：系統(tǒng)采用SCA100—D01的SPI接口來讀取輸出信息，可避免額外的A/D采樣，由于ATmega16具有SPI中斷，可直接將傳感器作為從器件接到單片機(jī)的SPI接口上。單片機(jī)模塊的設(shè)計：單片機(jī)電路設(shè)計主要是單片機(jī)外圍電路的連接，以保證單片機(jī)可以正常工作。此外，還有單片機(jī)與傾角傳感器之間的SPI接口、顯示屏LCM046相關(guān)引腳以及按鍵的連接，以確保信號能夠正常傳輸。按鍵模塊的設(shè)計：主要是與單片機(jī)的連接，讓用戶可以根據(jù)需要通過外部按鍵來切換顯示屏上顯示的數(shù)據(jù)。顯示屏LCM046應(yīng)用電路的設(shè)計：主要是顯示屏本身供電等自身外圍電路的連接，以及顯示屏與單片機(jī)相關(guān)引腳的連接。電源適配器供電模塊的設(shè)計：傾角測量儀的電源可由電源適配器或者電池提供的，因?yàn)楦髂K所需的工作電壓都有所不同，同時設(shè)計了一個穩(wěn)壓模塊，將適配器提供的6V電源穩(wěn)定為5V，供給單片機(jī)與傳感器工作。2.2.1傾角傳感器模塊設(shè)計根據(jù)相關(guān)資料顯示，該傳感器通過SPI接口傳出的數(shù)據(jù)會比通過模擬信號傳出后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換得出的傾角數(shù)據(jù)精度更高，因此傾角測量模塊主要是傾角傳感器SCA100T—D01與ATmega16單片機(jī)之間的SPI接口，包括MISO、MOSI、SCK、CSB四個引腳。另外，還有傳感器電源VDD與地VSS。共6個引腳需接出。12引腳與地之間必須接一個0.1uF的濾波電容，用在電源整流電路中，用來濾除交流成分，使輸出的直流更平滑。引腳5和11為輸出模擬信號時的連接引腳。引腳9和10為自檢模塊的驅(qū)動引腳。根據(jù)該傳感器說明書中的引腳說明表，如表2-3所示，該模塊原理圖如圖2-4所示。表2-3引腳說明節(jié)點(diǎn)輸入/輸出描述SCK輸入串行時鐘NC輸入不連接，懸起MISO輸出輸出；輸出數(shù)據(jù)MOSI輸入輸入；輸入數(shù)據(jù)OUT-2輸出Y軸輸出（CH2）GND補(bǔ)充接地CSB輸入片選（低電平有效）NC輸入不連接，懸起

ST-2輸入CH2自測輸入ST-1輸入CH1自測輸入OUT-1輸出X軸輸出（CH1）VDD補(bǔ)充電源電壓（+5VDC）圖2-4傳感器模塊原理圖2.2.2單片機(jī)電路模塊單片機(jī)電路設(shè)計主要是ATmega16單片機(jī)小車開發(fā)板與JTAG仿真器、傳感器以及LCD相關(guān)引腳的連接以確保信號傳輸正常。該模塊中ATmega16單片機(jī)原理圖如圖2-5所示。其中，因?yàn)椴恍枋褂媚?shù)轉(zhuǎn)換器，引腳27可直接接電源。圖2-5單片機(jī)模塊原理圖JTAG仿真器接口原理圖如圖2-6所示。其中，TCK為時鐘信號引腳與單片機(jī)引腳21相連，TMS為模式選擇引腳，與單片機(jī)引腳22相連。TDI與TDO分別為數(shù)據(jù)輸入與輸出引腳，分別與單片機(jī)引腳24、23相連。引腳4與7都需要接電源。引腳6為復(fù)位腳，接單片機(jī)引腳4。引腳2與10接地。引腳8留作后續(xù)設(shè)備時候，此處懸空不接。圖2-6JTAG仿真器接口原理圖2.2.3LCM046的顯示模塊LCM046顯示電路設(shè)計主要是顯示屏本身供電等外圍電路的連接，以及顯示屏與單片機(jī)相關(guān)引腳的連接。其中，BZ與/BZ引腳是驅(qū)動蜂鳴器的，此設(shè)計中沒有使用蜂鳴器，所以BZ與/BZ引腳懸空不接。IRQ為定時器輸出，RD為模塊數(shù)據(jù)讀出控制線，也懸空。CS為片選引腳，與單片機(jī)引腳35相連。WR為數(shù)據(jù)/指令寫入控制線，與單片機(jī)引腳36相連。DA為數(shù)據(jù)輸入/輸出，與單片機(jī)引腳37相連。VLCD必須接電源。該模塊原理圖如圖2-7所示。

2.2.4傾角測量儀硬件設(shè)計整體電路圖采用ProtelDXP2004軟件繪制傾角測量儀的原理圖及PCB電路板。該傾角測量儀的硬件設(shè)計總體原理圖如圖2-8所示。圖2-8硬件設(shè)計總體原理圖2.3裝置樣機(jī)本裝置樣機(jī)組成分為三部分：SCA100T—D01傳感器測量模塊、單片機(jī)及外圍電路模塊、LCM046顯示屏模塊。本裝置制作的原則是測量模塊盡可能小，與輪胎的貼合面進(jìn)可能的平整，最小程度影響傾角測量。傾角測量儀實(shí)驗(yàn)樣機(jī)實(shí)物圖如圖2-9所示。圖2-9實(shí)驗(yàn)樣機(jī)實(shí)物圖傾角測量儀的軟件設(shè)計3.1軟件開發(fā)環(huán)境本次畢業(yè)設(shè)計中的軟件設(shè)計我選擇的開發(fā)環(huán)境是AVRStudio4，它是極大多數(shù)AVR開發(fā)者必選的工具。其編譯界面如圖3-1所示。圖3-1AVRStudio4編譯界面ATMELAVRStudio集成開發(fā)環(huán)境(IDE),包括AVRAssembler編譯、AVRStudio調(diào)試功能、AVRProg串行、并行下載功能和JTAGICE仿真等功能。它為功能強(qiáng)大的AVR8位RISC指令集單片機(jī)提供了工程管理工具、源文件編輯器、芯片模擬器和在線仿真調(diào)試(In-circuitemulator)接口。它有一個全新的模塊結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)允許第三方軟件共同合作開發(fā)，而且GUI插件和其它模塊也可以寫或掛到該系統(tǒng)上。因?yàn)锳VRStudio4默認(rèn)的語言是匯編語言，自身不帶有C語言編譯器，因此在安裝該軟件時同時需要安裝一個C編譯器，此編譯器我選擇的是WINAVRO在正確安裝這兩個軟件后，打開AVRStudio4,在創(chuàng)建新工程的時候就會多出來一個AVRGCC的選項(xiàng)，選擇該項(xiàng)即可使用C語言進(jìn)行編譯。3.2軟件設(shè)計的總體方案本系統(tǒng)軟件部分采用模塊化結(jié)構(gòu)，各模塊均編成子程序，便于函數(shù)之間相互調(diào)用和對問題的調(diào)試。本系統(tǒng)軟件主要分為3大模塊，分別為傳感器模塊、傾角信息顯示模塊、以及按鍵模塊。傾角測量儀的軟件流程圖如圖3-2所示。圖3-2軟件流程圖系統(tǒng)以ATmega16單片機(jī)作為中央控制芯片。首先對單片機(jī)和LCM046顯示屏進(jìn)行初始化設(shè)置；然后將傳感器得到的傾角信息以及溫度信息經(jīng)過計算處理后由SPI接口輸入單片機(jī)，最終通過LCM046顯示出來，可通過按鍵進(jìn)行各種數(shù)據(jù)顯示之間的切換。3.2.1傳感器模塊1、SPI接口初始化首先，根據(jù)ATmega16單片機(jī)中的SPI控制寄存器——SPCR以及SPI狀態(tài)寄存器——SPSR的說明表，使能SPI接口。1)SPI控制寄存器——SPCRBit76543210SPIESPEDORDMSTRCPOLCPHASPR1SPR0其中:

SPIE:置1時，引發(fā)SPI中斷。SPE:置1時，使能SPI。DORD：為1時，先發(fā)送數(shù)據(jù)的地位；為0時，先發(fā)送數(shù)據(jù)的高位。MSTR：為1時選擇主機(jī)模式，為0時選擇從機(jī)模式。CPOL：時鐘極性。CPHA:時鐘相位。SPR1...0：SPI時鐘頻率選擇。2)SPI狀態(tài)寄存器——SPSRBit76543210SPIFWCOL—————SPI2X其中，本設(shè)計使用到的有：SPIF:在串行發(fā)送結(jié)束后置1。WCOL：若SPI在數(shù)據(jù)傳輸中對SPDR寫入數(shù)據(jù)，WCOL會置1。Bit5.1：保留位，讀操作返回值為0。SPI2X:該位置1將加倍SPI時鐘頻率。程序如下：//MOSI和SCK引腳輸出，低電平voidSca100t_Init(void){DDRB=0xa0;SCA_CS_PIN_d;SCA_CS_high;SPCR=0x51;SPSR=0x00;〃主機(jī)模式、模式0、使能SPI//MSB在前，SPI時鐘頻率：8M/16=500kHZ2、傾角讀取與轉(zhuǎn)換1)根據(jù)ATmega16的SPI數(shù)據(jù)寄存器——SPDR的說明表以及SCA100T—D01的命令寄存器的命令列表，進(jìn)行傾角數(shù)據(jù)的讀取。//MOSI和SCK引腳輸出，低電平SPCR=0x51;SPSR=0x00;SPDR為讀/寫寄存器，用來在通用寄存器組和SPI移位寄存器之間傳輸數(shù)據(jù)。其說明表為：Bit76543210MSBLSB其中：MSB為數(shù)據(jù)的最高位，LSB為數(shù)據(jù)的最低位。SCA100T—D01的命令寄存器的命令列表如表2-3所示。

表2-3SCA100T-D01命令列表圖3-4SPI圖圖3-4SPI圖3-3RWTR命令時序圖OCXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX^命令名稱命令格式描述MEAS00000000測量模式，是啟動后默認(rèn)的操作模式。在正常操作情況下，MEAS命令是自檢模式的退出命令。RWTR00001000在不影響正常操作的情況下能夠讀取溫度數(shù)據(jù)寄存器。溫度數(shù)據(jù)寄存器每150us更新一次。只要CSB為低電平，即可終止加載操作，8位溫度數(shù)據(jù)傳輸如圖3-3所示。MSB數(shù)據(jù)最先傳輸。在正常操作中，是否在RWTR命令下將數(shù)據(jù)寫入溫度數(shù)據(jù)寄存器不會產(chǎn)生影響，因此建議全部寫入0。RDSR00001010讀取狀態(tài)寄存器。RLOAD00001011重載NV數(shù)據(jù)至存儲輸出寄存器。STX00001110為激活X軸（通道1）的自檢功能。X軸加速傳感兀件電極被置為高電平，這將導(dǎo)致靜電力轉(zhuǎn)換傳感元件產(chǎn)生電波并刺激正方向的加速。當(dāng)輸入MEAS命令時，自檢模式將關(guān)閉。自檢模式將不能同時為雙通道激活。STY00001111激活Y軸（通道2）的自檢功能。Y軸加速傳感元件電極置高電平。RDAX00010000訪問模數(shù)轉(zhuǎn)換后的X通道（通道1）中存儲在加速度數(shù)據(jù)寄存器X的加速度信號。通過SPI接口傳輸命令與11位加速度數(shù)據(jù)如圖3-4所示。RDAY00010001訪問模數(shù)轉(zhuǎn)換后的Y通道（通道2）中存儲在加速度數(shù)據(jù)寄存器Y的加速度信號。程序如下：uint16_tSca100tReadX(void){SCA_CS_low;//首先將CSB置低，選擇該設(shè)備SPDR=CMD_RDAX;〃發(fā)送讀取X軸數(shù)據(jù)命令while(!(SPSR&_BV(SPIF)));〃等待SPDR=0x00;〃任意發(fā)送一數(shù)據(jù)，準(zhǔn)備開始讀取傾角數(shù)據(jù)while(!(SPSR&_BV(SPIF)));temp=SPDR;〃將讀取的高8位數(shù)據(jù)賦給tempSPDR=0x00;while(!(SPSR&_BV(SPIF)));temp=(temp<<3)|(SPDR>>5);〃移位SCA_CS_high;〃將CSB置高，結(jié)束傳輸returntemp;〃返回數(shù)據(jù)}其中，需要注意的是，通過SPI接口輸出的數(shù)據(jù)為11位，而每次讀取僅能讀取8位，并且先輸出高位后輸出低位，因此，在讀取完高8位數(shù)據(jù)后需要將變量左移3位，而將下一次讀取的數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)右移5位，將剩下的3位寫入變量中，這樣才能完整的讀取11位數(shù)據(jù)。讀取Y軸數(shù)據(jù)與上述類似，在此就不重復(fù)介紹。2)數(shù)字輸出與角度換算直接從寄存器讀取出的數(shù)據(jù)是范圍為0至2048的數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)需要經(jīng)過換算才能最終在顯示屏上顯示出實(shí)際角度，參考說明書，可根據(jù)下列公式進(jìn)行換算:a=arcsin[(Dout-Dout@0°)/sens]。其中：Dout為數(shù)字輸出(RDAX或是RDAY)；Dout@0°為數(shù)字偏移值，RDAX和RDAY數(shù)據(jù)寄存器在0角度位置處的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容為：二進(jìn)制：10000000000；十進(jìn)制：1024；a為角度；sens為設(shè)備敏感度，取值1638。程序如下：uint16_treadSca100tAngelX(void)temp=(double)Sca100tReadX();temp=(temp-1024)/1638;〃根據(jù)公式計算出函數(shù)自變量if(temp>1)〃判斷函數(shù)自變量是否在定義域范圍內(nèi){temp=1;}if(temp<-1){temp=-1;}tempangel=asin(temp)/3.1415926*180;〃將弧度值轉(zhuǎn)換為角度值if(tempangel>0)〃判斷角度值的正負(fù){一angel=(uint16_t)(tempangel*10);〃若為正則乘以10以顯示小數(shù)點(diǎn)后一位}else{angel=(uint16_t)(-tempangel*10)+1000;〃若為負(fù)則顯示屏第一位顯示“1”}returnangel;}換算Y軸數(shù)據(jù)與上述類似，在此就不重復(fù)介紹。3、溫度測量SCA100T有內(nèi)部溫度傳感器，這是用來作內(nèi)部溫度自補(bǔ)償。這些溫度信息對于附加的外部補(bǔ)償也是可用的。溫度傳感器能夠通過SPI接口進(jìn)行存取，讀取的溫度數(shù)據(jù)為8位字符(0???255)。根據(jù)此公式進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換：T=(counts—197)/-1.083。其中，counts為讀取的溫度，T為攝氏度下的溫度。為了保證獲得正確的數(shù)據(jù)，CSB必須至少提前RWTR命令150us保持在高電平狀態(tài)。程序如下：uint8_tSca100tReadT(void){SCA_CS_low;_delay_ms(150);〃延時150ms以上再送命令SPDR=CMD_RWTR;〃發(fā)送測量溫度命令while(!(SPSR&_BV(SPIF)));SPDR=0x00;while(!(SPSR&_BV(SPIF)));count=SPDR;temperature=(count-197)/(-1.083);〃溫度數(shù)據(jù)換算SCA_CS_high;returntemperature;}3.2.2顯示屏模塊使用LCM046顯示屏設(shè)置的主要子函數(shù)包括：LCM046的初始化、寫入命令代碼函數(shù)、寫入數(shù)據(jù)函數(shù)、顯示數(shù)據(jù)函數(shù)。同時還設(shè)有延時函數(shù)，以便調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)傳送過程中時序時間。1、顯示屏初始化在初始化過程中應(yīng)注意的是:模塊上電后，軟件初始化模塊，應(yīng)延時200ms以上再送命令。第一寫入模塊專用初始化命令定義模塊。第二定義內(nèi)部RC振蕩方式或定義外部晶體振蕩方式，第三開振蕩器。第四開顯示器。以上四步完成后再送其它命令或顯示數(shù)據(jù)。程序如下：voidLCM046_Init(void){_delay_ms(200);〃延時200ms以上再送命令LCM046_PortInit();〃向LCM046發(fā)送初始化命令：LCM046_WriteCMD(LCM_COMMAND_INIT);//LCM046模塊專用初始化定義LCM046_WriteCMD(LCM_COMMAND_RC);〃定義模塊內(nèi)部RC振蕩器工作LCM046_WriteCMD(LCM_COMMAND_RC_ON);〃開振蕩器LCM046_WriteCMD(LCM_COMMAND_LCD_ON);〃開LCD顯示}2、顯示屏寫命令函數(shù)LCM046的寫入命令代碼函數(shù)主要是供LCM046的初始化函數(shù)調(diào)用，用于傳輸命令代碼°LCM046寫入命令格式為100C7C6C5C4C3C2C1C00。其中，100是設(shè)定為寫入命令模式、C7到C0是寫入的命令代碼，在寫入命令代碼函數(shù)中需要按照該格式一位一位的將數(shù)據(jù)傳送到DATA引腳。程序如下：staticvoidLCM046_WriteCMD(uint8_tcmd){uint8_ti;//CS=0CS_LOW;//CSB置低，選擇設(shè)備_delay_us(1);〃延時1秒〃寫100——寫命令的模式位LCM_WR_BIT_1;LCM_WR_BIT_0;LCM_WR_BIT_0;〃寫8bit的命令

3、顯示屏連續(xù)寫數(shù)據(jù)函數(shù)LCM046的讀入數(shù)據(jù)函數(shù)主要是供LCM046顯示數(shù)據(jù)函數(shù)調(diào)用，用于連續(xù)寫入數(shù)據(jù)。LCM046連續(xù)寫數(shù)據(jù)格式為1010A4A3A2A1A0D0D1D2D3。其中，1010是設(shè)定為連續(xù)寫數(shù)據(jù)模式、A4A3A2A1A0是寄存器地址、D0D1D2D3是向該地址中傳入的數(shù)據(jù)。在寫數(shù)據(jù)函數(shù)中需要按照該格式一位一位的將數(shù)據(jù)傳送到DATA引腳。傳入數(shù)據(jù)方法與寫命令函數(shù)中的傳數(shù)據(jù)方法相同，這里就不再進(jìn)行詳細(xì)介紹。4、顯示屏顯示數(shù)據(jù)LCM046顯示數(shù)據(jù)函數(shù)用于直接將數(shù)據(jù)顯示在LCM046的四個七段管中。程序如下：voidLCM046_Display10(uint16_tnum){uint8_ti;uint8_tsegmentCode;//num的個位//num的十位//num的百位//num的千位uint8_tdata[4];data[3]=num%10;data[2]=num/10%10;data[1]=num/100%10;//num的個位//num的十位//num的百位//num的千位}

5、顯示屏數(shù)據(jù)保持功能因?yàn)樵搨鞲衅鞯木雀?，稍微一點(diǎn)的角度變化都會影響到傾角的測量?？赡苡袝r調(diào)整很久才調(diào)整到一個最適合的測量角度，剛顯示出角度，因?yàn)橐恍┰虍a(chǎn)生了移動，還沒有讀取的數(shù)據(jù)馬上就消失了，這樣一來就十分影響測量效率以及工作進(jìn)度。因此，我設(shè)計了一個“保持”模式，通過按鍵就可以讓用戶輕松的記錄下所需時刻的數(shù)據(jù)。//hold初始值為//hold初始值為0uint8_thold=0;〃判斷是否按下按鍵2〃取反為1,不顯示數(shù)據(jù)while(1){if(key==2){hold=!hold;}if(hold==0){LCM046_Display10(g_Counter);〃值為0時顯示數(shù)據(jù)}〃判斷是否按下按鍵2〃取反為1,不顯示數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)該傳感器默認(rèn)0°位置為水平位置，因此，在將傳感器焊在板子上的時候應(yīng)放在平整的桌面上進(jìn)行焊接，保證所有引腳都平貼在板子上，盡量減少因?yàn)楹附佣鸬恼`差。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4-1所示。K軸：max38.1值：K軸：mas2047minO.2minl016角度：1詰由：max35.2渤：ID3K1966min?min846圖4-1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)1從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中能夠看出，X軸所測出的傾角數(shù)據(jù)要比Y軸測出的精確許多，因此，在以后的實(shí)驗(yàn)中，都以X軸的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。并且，傳感器在0-38。范圍內(nèi)放置時具有較好分辨率，超出此范圍外，傳感器變得不靈敏，因?yàn)榇藭rarcsin函數(shù)逐漸接近水平。在完成整個樣機(jī)后，為了測量出該傾角傳感器的精度，我進(jìn)行了兩部分的實(shí)驗(yàn)，一是傾角測量部分，二是溫度測量部分。4.1傾角測量實(shí)驗(yàn)因?yàn)橹悄苘囕喬サ膬A角都是10°以下的小角度，因此我先用量角器在白紙上分別畫出3°、5°以及10°的角度，然后將傳感器所在的板子分別根據(jù)白紙上的痕跡，傾斜三個角度，讀出顯示屏上的數(shù)據(jù)并記錄。本試驗(yàn)數(shù)據(jù)中單點(diǎn)重復(fù)測量3次，取平均。以減小實(shí)驗(yàn)誤差。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4-2所示。第一次第二次第三次平均值10°時魂10.2°10.3°10.2°10.2°Y軸13.2°13.5°12.9°13.3°5°時魂5.T5.2°4.9°5.T丫軸8.5°8.7°8.7°8.6°3^■時魂3.3°3.2°3.0°3.2°Y軸5.4°5.5°5.2°5.3°圖4-2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)2從這些數(shù)據(jù)中可以看出，通過X軸測量的數(shù)據(jù)能夠達(dá)到0.2°的精度，完全能夠滿足小角度高精度測量的要求。

4.2溫度測量實(shí)驗(yàn)該傾角傳感器有一個溫度傳感器，用來進(jìn)行內(nèi)部溫度自補(bǔ)償。因?yàn)樵搨鞲衅鲗ν饨鐪囟仁置舾?，為了保證周圍溫度變化不影響傳感器傾角測量，我做了如下實(shí)驗(yàn)。分別將傳感器放在陽光下，室內(nèi)常溫，空調(diào)前三個不同溫度的位置，先讀取溫度，再讀取同一智能車輪胎的傾角。根據(jù)前面的經(jīng)驗(yàn)，這次實(shí)驗(yàn)我只讀取X軸的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4-3所示。度rrr

溫302620第一次第二次度rrr

溫302620第一次第二次第三次平均值6.2°6.3°6.3°6.3°6.0°6.2°6.T6.1°6.0°6.0°6.T6.0°從這些數(shù)據(jù)可以看出，因?yàn)閭鞲衅鲀?nèi)部可以進(jìn)行溫度自補(bǔ)償，所以在外界溫度變化不大的情況下，由傳感器采集的傾角數(shù)據(jù)是基本相同的。因此，采集的數(shù)據(jù)時可靠的。結(jié)論實(shí)驗(yàn)樣機(jī)基本達(dá)到了最初的設(shè)計目的：能夠用傾角傳感器檢測到傾角信號以及溫度信號，經(jīng)過公式換算，通過按鍵控制