多功能定位導(dǎo)航與環(huán)境信息檢測(cè)儀設(shè)計(jì)報(bào)告

1、<p><b>　　2008（第三屆）</b></p><p>　　四川省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽</p><p>　　多功能定位導(dǎo)航與環(huán)境信息檢測(cè)儀</p><p><b>　　設(shè)計(jì)與總結(jié)報(bào)告</b></p><p><b>　　摘要</b></p><

2、;p>　　本設(shè)計(jì)用了MSP430F247、OPA2365 、TLV5616和TPA701四種TI公司芯片，其中前三種是本次競(jìng)賽TI公司提供贊助的。系統(tǒng)由MCU、電源管理電路、傳感器、鍵盤與LCD顯示電路、數(shù)字音樂(lè)存儲(chǔ)與播放電路、GPS模塊構(gòu)成。MCU為MSP430F247芯片，該芯片具有功耗低、速度快、控制方便、端口豐富等特點(diǎn)，非常適合便攜式系統(tǒng)；電源管理電路使該系統(tǒng)可工作在3.5V到5V范圍，可實(shí)現(xiàn)不同部分電路電源單獨(dú)開(kāi)關(guān)控制，

3、盡可能的降低功耗，系統(tǒng)待機(jī)工作電流為4.4mA。系統(tǒng)除了能測(cè)量溫度、濕度、海拔、經(jīng)緯度、大氣壓、移動(dòng)速度外，還有指南針、運(yùn)動(dòng)軌跡描繪、時(shí)間、萬(wàn)年歷查詢、秒表、音樂(lè)播放功能，另外用戶可以設(shè)置鬧鐘，預(yù)置溫度、海拔，一旦測(cè)量結(jié)果超過(guò)預(yù)置值，系統(tǒng)立即進(jìn)行聲音加顯示同步報(bào)警，實(shí)現(xiàn)智能提醒目的。系統(tǒng)功能強(qiáng)大，性價(jià)比高，用LCD做顯示，結(jié)合菜單顯示方式以及獨(dú)立式鍵盤控制，操作方便簡(jiǎn)潔。</p><p><b>　　一

4、、方案論證</b></p><p><b>　　1、主控芯片選擇</b></p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)的功能，我們需要MCU提供串口、豐富的IO口、較大的內(nèi)部程序存儲(chǔ)器、較高的處理速度、較多的外部中斷源等資源；低功耗性能突出。</p><p>　　方案一：AT89S52常用單片機(jī)功耗大、速度慢、體積大，不適合這樣功能強(qiáng)大的便攜式系統(tǒng)

5、。</p><p>　　方案二：MSP430F2011速度塊、體積小、但內(nèi)部資源太少，無(wú)法實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)強(qiáng)大的功能。</p><p>　　方案三：MSP430F247功耗低、速度塊、體積小、內(nèi)部資源豐富(4個(gè)串口、4個(gè)定時(shí)器、48個(gè)I/O接口其中包括16個(gè)中斷I/O接口以及32KB+256BFlash 存儲(chǔ)器, 4KB RAM等)。</p><p>　　由于MSP430

6、F247含有豐富的內(nèi)部資源，以及高效的處理速度，因此我們選用MSP430F247作為系統(tǒng)的主控芯片。</p><p>　　2、指南針設(shè)計(jì)方案論證</p><p>　　方案一：直接用電磁鐵實(shí)現(xiàn)，方法簡(jiǎn)單，但體積大，不便于數(shù)值顯示方位角度。</p><p>　　方案二：使用半導(dǎo)體器件KMZ52，KMZ52是一種專門用于電子指南針的二維磁場(chǎng)傳感器。它有精度高、靈敏度高等優(yōu)

7、點(diǎn)；缺點(diǎn)是外圍電路復(fù)雜、工作電流極大，不符合低功耗的要求。</p><p>　　方案三：使用GPS模塊提供的經(jīng)緯度和方位角，不需要增加其他硬件，通過(guò)軟件計(jì)算實(shí)現(xiàn)電子指南針功能，在LCD上實(shí)現(xiàn)圖形和方位角度顯示，調(diào)試方便，降低成本。 </p><p>　　綜合以上比較，為了減少成本、降低功耗、以及調(diào)試的方便，我們選擇方案三。</p><p><b>　　3、

8、氣壓測(cè)量方案</b></p><p>　　方案一：使用模擬壓力傳感器MPX4200測(cè)量，它有成本低、電路簡(jiǎn)單、調(diào)試方便優(yōu)點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)；但精度較低（±15 mbar），需要5.1V的電源電壓，以及相應(yīng)的電壓輸出轉(zhuǎn)換電路，功耗相對(duì)較高。</p><p>　　方案二：使用數(shù)字式氣壓傳感器MS5540B，它有功耗低、測(cè)量范圍寬(750 ~1100mbar)、相對(duì)誤差小(±

9、;1.5 mbar) 等優(yōu)點(diǎn)。內(nèi)含用于溫度補(bǔ)償?shù)臏囟葌鞲衅?，環(huán)境溫度Ta = 25°C時(shí)絕對(duì)壓力誤差0.5mbar，溫度的分辨率可達(dá)0.01°C ，能夠通過(guò)補(bǔ)償后用氣壓計(jì)算海拔高度，提高測(cè)量精確度。</p><p>　　方案三：使用機(jī)械式測(cè)量，通過(guò)機(jī)械檢測(cè)壓力，用指針刻度進(jìn)行指示，體積較大。</p><p>　　綜合考慮，由于在系統(tǒng)中我們要通過(guò)氣壓值和溫度值計(jì)算海拔高度

10、（在GPS不能定位的環(huán)境），這就對(duì)氣壓值和溫度值的精度要求較高。因此，我們選擇方案二。</p><p><b>　　二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　1、總體設(shè)計(jì)</b></p><p>　　1) 系統(tǒng)原理框圖如圖1所示：整個(gè)系統(tǒng)由電源模塊、GPS模塊、氣壓傳感器模塊、溫濕度傳感器模塊、時(shí)間模塊、音樂(lè)播放模

11、塊、LCD顯示模塊、鍵盤和單片機(jī)控制模塊構(gòu)成。通過(guò)GPS模塊獲得經(jīng)緯度、移動(dòng)速度、海拔高度、時(shí)間等信息。設(shè)計(jì)中增加了DS1302時(shí)間模塊電路，是在沒(méi)有GPS信號(hào)時(shí)能讓系統(tǒng)提供精確的時(shí)間信息，有GPS信號(hào)時(shí)自動(dòng)利用GPS時(shí)間信號(hào)校準(zhǔn)時(shí)間，氣壓傳感器MS5540模塊可以精確測(cè)量氣壓，并通過(guò)溫度補(bǔ)償計(jì)算海拔高度，但海拔高度通過(guò)氣壓計(jì)算受天氣、地貌等因素影響，精度難以保證，在有GPS衛(wèi)星信號(hào)的時(shí)候，系統(tǒng)自動(dòng)通過(guò)GPS信息直接獲得海拔高度信息，在

12、沒(méi)有GPS信號(hào)的時(shí)候通過(guò)氣壓傳感器獲得海拔高度，增加了系統(tǒng)的實(shí)用范圍。</p><p><b>　　圖1 系統(tǒng)框圖</b></p><p><b>　　2、各模塊的設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　1) 電源模塊</b></p><p>　　原理圖如圖2所示， 電路主

13、要由LM1117、場(chǎng)效應(yīng)管Q1、Q2、Q3構(gòu)成，IN是電池輸入端，可輸入3.4~5V,通過(guò)LM1117穩(wěn)壓到3.3V ，main-OUT 端輸出3.3V給單片機(jī)模塊、鍵盤及LCD供電，COL連接單片機(jī)控制線，對(duì)給外圍模塊供電的輸出端OUT1、OUT2、OUT3進(jìn)行開(kāi)通和關(guān)斷控制，降低系統(tǒng)功耗。</p><p><b>　　圖2 電源模塊</b></p><p>　　

14、2) GPS模塊與MSP430F247接口設(shè)計(jì)。</p><p>　　選用的GS-15B GPS接收模塊直接輸出數(shù)字信號(hào)，通過(guò)TXA直接以串行方式與單片機(jī)通信，原理圖如圖3所示。</p><p>　　圖3 GPS模塊與單片機(jī)接口圖</p><p>　　3) 傳感器及時(shí)鐘模塊</p><p>　　傳感器及時(shí)鐘模塊原理圖如圖4所示, 其中包含時(shí)

15、間芯片DS1302，溫濕度傳感器SHT71和氣壓傳感器MS5540B。</p><p>　　圖4 傳感器及時(shí)鐘模塊</p><p>　　（1）、DS1302時(shí)間芯片，用于提供系統(tǒng)的時(shí)間。 32768HZ的晶體振蕩器是DS1302工作必須的時(shí)鐘源。SCLKD是芯片與單片機(jī)的通信時(shí)鐘線，時(shí)鐘由單片機(jī)發(fā)出，I/O是雙向數(shù)據(jù)傳輸線，/RST是芯片的復(fù)位線。</p><p>

16、;　?。?）、濕度傳感器SHT71, 用于檢測(cè)濕度信息。SCLK是芯片與單片機(jī)的通信時(shí)鐘線,DATA是雙向數(shù)據(jù)傳輸線。</p><p>　?。?）、氣壓傳感器MS5540B，用于測(cè)量溫度和氣壓。MCLK單片機(jī)的P2.0(ACLK輸出)輸出327678Hz的時(shí)鐘信號(hào)，DIN是數(shù)據(jù)接收端，DOUT是數(shù)據(jù)發(fā)送端，SCLKM是芯片與單片機(jī)通信的時(shí)鐘線。由于芯片對(duì)電源電源的穩(wěn)定性要求高，因此必須在盡可能靠近芯片電源處接一個(gè)

17、47uF的鉭電容。</p><p><b>　　4）音樂(lè)播放模塊</b></p><p>　　原理圖如圖5所示，主要由D/A轉(zhuǎn)換TLV5616、運(yùn)放OPA2365、功放TPA701構(gòu)成。IN是數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)輸入端，通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器TLV5616輸出模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)以運(yùn)放OPA2365為主的二階濾波器，再經(jīng)過(guò)功率放大輸出。</p><p><b

18、>　　DAC參數(shù)計(jì)算：</b></p><p>　　最大輸出電壓：= 2*1.4*256/4096=175.84mV。</p><p>　　根據(jù)前級(jí)DAC輸出電壓范圍及系統(tǒng)需要，取DAC其輸出電壓Vo=80mV。為了保證輸出驅(qū)動(dòng)能力，并將功耗做到最小，取功放電路的輸出電壓Vo=1300mV。</p><p>　　由BTLgain=-2(Rf/Ri)

19、=1300/80,得</p><p>　　R6/R5=Vo/(2*Vi)=1300/160=8.125</p><p>　　取R6=56K,則取R5=6.8K</p><p>　　C4>===78nF，取C4=0.1uF</p><p><b>　　圖5 音樂(lè)播放模塊</b></p><p>

20、;<b>　　5)單片機(jī)模塊</b></p><p>　　圖6是單片機(jī)的基本配置圖。</p><p><b>　　圖6 單片機(jī)配置圖</b></p><p><b>　　6)鍵盤模塊</b></p><p>　　鍵盤原理圖如圖7所示，鍵盤是通過(guò)P1口中斷進(jìn)行處理。</p&

21、gt;<p>　　圖7 鍵盤 圖8顯示</p><p><b>　　7) 顯示模塊</b></p><p>　　顯示原理圖如圖8所示，DATA是LCD數(shù)據(jù)口，COL是時(shí)序控制線輸入端口，LED_VCC是LCD背光驅(qū)動(dòng)電源輸入，由單片機(jī)控制，VCC_IN的LCD的工作電源輸入端。</p>

22、<p><b>　　三、軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　采用IAR Embedded Workbench C開(kāi)發(fā)工具，結(jié)合C語(yǔ)言編程進(jìn)行開(kāi)發(fā)。</p><p>　　通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)菜單顯示，結(jié)合GPS提供的信息，實(shí)現(xiàn)了指南針、運(yùn)動(dòng)軌跡繪制和移動(dòng)速度、海拔測(cè)量等；通過(guò)對(duì)傳感器的讀寫(xiě)操作實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境信息（濕度、溫度、氣壓）的檢測(cè)；通過(guò)單片機(jī)對(duì)FLASH和D/

23、A的操作實(shí)現(xiàn)了音樂(lè)播放；以及純軟件操作的秒表、萬(wàn)年歷等功能。</p><p>　　1)、菜單結(jié)構(gòu)圖如圖3.2所示，整個(gè)主程序以菜單顯示為主，使用層次結(jié)構(gòu)。</p><p><b>　　圖9 菜單結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　2)、系統(tǒng)主程序框圖如圖10所示。</p><p>　　本系統(tǒng)的功能鍵面主要通過(guò)鍵盤改變鍵值來(lái)

24、控制，每當(dāng)進(jìn)入一個(gè)功能鍵面程序?qū)⒄{(diào)用對(duì)應(yīng)的子程序，當(dāng)系統(tǒng)的節(jié)電模式處于開(kāi)的狀態(tài)(默認(rèn)是開(kāi)啟狀態(tài))，若鍵盤在40秒之內(nèi)沒(méi)有任何操作，系統(tǒng)將進(jìn)入低功耗模式(關(guān)閉GPS、LCD背光以及傳感器)，若節(jié)電模式被關(guān)閉，則不會(huì)進(jìn)入低功耗模式。</p><p>　　3)、 氣壓、濕度傳感器操作程序（見(jiàn)附件一 圖11 圖12）。</p><p>　　4）、時(shí)鐘芯片讀寫(xiě)程序框圖（見(jiàn)附件二 圖13）。</

25、p><p>　　5）、顯示程序框圖（見(jiàn)附件三 圖14）。</p><p>　　6）、萬(wàn)年歷計(jì)算程序框圖（見(jiàn)附件四 圖15）。</p><p>　　7)、 GPS數(shù)據(jù)接收程序框圖(見(jiàn)附件五 圖16)。</p><p>　　8) 、鍵盤處理程序框圖(見(jiàn)附件六 圖17)。</p><p>　　9)、秒表程序框圖(見(jiàn)附件七 圖18

26、)。</p><p>　　10)、 音樂(lè)播放程序框圖(見(jiàn)附件八 圖19)。</p><p><b>　　圖10主程序框圖</b></p><p>　　四、系統(tǒng)測(cè)試 </p><p><b>　　1、測(cè)量?jī)x器</b></p><p>　　DP-A(YW)精密數(shù)字氣壓溫度計(jì)

27、、<etrex>GPS汽車定位導(dǎo)航儀。</p><p><b>　　2、環(huán)境參數(shù)測(cè)試</b></p><p>　　溫度測(cè)試（℃）： 測(cè)量參數(shù)見(jiàn) 附件 圖20 (照片)</p><p>　　濕度測(cè)試（%RH）：</p><p>　　氣壓測(cè)試（mbr）：</p><p><b

28、>　　3、定位參數(shù)測(cè)試</b></p><p>　　海拔高度測(cè)試（m）：</p><p>　　經(jīng)度緯度測(cè)試（度.分.秒）： 測(cè)量參數(shù)見(jiàn) 附件 圖21 (照片)</p><p>　　指南針測(cè)試： 測(cè)量參數(shù)見(jiàn) 附件 圖22 (照片)</p><p>　　移動(dòng)速度測(cè)試： 測(cè)量參數(shù)見(jiàn) 附件 圖23 (

29、照片)</p><p>　　4、運(yùn)動(dòng)軌跡繪制測(cè)試</p><p>　　我們繞周長(zhǎng)為400米橢圓運(yùn)動(dòng)場(chǎng)走一圈，屏幕上繪制出一個(gè)很標(biāo)準(zhǔn)的橢圓。</p><p>　　5、系統(tǒng)低功耗測(cè)試記錄</p><p>　　待機(jī)電流I=4.4mA</p><p>　　最大工作電流Imax<190 mA</p><

30、;p><b>　　附件一：</b></p><p>　　圖11 MS5540B操作程序框圖</p><p>　　圖12 SHT71操作程序框圖</p><p><b>　　附件二：</b></p><p>　　圖13 DS1302讀寫(xiě)程序框圖</p><p>&l

31、t;b>　　附件三：</b></p><p>　　圖14 顯示程序框圖</p><p><b>　　附件四：</b></p><p>　　圖15 萬(wàn)年歷計(jì)算程序框圖</p><p><b>　　附件五：</b></p><p>　　圖16 GPS數(shù)據(jù)接收

32、程序框圖</p><p><b>　　附件六：</b></p><p>　　圖17 鍵盤處理程序框圖</p><p><b>　　附件七：</b></p><p>　　圖18 秒表程序框圖</p><p><b>　　附件八：</b></p>

33、;<p>　　圖19 音樂(lè)播放程序框圖</p><p><b>　　附件九：</b></p><p><b>　　環(huán)境參數(shù)測(cè)試:</b></p><p>　　圖20（環(huán)境參數(shù)測(cè)試）</p><p><b>　　定位參數(shù)測(cè)試：</b></p><

34、;p><b>　　經(jīng)緯度</b></p><p>　　圖21（經(jīng)緯度測(cè)試）</p><p><b>　　指南針：</b></p><p><b>　　說(shuō)明:</b></p><p>　　我們的參賽作品指針?biāo)傅氖莾x器的前進(jìn)方向，但指針在旋轉(zhuǎn)。而測(cè)試儀器是指針不變，刻度盤在

35、旋轉(zhuǎn)。</p><p>　　圖22（指南針測(cè)試）</p><p><b>　　移動(dòng)速度：</b></p><p><b>　　說(shuō)明：</b></p><p>　　我們的參賽作品移動(dòng)速度的單位是m/s,而測(cè)試儀器的單位是km/h。</p><p>　　圖23（移動(dòng)速度測(cè)試）&l