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作者：齐鲁工业大学 王浩 梁子轩

指导教师：汪宁

　　作品简介

　　5.电子指南针模块：采用ZCC212N-TTL-TY1电子罗盘，负责采集姿态角信息。6.无线通信模块：采用蓝牙方式通信，负责将信息实时上传到电脑，电脑部分用串口调试助手来显示。

　　功能与使用说明：

　　功能：本项目可显示在室内行动的轨迹，日期、时间、坐标，速度，，姿态角，温度，所经过路径的长度，以及从出发开始所经过的时间，并记录采集的信息，同时实时上传到PC。

　　使用方法，将路径记录仪放置在小车上，打开电源，小车开始行进，就会在液晶上显示出三维行进轨迹，与此同时，各个模块自动采集实时信息，也将温度，坐标等信息都显示在液晶屏上。

　　作品特色：

　　1.操作简单，上电即可在液晶上显示当前采集到的信息，不需要其他操作。

　　2.大多记录仪只能将轨迹保存下来，而本项目可以无线通信，将信息实时上传到电脑上，如果记录仪内部的SD卡突发故障，丢失了数据，电脑上仍然会保存数据，可以防止数据丢失。

　　平台选型说明：

　　本系统采用了MK60DN512ZVLQ10型单片机，具有灵活的工作模式，内核32位ARM Cortex-M4内核，支持DSP指令，拥有嵌套向量中断控制器，异步唤醒中断控制器，外部监控引脚的软件和看门狗，带16个通道的DMA控制器，10种功耗模式的功耗管理控制器，模拟部分有16位SAR ADC，12位DAC和6位DAC的告诉模拟比较器，通信方面支持IEEE 1588的以太网接口，人机接口部分GPIO支持引脚中断。DMA请求，数字滤波和其他引脚控制选项等。

　　设计说明

　　一、方案分析与选择

　　1.轨迹方案的选择

　　方案一：采用陀螺仪加速度计模块。陀螺仪采集角速度，加速度计采集加速度，两个模块采集到的数据经过互补滤波算法，得出角度，以此为桥梁，将角度的变化转化为液晶屏上x、y、z值的变化，从而在液晶屏上画出轨迹。

　　方案二：采用指南针模块与加速度计模块融合，ZCC212N-TTL-TY1是一款平面数字罗盘模块，其工作原理是基于X,Y两个方向的磁阻传感器感应地球的次分量，从而得出方位角度，并融合加速度计，经过互补滤波算法得出角度，以此为桥梁，将角度的变化转化为液晶屏上x、y、z值的变化，从而在液晶屏上画出轨迹。

　　综上所述，方案二对于方案一来说，比较容易上手，串口通信线直接与单片机串口线相连即可读出角度值，故采用方案二。

　　2.单片机的选择

　　方案一：采用IAP15F2K60S2款单片机，此款单片机不需要外部晶振和复位，双串口，三路PWM，价格较低，性能也比较高，适合学生使用。

　　方案二：采用MK60DN512ZVLQ10款单片机，具有灵活的工作模式，内核32位ARM Cortex-M4内核。

　　综上所述，因为记录仪需要的引脚数目大于方案一单片机的引脚数目，所以选择方案二。

　　3.液晶的选择

　　方案一：采用1.8寸TFT液晶屏，分辨率160×128。

　　方案二：采用5寸TFT液晶屏，分辨率800×460。

　　综上所述，因为要显示温度、轨迹、气压、姿态角等信息，小液晶屏无法满足题目要求，且题目要求不小于VGA分辨率。故选择方案二。

　　4.采集日期时间信息方式的选择

　　方案一：采用ds1302芯片，内含有一个实时时钟/日历和31字节静态RAM,通过简单地串行接口即可与单片机进行通信。

　　方案二：采用内部时钟，k60芯片内部自带时钟，只需接上一块3.3V的电池，即可开始工作，且掉电不丢失。

　　综上所述，方案二相比方案一来说，更为简单容易，故选择方案二。

　　二、硬件部分

　　本系统采用单片机作为核心控制模块，并包括数字气压传感器、电源模块、显示模块(液晶)、电子指南针模块、无线通信模块。如图一所示为路径记录仪各个结构组成部分。

　　图1 路径记录仪结构组成

　　1.控制模块

　　采用采用了MK60DN512ZVLQ10款单片机。

　　功能：负责向各个模块发送指令，以及收集并处理各个模块发回的数据。

　　图2 单片机的原理图

　　2.数字气压传感器

　　采用了bmp085数字气压传感器。

　　功能：采集大气压强和温度的信息，将数字气压传感器的SDA和SCL引脚连接到单片机的PB2和PB3引脚即可使用，SDA是双向数据线，SCL是时钟线，bmp085会不断地向单片机发送温度和气压数据，温度单位0.1摄氏度，气压单位1Pa。

　　图3 数字气压传感器的原理图

　　3.电源模块

　　采用了7805稳压芯片。

　　功能：将电压稳定在5V。

　　图4 稳压电路原理图

　　4.显示模块

　　采用TFT 5寸液晶屏，其分辨率为800*480，大于VGA分辨率。

　　功能：将采集到的信息、数据显示在液晶屏上。

　　5.电子指南针模块

　　采用ZCC212N-TTL-TY1电子罗盘。TXD和RXD接单片机的串口0的两个串口引脚C16和C17相连。

　　功能：采集姿态角值，并根据互补滤波算法，融合出角度值，然后根据角度值的变化转化为液晶屏上坐标的变化，具体转化关系如下所示：

　　设融合出的角度值是α，斜边给出一个固定的值，那么根据勾股定理：

　　图5

　　6.无线通信模块

　　采用蓝牙传输，题目中要求室内路径记录仪需要将数据实时的传到电脑上，而最简单的无线通信方式就是蓝牙通信了，而在电脑这一部分，我们使用了串口调试助手，将实时采集到的坐标，日期与实践，温度，气压信息显示在电脑上。

　　7.日期时间显示模块

　　为了保证日期与时间的数据掉电后不丢失，所以使用到了RTC内部实时时钟，当开启了RTC初始化后，会开启一个RTC内部中断，每一秒会进入一次，通过这个计时，此时给单片机赋一次日期与实践的初始值，即可得到当前的时间了，而且即使断电也不会丢失。

　　如图6所示为RTC时钟电路图，右边两个引脚分别接单片机的XT/EXT，并且使用它还需要外接一个32.768K的晶振和3.3V电池.。

　　图6

　　软件部分

　　主程序流程图如图7所示：

　　图7

　　相关语句简介：中断采用时间片轮计数，开启定时器中断，五轮为一循环，每一环进行一个任务，好处是程序运行有条理性，当出现问题时，也容易调试。

　　同时开启串口中断，其中串口0中断负责采集电子指南针采集到的角度值，串口3则用来与电脑通过蓝牙进行通信，按照题目的要求，将各个模块采集到的信息无线发送到电脑的串口调试助手上，并且显示出来。

　　中断部分函数流程图如图8所示：

　　图8

　　性能测试

　　液晶屏上显示的信息简介：第一排为温度(单位0.1摄氏度)，大气压(单位1Pa),第二排为姿态角和坐标值，第三排为当前的日期以及时间。下方的方格即为坐标轴，中间的十字为X、Y值。如图9所示为将温度与气压等信息显示在液晶屏上的截图

　　图9

　　2.对温度和大气压检测灵敏度的的测试

　　方法：现在A处测得温度与大气压，然后到高低B点用手握紧bmp085温度气压传感器，液晶屏上显示的温度是否会产生变化，如图10所示为用手握住传感器之前的数据情况：

　　图10

　　握住之后的效果如图11所示：

　　图11

　　经过两图比较可知，当手握住之后，温度与大气压值立刻发生改变。

　　还未实现的功能：

　　1.三维轨迹的Y坐标未能确定，预想方案是利用超声波测距模块，方向指向天花板，超声波模块会返回二者之间的距离值，然后将这个值转化为三维轨迹Z的值，由于时间原因未能完成。

　　2.通过无线通信，在电脑上显示的方式取用上位机来显示。而不用串口调试助手。

　　作品特色：

　　1.各项数据检测的灵敏度很高，响应时间经测量小于1s。

　　2.造价低，市面上的路径记录仪价格较高昂，甚至高达上千元，而我做的成本相比起它们来说很低。

　　3.操作容易，只要打开电源，即可开始正常工作，手持记录仪走动，即可把行进轨迹大致画出来。

　　4.用途广泛。可当做钟表，温度计等多样用途。