多功能定位导航与环境信息检测仪设计报告.doc

2008（第三届）四川省大学生电子设计竞赛多功能定位导航与环境信息检测仪设计与总结报告 摘要本设计用了MSP430F247、OPA2365 、TLV5616和TPA701四种TI公司芯片，其中前三种是本次竞赛TI公司提供赞助的。系统由MCU、电源管理电路、传感器、键盘与LCD显示电路、数字音乐存储与播放电路、GPS模块构成。MCU为MSP430F247芯片，该芯片具有功耗低、速度快、控制方便、端口丰富等特点，非常适合便携式系统；电源管理电路使该系统可工作在3.5V到5V范围，可实现不同部分电路电源单独开关控制，尽可能的降低功耗，系统待机工作电流为4.4mA。系统除了能测量温度、湿度、海拔、经纬度、大气压、移动速度外，还有指南针、运动轨迹描绘、时间、万年历查询、秒表、音乐播放功能，另外用户可以设置闹钟，预置温度、海拔，一旦测量结果超过预置值，系统立即进行声音加显示同步报警，实现智能提醒目的。系统功能强大，性价比高，用LCD做显示，结合菜单显示方式以及独立式键盘控制，操作方便简洁。一、方案论证1、主控芯片选择根据设计的功能，我们需要MCU提供串口、丰富的IO口、较大的内部程序存储器、较高的处理速度、较多的外部中断源等资源；低功耗性能突出。方案一：AT89S52常用单片机功耗大、速度慢、体积大，不适合这样功能强大的便携式系统。方案二：MSP430F2011速度块、体积小、但内部资源太少，无法实现该系统强大的功能。方案三：MSP430F247功耗低、速度块、体积小、内部资源丰富(4个串口、4个定时器、48个I/O接口其中包括16个中断I/O接口以及32KB+256BFlash 存储器, 4KB RAM等)。由于MSP430F247含有丰富的内部资源，以及高效的处理速度，因此我们选用MSP430F247作为系统的主控芯片。2、指南针设计方案论证方案一：直接用电磁铁实现，方法简单，但体积大，不便于数值显示方位角度。方案二：使用半导体器件KMZ52，KMZ52是一种专门用于电子指南针的二维磁场传感器。它有精度高、灵敏度高等优点；缺点是外围电路复杂、工作电流极大，不符合低功耗的要求。方案三：使用GPS模块提供的经纬度和方位角，不需要增加其他硬件，通过软件计算实现电子指南针功能，在LCD上实现图形和方位角度显示，调试方便，降低成本。 综合以上比较，为了减少成本、降低功耗、以及调试的方便，我们选择方案三。3、气压测量方案方案一：使用模拟压力传感器MPX4200测量，它有成本低、电路简单、调试方便优点等优点；但精度较低（15 mbar），需要5.1V的电源电压，以及相应的电压输出转换电路，功耗相对较高。方案二：使用数字式气压传感器MS5540B，它有功耗低、测量范围宽(750 1100mbar)、相对误差小(1.5 mbar) 等优点。内含用于温度补偿的温度传感器，环境温度Ta = 25C时绝对压力误差0.5mbar，温度的分辨率可达0.01C ，能够通过补偿后用气压计算海拔高度，提高测量精确度。方案三：使用机械式测量，通过机械检测压力，用指针刻度进行指示，体积较大。综合考虑，由于在系统中我们要通过气压值和温度值计算海拔高度（在GPS不能定位的环境），这就对气压值和温度值的精度要求较高。因此，我们选择方案二。二、系统设计1、总体设计 1) 系统原理框图如图1所示：整个系统由电源模块、GPS模块、气压传感器模块、温湿度传感器模块、时间模块、音乐播放模块、LCD显示模块、键盘和单片机控制模块构成。通过GPS模块获得经纬度、移动速度、海拔高度、时间等信息。设计中增加了DS1302时间模块电路，是在没有GPS信号时能让系统提供精确的时间信息，有GPS信号时自动利用GPS时间信号校准时间，气压传感器MS5540模块可以精确测量气压，并通过温度补偿计算海拔高度，但海拔高度通过气压计算受天气、地貌等因素影响，精度难以保证，在有GPS卫星信号的时候，系统自动通过GPS信息直接获得海拔高度信息，在没有GPS信号的时候通过气压传感器获得海拔高度，增加了系统的实用范围。 时间模块DS1302气压传感器MS5540B键盘温湿度传感器SHT71LCD显示JDL12864GGP模块GS-15B电源模块MSP430F247 MCU音乐播放模块图1 系统框图2、各模块的设计 1) 电源模块原理图如图2所示， 电路主要由LM1117、场效应管Q1、Q2、Q3构成，IN是电池输入端，可输入3.45V,通过LM1117稳压到3.3V ，main-OUT 端输出3.3V给单片机模块、键盘及LCD供电，COL连接单片机控制线，对给外围模块供电的输出端OUT1、OUT2、OUT3进行开通和关断控制，降低系统功耗。图2 电源模块2) GPS模块与MSP430F247接口设计。选用的GS-15B GPS接收模块直接输出数字信号，通过TXA直接以串行方式与单片机通信，原理图如图3所示。图3 GPS模块与单片机接口图3) 传感器及时钟模块传感器及时钟模块原理图如图4所示, 其中包含时间芯片DS1302，温湿度传感器SHT71和气压传感器MS5540B。 图4 传感器及时钟模块（1）、DS1302时间芯片，用于提供系统的时间。 32768HZ的晶体振荡器是DS1302工作必须的时钟源。SCLKD是芯片与单片机的通信时钟线，时钟由单片机发出，I/O是双向数据传输线，/RST是芯片的复位线。（2）、湿度传感器SHT71, 用于检测湿度信息。SCLK是芯片与单片机的通信时钟线,DATA是双向数据传输线。（3）、气压传感器MS5540B，用于测量温度和气压。MCLK单片机的P2.0(ACLK输出)输出327678Hz的时钟信号，DIN是数据接收端，DOUT是数据发送端，SCLKM是芯片与单片机通信的时钟线。由于芯片对电源电源的稳定性要求高，因此必须在尽可能靠近芯片电源处接一个47uF的钽电容。4）音乐播放模块原理图如图5所示，主要由D/A转换TLV5616、运放OPA2365、功放TPA701构成。IN是数字语音信号输入端，通过D/A转换器TLV5616输出模拟信号，经过以运放OPA2365为主的二阶滤波器，再经过功率放大输出。DAC参数计算：最大输出电压：= 2*1.4*256/4096=175.84mV。根据前级DAC输出电压范围及系统需要，取DAC其输出电压Vo=80mV。为了保证输出驱动能力，并将功耗做到最小，取功放电路的输出电压Vo=1300mV。由BTLgain=-2(Rf/Ri)=1300/80,得R6/R5=Vo/(2*Vi)=1300/160=8.125取R6=56K,则取R5=6.8KC4=78nF，取C4=0.1uF图5 音乐播放模块5)单片机模块图6是单片机的基本配置图。图6 单片机配置图6)键盘模块键盘原理图如图7所示，键盘是通过P1口中断进行处理。 图7 键盘 图8显示7) 显示模块显示原理图如图8所示，DATA是LCD数据口，COL是时序控制线输入端口，LED_VCC是LCD背光驱动电源输入，由单片机控制，VCC_IN的LCD的工作电源输入端。三、软件设计采用IAR Embedded Workbench C开发工具，结合C语言编程进行开发。通过软件实现菜单显示，结合GPS提供的信息，实现了指南针、运动轨迹绘制和移动速度、海拔测量等；通过对传感器的读写操作实现了对环境信息（湿度、温度、气压）的检测；通过单片机对FLASH和D/A的操作实现了音乐播放；以及纯软件操作的秒表、万年历等功能。1)、菜单结构图如图3.2所示，整个主程序以菜单显示为主，使用层次结构。桌面设置功能表闹钟时间报警开关铃声设置日期时间闹钟间设置设置时间设置日期时钟海拔温度开关铃声设置海拔设置开关铃声设置温度设置万年历查询音乐播放时间秒表速度信号强度定位运动轨迹指南针海拔经纬度气象节能开/关图9 菜单结构2)、系统主程序框图如图10所示。本系统的功能键面主要通过键盘改变键值来控制，每当进入一个功能键面程序将调用对应的子程序，当系统的节电模式处于开的状态(默认是开启状态)，若键盘在40秒之内没有任何操作，系统将进入低功耗模式(关闭GPS、LCD背光以及传感器)，若节电模式被关闭，则不会进入低功耗模式。3)、 气压、湿度传感器操作程序（见附件一 图11 图12）。4）、时钟芯片读写程序框图（见附件二 图13）。5）、显示程序框图（见附件三 图14）。6）、万年历计算程序框图（见附件四 图15）。7)、 GPS数据接收程序框图(见附件五 图16)。8) 、键盘处理程序框图(见附件六 图17)。9)、秒表程序框图(见附件七 图18)。10)、 音乐播放程序框图(见附件八 图19)。 图10主程序框图四、系统测试 1、测量仪器DP-A(YW)精密数字气压温度计、GPS汽车定位导航仪。2、环境参数测试温度测试（）： 测量参数见 附件 图20 (照片)次数项目 第一次 第二次 第三次相对误差绝对误差测量值 11.2 11.2 11.20.6%0.07仪器标准值11.3 11.2 11.3湿度测试（%RH）：次数项目 第一次 第二次 第三次相对误差绝对误差测量值 73 73 74 3.1%2.33仪器标准值76 75 76气压测试（mbr）：次数项目 第一次 第二次 第三次相对误差绝对误差测量值 975 975 9750.06%0.57仪器标准值975.6 975.5 975.63、定位参数测试海拔高度测试（m）：次数项目 第一次 第二次 第三次 误差测量值 368 240 401 2.4%仪器标准值 369 231 413经度纬度测试（度.分.秒）： 测量参数见 附件 图21 (照片)次数项目 第一次 第二次 第三次 误差测量值E 1043646E 1043655E 10436321N 284755N 284745N 284723仪器标准值E 1043645E 1043655E 1043632N 284755N 284745N 284723指南针测试： 测量参数见 附件 图22 (照片)次数项目 第一次 第二次 第三次 误差测量值东偏北36西偏南36东偏南 20 3仪器标准值东偏北37西偏南38东偏南 22移动速度测试： 测量参数见 附件 图23 (照片)次数项目 第一次 第二次 第三次 误差测量值1.6m/s1.4m/s1.8m/s 0.108m/s仪器标准值5.6km/h4.6km/h6.5km/h4、运动轨迹绘制测试我们绕周长为400米椭圆运动场走一圈，屏幕上绘制出一个很标准的椭圆。5、系统低功耗测试记录 待机电流I=4.4mA最大工作电流Imax190 mA附件一：图11 MS5540B操作程序框图图12 SHT71操作程序框图附件二：图13 DS1302读写程序框图附件三：图14 显示程序框图附件四：图15