电子指南针毕业设计论文（含外文翻译）VIP

青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文） I 摘 要 早期的指南针采用了磁化指针和方位盘的组合方式，整个指南针从便携性、指示灵敏度上都有一定不足，极易受到外界因素的干扰。本系统采用专用的磁场传感器结合高速微控制器（ MCU）的电子指南针能有效解决这些问题。 系统采用了磁阻（ GMR）传感器采集某一方向磁场强度后通过 MCU 控制器对其进行处理并显示上传，通过对电子指南针硬件电路和软件程序的分析，阐述了电子指南针基本的工作原理及实现。实际测试指南针模块精度达到 1 ，能够在 LCD 上显示当前方位并能通过键盘控制 实现磁场校准， 磁偏角 补偿，重新设定等功能 。 关键 词 ： 电子指南针； 磁阻传感器 ； 单片机 ； 液晶 青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文） II Abstract Since the early use of a magnetic compass and direction-pointer of the composition, the entire compass from scratch, on the instructions of a certain sensitivity of the defect. Using a dedicated high-speed magnetic sensors with microcontroller (MCU) electronic compass can effectively solve these problems. The system is designed by the reluctance (GMR) sensors collecting a certain direction through the magnetic field strength after the MCU Controller its judgement will be dealt with the results, through the LCD screen display and can be sent to the MCUs top serial Machine. The actual test compass module can reach 1 , in the LCD display on the current position and through the keyboard control can realize functions like the magnetic field calibration, Magnetic declination, Reset etc. Key words: electronic compass; GMR; MCU; LCD青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文） 目 录 摘 要 . I 1 引言 . 1 1.1 课题背景 . 1 1.2 指南针原理介绍 . 1 1.3 国内外研究现状 . 2 1.4 本课题研究的意义 . 3 2 单片机及相关物理量介绍 . 4 2.1 单片机系统简介 . 4 2.2 物理量简介 . 7 2.3 电子指南针的主要偏差及校正 . 9 3 原理及系统框图 . 13 3.1 测 量 原理简介 . 13 3.2 系统总图框图 . 14 3.3 系统其他模块简介 . 15 4 系统硬件 . 23 4.1 系统控制模块 . 23 4.2 指南针模块 . 24 4.3 实时时钟模块 . 25 4.4 液晶显示电路 . 26 4.5 系统输入电路 . 27 5 系统软件 . 29 5.1 主监控程序 . 29 5.2 实时时钟驱动 . 30 5.3 指南针模块驱动 . 30 5.4 键盘驱动 . 32 5.5 液晶模块驱动 . 33 结 论 . 34 致 谢 . 35 参考文献 . 36 附 录 . 37 青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文） 1 1 引言 1.1 课题背景 指南针的发明是我国劳动人民，在长期的实践中对物体磁性认识的结果。由于生产劳动，人们接触了 磁矿石 ，开始了对 磁性质的了解。人们首先发现了磁石引铁的性质。后来又发现了磁石的指向性。经过多方的实验和研究，终于发明了可以实用的指南针。 指南针的始祖大约出现在战国时期。它是用天然磁石制成的。样子象一把汤 勺，圆底，可以放在平滑的 “地盘 ”上并保持平衡，且可以自由旋转。当它静止的时候，勺柄就会指向南方。古人称它为 “司南 ”。 司南由青铜盘和天然磁体制成的磁勺组成，青铜盘上刻有二十四向，置磁勺于盘中心圆面上，静止时，勺尾指向为南。 但司南也有许多缺陷，天然磁体不易找到，在加工时容易因打击、受热而 失磁 。所以司南的磁性比较弱，而且它与地盘接触处要非常光滑，否则会因转动摩擦阻力过大，而难于旋转，无法达到预期的指南效果。而且司南有一定的体积和重量，携带很不方便，使得 司南长期未得到广泛应用。 1.2 指南针原理介绍 地球是个大 磁体，其地磁南极在地理北极附近，地磁北极在地理南极附近。根据磁体同级相斥，异级相吸的普 便 现象，无论处于何地磁体的南极会指向地球的北极附近；而磁体的北极会指向地球的南极附近。所以磁体这种指向性可以用来确定方向。 随着人们对指南针原理认识的不断深入，指南针也由先前笨重的司南发展到现在的便携式指南针。但其基本构造是没有改变，都属于机械指针式，指示的机械结构也基本没有改变。由于机械的先天因素导致了指针式指南针在便携性、灵敏度、精度以及寿命上都有一定的限制。 1.2.1 电子指南针 的形成 指南针是一个重要的导航工具 ，甚至在 GPS 中也会用到。 随着电子技术的飞速发展，特别是在磁传感器和专用芯片上的发展使指南针的基本实现机理有了质的改变，不再是机械结构而采用了磁场传感器和专用处理器对磁场进行测量和处理后指示方向，这就是当前应用较为广泛的电子式指南针。 电子指南针替代 旧 的 指 针式指南针或罗盘指南针，因为电子指南针全采用固态的原件，还可以简单地和其他电子系统接口。 电子指南针系统中磁场传感器的磁阻（ MR）技术 是 最佳的解决方法，和现在很多电子指南针还在使用的磁通量传感器相比较， MR 技术不需要绕线圈而且可以用集成电路 （ IC）生产过程 生产，是一个更值得使用的解决方案。 青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文） 2 1.2.2 电子指南针的优势 与传统的机械指针式指南针相比， 因电子式指南针采用电信号传送，且以较为直观的方式显示测量的结果，所以电子式指南针无论是在灵敏度上还是在精度上都远胜前者，而且不会因为机械磨损而减短使用寿命。 此外，电子指南针在功能上更加人性化， 由于是采用功能性模块，因此可以非常方便的扩展各个功能，例如在原有的电子指南针的功能基础上 还可以集成数字时钟等扩展功能，方便实用。 1.3 国内外研究现状 随着人们对指南针原理认识的不断深入，指南针也由先前笨重的“司南”发展 到现在的便携式的指南针。但其基本构造是没有改变的，都是属于机械的指针式，其指示的机械结构基本上没有改变，都是利用某种支撑使得磁针能够受到地磁场的影响而自由的旋转。 由于机械的先天因素导致了指针式指南针在便携性、灵敏度、精度以及使用寿命上都有一定的限制。由于国内外电子技术的飞速发展，特别是在磁传感器和专用芯片（ ASIC）上的发展使能指南针的基本实现机理有了质的改变，不再是机械结构而采用了磁场传感器和专用处理器对磁场进行测量和处理后指示方向，这就是当前应用较为广泛的电子式指南针。 国内外现阶段研究电子指南针的主 要应用是提供地磁导航功能，相对于其他导航手段而言 ,地磁导航起步得比较晚。在 20 世纪 60 年代中期 ,美国的 E2systems 公司提出了基于地磁异常场等值线匹配的 MAGCOM系统 , 70年代获得测量数据后 ,系统进行了离线实验。 20 世纪 80 年代初 ,瑞典的 Lund 学院对船只的地磁导航进行了实验验证 ,实验中将地磁强度的测量数据与地磁图进行人工比对 ,确定船只的位置 ,同时根据距离已知的两个磁传感器的输出时差 ,确定船只的速度。 美国目前已开发出地面和空中定位精度优于 30m、水下定位精度优于 500 m 的地磁导航系统 ,并计划用于 提高飞航导弹和巡航鱼雷的命中率。另外 ,美国在导弹试验方面已开始应用地磁信息 ,并利用 E22 飞机进行高空地磁数据测量。 NASA God2dard 空间中心和有关大学对水下地磁导航进行了研究 ,并进行了大量的地面试验。 国内有关地磁导航的研究还主要集中在仿真和预研阶段 ,航天科工集团三院的李素敏等人运用平均绝对差法对地面所测量的地磁强度数据进行了匹配运算 ,分辨率能达到50m； 西北工业大学的晏登洋等人利用地磁导航校正惯性导航的仿真实验取得了较高的精度。 地磁场模型与地磁图是研究 电子式指南针 制导技术的基础 ,地磁场建模和地磁 图的精确程度是决定地磁导航技术是否可行的关键因素。 青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文） 3 1.4 本课题研究的意义 本课题针对电子指南针的各个功能部件对电子指南针的关键部分做了详细的研究。电子指南针系统是一个典型的单片机系统，了解其工作原理及其信号处理流程有利于研究更加复杂的嵌入式系统，特别是系统中来自国外的磁传感器及其信号的采集芯片更是有利于研究磁场传感器的实现机理，以便将其更加广泛的应用。 本次课题研究，首先介绍了课题研究的背景，以及电子指南针的发展历程，其中包括了电子指南针相对于传统指南针的优势以及国内外研究的现状。 其次 介绍了系统总控制器 单片机的相关知识和设计中需要了解的一些物理量 ，其中包括了单片机的历史发展、分类和磁场、磁感线等，对于指南针的偏差与校正也有所介绍。然后概述了系统测量所应用的原理以及系统的总体设计框图，此外还介绍了系统中其他模块的相关知识，例如常用的指南针芯片、液晶的显示原理、实时时钟的结构和工作原理、键盘的检测等。 第四部分主要是介绍了系统的具体的硬件部分设计，其中包括了各个模块的电路接线、接口的说明和时序图等。第五部分介绍了系统的软件部分的设计，在概部分里主要是介绍了系统总体和各个模块的流程图 以及驱动原理等。此外在最后的 附录中还附加了系统的主程序和各模块的驱动程序。 青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文） 4 2 单片机及 相关物理量介绍 2.1 单片机 系统 简介 单片机是自 20 世纪 70 年代问世以来，以其极高的性能价格比，受到人们的重视和关注，应用很广，发展很快。单片机体积小，重量轻，抗干扰能力强，环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，开发较为容易。由于具有上述优点，在我国，单片机已广泛地应用在工业自动化控制、自动检测、智能仪器仪表、家用电器、电力电子、机电一体化设备等各个方面。 2.1.1 单片机的历史及发展概况 单片机 的 发展历史可分为四个阶段： 第一阶段（ 1974 年 1976 年）：单片机初级阶段。因工艺限制，单片机采用双片的形式而且功能比较简单。例如，仙童公司生产的 F8 单片机，实际上只包括了 8 位CPU、 64B RAM 和 2 个并行口。因此，还需加 1 快 3851（由 1KB ROM、定时器 /计时器和 2 个并行 I/O 构成）才能组成 1 台完整的计算机。 第二阶段（ 1976 年 1978 年）低性能单片机阶段。以 Intel 公司制造的 MCS-48单片机为代表，这种单片机片内集成有 8 位 CPU、并行 I/O 口、 8 位定时器 /计数器、 RAM和 ROM 等，但是不足之处是无串行口，中断处理比较简单，片内 RAM 和 ROM 容量较小且寻址范围不大于 4KB。 第三阶段（ 1978 年 现在）高性能单片机阶段。之歌阶段推出的单片机普遍都有串行 I/O 口，多级中断系统， 16 位定时器 /计数器，片内 ROM、 RAM 容量加大，且寻址范围可达 64KB，有的片内还带有 A/D 转换器。这类单片机的典型代表是： Intel 公司的 MCS-51、 Motorola 公司的 6801 和 Zilog 公司的 Z8 等。由于这类单片机的性能价格比较高，所以仍被广泛应用，是目前应用数量较多的单片机。 第四阶段（ 1982 年 现在） 8 位单片机巩固发展及 16 位单片机、 32 位单片机推出阶段。此阶段的主要特征是一方面发展 16 位单片机、 32 位单片机及专用型单片机；另一方面不断完善高档 8 位单片机，改善其结构，以满足不同的用户需要。 16 位单片机的典型产品如 Intel 公司的 MCS-96 系列单片机，其集成度已达 120000 管子 /片，主振为12MHz,片内 RAM 为 232B， ROM 为 8KB，中断处理为 8 级，而且片内带有多通道 10位 A/D 转换器和高速输入 /输出部件（ HIS/HSO），实时处理功能的能力很强。而 32 位单片机除了具有更高的集成度 外，其主振已达 20MHz,使 32 位单片机的数据处理速度比16 位单片机提高许多，性能比 8 位、 16 位单片机更加优越。 青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文） 5 2.1.2 单片机的分类 单片机按照其用途可分为通用型和专用型两大类。 通用型单片机具有比较丰富的内部资源，性能全面且实用性强，可满足多种应用需求。通用型单片机是把可开发的内部资源，如 RAM、 ROM、 I/O 等功能部件等全部提供给用户。用户可以根据实际需要，充分利用单片机的内部资源，设计一个以通用单片机芯片为核心，再配以外部接口电路及其他外围设备，来满足各种不同需要的测控系统。通常所说的单片机 是指通用型单片机。 然而，有许多应用是使用专门针对某些产品的特定用途而制作的单片机。例如，打印机、家用电器以及各种通信设备中的专用单片机等。这种应用的最大特点是针对性强且数量巨大。为此，单片机芯片制造商常与产品厂家合作，设计和生产专用的单片机芯片。在设计中，已经对系统机构的最简化、可靠性和成本的最佳化等方面都做了全面的考虑，所以专用单片机具有十分明显的综合优势，也是今后单片机发展的一个重要方向。但是，无论专用单片机在用途上有多么 “ 专 ” ，其基本结构和工作原理都是以通用单片机为基础的。 单片机根据其基本操作处理 的位数可分为： 1 位单片机、 4 位单片机、 8 位单片机、16 位单片机和 32 位单片机。 2.1.3 单片机的发展趋势 单片机的发展趋势将是向大容量、高性能化，外围电路内装化等方面发展。位满足不同的用户要求，各公司竞相推出能满足不同需要的产品。 1.CPU 的改进 （ 1）采用双 COU 结构，以提高处理能力。 （ 2）增加数据总线的宽度，单片机内部采用 16 位数据总线，其数据处理能力明显优于一般 8 位单片机。 （ 3）串行总线结构。飞利浦公司开发了一种新型总线： I2C 总线（ Intel-IC bus）。该总线是用 2 根信号线代替现行的 8 位数据总线，从而大大地减少了单片机外部引线，使得单片机与外部接口电路连接简单。目前许多公司都在积极的开发此类产品。 2.存储器的发展 （ 1）加大存储容量。新型单片机片内 ROM 一般可达 4KB 至 8KB， RAM 为 256B。有的单片机片内 ROM 容量可达 128KB。 （ 2）片内 EPROM 采用 E2PROM 或闪烁（ Flash）存储器。片内 EPROM 由于需要高压（ +21V 或 +12V）编程写入，紫外线擦抹给用户带来不便。采用 E2PROM 或闪烁存储器后，能在 +5V 下读写，不需要紫外线擦抹，既有静态 RAM 读写操作简便又有在掉电 时数据不会丢失的优点。片内 E2PROM 或闪烁存储器的使用，大大简化了应用系统结构。 （ 3）程序保密化。一般 EPROM 中的程序很容易被复制。为防止复制，生产厂家青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文） 6 对片内 E2PROM 或闪烁存储器采用加锁方式。加锁后，无法读取其中的程序，这就达到了程序的保密的目的。 3.片内 I/O 的改进 一般单片机都有较多的并行口，以满足外围设备、芯片扩展的需要，并配有串行口，以满足多机通信功能的要求。 （ 1）增加并行口的驱动能力。这样可以减少外部驱动芯片。有的单片机能直接输出大电流和高电压，以便能直接驱动 LED 和 VFD（荧光显示 器）。 （ 2）增加 I/O 口的逻辑控制功能。大部分单片机的 I/O 都能进行逻辑操作。中、高档单片机的位处理系统能够对 I/O 口进行寻址及位操作，大大地加强了 I/O 口线控制的灵活性。 （ 3）有些单片机设置了一些特殊的串行接口功能，为构成分布式、网络化系统提供了方便条件。 4.外围电路内装化 随着集成度的不断提高，有肯能把众多的外围功能器件集成在片内。这也是单片机发展的重要趋势。除了一般必须具有的 ROM、 RAM、定时器 /计数器、中断系统外，随着单片机档次的提高，以适应检测、控制功能更高的要求，片内集成的部件还有 A/D 转换器、 D/A 转换器、 DMA 控制器、中断控制器、锁相环、频率合成器、字符发生器、声音发生器、 CRT 控制器、译码驱动器等。 随着集成电路技术及工艺的不断发展，能装入片内的外围电路也可以是大规模的，把所需的外围电路全部装入单片机内，即系统的单片化是目前单片机发展趋势之一。 5.低功耗 8 位单片机中有二分之一的产片已 CMOS 化， CMOS 芯片的单片机具有功耗小得有点，而且为了充分发挥低功耗的特点，这类单片机普遍配置有 Wait 和 Stop 两种工作方式。例如采用 CHMOS 工艺的 MCS-51 系列单片机 80C31/80C51/87C51 在正常运行（ 5V，12MHz）时，工作电流为 16mA,同样条件下 Wait 方式工作时，工作电流则为 3.7mA，而在 Stop 方式（ 2V）时，工作电流仅为 50nA。 综观单片机几十年的发展历程，单片机今后将向多功能、高性能、高速度、低电压、低功耗、低价格、外围电路内装化以及片内存储器容量增加和 Flash 存储器化方向发展。但其位数不一定会继续增加，尽管现在已经有 32 位单片机，但是用的并不多。可以预言，今后的单片机将是功能更强、集成度和可靠性更高而功耗更低，以及使用更方便。 此外，专用化也是单片机的一个 发 展方向，针对单一用途的 单片机将会越来越多。 青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文） 7 2.2 物理量简介 2.2.1 磁场 磁场是一种看不见，而又摸不着的特殊物质。 磁体 周围存在磁场，磁体间的相互作用就是以磁场作为媒介的。 电流 、运动 电荷 、磁体或变化电 场周围空间存在的一种特殊形态的物质。 由于磁体的磁性来源于电流，电流是电荷的运动，因而概括地说，磁场是由运动电荷或变化电场产生的。 磁场的基本特征是能对其中的运动电荷施加作用力，磁场对电流、对磁体的作用力或力距皆源于此。而现代理论则说明，磁力是电场力的 相对论 效应。 与 电场 相仿， 磁场 是在一定空间区域内连续分布的矢量场，描述磁场的基本物理量是磁感应强度矢量 B ，也可以用磁感线形象地图示。然而，作为一个矢量场，磁场的性质与电场颇为不同。 运动电荷或变化电场产生的磁场，或两者之和的总磁场，都是无源有旋的矢量场， 磁感线 是闭合的曲线族，不中断，不交叉。 换言之，在磁场中不存在发出 磁感线 的源头，也不存在会聚 磁感线 的尾闾，磁感线 闭合表明沿 磁感线 的环路积分不为零，即 磁场是有旋场而不是势场（保守场），不存在类似于电势那样的标量函数。 2.2.2 磁感线 在磁场中画一些曲线，使曲线上任何一点的切线方向都跟这一点的磁场方向相同，这些曲线叫 磁感线 。 磁感线 是闭合曲线。规定小磁针的北极所指的方向为 磁感线 的方向。磁铁周围的 磁感线 都是从 N 极出来进入 S 极，在磁体内部 磁感线 从 S 极到 N 极。 电磁场是电磁作用的媒递物，是统一的整体，电场和磁场是它紧密联系、相互依存的两个侧面，变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场，变化的电磁场以波动形式在空间传播。 电磁波以有限的速度传播，具有可交换的能量和 动量，电磁波与实物的相互作用，电磁波与粒子的相互转化等等，都证明电磁场是客观存在的物质，它的 “特殊 ”只在于没有静质量。 磁现象是最早被人类认识的物理现象之一，指南针是中国古代一大发明。磁场是广泛存在的，地球，恒星 (如太阳 )，星系（如银河系），行星、卫星，以及星际空间和星系际空间，都存在着磁场。 为了认识和解释其中的许多物理现象和过程，必须考虑磁场这一重要因素。在现代科学技术和人类生活中，处处可遇到磁场，发电机、电动机、变压器、电报、电话、收青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文） 8 音机以至加速器、热核聚变装置、电磁测量仪表等无不与磁现象有关。甚至在 人体内，伴随着生命活动，一些组织和器官内也会产生微弱的磁场。地球的磁级与地理的两极相反。 2.2.3 地磁场 地磁场（ geomagnetic field）是从地心至磁层顶的空间范围内的磁场 ，是 地磁学的主要研究对象。人类对于地磁场存在的早期认识，来源于天然磁石和磁针的指极性。地磁的北磁极在地理的南极附近；地磁的南磁极在地理的北极附近。 磁针的指极性是由于地球的北磁极（磁性为 S 极）吸引着磁针的 N 极，地球的南磁极（磁性为 S 极）吸引着磁针的 N 极。这个解释最初是英国 W.吉伯于 1600 年提出的。吉伯所作出的地磁场来源于 地球本体的假定是正确的。这已为 1839 年德国数学家 C.F.高斯首次运用球谐函数分析法所证实。 地磁的磁感线和地理的经线是不平行的，它们之间的夹角叫做 磁偏角 。中国古代的著名科学家 沈括 是第一个注意到磁偏角现象的科学家。 地磁场是一个向量场。描述空间某一 点地磁场的强度和方向，需要 3 个独立的地磁要素。常用的地磁要素有 7 个，即地磁场总强度 F，水平强度 H，垂直强度 Z， X 和 Y分别为 H 的北向和东向分量， D 和 I 分别为磁偏角和 磁倾角 。其中以磁偏角的观测历史为最早。在现代的地磁场观测中，地磁台一般只记录 H， D， Z 或 X， Y， Z。 近地空间的地磁场，像一个均匀磁化球体的磁场，其强度在地面两极附近还不到 1 高斯，所以地磁场是非常弱的磁场。地磁场强度 的单位过去通常采用伽马（ ），即 1 纳特斯拉。 1960 年决定采用特斯拉作为国际测磁单位， 1 高斯 10(-4)特斯拉（ T）， 1 伽马 10(-9)特斯拉 1 纳特斯拉（ nT），简称纳特。地磁场虽然很弱，但却延伸到很远的空间，保护着地球上的生物和人类，使之免受宇宙辐射的侵害。 地磁场包括基本磁场和变化磁场两个部分，它们在成因上完全不同。基本磁场是地磁场的主要部分，起源于地球内部，比较稳定，变化非常缓慢。变化磁场包括地磁场的各种短期变化，主要起源于地球外部，并且很微弱。 地球的基本磁场可分为偶极子磁场、非偶极 子磁场和地磁异常几个组成部分。偶极子磁场是地磁场的基本成分，其强度约占地磁场总强度的 90，产生于地球液态外核内的电磁流体力学过程，即自激发电机效应。非偶极子磁场主要分布在亚洲东部、非洲西部、南大西洋和南印度洋等几个地域，平均强度约占地磁场的 10。地磁异常又分为区域异常和局部异常，与岩石和矿体的分布有关。 地球变化磁场可分为平静变化和干扰变化两大类型。平静变化主要是以一个太阳日为周期的太阳静日变化，其场源分布在电离层中。干扰变化包括磁暴、地磁亚暴、太阳扰日变化和地磁脉动等，场源是太阳粒子辐射同地磁场相互 作用在磁层和电离层中产生青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文） 9 的各种短暂的电流体系。磁暴是全球同时发生的强烈磁扰，持续时间约为 1 3 天，幅度可达 10 纳特。其他几种干扰变化主要分布在地球的极光区内。 除外源场外，变化磁场还有内源场。内源场是由外源场在地球内部感应出来的电流所产生的。将高斯球谐分析用于变化磁场，可将这种内、外场区分开。根据变化磁场的内、外场相互关系，可以得出地球内部电导率的分布。这已成为地磁学的一个重要领域，叫做地球电磁感应。 地球变化磁场既和磁层、电离层的电磁过程相联系，又和地壳上地幔的电性结构有关，所以在空间物理学和固体地球物 理学的研究中都具有重要意义。 2.3 电子指南针的主要偏差 及校正 2.3.1 磁偏角和磁倾角 现在人们已经知道，地球的两个磁极和地理的南北极只是接近，并不重合。磁针指向的是地球磁极而不是地理的南北极，这样磁针指的就不是正南、正北方向而略有偏差，这个角度就叫磁偏角。 地球近似球形，所以磁针指向磁极时必向下倾斜，和水平方向有一个夹角，这个夹角称为磁倾角。不同地点的磁偏角和磁倾角都是不相同的。磁偏角和磁倾角的发现使指南针的指向更加准确。 2.3.2 电子指南针的偏差 电子指南针 运用磁阻技术，而且具有体积小 、精度高、稳定性好、价格低等特点，是理想的导航元件。 但是地球磁场和电子指南针本身的特点，在测量磁场时会有些偏差，所以要进行传感器偏差补偿、干涉磁场校正、正北校正、倾斜校正等，才能得到正确的结果。 2.3.3 传感器偏移补偿 在磁场强度为 15A/m（地球磁场最小值），传感器灵敏度为典型值 80mV/(KA/m)（ Vcc=5V）的条件下， 指南针模块 的输出幅度约为 1.2mV；而 Vcc=5V 时，由于指南针模块 本身偏差及温度漂移的影响，最大偏差电压可达到 7.5mV，最大温度漂移电压为 1.5mV，都比传感器输出 电压 1.2mV 高很多，所以指南针系统的内部偏移补偿是很重要的 。 应用 “跳转技术 ”可以消除偏移，即在 指南针模块 的置位 /复位线圈中通上正负脉冲电流，传感器的特性和输出信号就会周期地反转，反转传感器信号的幅值包含了需要的磁场信号，而传感器偏移是一个纯直流信号，通过放大级中的高通滤波器，可以除去这一直流信号，同时消除偏差和温漂造成的偏移。 青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文） 10 图 2-1 跳转技术波形图 图 2-1 是跳转技术的波形图， a 是得到的输出信号， b 是滤波去除偏移后的信号， c 是翻转后得到的原来信号。在图 2-1 设计的电路图中，运用 MAX392 模拟开关来实现正负脉冲电路，它的四路开关可以同时控制 两路通道，使两路通道具有更好的一致性；运用达林顿管，可以使正负电流脉冲时间非常短，幅度达到 1A，满足了对电流脉冲的要求。 2.3.4 干涉磁场校正 实际应用中，指南针附近的地球磁场可能会受到其他磁场或附近的含铁金属干扰，为了获得可靠的方位角，有效的补偿上述影响是很必要的。干涉磁场对指南针的影响可以由图 2-2（指南针旋转 360 度 时， SCU 输出信号 Vy-Vx 图）进行估计。 没有干涉磁场时，图形是一个中心在参考原点，半径为地球磁场强度 He 的圆。基本的两种干涉磁场是 “硬铁效应 ”和 “软铁效应 ”， “硬铁效应 ”是由与指南针固定位置的磁体产生的，在测试图中表现为圆心移动到（ Hix,Hiy） ,Hix 和 Hiy 是干涉磁场的分量；含铁金属对地球磁场的影响表现为 “软铁效应 ”，在测试图中表现为圆的变形。实际中， “硬铁效应 ”一般比 “软铁效应 ”强的多 。 青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文） 11 图 2-2 补偿前输出信号图 如果忽略软铁效应（倘若指南针附近没有 铁性材料，软铁效应是非常微弱的），可以用 “双向校正 ”法校正。指南针在同一地点测得方向相差 180 度 的两个磁场值（ H1 和 H2），储存两个测量值的磁场分量 Hx 和 Hy，由于指南针的磁 场等于地球磁场向量 He 与干涉磁场向量 Hi 的矢量和（旋转后， He 大小相等方向相反； Hi的场源与指南针关系固定，不发生变化），可以得到干涉磁场分量：测得干涉磁场分量后，可以在补偿线圈中通以相应大小的电流，产生反向磁场分量 -Hix 和 -Hiy，以补偿干涉磁场。 图 2-3 补偿后输出信号图 青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文） 12 图 2-2、图 2-3 是 “硬铁效应 ”补偿前后两组数据的仿真图，补偿前图形大致以（ 3.5,6.5）为圆心（ 图 2-2），补偿后图形基本上是以（ 5.0， 5.0）为中心（图 2-3），“硬铁效应 ”得到补偿。 青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文） 13 3 原理及 系统框图 3.1 测量 原理 简介 如图 3-1 是地球某一点的地球磁场向量 He 的三维图（其中， x 和 y 轴与地球表面平行， z 轴垂直指向下）。指南针的基本任务就是测量磁场北极（图中的 Heh，即地球磁场的水平分量）与前进方向的夹角（方位角 ）， 上图 可知： 是从磁场的北极顺时针计算的；磁倾角 是地球磁场向量与水平面的夹角；磁偏角 是地理北极与磁场北极间的夹角 ， 它与地球的实际位置有关。 图 3-1 测量原理图 在具体测量时，测量得到的初始角度是磁场北极与前进方向的夹角，而我们知道地理北极与地磁北极是 不重合的，他们之间存在被称为磁偏角的角度差，所以真正地地理北极应该是在我们所测得的初始角度的基础是进行磁偏角的补偿所得到的角度。 此外，由于地球是球体， 指南针受磁场的影响会指向地面而不是指向水平方向，此时水平方向与磁针的真实指向也会存在一个被称为磁倾角的误差角度，因此，对所测量的结果再进行磁倾角的补偿，所得到的结果才会更加的准确。 青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文） 14 3.2 系统总图框图 电子指南针 的系统主要由 前端磁阻传感器 、 磁场测量专用转换芯片、单片 机 控制器 、辅助扩展电路、人机界面以及系统电源几个部分 组成，系统结构 图 3-2 所示。 图 3-2 系统总框图 整个系统中前端的磁阻传感器负责测量地磁场的大小并将磁场的变化转化为微弱的电流的变化，专用的磁场测量芯片负责把磁阻传感器变化的电流（模拟量）转换成微控制器可以识别的数字量，然后通过芯片内部的总线上传给微控制器。 微控制器将表征当前磁场大小的数字量按照 角度 方位进行归一化等处理后通过直观的 LCD 进行 角度 方位显示， 整个系统中还包含了实时时钟等一些辅助电路，使整个系统功能得到进一步的扩展。 同时可以通过键盘控制微控制器进行相应的操作，如进行磁场校准， 磁偏角 补偿 ，实时时钟的调整 等 。 此外，电子指南针系统 容易受到外界磁场的影响，所以在整个系统设计时应注意 设置 磁屏蔽 壳体 ，此设置可以极大的减少外界磁场、各种硬铁和软铁对整个系统的干扰。同时在系统的放置和校正中，应该注意要尽量远离强磁源和 各种铁性材质的物质。 青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文） 15 3.3 系统其他模块 简介 整个系统除包含单片机做 位中央控制器外，还包括了指南针模块、液晶显示模块、实时时钟模块、键盘输入模块等扩展电路，下面对各个模块做分别的介绍。 3.3.1 常用 指南针芯片简介 3.3.1.1 一维磁阻微电路芯片 HMC1052 感应磁场 HMCI052 是一个双轴线性磁传感器，象其它 HMC10XX 系列传感器，每个传感器都有一个由磁阻薄膜合金组成的惠斯通桥。 当桥路加上供电电压，传感器将磁场强度转化为电压输出，包括环境磁场和测量磁场。 HMC1052 包含两个敏感元件 ,它们的敏感轴互相垂直。敏感元件 A 和 B,共存于单硅芯片中，完全正交，且参数匹配。 HMC1052 的尺寸小，低工作电压，而且消除了两个敏感元件引起的非正交误差。 除了惠斯通电桥， HMCI052 有两个位于芯片上的磁耦合带；偏置带和置位 / 复位带。敏感元件 A 和 B,都有这两个带。置位 / 复位带，用于确保精度。偏置带，用于校正传感器，或偏 置任何不想要的磁场。在标准的 10 针外形 (MSOP)中，两个敏感元件可以独立上电，用于减少功耗。然而，却不能使用偏置带。若需要偏置带，可以用另一种封装的 HMCI052。 图 3-3 HMC1052 外部接线图 青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文） 16 3.3.1.2 霍尼韦尔 HMC1022 各向异性磁阻传感电路 可实现小型和低成本罗盘电路设计。该参考设计结构是针对那些希望采用现成的模拟和数字元件就能取得主要的罗盘功能的产品开发者设计的。 一个罗盘线路在与一个包括有双模拟数字转换器（ ADC）输入装置的微控制器结合后，可以与 HMC1052双轴传感器、低 压双运算放大器以及少量常用的离散元件组装在一起。虽然这不是一个完全的三轴倾斜补偿的罗盘设计结构，该参考设计可以用于各种电平平台或用户的校平系统，如手表等。 图 3-4 HMC1022接线图 3.3.1.3 Philips 公司生产的 KMZ52 感应磁场 KMZ52 是 Philips 公司生产的一种磁阻传感器，是利用坡莫合金薄片的磁阻效应测量磁场的高灵敏度磁阻传感器。该磁阻传感器内置两个正交磁敏电阻桥、完整的补偿线圈和设置复位线圈。补偿线圈的输出与当前测量结果形成闭环反馈，使传感器的灵敏度不受地域限制。这种磁阻传感 器主要应用于导航、通用地磁测量和交通检测。 该磁阻传感器在金属铝的表面沉积了一定厚度的高磁导率的坡莫合金，在翻转线圈和外界磁场两个力的作用下，电子改变运动方向，使得磁敏电阻的阻值发生变化。同时 KMZ52的斑马条电阻成 45放置，这使得电子在正反向磁场力作用下有较好的对称性。由于加青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文） 17 入了翻转磁场， KMZ52 的变化曲线与普通的磁敏电阻不同，更加线性化。 KMZ52 磁阻传感器的核心部分是惠斯通电桥，是由 4 个磁敏感元件组成的磁阻桥臂。磁敏感元件由长而薄的坡莫合金薄膜制成。在外加磁场的作用下，磁阻的变化引起输出电压的变 化。 图 3-5 KMZ52 原理图 3.3.2 液晶显示简介 液晶是一种高分子材料，因为其特殊的物理、化学、光学特性， 20 世纪中叶开始被广泛应用在轻薄型的显示技术上。人们熟悉的物质状态为气、液、固，较为生疏的是电浆和液晶。液晶相要具有特殊形状分子组合始会产生，它们可以流动，又拥有结晶的光学性质。 液晶的定义，现在已放宽而囊括了在某一温度范围可以是现液晶相，在较低温度为正常结晶之物质。而液晶的组成物质是一种有机化合物，也就是以碳为中心所构成的化合物。 同时具有两种物质的液晶，是以分子间力量组合的，它们的特殊光 学性质，又对电磁场敏感，极有实用价值。 3.3.2.1 物理特性 当通电时导通，排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过。让液晶如闸门般地阻隔或让光线穿透。从技术上简单地说，液晶面板包含了两片相当精致的无钠玻璃素材，称为 Substrates，中间夹着一层液晶。当光束通过这层液晶时，液晶本身会排排站立或扭转呈不规则状，因而阻隔或使光束顺利通过。 大多数液晶都属于有机复合物，由长棒状的分子构成。在自然状态下，这些棒状分子的长轴大致平行。将液晶倒入一个经精良加工的开槽平面，液晶分子会顺着槽 排列，所以假如那些槽非常平行，则各分子也是完全平行的。液晶是一种介于晶体状态和液态青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文） 18 状态之间的中间物质。它兼有液体和晶体的某些特点，表现出一些独特的性质。 3.3.2.2 液晶显示器 液晶显示器， 又 称 LCD(Liquid Crystal Display)，为平面超薄的显示设备，它由一定数量的彩色或黑白画素组成，放置于光源或者反射面前方。液晶显示器功耗很低，因此倍受工程师青睐，适用于使用电池的电子设备。 每个画素由以下几个部分构成：悬浮于两个透明电极 (氧化铟锡 )间的一列液晶分子，两个偏振方向互相垂直的偏振过滤 片，如果没有电极间的液晶，光通过其中一个过滤片势必被另一个阻挡，通过一个过滤片的光线偏振方向被液晶旋转，从而能够通过另一个。 液晶分子本身带有电荷，将少量的电荷加到每个画素或者子画素的透明电极，则液晶的分子将被静电力旋转，通过的光线同时也被旋转，改变一定的角度，从而能够通过偏振过滤片。 在将电荷加到透明电极之前，液晶分子处于无约束状态，分子上的电荷使得这些分子组成了螺旋形或者环形（晶体状）， 在有些 LCD 中，电极的化学物质表面可作为晶体的晶种，因此分子按照需要的角度结晶，通过一个过滤片的光线在通过液芯片后偏 振防线发生旋转，从而使光线能够通过另一个偏振片，一小部分光线被偏振片吸收，但其余的设备都是透明的。 将电荷加到透明电极上后，液晶分子将顺着电场方向排列，因此限制了透过光线偏振方向的旋转，假如液晶分子被完全打散，通过的光线其偏振方向将和第二个偏振片完全垂直，因此被光线完全阻挡了，此时画素不发光，通过控制每个画素中液晶的旋转方向，我们可以控制照亮画素的光线，可多可少。 许多 LCD 在交流电作用下变黑，交流电破坏了液晶的螺旋效应，而关闭电流后，LCD 会变亮或者透明。 为了省电， LCD 显示采用复用的 方法，在复用模式下，一端的电极分组连接在一起，每一组电极连接到一个电源，另一端的电极也分组连接，每一组连接到电源另一端，分组设计保证每个画素由一个独立的电源控制，电子设备或者驱动电子设备的软件通过控制电源的开 /关序列，从而控制画素的显示。 检验 LCD 显示器的指标包括以下几个重要方面：显示大小，反应时间 (同步速率 )，阵列类型（主动和被动），视角，所支持的颜色，亮度和对比度，分辨率和屏幕高宽比，以及输入接口（例如视觉接口和视频显示阵列）。 3.3.2.3 显示原理 利用液晶的基本性质实现显示。自然光经过一偏 振片后 “ 过滤 ” 为线性偏振光，由于液晶分子在盒子中的扭曲螺距远比可见光波长大得多，所以当沿取向膜表面的液晶分子排列方向一致或正交的线性偏振光入射后，其偏光方向在经过整个液晶层后会扭曲90 由另一侧射出，正交偏振片起到透光的作用；如果在液晶盒上施加一定值的电压，青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文） 19 液晶长轴开始沿电场方向倾斜，当电压达到约 2 倍阈值电压后，除电极表面的液晶分子外，所有液晶盒内两电极之间的液晶分子都变成沿电场方向的再排列，这时 90 旋光的功能消失，在正交片振片间失去了旋光作用，使器件不能透光。如果使用平行偏振片则相反。 正是这样利 用给液晶盒通电或断电的办法使光改变其透遮住状态，从而实现显示。上下偏振片为正交或平行方向时显示表现为常白或常黑模式。 3.3.3 实时时钟简介 现在流行的串行时钟电路很多，如 DS1302、 DS1307、 PCF8485 等。这些电路的接口简单、价格低廉、使用方便，被广泛地采用。 3.3.3.1 DS1302 的结构及工作原理 DS1302 是美国 DALLAS 公司推出的一种高性能、低功耗、带 RAM 的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为 2.5V 5.5V。采用 三线接口与 CPU 进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或 RAM数据。 DS1302内部有一个 31 8的用于临时性存放数据的 RAM寄存器。 DS1302 是 DS1202 的升级产品，与 DS1202 兼容，但增加了主电源 /后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。 3.3.3.2 引脚功能及结构 在 DS1302 的引脚排列 ,其中 Vc