毕业论文--数字寻北仪.doc

目 录1 引 言12 概述22.1 数字寻北仪系统概况22.2 本设计方案思路22.3 研发方向和技术关键22.4 主要技术指标33方案选择与论证43.1处理器选择43.2 磁电传感器模块53.3 ADC模块53.4步进电机模块63.5步进电机驱动模块63.6温度传感器及时钟芯片模块63.7显示模块63.8供电模块73.9最終方案和系统原理框图74 硬件设计84.1微控制器模块的设计84.1.1 概述84.1.2 ATmega16单片机简介84.2磁阻传感器模块的设计94.2.1磁阻传感器HMC105294.2.2 HMC1052的放大电路104.2.3 HMC1052的设置/复位电路104.3 ADC模块的设计114.3.1 ATmega16内部AD简介114.3.2 ADC外围电路设计114.4电机及驱动模块124.4.1 步进电机124.4.2 步进电机细分驱动器TA8435134.5温度传感模块154.5.1 温度传感器DS18B20简介154.5.2 DS18B20工作原理154.6时钟模块174.6.1 时钟接口概述174.6.2 DS1302简介174.7键盘接口电路设计194.8显示模块194.8.1液晶显示器简介194.8.2液晶显示器使用说明204.9电源模块224.10硬件电路的布线与焊接225 软件设计235.1主程序流程图235.2寻北子程序流程图245.3日历程序流程图255.4 温度测量程序流程图265.5液晶显示流程图276 制作与调试286.1 硬件电路的布线与焊接286.1.1 总体特点286.1.2 电路划分286.1.3 焊接286.2 调试287 结论29参考文献31附录321 引 言 近年来，寻北仪在军事和民用方面得到了广泛的应用，引起了业内人士的极大关注。寻北仪能在静止状态下快速地测量出载体纵轴与地理真北的夹角，即初始方位角，它不仅广泛应用于火炮、坦克、汽车等载体中，而且还能为隧道、矿山等地下作业提供方位基准。 目前，寻北技术可以分为两类:惯性寻北技术和磁电寻北技术。惯性寻北常用陀罗仪作为传感器，而磁电寻北技术主要使用磁电式传感器。 惯性寻北技术是惯性技术领域的重要组成部分，是现代信息化战争中确保武器系统快速、机动、精确打击的重要保障技术之一。因此，国际上众多发达国家均在发展高性能战略、战术武器的同时，也投入大量人力、物力研制开发高精度、快速寻北系统。无论气浮、液浮、光纤、还是磁悬浮陀螺寻北仪，都可全天候可靠地工作，不受外部环境如地球磁场、地形、气候的影响；都可在没有任何外部方位信息情况下实现自主寻北功能，测出当地地理北向。磁电寻北技术是依靠地磁场的分布来确定方位的，相比之下磁电式寻北仪精度不如惯性寻北仪高，但磁电式传感器具有体积小、功耗低、易于安装，且温度特性好、实时性和抗干扰能力强、误差不随时间积累等特点，因此在车辆航位推算系统中采用磁电式传感器具有较高的性价比。惯性寻北仪虽然寻北精度高，但价格昂贵、体积大、对环境要求高(如要求载体静止、无振动)、且误差随时间积累，因此不适合于要求低成本的车辆导航。进入2l世纪后，寻北仪在军事上的需求越来越迫切，在隧道施工、矿山开采、大地测量、资源勘测等民用工程中也越来越显示出广阔的应用前景。而随着光学等固体陀螺的问世和技术上的日益完善，快速反应，高精度要求，恶劣环境中的可靠性工作的新型寻北仪已经相继问世，尤其与GPS等高技术相融合的寻北仪将会进一步地改善寻北仪的性能。 本次设计的数字寻北仪是基于磁阻传感器HMC1052的磁电式寻北仪，具有自动寻北功能，通过步进电机旋转来指示磁北方向，并能够显示步进电机转过的角度，寻北时间短，寻北精度较高（1），体积小等特点，因此具有较高的性价比。2 概述2.1 数字寻北仪系统概况数字寻北仪是一种重要的导航工具，已广泛应用于航空、航海、机器人和车辆导航等领域。一般在飞机和航海导航系统中使用的惯性导航系统，由于价格昂贵、结构复杂、导航误差随时间累计等原因而不适合车载使用；传统定位装置如罗盘，虽然价格便宜，但不能工作于像行驶的汽车这种不稳定的环境中。另外，传统罗盘不能够电子输出，其信号不能集成到汽车的控制系统中，给实现基于精确导航的智能交通带来了不便。当今，GPS(Globe Positioning System)全球定位系统已日趋成熟，作为一种全新的导航方式在军用及民用领域都发挥着巨大作用。但是GPS也有其局限性，如存在定位死区，有累计误差，对静止物体无法直接定向等。同时相对于GPS，具有还具有结构简单，成本低，可靠性高等优点。所以即便在GPS越来越普及的今天，数字寻北仪仍然在诸多领域有着广泛的应用。 2.2 本设计方案思路本系统利用磁阻传感器指向磁北时其阻值为极值的特性设计一数字寻北仪器，具体为将磁阻传感器固定在步进电机转盘上，一边旋转电机一边测量阻值，直到阻值最大为止，传感器指向磁北。磁阻传感器是测量地磁场的强度，并将磁场信号转换成电信号，然后通过ADC将模拟信号转换成数字信号，再将数据传到单片机进行运算处理，从而控制步进电机的转动。液晶显示器用来显示步进电机旋转的角度。为了使本设计更加完美，系统又扩展了两个功能：显示日期和温度。2.3 研发方向和技术关键 （1） 磁阻传感器信号前端放大处理。（2） ADC的信号采集。（3） 逼近算法的设计 。（4）主控模块与电机控制模块的隔离，避免电机运转对主控制电路产生干扰而造成误动作。 （5）步进电机细分驱动，确保能够提供电机工作所需的电流，同时实现细分控制。（6）磁阻传感器抗干扰设计。地磁场强度很微弱，约为0.50.6 gauss，因此系统很容易受到外界环境干扰，步进电机的存在对系统的干扰很大，所以，如何做好步进电机的磁场屏蔽也成为该系统的一大难题。2.4 主要技术指标（1）+5V供电，电流小于1A 。（2）角度测量精度为1。（3）响应时间 2 s 。（4）测量和显示步进电机旋转时的角度。（5）显示时间，日期，星期。（6）具有校时功能。（7）显示温度。（8）能够指示设置的任意方位。（9）能够测量方位角。3方案选择与论证数字寻北仪系统结构的组成框图如下图3-1。该系统由处理器模块、A/D采样模块、磁阻传感器模块、电机及驱动模块、键盘、温度传感器、显示模块与电源模块组成。为更好地实现各模块的功能，我们分别对各模块的设计方案并分别进行了论证。电机及驱动 A/D采样磁电传感器时钟芯片温度传感器 微处理器 键盘 显示 电源图3-1 数字寻北仪系统总框图3.1处理器选择方案一：采用可编程逻辑器件CPLD作为控制器。CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、IO资源丰富、易于进行功能扩展。采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的控制核心。方案二：采用Atmel公司的ATmaga16单片机作为主控制器。ATmaga16是一款高性能、低功耗的8位AVR微处理器，片内含16k空间的可反复擦些10,000次的Flash只读存储器，具有1Kbytes的随机存取数据存储器（RAM），32个IO口，两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器，一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器，四通道PWM，内置8路10位ADC。maga系列的单片机更容易编写PWM且maga系列的单片机可以在线编程、调试，方便地实现程序的下载与整机的调试。本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度的要求也不是非常高，ATmega16的I/O口、定时器/计数、中断逻辑以及ADC等资源足以满足设计要求，且单片机价格较CPLD要低得多，故最终确定选择ATmega16作为系统的主控制器。3.2 磁电传感器模块方案一：采用磁通门传感器。磁通门传感器分辨率可达几十个微高斯，提供了一种低成本的磁场探测方法，但缺点是体积偏大、易碎、响应速度较慢。方案二：采用霍尔传感器。霍尔器件成本低廉、体积较小、测量磁场范围宽，但是精度，线性度较差，响应时间较慢，温度漂移较大。方案三：采用磁阻传感器。磁电阻传感器具有体积小、灵敏度高、可靠性高、可作为集成电路生产、易在电路板上安装等优点。此外磁阻传感器功耗极低，因此非常适合电子指南针、数字寻北仪等磁定位系统。综合以上几点，本设计最终选定方案三，选用磁阻传感器HMC1052作为系统的磁电传感器。3.3 ADC模块方案一：采用专用的ADC芯片。常见的ADC有ADC0809，TLC1549等。专用ADC芯片具有转换精度高，转换时间快，非线性误差小等优点；缺点是功耗较大，价格贵，且占用单片机口线多，从而也造成布线困难。方案二：使用ATmega16内部ADC。ATmega16有一个10位的逐次逼近型ADC。非线性误差0.5 LSB，绝对精度2 LSB，转换时间65-260 us，最高采样率为15 KSPS。ADC集成于单片机内部，因此不占用单片机口线且价格便宜。本系统要求角度测量精度为1，我们知道，地球表面某点磁场强度随水平角度的变化而变化，且构成了正弦波形，即地磁场在某点从磁北到磁南，场强由大到到小，遵循余弦变化趋势。并且可知波形的变化率在峰值时最小，因此要保证测量精度=1，则要求ADC的最小分辨率 1.92 mV，因此实时采样并不能满足系统的要求，但可以通过过采样算法来弥补ADC分辨率的不足，即牺牲采样率来换取ADC的位数。假如将ADC的位数扩展到11位，此时ADC的LSB变为2.56 V / 2048 = 1.25 mV 1.92 mV，但此时ADC的最大采样率减为15 KSPS / 4 = 3.75 KSPS，幸好本系统对ADC的采样率不高，因此，方案二完全可行。3.4步进电机模块步进电机的选择需同时满足步进角与转速的要求。本设计要求系统响应时间 =0.5r /2s=0.25 r / s = 15 r / min，即要求步进电机的转速15r/min。此外，系统要求角度测量精度为1，因此要求步进电机的步进角 ADN电机反转4.5保持转向4.5读取AD读取ADNADN+1 ADN 电机反转0.45保持电机保持Y保持转向4.5保持电机保持NADN+1 = ADN电机停止读取AD读取AD保持转向0.45保持电机保持Y 图5-2 自动寻北子程序流程图5.3日历程序流程图DS1302 与微处理器进行数据交换时，先由微处理器向电路发送命令字节，命令字节最高位MSB(D7)必须为逻辑1，如果D7=0，则禁止写DS1302，即写保护；D6=0，指定时钟数据，D6=1，指定RAM数据；D5D1指定输入或输出的特定寄存器；最低位LSB(D0)为逻辑0，指定写操作(输入)，D0=1，指定读操作(输出)。 在DS1302的时钟日历或RAM进行数据传送时，DS1302必须首先发送命令字节。若进行单字节传送，8位命令字节传送结束之后，在下2个SCLK周期的上升沿输入数据字节，或在下8个SCLK周期的下降沿输出数据字节。 DS1302与RAM相关的寄存器分为两类:一类是单个RAM单元，共31个，每个单元组态为一个8位的字节，其命令控制字为C0HFDH，其中奇数为读操作，偶数为写操作；再一类为突发方式下的RAM寄存器，在此方式下可一次性读、写所有的RAM的31个字节。 开始 变量初始化复位产生1个高电平使DS1302不具备写保护写1302地址复位产生1个高电平延时一段时间写1302地址将地址的数据读出延时一段时间地址增加向该地址写数据数据读完了吗？地址增加 N数据写完了吗？ N Y Y显示数据 图 5-3 日历子程序流程5.4温度测量程序流程图系统可以测定外界环境的温度，对精度要求并不是很高，故只使用温度传感器DS18B20的9位数据传输方式，这样节省转换时间，每次转换的时间只需100ms左右，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。DS18B20的测温程序流程图如图5-4所示。初始化DS18B20写入CCh，开始温度转换写入BEh，读暂存寄存器写入CChSkip ROM写入44h，开始温度转换读暂存寄存器等待转换结果复位脉冲 N等待转换结果 Y发送复位脉冲 N Y计算温度值等待转换结果N Y 图5-4 测温子程序流程图5.5液晶显示流程图 首先，单片机检测液晶1602上忙检测的端口DB7，若检测到的电平为高电平时，则无法写指令，若为低电平，单片机可以向液晶里写指令，写数据。然后液晶开始初始化，液晶执行清屏程序。再然后检测忙端口，若检测到为忙则一直检测直到检测到不忙继续往下执行程序 ，写入操作指令程序，经过单片机处理在液晶上显示出来。忙检测子程序 写指令程序写数据程序液晶初始化清屏液晶是否正忙? N Y写入操作指令写入数据读数据显示 图 5-4 液晶显示子程序流程图 6 制作与调试6.1 硬件电路的布线与焊接6.1.1 总体特点该系统所涉及的各部分硬件电路，总体的特点是：（1）电路原理简单，所用的器件多为常用器件。（2）由于将电机驱动线路和单片机及周边电路的布置在一起可能会影响两者。因此，我采用分开制作，合理布线，以降低焊接难度，降低出错率，同时防止干扰