【精品】论文模板1

【精品】论文模板1 队名姓名性别曾灿荣男09电子科学与技术xx30570226温嘉威男09电子科学与技术xx30570220陈志怀男09通信工程欧阳健欢男09通信工程信科队年级专业学号xx30590303xx30590320基于51单片机的电子指南针设计 一、设计任务本项目利用KMZ52芯片设计实现了电子指南针，给出了电子指南针的电路原理图，并利用了闭环负反馈原理进行偏差补偿。 主要实现了传感器的偏差补偿、信号的线性输入输出、干涉磁场的校正、指向的校正、倾斜的校正等难点，最终实现精确度为5，并能准确地显示“东南西北”四个方向以及预设一种方向，当达到这个方向时可以自动报警的功能。 二、设计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。 而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。 三、设计方案及实现 (一)系统的组成结构与工作原理?系统网络拓扑结构电子指南针的总体设计框图如下图所示。 各模块的工作流程如下?信号输出?信号调整单元用于将磁场传感器单元中的输出信号成比例放大，并将其转换成合适的信号和，同时消除信号的偏移。 ?方向确定单元可将SCU输出的两路信号和进行放大，然后再按下式计算出偏转角度，如图1所示，则有?使用抗干扰技术算法对进行处理就可得出该磁场的偏转角度，最终结果输出到显示单元上显示。 磁场传感器用于将地磁场信号转化成电?系统工作流程图?系统工作原理 一、整个KMZ52信号处理电路的工作流程前端信号处理由于地磁场非常的微弱，使用KMZ52传感器转换后其信号也是非常的微弱。 那么需要在信号采集前端加入信号放大和滤波整形电路，这样使得A/D能够准确测量当前磁场大小。 A/D转换电路这部分主要完成对KMZ52磁阻传感器输出的模拟信号进行A/D转换，并输出数字信号到控制单元进行下一步处理。 数据接口电路这部分要完成对A/D转换后得到的数据在控制单元MCU中的格式封装，并在上位机的控制下进行数据传输并驱动其他外接设备工作。 二、独立的电子指南针模块由于指南针模块的磁阻传感器对磁场非常敏感，放置指南针模块时要远离干扰磁场的磁体区域，指南针模块必须成为单独放置的模块，并通过接口的形式和主控板相连接。 (二)硬件电路设计1)主要器件选型?单片机AT89C52AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元.功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。 主要功能特性兼容MCS51指令系统8k可反复擦写(1000次）Flash ROM32个双向I/O口256x8bit内部RAM3个16位可编程定时/计数器中断2个串行中断可编程UART串行通道2个外部中断源共8个中断源2个读写中断口线3级加密位低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤醒功能?磁场传感器KMZ52KMZ52是Philips公司生产的一种磁阻传感器，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，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。 其特性为?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。 ?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,加入了翻转磁场,使得KMZ52的变化曲线与普通的磁敏电阻不同，更加线性化。 ?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。 在外加磁场的作用下，4个磁敏感元件组成的磁阻桥臂的变化引起输出电压的变化。 由于内部桥式结构的磁阻输出是差动电压,通过运算放大器可以成比例放大,因此,在测量地磁场信号时,为了将两个磁场传感器信号放大同样的倍数,可以将二者的翻转线圈串联,并对差动电压选用同样的运放结构。 翻转信号从1脚输入,、轴差动电压信号则分别从+Vo 1、-Vo 1、+Vo 2、-Vo2输出。 然后通过处理系统对传来的信号进行采样、数值处理和校正后,即可得到所求的角度。 ?运算放大器LM358LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，最大能放大1万倍。 参数为输入偏置电流45nA输入失调电流50nA输入失调电压2.9mV输入共模电压最大值VCC1.5V共模抑制比80dB电源抑制比100dB特性(Features)为内部频率补偿。 直流电压增益高(约100dB)。 单位增益频带宽(约1MHz)。 电源电压范围宽单电源(330V)；双电源(1.5一15V)。 低功耗电流，适合于电池供电。 低输入偏流。 低输入失调电压和失调电流。 共模输入电压范围宽，包括接地。 差模输入电压范围宽，等于电源电压范围。 输出电压摆幅大（0至V-1.5V)。 ?AD转换器ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。 其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在05V之间。 芯片转换时间仅为32S，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。 独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。 通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。 ADC0832芯片接口说明CS_片选使能，低电平芯片使能。 CH0模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。 CH1模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。 GND芯片参考零电位（地）。 DI数据信号输入，选择通道控制。 DO数据信号输出，转换数据输出。 CLK芯片时钟输入。 V/REF电源输入及参考电压输入（复用）?液晶显示器1602LCD主要技术参数显示容量:162个字符芯片工作电压:4.55.5V工作电流:2.0mA(5.0V)模块最佳工作电压:5.0V字符尺寸:2.954.35(WH)mm引脚功能说明2)单元电路设计编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极单片机最小系统电路?磁场信号采集和处理电路1.磁场信号采集和处理流程图该部分主要完成对地磁场的测量、A/D转换以及对数据的封包。 整个前端信号处理流程下图所示。 RS-232串口通信电路前端信号采集与处理2.输入信号调整部分分析2.1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)（V=5V）的条件下，KMZ52的输出幅度约为1.2mV；而V=5V时，由于KMZ52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。 2.2考虑到磁阻传感器的温漂等因素造成的偏移，而传感器的偏移是一个纯直流信号，故在系统中加入了功放、滤波以抑制直流，进而消除直流信号的影响。 2.3在5V电源电压下，磁阻传感器KMZ52的灵敏度为65VT。 考虑到地磁场水平方向的磁场强度约为0.03mT，KMZ52在地磁场的输出电压仅2mV。 因此，需要放大其输出的电压信号。 同时，在差分放大电路同相端加入平衡电阻也可抑制零飘，从而降低输出信号的失真。 2.4磁阻传感器在地磁场中的输出范围为2mV，经lm358放大1000倍后，变化范围为1990mV，接近2V。 再经电位提升2.5V后，变化范围为0.5V4.5V，符合单片机AD转换要求。 而电位提升电路所需2.5V基准电压是由三极管TL431和差分放大LM358电路构成的求和加法器提供的。 2.5模拟量输入信号经过上述的处理后，输送到ADC电路进行信号的采样、保持、量化和编码。 最终完成数字量信号的输出。 其处理流程如下3ADC0832与单片机的联接上述模数转换后所得的数据将被赋予单片机的I/O口，当控制单元单片机获得所需数据，便可进行下一步处理，即实现对外接设备的控制操作。 ?液晶显示模块电路AD0832与单片机的联接?蜂鸣器驱动电路 (三)软件设计1)初始化模块?的中断与复位等功能单片机I/O管脚的定义一些全局变量的定义及初始化设置内部2个定时器T0和T1，用于液晶显示、蜂鸣器驱动、传感数据处理2)磁场数据采集处理模块该模块主要完成的工作是单片机读取磁场传感器所收集的磁场数据及实现传感器的偏差补偿、信号的线性输入输出、干涉磁场的校正、指向的校正、倾斜的校正。 3)ADC转换模块4)液晶显示模块5)蜂鸣器告警模块6)最终程序调试模块?采用uVision KeilC51集成开放环境进行系统程序的编译和调试。 ?采用仿真器进行程序调试，通过查看寄存器的状态变化及端口输出的情况，以确认程序设计与预期结果是否一致。 ?采用STC烧写软件将程序烧写到单片机中，并连接做好的实物（指南针）模块在面包板上进行试验，观察结果。 (四)测试仿真1)2)3)测验指南针模块测验蜂鸣器告警模块测验液晶显示模块 (五)结束语虽然，本设计系统实现了对磁场传感器读取获得当前方向地磁场的强度，并通过一定的运算后由液晶显示系统显示出来，实现了串口和上位机建立连接进行数据中断、复位处理的功能。 但诸多控制参数的选取只是通过仿真和实践经验得到，还不能快速精确地鉴定，研究工作还有待进一步地深入。 以下是目前急需研究的几个方面寻找性价比更高的器件模块寻找新的控制元素，提高采样精度和软硬件抗干扰等各项技术指标，进一步提高动态控制效果，以及提高系统稳定性和降低系统功耗?附则: (一)数值处理由于的输出信号很微弱,故信号干扰较大。 在输出幅值很小的位置上,通常有左右且变化很大的干扰;而在输出幅值时则近似保持恒值。 因此，可通过一次函数去拟合，如右图所示，使幅值变化曲线接近偏转角度。 一般地，的精度为,按划分,可将精度提高到的原理,本系统设计通过30划分就可以达到要求的精度5。 (二)偏差补偿及校正在KMZ52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。 (三)外来磁场的干扰校正有时候，某些外来磁场叠加会产生一个恒定磁场，这个磁场对系统指示将造成影响。 故可采用如下方法对其进行校正让整个系统在水平面上旋转一周，干涉磁场与地球磁场叠加会有一个最大值和一个最小值，记录下这两个值和达到最大值（或最小值）的角度，再经过校正，即可消除磁场的影响。 现以图所示的干扰校正方案为例来加以说明。 设地球磁场的大小为，干扰磁场的大小为则有（）（）这样，由正弦定理可求出。 然后在上加上角即可消除干扰磁场的影响。 (四)方位角计算采用一般反三角