基于AVR单片机的电子指南针

编号本科生毕业论文基于AVR单片机的电子指南针DESIGNANDREALIZATIONOFDIGITALELECTRONICCOMPASSBASEDONTHECHIPOFAVR二一二年六月长春理工大学本科毕业论文毕业设计（论文）原创承诺书1本人承诺所呈交的毕业设计（论文）基于AVR单片机的电子指南针，是认真学习理解学校的长春理工大学本科毕业设计（论文）工作条例后，在教师的指导下，保质保量独立地完成了任务书中规定的内容，不弄虚作假，不抄袭别人的工作内容。2本人在毕业设计（论文）中引用他人的观点和研究成果，均在文中加以注释或以参考文献形式列出，对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体均已在文中注明。3在毕业设计（论文）中对侵犯任何方面知识产权的行为，由本人承担相应的法律责任。4本人完全了解学校关于保存、使用毕业设计（论文）的规定，即按照学校要求提交论文和相关材料的印刷本和电子版本；同意学校保留毕业设计（论文）的复印件和电子版本，允许被查阅和借阅；学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存毕业设计（论文），可以公布其中的全部或部分内容。以上承诺的法律结果将完全由本人承担作者签名年月日长春理工大学本科毕业论文I摘要随着科学技术的发展，人类的活动领域的不断扩大，电子指南针作为重要的导航仪器成为各种交通运输设备中的重要组成部分。本文在简述磁电子指南针的发展方向及论述了磁场测量原理的基础上，介绍了AVR单片机ATMEGA128为核心，应用HONEYWELL公司的HMC1052L型两轴磁阻传感器为磁敏元件，设计的电子指南针。在此电子指南针系统中，根据传感器所输出信号的特点，选用了ADI公司出品的16位双通道差分输入的AD7705芯片作为传感器输出数据的采集模块；利用磁阻芯片独特的置位复位功能，有效地消除因温度漂移和电路参数漂移等共模信号造成的误差；通过对AVR单片机ATMEGA128的编程实现了数字滤波和航向角的解算。该电子指南针，具有体积小、结构简单、启动快、功耗低等优点，在航空、航海、车辆导航以及手持设备等领域有着广阔的应用前景。关键词地磁场电子指南针磁阻传感器长春理工大学本科毕业论文IIABSTRACTALONGWITHTHEDEVELOPMENTOFSIENCEANDTECHNOLOGY,THEAREASOFACTIVITYOFHUMANAREEXPANDING,SOCOMPASSASANIMPORTANTNAVIGATIONEQUIPMENTISBECOMINGANINDISPENSABLEPARTOFTRANSPORTATIONDEVICEONTHEBASICOFBRIEFTHEDEVELOPMENTDIRECTIONOFMAGNETICCOMPASSANDTHEMAGNETICMEASURINGPRINCIPLE,THISPAPERINTRODUCEDTHEDESIGNOFADIGITALELECTRONICCOMPASS,ITSCOREISAVRSINGLECHIPMICROCOMPUTER,ANDUSEDMAGNETICCOMPONENTHMC1052L,WHICHISATWOAXISMAGNETORESISTIVESENSORPRODUCTEDBYTHECOMPANYOFHONEYWELLINTHECOMPASSSYSTEM,ACCORDINGTOTHECHARACTEROFOUTPUTSIGNALOFSENSOR,WECHOOSEAD7705ASTHEACQUISITIONMODULEOFOUTPUTDATAOFSENSORAD7705,PRODUCTEDBYADICOMPANY,HAS16DUBLECHANNELSDIFFERENTIALINPUTUSEDTHEUNIQUEFUNCTIONOFSETANDRESETOFMAGNETORESISTIVESENSOR,WEEFFECTIVELYELIMINATETHEERRORCAUSEDBYCOMMONSIGNALSUCHASTEMPERATUREDRIFTANDCIRCUITPARAMETERSDRIFTTHROUGHPROGRAMINGAVRSINGLECHIPMEGA64,WEREALIZEDDIGITALFILTERINGANDCOURSEANGLECALCULATINGTHEDESIGNEDDIGITAELECTRONICCOMPASSHASTHECHARATEROFSMALLSIZE、SIMPLESTRUCTURE、QUICKSTART、LOWPOWERCONSUMPTION,ANDSOONINTHEFIELDOFAVIATION、MARINE、VEHICLENAVIGATION、ASWELLASINAREASSUCHASHANDELDDEVICES,ITHASAWIDEAPPLICATIONPROSPECTKEYWORDSGEOMAGNETICFIELDELECTRONICCOMPASSMAGNETORESISTIVESENSOR长春理工大学本科毕业论文I目录摘要IABSTRACTII目录I第一章绪论111导航设备的发展背景1111导航设备的发展历程1112电子指南针的发展历史112现代磁指南针的工作原理213论文的主要研究内容2第二章电子指南针测量原理421地磁航向测量原理422磁阻传感器5221磁阻传感器结构与组成5222偏置电流带7223复位/置位电流带7第三章电子指南针的硬件设计与实现831概述832电源系统方案9321系统电源的设计9322模数转换基准电压的设计933处理传感器电桥偏置的方案1034传感器复位置位电路设计1235信号调理电路设计14351AD7705的芯片简介14352信号采集电路设计17353AVRMEGA128单片机简介1736输出显示电路设计18361RS432串行输出电路设计18362LED数码管显示电路设计19第四章电子指南针的软件设计2141软件编程语言与编程调试环境21411WINAVR编程环境21412AVRSTUDIO下载调试环境2242电子指南针软件模块化分析与流程23长春理工大学本科毕业论文II421主程序流程图23422数据采集子程序2443软件的可靠性设计25431采用模块化程序设计方法25432合理安排中断25第五章电子指南针实验结果与误差分析2751电子指南针实体2752抗干扰设计27521硬件抗干扰27522软件抗干扰2753实验测量结果28结论30参考文献1致谢1长春理工大学本科毕业论文1第一章绪论11导航设备的发展背景111导航设备的发展历程导航定位是人类社会所必需的。从古至今，人类在生产和生活实践中发明了多种导航方法。从目前的技术水平和可以预见的将来看，卫星导航技术是一种比较理想的导航工具。卫星导航技术是指利用一组导航卫星，对地面、海洋和空间用全户进行精确的定。它具有全时空、全天候、高精度、连续事实1位地提供导航、定位和授时的地点，已成为应用广泛的导航定位技术。最早最简单的导航方法是星历导航，人们通过观察天空上星星的位置变化来确定自己的位置和前进的方向，最早的导航仪就是中国人发明的指南针，几个世纪以来已经变得越来越精密了，并一直为人们广泛应用。随着社会的进步，人类活动领域的不断扩大，人们对导航设备提出了越来越多的要求。进入二十世纪，当无法获得星历时，船员能够通过测量船体的速度并利用外推来确定自己的位置。随后人们又发明了惯性导航技术，即通过对加速度计记录的船体加速度进行积分来确定位置。导航设备发展到今天，虽然载惯性导航技术、多普勒导航、全球定位系统和各种无线电导航系统在航海上得到了广泛的应用，但是根据各种原理制成的电子指南针由于其独立性强，成本低等优势，在各大船只中起着不可替代的作用。112电子指南针的发展历史一直以来，作为船舶导航的指向仪器主要有两种磁指南针和陀螺罗经。磁指南针，是一种利用地球磁场测量方向的装置，早在两千多年以前我国就使用磁石制成了指南针，当时称为司南，它是我国古代伟大的四大发明之一。中国也是最早将指南针应用于航海的，北宋宋朱或的萍洲可谈中记载了公元1099一1102年间广州的海运情况，其中讲到“舟师识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦观指南针L”。可见约从一千年前，中国人就开始利用地磁的方向性来指导自己的航海活动了。到了元代，人们在指南针的四周加上有24个方位的指示盘，该套系统称为指南针。我国古代的指南针分为水指南针和旱指南针两大类。到了13世纪，指南针得到了广泛的应用，为世界航海事业的发展起了重要的推动作用。随着科学技术的飞速发展，人类的活动领域得以不断扩展，从深海到陆地甚至到外大气层都有人类活动的痕迹，伴随着人类活动领域的不断扩展，卫星、飞机、导弹、运动平台的稳定、微波通信天线的自动跟踪、勘探和探测等研究活动都需要定向导航技术。因此，定向导航技术的研究在科学研究、工程领域中具有重要的意义。长春理工大学本科毕业论文220世纪以前，电子指南针在技术上没有实质性的改善。其中最有代表性的是机械式磁电子指南针。直到现在，部队和野外仍在使用这种电子指南针。212现代磁指南针的工作原理电子指南针的原理是测量地球磁场，按其测量磁场的传感器种类的不同，目前国内市场上销售的电子指南针可分为以下有三种磁通门式电子指南针、霍尔效应式电子指南针和磁阻效应式电子指南针。L磁通门式电子指南针。根据磁饱和原理制成，它的输出可以是电压，也可以是电流，还可以是时间差，主要用于测量稳定或低频磁场的大小或方向，其代表产品是美国KVH工业公司的一系列磁通门指南针及相关附件。32霍尔效应式电子指南针。霍尔效应是1879年霍尔首先在金属中发现的。当施加外磁场垂直于半导4体中流过的电流就会在半导体中垂直于磁场和电流的方向产生电动势。这种现象称为霍尔效应。霍尔效应磁传感器的优点是体积小，重量轻，功耗小，价格便宜，接口电路简单，特别适用于强磁场的测量。虽然有些高灵敏或采取了聚磁措施的霍尔器件也能用于测量地磁场，但一般都是用于要求不高的场合。图12霍尔效应原理图FIG12THEPRINCIPLEDIAGRAMOFHALLEFFECT3磁阻效应式电子指南针。利用具有磁阻效应的材料制成，这些磁阻传5感器在线性范围内输出电压与被测磁场成正比，其灵敏度和线性度等方面的性能明显优于霍尔器件，同时体积小、功耗低、抗干扰能力强、温度特性好、易于与数字电路匹配。综上所述，本系统采用磁阻传感器作为地磁场的测量元件，选用这类磁阻传感器最大的好处是可以应用微处理器搭建硬件电路，利用微处理器的运算能力处理传感器信息并通过软件进行人工管理和调节，真正做到电子指南针的集成化和智能化。长春理工大学本科毕业论文313论文的主要研究内容本文采用各向异性磁阻传感器AMRANISOTROPICMAGNETORESISTIVE结合高性能、高速度集成数据采集处理芯片，对低成本、高精度的电子指南针的总体结构进行了讨论和分析。本论文完成的主要工作如下1通过查阅相关资料，了解磁电子指南针的现状及其集成化、智能化的发展方向；通过分析磁阻效应，了解磁阻传感器的工作原理及其输出信号特征，明确磁阻电子指南针利用地球磁场测量载体方向的模型。2从体积、成本及使用范围方面考虑，提出研制磁阻电子指南针系统方案，确定系统的设计指标；结合系统的预计指标，确定信号的获取单元、采集单元以及数据处理单元；根据传感器输出信号特性，合理选择信号放大方法。3充分利用硬件电路相关知识，进行磁阻电子指南针的硬件原理图设计、PCB制板、焊接以及硬件的调试。4学习并掌握AVRMEGA128单片机上编程资源及相关的使用方法，比较各种编译环境的优缺点，实现在开发环境中编写程序；结合AVRSTUDIO40及JTAG仿真器对电子指南针样机进行硬件仿真，完成磁阻电子指南针的软硬件联合调试，实现各项功能。长春理工大学本科毕业论文4第二章电子指南针测量原理21地磁航向测量原理众所周知，在我们的地球表面空间分布着磁场，强度大约为0506GAUSS，方向总是指向磁北，因此地球表面的任意一点的磁场都有一个指向磁北的磁场分量。在北半球，地球磁场向下指向北极；在赤道，地球磁场平行于地球表面，同时也指向北极；在南半球，向上指向北极。磁传感器正是利用地球磁场的这一特点来确定载体相对于磁北的方位。在载体坐标系下，磁航向定义为载体纵轴载体前进的方向在水平面6上的投影与当地子午线磁北的夹角。当载体的前进方向和磁北重合时，磁航向角为0，按照顺时针方向，磁航向角用0到360之间的角度值来表示。载体坐标系的三个相互垂直的轴，分别称为OX轴、OY轴、OZ轴。如图21所示，沿三个相互垂直的轴分别安装三个测量磁场分量的磁传感器，分别用来测量地磁场在OX、OY和OZ上的磁场分量HX、HY、HZ。21COSIN0HZYX图21地球磁场的分解图FIG21THEDECOMPOSITIONMAPOFGEOMAGNETICFIELD通过测量坐标系中X、Y、Z三个方向上的磁场可以确定载体的方位角及倾斜状态，由于本设计系统主要针对船舶等平面运行设备，所以只考虑水平磁场分量H，于是公式简化为22COSINHYX长春理工大学本科毕业论文5磁航向可以由下式计算23ARCTNXYH为了使TAN函数有意义，在坐标轴上和不同的象限内的值分别9如下当0,0,0时，XHY26ARCTN360XYH当0,0时，；027实际上，水平分量在OX、OY上的值和能够应用传感器直接测量得XY出，但是，也必须注意，地球上的南北两极和地磁场的南北两极并不重合，存在一个夹角，称为磁偏角，而地球上的任一点的磁偏角是一个常量。如果知道了磁航向角，再加上或者减去一个常值的磁偏角就可以得到当地的真航向角。22磁阻传感器221磁阻传感器结构与组成HMC1052L磁场传感器是霍尼韦尔公司生产的高性能磁敏传感器。芯片具7有正交双轴传感、超小型尺寸和微型表面封装件带来的低成本等优点。每只磁阻传感器都配置成有4个元件的惠斯通电桥，将磁场转化为不同的输出电压。传感器能检测低至12108T的磁场，微型表面封装带10针的小型表贴外形（SMOP），尺寸3MM3MM1MM，器件引脚封装如图1所示主要性能指标磁场范围宽达6104T；灵敏度为每104T10MV/V；最小电源低至18V的低功率运行。HMC磁敏传感器的内部结构如图22所示。UBR为桥压供电5V；GND为公共地；OUT、OUT差分电压输出端；OFFSET、OFFSET为内部补偿8线圈引线，表示电流极性；S/R、S/R为置位、复位线圈引出端，改变电流长春理工大学本科毕业论文6极性可分别实现置位、复位。芯片内的置位/复位和偏移带，减少了温度漂移影响、非线性误差，也减少了大磁场存在引起的信号输出损失。图23为传感器输出响应曲线。当置位/复位脉冲电流通过引脚S/R时，输出响应曲线斜率位正值，反之位负值，由此可改变输出电压的极性。电流方向由S/R到S/R时输出置位信号，电流方向由S/R到S/R时输出复位信OSETU号。输出电压差值能消除温度漂移和非线性影响，即（ORESTUOUOSETREST）/2。每个置位/复位带都有一个36的额定电阻，且至少需要最大为400MA的电流用于复位和置位脉冲。9DIEAHMC1052LDIEBOFFSET（A）1OUTA2VBRIDGEA3OUTA4OUTB5VBRIDGEB6GNDA7S/RB816OFFSETA15S/R（A14S/RA13GNDB12OUTB11OFFSETB10OFFSETB9S/RB图22HMC1052L引脚图FIG22THEPICTUREOFHMC1052LBASEPIN长春理工大学本科毕业论文7图23在置位或复位后传感器输出与磁场强度曲线FIG23SENSOROUTPUTVSMAGNETICFIELDAFTERBEINGSETORRESET222偏置电流带霍尼韦尔的磁阻传感器内置两个电流带偏置电流带和置位复位电流带。当直流电流在偏置电流带内通过时偏置电流带可以有多种功能1可以平衡外部不需要的磁场；2可以平衡电桥偏置电压；3可以结合电桥输出消除闭环回路内的磁场；。4可以用来校准磁阻电桥增益。偏置电流带有许多其它用途，关键是外部环境磁场和偏置磁场可以简单地相互叠加，被磁阻传感器作为单一磁场进行测量。10223复位/置位电流带HMC1052L传感器内部除了用来产生偏置磁场来补偿干扰磁场的偏置电流带以外；另一个就是用来为传感器置位或复位的磁开关。这种磁开关技术是1HONEYWELL公司的专利，它取代了笨重的线圈，集成在了芯片内部。只要输出引脚SR与SR之间加上4A，宽度为2MS的脉冲电流，就能将传感器置位/复位。置位复位电流带具有以下特性1强迫传感器以高灵敏度模式工作。2翻转电桥输出的极性。3正常工作中进行循环，以提高线性度、减小垂直轴的影响和温度影响。长春理工大学本科毕业论文1电源第三章电子指南针的硬件设计与实现31概述本设计应用定位系统中的电子指南针的工作原理，用磁场传感器设计电子指南针的总体方案和电路，同时给出其抗干扰设计以及信号和数据的处理方法。具体要求如下1研究磁场传感器的原理，及数据读取方法。2通电后MEGA128不断的读取数字指南针的高、低位数据。3将显示数字用LCD显示出来。4给出其抗干扰设计以及信号和数据的处理方法。本设计研究的电子指南针由磁阻传感器、信号转换电路、传感器复位/置位电路、电源模块和微控制器等组成。具体硬件框图如图31所示。图31系统硬件总体框图FIG31THETOTALBLOCKDIAGRAMOFSYSTEMHARDWARE磁阻传感器HMC1052L用来检测地磁场，其输出为两路的差分模拟电压值，差分值大约为几毫伏，信号经过模数转换器AD7705进行放大和模数转换；AD7705是ADI公司的16位A/D转换器。本系统采用AVRATMEGA128单片机作为微控制器。经由处理后得到航向角由四位数码管来显示；复位电路用于恢复磁阻传感器在强磁干扰后的灵敏度；电源模块分别为复位电路和信号处理电路供电；此外，为了更加人性化的使用设备，本设计专门添设了键盘调节数码管亮度的能，使得操作员可以在环境光线强时将数码管调亮些，在夜间环境光线弱时将亮度调暗。磁阻传感器HMC1052L数模转换器AD7705单片机ATMELMEGA128处理器数码管键盘置位/复位电路长春理工大学本科毕业论文932电源系统方案321系统电源的设计整个硬件电路中，所有器件都需要5V直流源供电，而日常生活中市电为交流250V。这就需要设计一个变压器来将250V的交流电转换成直流电。如图32所示，250V交流电通过250V/8V变压器转变成8V交流电,再通过D8和D9两个整流管转变成8V的直流电，过三端稳压器7805稳压和电容滤波转变成稳定的5V的直流电，用于使各芯片正常工作。电路中电容C5和C7的主要作用是为了消除电源的低频噪声，C6和C8主要是为了消除高频噪声。OUT250/12V/8VGND变压器D6IN4007D9IN4007C5GNDGND78051VINVOUT23C7C85VGNDC6图32系统电源的产生FIG32THEGENERATIONOFSYSTEMPOWER322模数转换基准电压的设计一个高质量的基准电压是AD7705获得最佳性能的基础。基准电压的噪声和漂移将全面降低系统的性能，为了防止由于基准电压对AD转换结果产生误差，必须特殊处理基准电压的产生电路。电路如图33所示，TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源14，它的参考端REF1脚与阳极CATHODE端2脚存在25V的电压，这是由它的本身特性决定的，称为内部基准源。可以通过分别在1管脚与2管脚之间和1管脚与3管脚之间连接不同的电阻，来改变它阴极ANODE3脚和阳极1脚之间的17输出，使输出的范围在2536V之间。由于本设计需要25V的稳定电压，所以直接将参考端连接到阴极，产生25V的稳定电压。长春理工大学本科毕业论文10R18200VCCVREFD3TL431123GND图33A/D转换芯片基准电压的稳压芯片FIG33THESTEADYVOLTAGECHIPOFTHESTANDARDVOLTAGEOFA/DCHIP33处理传感器电桥偏置的方案如前所述，磁阻传感器是以惠斯通电桥的四元件形式工作的。这种电桥能减少由单一磁阻工作产生的很多误差，但是四元件物理特性的不对称会造成电桥输出偏置电压。虽然霍尼韦尔公司的制造过程使用了半导体制造设备可获得精度匹配的AMR元件，但在坡莫合金NIFE薄膜熔敷到平板印刷控制区域时的公差会导致一些电阻值失配。如上一章图24所示，当磁场为0OE时，输出电压并不对应0V。如果不对偏置电压进行补偿就会降低传感器系统的性能。结合惠斯通电桥上章图22，可以得到正向电桥输出电压VO为VOVBR2/R1R231负向电桥输出电压VO为VOVBR4/R3R432因此电桥偏置电压将为VOVOVBR2/R1R2R4/R3R433OFV若电桥电阻元件RI,R2,R3和R4均为额定值1100，VB为5V，则电桥偏置电压为理状态0V；假设由于制造工艺问题，R1和R4不是1100，而是1101，且R2和R3仍为1100则227MV。OF传感器灵敏度的典型值为10MV/V/高斯，当为5V时，灵敏度即为BV50MV/高斯，当用传感器测量300MG的地磁场时地磁场强度在0600MG之间，传感器电桥输出电压为15MV，加上电桥偏置电压后为377MV，是真实值的2倍多。好的一面是传感器的电桥偏置一出厂就保持了固定不变的数值，并且偏置电压与电桥电压成正比。因此，可以通过补偿的方式消除这部分偏差，补偿长春理工大学本科毕业论文11方式有很多种，下面将逐个介绍这些方法121并联电阻法该方法就是在传感器惠斯通电桥的一个或多个臂上跨接并联电阻，以便重新平衡有偏置电压的电桥，该方法是消除电桥偏置最直接的办法，电路如图34所示。2放大器偏压置零法这种方法不是直接影响电桥的性能，而是对输出进行补偿。具体做法是将运算放大器加在输出端，若，则放大器输出为0；若OUTVOUTOUTV，则放大器输出端不为零，那么就可以通过调节电位器使放大器输出OUTV为零。V电桥VBR31000R11101V0V0R41000R21100GNDOFFS/RS/ROFF并联电阻120MEGR偏置R复位/置位HMC1021图34并联电阻法FIG34THEMETHODOFPARALLELRESISTANCE长春理工大学本科毕业论文12V电桥LHGNDHMC1022VCC50VVCC1K1K1K偏置微调240K50K50K输出240K01UFOUTOUT图35放大器偏压置零法FIG35THEMETHODOFAMPLIFIERBIASRESET3复位/置位激励法这种方法主要是应用到了前面介绍的置位/复位带。复位/置位后，惠斯通电桥输出电压之和恰好是电桥偏置电压的二倍，所以应用这一特性，可以通过分别测量和来计算出偏置电压的大小。应用下列公式即可得出SETVRSETOFV3450RESTSTFOFRESTVHS其中S是传感器的灵敏度，单位是MV/VB/GUASS4偏置带电流法5数字相减法此方法跟前面的复位置位激励法很相似，区别在于不施加任何磁场的情况下，通过在屏蔽器具或亥姆霍兹线圈中进行数据采集。综上，消除磁阻传感器惠斯通电桥的偏置电压以复位/置位激励法为最优，它可以准确地消除电桥的偏置电压，而不管电桥各元件的温漂、时漂以及AD7705内置放大器带来的失调电压，该方法在高精度的测量中非常实用。34传感器复位置位电路设计本设计采用的电路最大的好处是它不但可以置位磁阻传感器，提高灵敏度，而且可以结合前面介绍的补偿电桥偏置的方法方法3，很好的消除电桥偏12置。置位/复位电流脉冲产生过程如图36所示，电路中置位复位时钟信号分别由微处理器的PA0和PA1口产生，这两个IO口复位后呈现高电平状态，S/R是低电平0V。长春理工大学本科毕业论文131当复位信号发生负跳变时，C26和C27瞬间导通，三极管Q2由导通变为截止，Q1状态不变，且集电极C为低电平。2经过时间TB，置位信号发生负跳变，C26和C27瞬间导通，Q1导通，Q2截止，Q1集电极C出现高电平，电容C2和C3被充电，在S/R端会出现一个正向的脉冲，即置位脉冲，当充电结束时，S/R端又回到低电平0V。3经过时间TA，置位信号发生正跳变，Q1由导通变为截止，Q2状态不变，Q1Q2集电极C仍处于高电平不变；4经过时间TC，复位信号发生正跳变，Q2导通，Q1状态不变，Q1Q2集电极C由高变低，电容C2和C3被放电，在S/R端会出现一个负向的脉冲，即复位脉冲，当放电结束时，S/R端又回到低电平0V。复位置位电路跳变时序如图38所示。OFFSETAOFFSETBGNDBS/RAVBRIDGEAVBRIDGEBGNDAS/RBOFFSETAOUTAOUTAOUTBOUTBOFFSETBS/RAS/TB11013143678GNDVCCC11C12104104GND162412511159C2401UFC2301UFHMC1022GNDGNDMMBT2222MMBT2907GNDC251UFR1110KVCCPA0PA1R1210KQ1Q2图36置位/复位脉冲电路FIG36THECIRCUITOFSET/RESETPULSECIRCUIT长春理工大学本科毕业论文14图37复位/置位电路时序FIG37THETIMESEQUENCEOFSET/RESETCIRCUIT35信号调理电路设计信号的调理电路实际包括对传感器输出数据的采集和模数转换两个模块，在设计中，这两个任务主要由芯片AD7705和单片机来实现。磁阻传感器为差动输出，在供电桥压为5V时，电桥输出响应为5MV/GAUSS灵敏度为10MV/V/GAUSS，电桥偏置的范围是1010MV，当地磁场强度达最大值时06GAUSS,其电压输出的范围为10MV5MV/GAUSS06GAUSS13MVOUTV由此可见，磁阻传感器输出为毫伏级电压信号，倘若直接进行模数转换则势必引入很大误差，那么就需要在进行模数转换之前将信号进行放大处理，ADI公司出品的模数转换芯片AD7705内部自带1、2、4、8、16、32、64、128倍可编程增益，可将传感器输出的毫伏级信号直接放大到接近AD基准电压值，13进行16位高精度AD转换。351AD7705的芯片简介1AD7705的芯片引脚说明AD7705的引脚图如图38所示长春理工大学本科毕业论文1512435678161514131211109SCLKMCLKINMCLKOUTCSRESETAIN2AIN1AIN1GNDVDDDINDOUTDRDYAIN2REFINREFINAD7705TOPVIEWNOTTOSCALE图38AD7705的引脚图FIG38THEPINFIGUREOFAD7705SCLK串行时钟，施密特逻辑输入。将一个外部的串行时钟加于这一输入端口，以访问AD7705/AD7706的串行数据。本设计中将AVR单片机的SCK端与之相连。MCLKIN转换器时钟信号的输入端，配合MCLKOUT使用。MCLKOUT配合MCLKIN使用，如果在MCLKIN引脚处接上一个外部时钟，MCLKOUT将提供一个反相时钟信号。这个时钟可以用来为外部电路提供时钟源，且可以驱动一个CMOS负载。AIN2和AIN1差分模拟输入通道2和1的正输入端。AIN2和AIN1差分模拟输入通道2和1的负输入端。REFIN和REFIN基准电压输入端。本设计中将REFIN接GND，REFIN接25V基准电压。DRDY逻辑输出。逻辑低电平表示AD转换已经完成，可从AD7705的数据寄存器获取新的输出字。完成一次完整的数据读操作后，DRDY引脚立即回到高电平。DRDY也用来指示何时AD7705已经完成片内的校准。DOUT串行数据输出端。从片内的输出移位寄存器读出的串行数据由此端输出。DIN串行数据输入端。向片内的输入移位寄存器写入的串行数据由此输入。根据通讯寄存器中的寄存器选择位，输入移位寄存器中的数据被传送到设置寄存器、时钟寄存器或通讯寄存器。CS片选引脚，低电平有效；RESET复位引脚，低电平有效；VDD电长春理工大学本科毕业论文16源电压，27V525V；GND内部电路的地电位基准点。2AD7705内部结构AD7705是应用于低频测量的2通道的模拟前端。该器件可以接受直接来自传感器的低电平的输入信号，然后产生串行的数字输出。利用电荷平衡式转换技术实现了16位无丢失代码性能。选定的输入信号被送到一个基于模拟调制器的增益可编程专用前端。片内数字滤波器处理调制器的输出信号。通过片24内控制寄存器可调节滤波器的截止点和输出更新速率，从而对数字滤波器的第一个陷波进行编程。3校准过程AD7705提供了多种校准选择，具体选择哪种校准可以由设置寄存器的MD1和MD0位来编程。一旦给MD1和MD0位写入数据，一个校准周期就开始了。通过校准消除器件上产生的偏移和增益误差。工作环境温度和电压发生变化时，就应对器件进行例行校准，校准分为自校准和系统校准。对选定的通道进行全域校准时，片上微控制器必须在两种不同的输入状态下记录调制器的输出，也就是“零标度”和“满标度”点。每当选定的增益、滤波器陷波或单极性/双极性输入范围发生变化时。都应进行校准。校准时间长度由校准类型决定，如下表31所示。判断校准是否结束有两种方法。第一种方法是监视DRDY，若DRDY返回低电平，则说明校准过程已经结束，同时也表明数据寄存器中有一个新的有效数据，这一新的数据就是校准结束后的一次正常的转换结果。第二种方法就是监视设置寄存器的MD1、MD0位，若MD1、MD0回到“0”校准后，MD1、MD0返“0”，则表明校准过程已经结束，这种方法不能提示数据寄存器中有无新的转换结果，但它比第一种判断方法在时间上要早，也就是能更快地知道校准是否结束。本设计采用的是第一种方法，即用微处理器外部中断的方式监视DRDY引脚。表31校准过程TABLE31THEPROCESSOFADJUSTMENT校准类型MD1MD0校准序列置方式位的时间置的DRY时间自校准0,1内部零标度校准选定增益内部满标度校准选定增益61/输出频率91/输出频率TP零标度系统校准1，0使用AIN进行零标度校准选定增益31/输出频率41/输出频率TP满标度系统校准1，1使用AIN进行满标度校准选定增益31/输出频率41/输出频率TP4数字滤波长春理工大学本科毕业论文17AD7705包含一个片内低通数字滤波器，用它处理器件的调制器的输出信号。所以，该器件不仅提供模数转换功能，而且还具备一定的滤波能力。数字滤波与模拟滤波存在许多系统差异需要注意。352信号采集电路设计图39为信号采集部分的电路图，AD7705芯片的输入端611脚分别接HMC1052L的OUTB和OUTB，78脚分别接HMC1052L的OUTA和OUTA，实现传感器的差分输入。AD7705芯片采用24576MHZ晶体振荡器提供主时钟源，33PF的瓷片电容C19和C20是用来辅助晶体振荡器工作的。AD7705芯片和微控制器芯片采用4线制SPI全双工通讯，具体的通讯过程本文将在第四章的软件设计部分详细介绍。图39信号采集部分设计原理图FIG39THEDESIGNPRINCIPLEDIAGRAMOFSIGNALACQUISITIONPART353AVRMEGA128单片机简介AVR单片机是1997年由ATMEL研发的增强型内置FLASH的精简指令集RISCREDUCEDINSTRUCTIONSETCPU高速8位单片机，可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域。145本设计选择的是AVR系列的ATMEGA128作为主控芯片，它内部集成了多个必需的模块，从而提高了系统的集成度和可靠性。ATMEGA128为基于租SC结构的8位低功耗微处理器。数据吞吐率高达1MIPS/MHZ，从而可以缓解系统在功耗和处理速度之间的矛盾。长春理工大学本科毕业论文18ATMEGAL28具有如下特点128K字节的系统内可编程FLASH、4K字节的PROM、4K字节的SRAM、53个通用刀I/O口线、32个通用工作寄存器、实时2E时钟RTC、4个灵活的具有比较模式和PWM功能的定时器/计数器、两个USART、面向字节的两线接口TWI、具有可选的可编程增益8通道10位ADC、具有片内振荡器的可编程看门狗定时器、SPI串行基于AVR单片机温室气雾培16控制系统的设计与实现端口、JTAG测试接口以及六种可以通过软件选择的睡眠模式。系统的节点选择ATMEGAS128作为控制芯片，它的特点如下内部集成了8K字节FLASH、IK字节内部SRAM及512字节的PROM，具有丰富强大的硬件2E接口电路32个通寄存器，23个通用可编程I/O口，3个计数器，3个PWM通道，1个TWI总线接口，1个USART接口，1个SPI接口，6通道的10位模数转换器ADC及2通道的8位ADC，并且支持在线编程ISP和在线应用IAP。由于17采用了小引脚封装PDIP28和TQFPIMLF32形式，所以其价格仅与低档单片机相当，因此ATMEGAS128是一款性价比很高的8位单片机。36输出显示电路设计本设计采用两种输出格式，RS432串行通讯方式和LED数码管显示方式。四个LED数码管能直观地显示出平面内03599范围内的方位角度值，RS432串行通讯方式能使电子指南针将数传递给计算机、雷达、ARPA以及电子海图系统等设备，与其他导航设备一起构成磁导航系统。361RS432串行输出电路设计现代电路电子指南针中大多采用RS232通信接口，主要原因是181RS232由于发送电平与接收电平的差为2V至3V左右；2双绞线上的分布电容,其传送距离最大为约15米,最高速率为20KB/S，；3能实现点对点即只用一对收、发设备通讯。本设计采用德州仪器公司生产的SN75176芯片作为RS432电平转换接口芯片。其特点是191双向收发器2设计用于在噪声环境中长总线上的多点传输3三态驱动器和接收器输出4单独的驱动器和接收器使能端5宽正和负输入/输出总线电压范围6驱动器输出电流最大60MA7具有热保护功能结间温度达到150时8接收器输入阻抗最小10K长春理工大学本科毕业论文199接收器输入灵敏度200MV10用单5V电源工作电路接法如图310所示，数据通过单片机的PE1TXD0端口传输到SN75176的数据发送端D，由于在本设计中没有涉及使用串口接收数据的功能，所以将数据接收端R悬空。数据发送使能端DE允许，数据接受使能端RE禁止。J2123VCCGNDCON3U4SN75176BPSRVCCBAGNDRREDED87651234VCC310串口通信接口电路图FIG310THECIRCUITOFSERIALPORTCOMMUNICATIONSN75176芯片的真值表如表32所示。输出使用一对双绞线,将其定义为AB，发送驱动器A、B之间的正逻辑状态在26V,负逻辑状态在26V。表32真值表TABLE32THETRUTHTABLE输出输入D使能DEAB驱动器HLXHHLHLLHZZ差分输入AB使能RE输出R接收器VIO02V02VVIO02VVIO02VX开路LLLHLHLZH注1H高电平；L低电平；不确定；X任意；Z高阻态格式362LED数码管显示电路设计LED显示采用一个四位一体的共阴极数码管，采用动态扫描形式输出。如图311所示，S1、S2、S3、S4分别为四个数码管的公共端，进行片选。单片长春理工大学本科毕业论文20机的PE0PE7端口分别控制数码管的位选。PE4PC7PC2PE5PE6PC6PC3PC4PC1PC5PC0PE7123456121110987S1EAFG2A3BDDPCGA4图311LED显示电路FIG311THEDISPLAYCIRCUITOFLED长春理工大学本科毕业论文21第四章电子指南针的软件设计41软件编程语言与编程调试环境本系统采用的单片机ATMEGAS支持C语言开发，可以在WINAVR环境下编程、编译在AVRSTUDIO环境下下载与调试。C是一种高级语言，具有可移植性好、可读性强、维护方便的特点，与汇编语言相比它有不可比拟的优势211可以大幅度加快开发进度，特别是开发一些复杂的系统，程序量越大，用C语言就越有优势。2可以实现软件的结构化编程，使得软件的逻辑结构变得清晰、有条理，保证整个系统的可靠性。3省去了人工分配单片机资源的工作。在汇编语言中要为每一个子程序分配单片机的资源，复杂而容易出错。411WINAVR编程环境本设计主要采用WINAVR编程工具，主要原因是它的代码生成率较高。2以CODEVISIONAVR为对比我没有IAR和ICCAVR的正版，同样功能的程序，经由GCC编译后的目标代码，通常比CVAVR的代码短2050，且运行速度更快，甚至在许多小型的应用中，GCC的代码效率都不输于汇编。WINAVR是一组开放源代码的程序集，它以著名的自由软件GCC为C/C编译器，用于ATMEL公司AVR系列单片机的开发，它主要包含1GNU程序包BINUTILS。GNUBINUTILS非常庞大，WINAVR仅包含与AVR相关的部分，有AVR汇编器、连接器以及与机器指令相关的一些工具；2GNUGCC的C和C编译器；3AVRLIBC。AVRLIBC是AVR单片机C运行时库，它是为应用程序提供标准C函数的连接时定位库；另外WINAVR还包含软件调试器、器件编程软件、文件格式转换工具等多个有用工具。WINAVR没有像KEILUVISION那样集成项目管理器的IDE，它是一个叫做MAKEFILE的文件来管理程序的编译连接。MAKEFILE是个脚本文件，由一个标准的可执行文件MAKEEXE负责解析并根据脚本内容来调用编译器、连接器或其它的工具，最终生成可执行代码文件。每次调用MAKE时它会比较目标文件与源文件的更新时间，如果源文件比目标文件更新一些，那么它会执行MAKEFILE内的相关指令更新目标文件，如果目标文件36与源文件一样新，它就跳开这个源文件的编译，避免重复工作，这对于一个较大的工程是个节省时间的有效方法。可以通过MAKEFILE菜单下面的子菜单进行更改，也可以直接手工在MAKEFILE下面更改，手工更改的选项有长春理工大学本科毕业论文221，MCUNAME下改成当前工程所用的MCU，例如MCUATMEGA128；2，OUTPUTFORMAT下改成最终输出格式，一般是FORMATIHEX；3，TARGETFILENAMEWITHOUTEXTENSION下是输出文件的文件名，注意不需要扩展名,因为扩展名已经在输出格式中隐含地指出；4，LISTCSOURCEFILESHERE加入工程中的C源文件，如果是多个文件用空格隔开；5，LISTASSEMBLERSOURCEFILESHERE如果工程中有汇编源文件的话，在此加入，本设计中没有使用到汇编语言；6，OPTIMIZATIONLEVEL，CANBE0，1，2，3，S选择你所期望的优化级别，一般默认为本OPTS；其他不必修改。这些选择完成后将这个文件另存到源程序所在目录，而后在PROGRAMERSNOTEPAD界面下创建工程，添加源文件，确保MAKEFILE文件与源文件和工程文件在同一目录下。在PROGRAMERSNOTEPAD界面中点击TOOLMAKEALL即可以进行编译。编译生COFF之后可以在AVRSTUDIO中打开，选择了正确的器件之后就可以进行仿真。下一节将详细介绍JTAG仿真过程。412AVRSTUDIO下载调试环境AVRSTUDIO是ATMEL官方的AVR开发集成环境，包括AVRASSEMBLER编23译器、AVRSTUDIO调试功能、AVRPROG串行、并行下载功能和JTAGICE仿真功能。在WINAVR中编译通过的程序就可以在STUDIO中仿真调试。调试通过后的程序可以通过JTAG或SPI接口下载到单片机中去。具体的调试步骤如下第一步硬件连接；第二步使用AVRSTUDIO打开COF文件；第三步工程文件存为MAIN_COFAPS方便下次打开；第四步选择相关硬件配置；最后运行程序直接运行或者通过DEBUG里面的命令进行在线调试。长春理工大学本科毕业论文2342电子指南针软件模块化分析与流程，常量定义自定义函数，变量声明寄存器声明所有自定义头文件的存储与读取数据存储坐标偏移量其他设备间的通信直接显示结果显示扩展测量角度的内基本角度解算角度解算采集信号的数字处理路传感信号的交替采集数据采集未用资源的稳态设定置位传感器复位串口初始化校正及初始化初始化片上初始化块模序程统系TMEGA128360902128MALEDADCEGATOI图41系统程序模块FIG41THEMODULEOFSYSTEMPROGRAM本系统软件的主要功能有数据的采集、数据处理、角度的解算和输出等。程序编写方案采用模块化程序设计，易于编写与工程管理，也便于子模块的功能调试与仿真。首先，对所用ATMEGA128的片上资源进行寄存器设置，以正确使用其功能，即完成初始化程序的编写。其次，编写各功能模块子程序，完成模块子功能以便主程序调用。最后，主程序按数据处理、角度解算、角度显示的顺序调用子程序，完成角度测量功能。图41列出了系统程序模块，其分布形式即为软件开发环境中的程序存储分布。421主程序流程图主程序的流程框图如图42所示。磁电子指南针容易受到周围硬铁磁场的影响，方角度测量坐标会发生偏移，严重影响测量精度，所幸的是电子指南针安装后这种干扰是固定的，安装后只需要对传感器进行一次标定，就能消除这种硬磁干扰。在本设计中，把这电子指南针的工作状态分成相互独立的两个部分来完成，即正常工作模式和出厂设置模式。系统上电之后，通过查询按键的方式判断电子指南针是否需要出厂设置，倘若查询到需要进行出厂设置，那么进入出厂设置子程序，否则进入正常的工作模式。从流程图中可以看出整个单片机中的主程序实际上是一个循环程序，实时完成角度测量功能。长春理工大学本科毕业论文24NY图42主程序的流程框图FIG42THEFLOWCHARTOFMAINPROGRAM422数据采集子程序由于AD7705器件内置串行通讯接口，所以在单片机与AD转换器之间采用SPI通讯方式。SPI，是英语SERIALPERIPHERALINTERFACE的缩写，就是串行外围设备接43口。SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便。本设计采用的是第3种模式，即在SCK的起始沿的下降沿和结束沿的上升沿时采集数据。开始关中断初始化传感器和单片机开中断获取电桥偏置电压值采集数据计算航向角更新显示出厂设置模式指示灯亮，提示操作人旋转传感器采集结束指示灯灭，停止旋转传感器采集40次数据计算坐标偏移量保存数据到EEPROM正常工作模式结束长春理工大学本科毕业论文25表41SPI通讯模式选择方法TABLE41THEMETHODOFSPICOMMUNICATIONMODECHOICE起始沿结束沿SPI模式CPOL0,CPHA0采样上