基于51單片機(jī)的電子羅盤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、本 科 生 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）論文題目：基于51系列單片機(jī)數(shù)字電子羅盤設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)姓名：學(xué)號(hào)：班級(jí)：年級(jí)：專業(yè)：學(xué)院：指導(dǎo)教師：完成時(shí)間：2013年 5 月28日作 者 聲 明本人以信譽(yù)鄭重聲明：所呈交的學(xué)位畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是本人在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下由本人獨(dú)立撰寫完成的，沒有剽竊、抄襲、造假等違反道德、學(xué)術(shù)規(guī)范和其他侵權(quán)行為。文中引用他人的文獻(xiàn)、數(shù)據(jù)、圖件、資料均已明確標(biāo)注出，不包含他人成果及為獲得東華理工大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。對(duì)本設(shè)計(jì)（論文）的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）引起的法律結(jié)果完全由本人承擔(dān)。本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）成

2、果歸東華理工大學(xué)所有。特此聲明。畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）作者（簽字）： 簽字日期： 年 月 日 本人聲明：該學(xué)位論文是本人指導(dǎo)學(xué)生完成的研究成果，已經(jīng)審閱過論文的全部?jī)?nèi)容，并能夠保證題目、關(guān)鍵詞、摘要部分中英文內(nèi)容的一致性和準(zhǔn)確性。 學(xué)位論文指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日基于51系列單片機(jī)數(shù)字電子羅盤設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)黃飛Based on 51 single-chip digital electronic compass system design and implementationHuangFeiIV東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摘要摘 要當(dāng)今社會(huì)交通越來越發(fā)達(dá)，導(dǎo)航系統(tǒng)也隨之普遍。在以前人們大多數(shù)使用地圖，

3、看路況。但是由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展，交通路線也變化好大。現(xiàn)在雖然有GPS，但是在山區(qū)有覆蓋遮蔽的地方，GPS也失去作用。汽車出巡不方便，為解決這個(gè)的問題，本文主要研究使用在汽車導(dǎo)航設(shè)備的能夠精確定向的電子羅盤系統(tǒng)。本文主要介紹磁阻式電子羅盤的工作原理，并詳細(xì)介紹了磁阻傳感器HMC5883、雙軸加速度傳感器ADXL202、AD7705轉(zhuǎn)換芯片以及AT89C52單片機(jī)的磁阻式電子羅盤的硬件設(shè)計(jì)；根據(jù)傳感器信號(hào)輸出特點(diǎn)，經(jīng)過AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換后，利用AT89C52單片機(jī)處理信息功能經(jīng)過分析后，經(jīng)顯示屏顯示行駛方向。完成當(dāng)偏離固定方向區(qū)間行駛時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生報(bào)警的功能，同時(shí)分析了系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差。在研制磁阻電子羅盤

4、原理樣機(jī)過程中，我對(duì)系統(tǒng)做出一定的誤差補(bǔ)償，使其系統(tǒng)的精度提高，并且對(duì)系統(tǒng)做經(jīng)一步的改進(jìn)。對(duì)研制的數(shù)字電子羅盤系統(tǒng)樣機(jī)，進(jìn)行測(cè)試。其結(jié)果顯示，該數(shù)字電子羅盤能對(duì)行駛方向進(jìn)行的動(dòng)態(tài)測(cè)量，在 0°到360°范圍行駛方向測(cè)量精度可達(dá)±2.0°。研制的數(shù)字電子羅盤，具有體積小、性能穩(wěn)定、反應(yīng)快、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，在車輛導(dǎo)航設(shè)備領(lǐng)域有非常廣闊的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：AT89S52單片機(jī)；HMC5883傳感器；電子羅盤AbstractToday's society, more and more developed transportation, navigation

5、 systems have become popular. In the past most people use the map to see the road. However, due to economic development, transport routes are also big changes. Although there are now GPS, but the mountains are covered in sheltered places, GPS is also useless. Car parade inconvenient, to solve this p

6、roblem, we study a method for precise directional vehicle equipment electronic compass system. This paper describes the magneto resistive electronic compass works, and described in detail based on magneto resistive sensor HMC5883, dual-axis accelerometer ADXL202, AD7705 converter chip and on AT89C52

7、 magneto resistive electronic compass hardware design; based on the sensor signal output characteristics, after AD7705 analog-digital conversion, the use of the information processing functions AT89C52 microcontroller after analysis through the display shows the direction of travel. And to achieve a

8、 traveling direction of the interval from a fixed function will generate an alarm, and analyzes the errors generated by the system. And propose appropriate compensation methods to improve system accuracy, the initial completion of the magneto resistive electronic compass principle prototype developm

9、ent, and gives an improvement scheme.Digital electronic compass system prototype is developed, and has carried on the debugging, test results show that the electronic compass can realize course Angle of dynamic measurement, within the scope of 0 ° to 360 ° course Angle measurement precisio

10、n can be up to + / - 2.0 °. The digital electronic compass, has small volume, stable function, quick response, and low power consumption, in the field of vehicle navigation equipment has very broad application prospects.Key words：AT89C52 microcontroller; HMC5883 sensor; electronic compass orien

11、tation syste目 錄1 緒 論11.1 羅盤的發(fā)展歷史和課題背景11.2 磁阻效應(yīng)式電子羅盤原理11.3磁阻效應(yīng)式電子羅盤發(fā)展趨勢(shì)22 系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)42.1電子羅盤測(cè)量基本原理42.2系統(tǒng)主控系統(tǒng)的選擇52.3硬件總體框圖設(shè)計(jì)72.4軟件總體框圖設(shè)計(jì)73硬件系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)93.1控制器模塊設(shè)計(jì)93.2傳感器模塊設(shè)計(jì)93.3 信號(hào)調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換器模塊113.4顯示模塊124軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)144.1主程序設(shè)計(jì)144.2傳感器模塊程序144.3 方位角度解算過程164.4 LED顯示子程序16實(shí)驗(yàn)結(jié)果與誤差分析20致 謝21參考文獻(xiàn)22附錄：231總電路圖232部分程序24

12、東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 緒論 1 緒 論 1.1 羅盤的發(fā)展歷史和課題背景通常的導(dǎo)航儀器主要有兩種：陀螺羅經(jīng)和磁羅盤。對(duì)地磁場(chǎng)測(cè)量方向的儀器叫做磁羅盤。我國(guó)發(fā)明指南針就是一個(gè)簡(jiǎn)易的磁羅盤，對(duì)整個(gè)人類社會(huì)發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)。在公元 50 年左右，磁石已經(jīng)被運(yùn)用到導(dǎo)航航啦，并且研制出了司南。在公元 960-1127 年時(shí)候，支撐是的指南針指南龜被研制出來。到 20 世紀(jì)初，隨著工業(yè)的發(fā)展，羅盤制造工藝也得到了飛速的發(fā)展，材料的選擇和機(jī)械制造使得羅盤的性能有了顯著地提高。尤其是是機(jī)械式磁羅盤，現(xiàn)在某些情況下依然使用機(jī)械式磁羅盤 1。到了20世紀(jì)出，陀螺羅盤的問世，對(duì)羅盤又是一場(chǎng)革命。羅盤感應(yīng)這地

13、球的自轉(zhuǎn)，磁性物質(zhì)對(duì)其沒有影響。使得陀螺羅盤的標(biāo)度盤非常穩(wěn)定，讀取數(shù)據(jù)更加精確。當(dāng)代GPS雖然有廣泛的應(yīng)用，但是信號(hào)經(jīng)常被物體所遮擋，使其精度大打折扣。有效性也大大降低。數(shù)字電子羅盤系統(tǒng)則將填補(bǔ)這一個(gè)不足，采用地磁場(chǎng)的工作原理，無論何時(shí)何地磁場(chǎng)的水平分量永遠(yuǎn)指向地磁北極，對(duì)GPS信號(hào)進(jìn)行有效補(bǔ)償。隨著科技發(fā)展和道路建設(shè)完善，汽車會(huì)給人們生活極大方便，汽車將會(huì)普及在我們生活中。電子羅盤定向系統(tǒng)將會(huì)出現(xiàn)每一輛汽車?yán)?；屆時(shí)很多人會(huì)開自己的車旅游，回家，談生意等等，當(dāng)置于一個(gè)陌生的環(huán)境中，導(dǎo)航定向?qū)τ谛熊嚢踩浅Ｖ匾?。所以，迫切需要研究出一種低功耗，便于攜帶，內(nèi)置磁場(chǎng)感應(yīng)器，系統(tǒng)穩(wěn)定，并且能完成精確定

14、向的微系統(tǒng)，而本課題設(shè)計(jì)就是研究出一個(gè)數(shù)字電子羅盤，專門解決這個(gè)問題而產(chǎn)生的。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)基于單片機(jī)開發(fā)平臺(tái)，選取磁阻傳感器作為敏感元件，采用兩軸設(shè)計(jì)和補(bǔ)償設(shè)計(jì)方案，使用超低功耗控制器51單片機(jī)作為傳感器數(shù)據(jù)計(jì)算方向的小型低功耗電子羅盤系統(tǒng)。 1.2 磁阻效應(yīng)式電子羅盤原理目前電子羅盤按照有無傾角補(bǔ)償可以分為平面電子羅盤和三維電子羅盤,也可以按照傳感器的不同分為磁阻效應(yīng)傳感器、霍爾效應(yīng)傳感器和磁通門傳感器。利用磁性材料的磁阻效應(yīng)制成磁性效應(yīng)傳感器。磁性材料的易磁化軸、形狀和磁化磁場(chǎng)的方向影響著其磁化方向。圖 1.1顯示出，當(dāng)電流流通磁性材料時(shí)，其電阻阻值大小由材料流通電流的方向與磁化方向的夾角

15、決定。把磁場(chǎng) M加在磁性材料上，之前磁化方向開始轉(zhuǎn)動(dòng)。如果磁化方向轉(zhuǎn)向與電流的方向垂直， 角增大，電阻阻值將減??；如果平行，即 角減小，電阻阻值將增大，電流方向與電阻值的關(guān)系為，這就是磁阻效應(yīng)2。 圖1.1磁阻效應(yīng)原理磁阻式傳感器具有低功耗，抗干擾，溫度穩(wěn)定性好，而且電路很容易搭建。靈敏度和線性度比較好。其性能及穩(wěn)定性容易被遲滯誤差和零點(diǎn)溫度漂移所影響，地磁場(chǎng)強(qiáng)度比較小，外界非磁場(chǎng)容易對(duì)磁阻式電子羅盤產(chǎn)生干擾。電子羅盤發(fā)展相當(dāng)迅速，在需要導(dǎo)航的系統(tǒng)的各行各業(yè)。并且有著非常大的應(yīng)用前景3。 1.3磁阻效應(yīng)式電子羅盤發(fā)展趨勢(shì)由于GPS導(dǎo)航在高山、樹林時(shí)信號(hào)傳輸不能很好的回饋到衛(wèi)星中。同時(shí)GPS容易

16、受到其他信號(hào)、波形干擾，導(dǎo)致其穩(wěn)定在某些地區(qū)較差。所以需要一個(gè)穩(wěn)定的導(dǎo)航系統(tǒng)在任何場(chǎng)地都能測(cè)出行駛方向，所以這個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)有很大的發(fā)展前景。有地磁大小和方向隨地點(diǎn)不同而不同, 無論在地球的每一個(gè)地方，磁場(chǎng)的水平分量永遠(yuǎn)指向磁北，電子羅盤根據(jù)這一個(gè)原理制作的，所以電子羅盤可以用于穩(wěn)定的精確的汽車導(dǎo)航定向3，電子羅盤系統(tǒng)的市場(chǎng)需求也在我國(guó)日趨明顯，而且也初具規(guī)模。未來電子羅盤的發(fā)展的方向有以下幾點(diǎn)：(1)行業(yè)進(jìn)行統(tǒng)一，整體規(guī)劃，使其規(guī)范起來。讓這個(gè)行業(yè)發(fā)展更完全。(2)使電子羅盤導(dǎo)航系統(tǒng)科技含量更高，使整個(gè)制造流程形成一個(gè)完整的產(chǎn)物鏈(3) 把GPS的技術(shù)和電子羅盤技術(shù)相結(jié)合，提高導(dǎo)航的精確性、實(shí)用

17、性和穩(wěn)定性。(4)把電子羅盤做成信息技術(shù)服務(wù)的產(chǎn)業(yè)，使其應(yīng)用到更多的行業(yè)里，加快電子羅盤研究與發(fā)展。未來科技發(fā)展更加快速，相對(duì)磁場(chǎng)技術(shù)也會(huì)越來成熟，電子羅盤系統(tǒng)將朝著先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性、功能型的成熟完善的系統(tǒng)！3東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 2 系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)12.1電子羅盤測(cè)量基本原理地球表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度為 0.50.6Gauss，方向指向地磁的北極。圖2.1 所示，地球磁場(chǎng) 無論在地球那個(gè)地方都是指向北極。磁傳感器利用這一個(gè)原理指向地磁北極的方向應(yīng)用到載體上。在載體坐標(biāo)系4下，磁航向角的定義是載體縱軸在水平面上的投影與低磁北極的夾角。當(dāng)載體縱軸和地磁北極平行或重合時(shí)，磁航

18、向角為 0°，磁航向角 從0°到 360°是隨順時(shí)針方向轉(zhuǎn)的。導(dǎo)航定位主要有三個(gè)姿態(tài)參數(shù)：航向角()，俯仰角()，橫滾角()。將磁阻傳感器的三個(gè)敏感軸沿載體的三個(gè)坐標(biāo)軸安裝，分別測(cè)量地磁場(chǎng)磁感強(qiáng)度H在載體坐標(biāo)系三個(gè)坐標(biāo)上的投影分量(Hx，HY，Hz)。在地平坐標(biāo)系中，磁阻傳感器的三軸輸出為(HR-X, HR-Y, HR-Z)，如下圖示所示。 圖2.2羅盤系統(tǒng)任意姿態(tài)示意圖HR-X=HXcos+HY sinsin-HZ sincos; HR-Y=HX cos+HZ sin;其中為航向角;為俯仰角;為橫滾角。兩軸加速計(jì)測(cè)得的重力加速度為Gx、Gy已知當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣戎?/p>

19、為g，可得： =arcsin(Gx/g) =arcsin(GY/g)當(dāng)求出HR-X和HR-Y值，便可以計(jì)算出羅盤系統(tǒng)縱軸與當(dāng)?shù)卮疟睒O的夾角A： A= arctan (HR-YHR-X) 當(dāng)考慮當(dāng)?shù)卮牌菚r(shí)，航向角為： =angle+ (*) 每個(gè)地區(qū)的磁偏角是一個(gè)固定值，以列表形式存入Flash中，根據(jù)數(shù)據(jù)的信息選擇，按式(*)補(bǔ)償即可。通過軟件設(shè)置可使angle在0 º360 º 之間顯示 2.2系統(tǒng)主控系統(tǒng)的選擇系統(tǒng)總體硬件設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵是選擇性價(jià)比最高的控制體系?，F(xiàn)在的控制系統(tǒng)非常多，通常根據(jù)我們實(shí)際需要，選擇控制系統(tǒng)。一下3個(gè)方案都滿足實(shí)際需要，工控機(jī)控制、可編程控制

20、器(PLC)控制、單片機(jī)控制等。每個(gè)控制系統(tǒng)都有自己的特點(diǎn)，下面依次詳述：方案一：工控機(jī)。工控機(jī)5擁有計(jì)算機(jī)的軟件資源，使軟件開發(fā)、程序編寫更加容易，設(shè)計(jì)的工作界面更加完美；工控機(jī)都是標(biāo)準(zhǔn)接口，通訊與連接方便快捷；工控機(jī)穩(wěn)定性強(qiáng)、抗干擾，唯一缺點(diǎn)就是價(jià)格比較貴。在不大控制系統(tǒng)中，一般選已經(jīng)成型的工控機(jī)。方案二：PLC。PLC6是綜合繼電器邏輯控制和計(jì)算機(jī)技術(shù)而研發(fā)出的控制器。其優(yōu)點(diǎn)有：穩(wěn)定性好，編程簡(jiǎn)單，模塊可以隨意組合，功能齊全，通常用在要求高穩(wěn)定性的情況。如果增加模擬量輸入輸出的功能，價(jià)格更貴。比一般的單片機(jī)要貴！方案三：?jiǎn)纹瑱C(jī)。單片機(jī)7是一種微型的控制器，是一個(gè)完整控制體系。單片機(jī)主要優(yōu)

21、點(diǎn)有：控制功能強(qiáng)大、穩(wěn)定性好、價(jià)格便宜，在各行各業(yè)應(yīng)用都很普遍，單片機(jī)推動(dòng)了各行業(yè)發(fā)展，使工業(yè)控制更加先進(jìn)。電子技術(shù)不斷更新，單片機(jī)的功能越來越多。那些功能有A/D、D/A轉(zhuǎn)換、PCA等等。控制系統(tǒng)應(yīng)用更加方便。單片機(jī)具體特點(diǎn)有：8(1)穩(wěn)定性強(qiáng)?？构I(yè)噪聲干擾性好，工藝好，把表格固化在ROM中；一個(gè)芯片內(nèi)有多種信號(hào)通道，使其，穩(wěn)定性強(qiáng)，更加可靠。(2)擴(kuò)展方便。片內(nèi)的部件足夠時(shí)CPU運(yùn)行的。而且片外提供大量的可擴(kuò)展的三總線，容易搭建各種規(guī)模系統(tǒng)。(3)可控性強(qiáng)。工業(yè)控制要求控制系統(tǒng)指令豐富，有各種指令，其中包括轉(zhuǎn)移指令、I/O口操作指令、位處理指令等。并不強(qiáng)制添置下程序，需要的應(yīng)用程序由用戶

22、自己決定。(4)價(jià)格便宜，易而且容易開發(fā)，技術(shù)不斷更新，控制系統(tǒng)的造價(jià)越來越低提供了；另外，單片機(jī)的應(yīng)用案例非常的多，同時(shí)可以看到很多程序，并且許多模塊程序相同。綜上所述，單片機(jī)控制能力在工控機(jī)和PLC之間，價(jià)格是最便宜，而且小巧，低功耗等優(yōu)點(diǎn)。磁阻式傳感器的控制系統(tǒng)中，采用單片機(jī)作為控制器的核心滿足了本系統(tǒng)的實(shí)際需要。性價(jià)比最優(yōu)，所以選用單片機(jī)。 2.3硬件總體框圖設(shè)計(jì)數(shù)字電子羅盤3大模塊分別是：傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和MCU模塊。需要硬件有： 磁阻傳感器、 雙軸加速度傳感器、AD轉(zhuǎn)換器以及單片機(jī)的磁阻式電子羅盤。硬件總體框圖如下： 圖2.3系統(tǒng)硬件總體框圖采用三軸磁阻傳感器進(jìn)行地球磁場(chǎng)矢

23、量測(cè)量，雙軸加速傳感器可以傳感地球重力場(chǎng)中測(cè)量載體的姿態(tài)，然后通過姿態(tài)坐標(biāo)變換將磁阻傳感器得到載體坐標(biāo)的測(cè)量信號(hào)變換到地平坐標(biāo)系。其磁阻式傳感器HMC5883包含輸出為3路的差分模擬電壓值，差分值大約為幾毫伏，信號(hào)經(jīng)過傳感器內(nèi)置的ASIC放大器把信號(hào)進(jìn)行放大，再進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換；再由有單片機(jī)處理數(shù)字信號(hào)，經(jīng)由處理后得到航向角由顯示屏來顯示；復(fù)位電路用于恢復(fù)磁阻傳感器在強(qiáng)磁干擾后的靈敏度；電源模塊分別為復(fù)位電路和信號(hào)處理電路供電；此外專門添設(shè)了鍵盤調(diào)節(jié)數(shù)碼管亮度的功能，使得操作員可以在環(huán)境光線強(qiáng)時(shí)將數(shù)碼管調(diào)亮些，在夜間環(huán)境光線弱時(shí)將亮度調(diào)暗 2.4軟件總體框圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件除了完成

24、初始化、信號(hào)采集、信號(hào)調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換，再到單片機(jī)中進(jìn)行信號(hào)處理分析，然后判斷能否輸出。其框圖如下所示：圖2.4 軟件總體框圖單片機(jī)對(duì)傳感器失調(diào)、溫度漂移等干擾造成的誤差進(jìn)行調(diào)整。失調(diào)和溫度漂移會(huì)在傳感器敏感信號(hào)上面疊加一個(gè)直流偏置電路，單片機(jī)通過將傳感器在置位和復(fù)位情況下得到的信號(hào)進(jìn)行分析，算出平均值。就可以得到由于失調(diào)和漂移造成的直流偏置信號(hào)，在方向角計(jì)算前對(duì)該偏置信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償即可消除其影響。再判斷能否輸出，如果不能輸出，則再采集一次；能輸出則把數(shù)據(jù)送到顯示屏顯示。36東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 硬件系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3硬件系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.1控制器模塊設(shè)計(jì)控制器是設(shè)計(jì)數(shù)字電子羅盤的

25、核心部分，MCU負(fù)責(zé)對(duì)傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、處理，通過姿態(tài)矩陣和誤差補(bǔ)償，可以礙到載體的姿態(tài)參數(shù)。一般計(jì)算量較大，普通的單片機(jī)不能滿足使用要求一下有幾個(gè)方案可供選擇方案一：采用MSP430作為系統(tǒng)的CPU。MSP430 系列單片機(jī)9是一個(gè) 16 位、單片機(jī)，采用了精簡(jiǎn)指令集（ RISC ）結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式（ 7 種源操作數(shù)尋址、 4 種目的操作數(shù)尋址）、簡(jiǎn)潔的 27 條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算；還有高效的查表處理指令；高速度的處理。方案二：采用FPGA 6作為系統(tǒng)的CPU。FPGA中，實(shí)現(xiàn)大的，高密度的各種復(fù)雜的邏輯功能，它是集

26、成于一個(gè)芯片，減小尺寸，改進(jìn)穩(wěn)定性，并應(yīng)用EDA仿真，調(diào)試，容易擴(kuò)展的所有設(shè)備。 FPGA的并行輸入輸出方法，適合于大規(guī)模的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)核心的處理速度。然而，由于建造的數(shù)據(jù)處理速度以下苛刻的FPGA的優(yōu)勢(shì)高速處理不能完全反射，并由于其高的集成水平，具有很高的成本和因?yàn)樵黾拥碾娐吩O(shè)計(jì)和實(shí)際的芯片引腳更多的物理硬件電路板布線和焊接4。方案三： AT89C52為系統(tǒng)控制器。兼容MCS51指令系統(tǒng)，8kB可反復(fù)擦寫(大于1000次）Flash ROM；32個(gè)雙向I/O口；256x8bit內(nèi)部RAM；3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷；時(shí)鐘頻率0-24MHz；2個(gè)串行中斷，可編程UART串行通

27、道；2個(gè)外部中斷源，共8個(gè)中斷源；2個(gè)讀寫中斷口線，3級(jí)加密位；低功耗空閑和掉電模式，軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能；單片機(jī)處理數(shù)據(jù)能力強(qiáng)，編程自由，方便，可用實(shí)現(xiàn)算法和邏輯方面的控制7，并且由于其低功耗、尺寸小、性能穩(wěn)定、價(jià)格便宜，使其在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛經(jīng)過仔細(xì)對(duì)比， AT89C52單片機(jī)符合設(shè)計(jì)要求的，容易操作，性價(jià)比高，所以選用AT89C52單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器。3.2傳感器模塊設(shè)計(jì)磁阻式傳感器是本系統(tǒng)信號(hào)采集的關(guān)鍵部件，因此傳感器的選擇變的尤為重要。目前的電子羅盤傳感器主要分為磁通門、磁阻式和霍爾元件三種。磁阻傳感器的電子羅盤抗噪聲好，溫度穩(wěn)定性好、尺寸小、精度高、可靠性強(qiáng)、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，

28、是未來電子羅盤的發(fā)展方向。為了更好地選擇傳感器，我去了解磁羅盤的現(xiàn)狀及其未來發(fā)展方向；弄懂磁阻效應(yīng)，磁阻傳感器的工作原理和輸出信號(hào)特征。這里我根據(jù)需求，采用HMC5883作為本系統(tǒng)的傳感器。HMC5883是霍尼韋爾公司推出的三軸數(shù)字羅盤傳感器 ，專門為帶有一個(gè)數(shù)字接口的低場(chǎng)磁傳感器而設(shè)計(jì)，應(yīng)用于諸如低成本羅盤和測(cè)磁學(xué)領(lǐng)域。HMC5883的電路圖如圖3.1，傳感器內(nèi)置ASIC放大器，可以自行將微弱信號(hào)放大。 同時(shí)R1、R2 為10K的I2 C總線上拉電阻，DRDY 為數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好中斷，接控制器中斷輸入口。電容C1、C3加 上傳感器片上ASIC電路中的H-電橋驅(qū)動(dòng)電路可以產(chǎn)生電流脈沖，使片上的置位復(fù)

29、位電流帶產(chǎn)生磁場(chǎng)給傳感器去磁和極性翻轉(zhuǎn)。圖3.1 HMC5883傳感器電路圖HMC5883傳感器與其他傳感器相比較有以下優(yōu)點(diǎn)：1）數(shù)字量輸出：I2C數(shù)字量輸出接口,設(shè)計(jì)使用方便。2）尺寸小:3x3x0.9mmLCC封裝，適合大規(guī)模量產(chǎn)使用。3）精度高：12度，內(nèi)置12位A/D,OFFSET,SET/RESET電路,不會(huì)出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象，不會(huì)有累加誤差。4）支持自動(dòng)校準(zhǔn)程序，簡(jiǎn)化使用步驟，終端產(chǎn)品使用非常方便。5）內(nèi)置自測(cè)試電路，方便量產(chǎn)測(cè)試，無需增加額外昂貴的測(cè)試設(shè)備。6）功耗低：供電電壓1.8V, 功耗睡眠模式-2.5微測(cè)量模式-0.6mA。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)HMC5883完全可以勝任。因?yàn)樗鼉?nèi)置的

30、測(cè)試電路，簡(jiǎn)單的數(shù)字輸出，較高的效率，避免累加誤差，而且成本相對(duì)較低。我使用的是雙軸加速度傳感器ADXL202是ADI公司生產(chǎn)的全功能兩軸加速度傳感器，主要用于姿態(tài)的角測(cè)量。傳感器表面是一種硅結(jié)構(gòu)的硅晶片，多晶硅和加速度傳感器的安裝板，提供耐壓力固定的。這種結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)包括一個(gè)單獨(dú)的片材和已連接的顆粒的中央部的移動(dòng)。測(cè)量加速度束的加速的偏轉(zhuǎn)，使差分電容失衡，由此產(chǎn)生的輸出信號(hào)是一個(gè)方波，方波的振幅的加速度成正比，然后相位靈敏度解調(diào)，信號(hào)是適于確定的加速度的方向。 ADXL202的雙軸加速度計(jì)放置在一個(gè)單片，可以同時(shí)測(cè)量動(dòng)態(tài)加速度，也測(cè)量靜態(tài)角度，具有占空比輸出，直接連接到微控制器的接口，而不

31、需要再經(jīng)過A / D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換。ADXL202具有尺寸小，低功耗，響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。ADXL202直流工作電壓3V-5V，靈敏度比較高，然后低速計(jì)數(shù)器工作，脈沖寬度調(diào)制解碼，仍然在高分辨率。 3.3 信號(hào)調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換器模塊信號(hào)的調(diào)理電路包括傳感器數(shù)據(jù)的采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換兩個(gè)模塊，功能由 AD7705 和單片機(jī)行駛。當(dāng)供電橋壓為 5V 時(shí)，電橋輸出為 5mV/Gauss，電橋偏置電壓的范圍是-1010mV，磁阻傳感器的電壓輸出為毫伏級(jí)，所以轉(zhuǎn)換前比粗吧信號(hào)放大，再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換處理， AD7705 帶有可以改變倍數(shù)的增益11。這種功能是在擁有這種功能的芯片上價(jià)格是最低的。具體的選擇通過AD7

32、705設(shè)置寄存器的MD1和MD0位校準(zhǔn)。當(dāng)MD1和MD0位寫入數(shù)據(jù)，那么校準(zhǔn)周期開始。由消除裝置校準(zhǔn)的偏移和增益產(chǎn)生的誤差以及工作環(huán)境的溫度和電壓的變化，則進(jìn)行常規(guī)的校準(zhǔn)。AD7705片內(nèi)含有低通數(shù)字濾波器，可以用它處理- 調(diào)制器的輸出信號(hào)。由磁阻式傳感器HMC5883芯片內(nèi)置的ASIC放大器放大電路信號(hào)，再有AD7705芯片內(nèi)置的低通數(shù)字濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理。圖3.2信號(hào)采集部分設(shè)計(jì)原理圖 3.4顯示模塊采用LCD液晶顯示屏作為系統(tǒng)的輸出顯示。LCD液晶顯示主要特點(diǎn)有顯示質(zhì)量高、功率小、數(shù)字式接口等。由處理器處理數(shù)據(jù)后在液晶屏顯示行駛方向。LCD有低壓，低功耗等優(yōu)點(diǎn)，所以應(yīng)用非常廣在控制

33、系統(tǒng)中的硬件配置。根據(jù)系統(tǒng)需要選擇的LCD是AMPIRE128×64的漢字圖形型液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形。 圖3.3 液晶顯示顯示器接口東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 4軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 4.1主程序設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)流程圖如下：先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后再?zèng)Q定是否進(jìn)行采集測(cè)量，然后對(duì)信號(hào)處理，然后對(duì)其補(bǔ)償。方向進(jìn)行校正。不用測(cè)量則直接進(jìn)行校正，計(jì)算偏移量，保存到單片機(jī)中。還設(shè)置了休眠模式，有定時(shí)中斷等功能。圖 4.1系統(tǒng)主程序圖 4.2傳感器模塊程序由復(fù)位置位電路的電流帶的特性，在 S/R+端給一個(gè)脈沖，則元件能找到準(zhǔn)確的方向與其對(duì)準(zhǔn)。而此脈沖只能加在一個(gè)方向。

34、羅盤在工作時(shí)， PA1 口每隔 1 秒鐘對(duì)傳感器置位一次。程序流程圖：圖4.2電橋偏置電壓流程圖void reset_HMC1022()PORTA &=(1<<1);PA1 口產(chǎn)生下降沿_NOP(); /延時(shí) 15usPORTA |=(1<<1); PA1 口產(chǎn)生上升沿return;4.3 方位角度解算過程方位角度計(jì)算兩個(gè)步驟：(1)角度判定范圍。(2)對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行角度解算首先把得到的式子轉(zhuǎn)化為三維坐標(biāo)系統(tǒng)，8個(gè)象限。然后使航向角在 360°范圍內(nèi)連續(xù)。得到瞬時(shí)測(cè)量值和當(dāng)前的原點(diǎn)坐標(biāo)值，進(jìn)行對(duì)比，得出測(cè)量值在那個(gè)象限范圍內(nèi)。最后把測(cè)量值進(jìn)行方位角度

35、的解算. 角度的解算主要是反正切運(yùn)算，其難度較大。雖然可以使用matlab調(diào)用函數(shù)，但是函數(shù)執(zhí)行時(shí)間較長(zhǎng)，使靈敏度降低，而查表則比較快，所以本系統(tǒng)采用查表。查表方法如下，首先把 0°90.0°的正切值，每隔0.01°讀取一個(gè)數(shù)據(jù)，然后把數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，這樣我們可以通過查表得出每個(gè)正切值，而且精度值也比較高。查表方法有很多種，這里推薦先使用初略估計(jì)然后縮小范圍查找。小范圍精度查找使用二分法，因?yàn)槎址ú橹悼於揖_，把整個(gè)數(shù)據(jù)分成兩份個(gè)數(shù)一樣的，然后讀取 an/2的值與要測(cè)量 x 值進(jìn)行對(duì)比，若x=an/2剛好是要測(cè)量的 x值時(shí)，說明已經(jīng)讀取到值。否則繼續(xù)查

36、找下去，直到x=an/2剛好是要測(cè)量的 x值。其中，當(dāng)x<an/2則在數(shù)組 a 的左邊尋找 x。如果 x>an/2，則在數(shù)組 a 的右邊尋找 x。 4.4 LED顯示子程序/*LED顯示子程序*/main()     lcd_init();display_string(3,0,LcdBuf1); /顯示第一行，從第3個(gè)位置開始display_string(0,1,LcdBuf2); /顯示第二行，從第0個(gè)位置開始    while(1);     /單片機(jī)待機(jī)/* 函數(shù)名稱: WriteDat

37、aLcd* 入口參數(shù)：wdata（unsigned char型）* 出口參數(shù)：無* 功能描述: 寫數(shù)據(jù)到LCD*/void WriteDataLcd(unsigned char wdata)   LCD_DATA=wdata;   LCD_RS=1;   LCD_RW=0;   LCD_E=0;   dellay(100);     /短暫延時(shí)，代替檢測(cè)忙狀態(tài)   LCD_E=1;/* 函數(shù)名稱: WriteCommandLcd* 入口

38、參數(shù)：wdata（unsigned char型）* 出口參數(shù)：無* 功能描述: 寫命令到LCD*/void WriteCommandLcd(unsigned char wdata)   LCD_DATA=wdata;   LCD_RS=0;   LCD_RW=0;   LCD_E=0;   dellay(100);      /短暫延時(shí)，代替檢測(cè)忙狀態(tài)   LCD_E=1;/LCD初始化void lcd_init(void)&

39、#160;    LCD_DATA=0;     WriteCommandLcd(0x38);     dellay(1000);     WriteCommandLcd(0x38); /顯示模式設(shè)置    WriteCommandLcd(0x08); /關(guān)閉顯示    WriteCommandLcd(0x01); /顯示清屏    WriteCommand

40、Lcd(0x06); /顯示光標(biāo)移動(dòng)設(shè)置    WriteCommandLcd(0x0c); /顯示開及光標(biāo)移動(dòng)設(shè)置/* 函數(shù)名稱: display_xy* 入口參數(shù)：x（unsigned char型）,y（unsigned char型）* 出口參數(shù)：無* 功能描述: 設(shè)置光標(biāo)位置， x是列號(hào)，y是行號(hào)*/void display_xy(unsigned char x,unsigned char y)     if(y=1)   x+=0x40;x+=0x80;WriteCommandLcd(x);/* 函數(shù)名稱:

41、 display_char* 入口參數(shù)：x(unsigned char型),y(unsigned char型)，dat(unsigned char型)* 出口參數(shù)：無* 功能描述: 在具體位置顯示單個(gè)字符，x是列號(hào)，y是行號(hào)*/void display_char(unsigned char x,unsigned char y,unsigned char dat)display_xy(x,y);WriteDataLcd(dat);/* 函數(shù)名稱: display_string* 入口參數(shù)：x(unsigned char型),y(unsigned char型)，s(指針型)* 出口參數(shù)：無* 功能

42、描述: 在具體位置顯示字符串，以/0結(jié)束，x是列號(hào)，y是行號(hào)*/void display_string(unsigned char x,unsigned char y,unsigned char *s)display_xy(x,y);while(*s)   WriteDataLcd(*s);   s+;東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與誤差分析學(xué)習(xí)硬件電路的相關(guān)知識(shí)，然后對(duì)磁阻電子羅盤的硬件原理圖設(shè)計(jì)、PCB 制板、焊接以及硬件的調(diào)試。對(duì)51 單片機(jī)上編程完全會(huì)，能編寫程序給電子羅盤；并電子羅盤樣機(jī)仿真，進(jìn)行系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行調(diào)試，測(cè)

43、出各項(xiàng)磁阻式羅盤功能， A/D 轉(zhuǎn)換器把采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。分析處理時(shí)選擇集中濾波方案，最終選定一種方式進(jìn)行濾波；并分析影響磁阻電子羅盤精度的誤差來源，給出相應(yīng)的補(bǔ)償方案；合理選擇處理航向角計(jì)算的算法，以提高處理速度。磁阻式電子羅盤基本達(dá)到實(shí)驗(yàn)研究所想要的結(jié)果，有些方面還是有點(diǎn)不足，制造工藝，軟件的安裝，通信都存在一些缺陷。系統(tǒng)本來就有一些缺陷，例如信噪小，精度不夠高，當(dāng)行駛方向不改變時(shí)，數(shù)據(jù)顯示能力很好；但是當(dāng)經(jīng)常改變方向，系統(tǒng)穩(wěn)定性就相對(duì)差了許多。我們對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的誤差來源進(jìn)行系統(tǒng)的分析，誤差主要有3種：系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差。誤差來源主要有：電橋偏置，、基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定性差，制造工藝存

44、在的不可避免的誤差。磁傳感器受到磁性物質(zhì)的影響，從而產(chǎn)生失誤航向的誤差叫做羅差。羅差是磁阻式羅盤誤差最大的來源，方向影響到幾度到幾十度。羅差有硬鐵干擾和軟鐵干擾，下面介紹如果消除誤差方法。（1）電子羅盤有兩種工作模式，一種是正常工作模式，另一種是出廠設(shè)置模式，出場(chǎng)設(shè)置模式是為了消除硬鐵干擾。永久磁鐵，和被磁化的金屬產(chǎn)生硬鐵干擾。這些干擾大小恒定，相對(duì)羅盤位置固定，與羅盤指向無關(guān)。羅盤運(yùn)行時(shí)，周圍的硬鐵干擾基本固定不變，對(duì)羅盤校正一次就好啦。 (2) 軟鐵干擾主要來與地球磁場(chǎng)和磁性材料間的相互作用，軟金屬同樣影響地球的磁力線，所不一樣的是，羅盤的方向決定著軟鐵干擾程度。數(shù)字電子羅盤尺寸小，成本低

45、，性能穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)，在導(dǎo)航領(lǐng)域上有遠(yuǎn)大的應(yīng)用前景。隨著控制技術(shù)的發(fā)展，傳感器的精度測(cè)量有了很大的提高。本文詳細(xì)的分析了數(shù)字羅盤硬件和軟件方面，以更好提高整個(gè)系統(tǒng)的精度。對(duì)磁傳感器的工作原理和特點(diǎn)進(jìn)行了分析研究，以建立一個(gè)理想化的靜態(tài)的數(shù)學(xué)模型為主要結(jié)果。為了系統(tǒng)的性能，羅盤測(cè)量誤差來源的討論和相應(yīng)的誤差補(bǔ)償計(jì)劃。但是數(shù)字電子羅盤的研究?jī)H限于實(shí)驗(yàn)室條件下，沒有被應(yīng)用到所有的情況，很難確定系統(tǒng)的各項(xiàng)功能的穩(wěn)定性。作為在磁場(chǎng)變化的儀器，要把接收位置信號(hào)處理，轉(zhuǎn)換成的數(shù)字的信號(hào)輸出，安裝平臺(tái)間的變化加速度運(yùn)動(dòng)矢量的傾斜角度，擺動(dòng)載波，如果輸出的系統(tǒng)的干擾。指南針軟鐵的磁效應(yīng)仍然存在。我相信，在未來許多領(lǐng)

46、域，大規(guī)模，大批量使用數(shù)字電子羅盤。電子羅盤的發(fā)展會(huì)越來越好。東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 致謝致 謝本論文是在王懷平導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)完成的，歷時(shí)一個(gè)學(xué)期之久。導(dǎo)師平易近人，和藹可親有著深厚的學(xué)術(shù)造詣。在做論文的這一個(gè)學(xué)期，遇到的問題，王懷平老師都會(huì)指導(dǎo)我怎么去解決問題，授人以魚，不如授人以漁。王老師教給我們的是方法，是精髓！在做論文的時(shí)候。我學(xué)會(huì)了基本的研究方法，還使我學(xué)會(huì)了處理問題的能力。 在此，衷心感謝王老師的悉心教導(dǎo)！東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1 催嵐波船舶通信與導(dǎo)航M.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社,2007：35-372 高光天傳感器與信號(hào)調(diào)理器件應(yīng)用技術(shù)M北京：科

47、學(xué)出版社2002.7：168-1703 TAMARA BRATLAND ROBERT BICKING 和 BHARAT B. PANT.為什么選擇磁性傳感器.4 孫希延，紀(jì)元法，施滸立卡爾曼濾實(shí)現(xiàn)車載GPS/DR組合導(dǎo)航J. 現(xiàn)代電子技術(shù). 2006.115 王勇軍、李智、李翔. 車載電子羅盤中的一種新型抗干擾設(shè)計(jì)J，單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2010，5:8-106 姜益民. 基于單片機(jī)與可編程邏輯控制器的控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)D.北京郵電大學(xué),20077 文樺.單片機(jī)教學(xué)與應(yīng)用平臺(tái)的研究D.同濟(jì)大學(xué)軟件學(xué)院,20098 丁保華,張有忠,陳軍.單片機(jī)原理與接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐J. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)

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49、羅盤設(shè)計(jì)J.傳感器世界2011.6（8）:35-3915常青，楊東凱，寇艷紅車輛導(dǎo)航定位方法及應(yīng)用M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005:20-2116 Robert Pacz, Christia Schott,Samuel Huber*Electronic Compass Sensor J.IEEE Magazine 2004 2(4):1446-1449東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 附錄附錄：1總電路圖 2部分程序傳感器模塊程序void delay(unsigned int k);void InitLcd();void Init_HMC5883(void); /初始化5883void Writ

50、eDataLCM(uchar dataW);void WriteCommandLCM(uchar CMD,uchar Attribc);void DisplayOneChar(uchar X,uchar Y,uchar DData);void conversion(uint temp_data);void Single_Write_HMC5883(uchar REG_Address,uchar REG_data); /單個(gè)寫入數(shù)據(jù)uchar Single_Read_HMC5883(uchar REG_Address); /單個(gè)讀取內(nèi)部寄存器數(shù)據(jù)void Multiple_Read_HMC5883(); /連續(xù)的讀取內(nèi)部寄存器數(shù)據(jù)/以下是模擬iic使用函數(shù)-void Delay5us();void Delay5ms();void HMC5883_Start();void HMC5883_Stop();void HMC5883_SendACK(bit ack);bit HMC5883_RecvACK();void HMC5883_SendByte(BYTE dat);BYTE HMC5883_RecvByte();void HMC5883_R