電子指南針的設(shè)計與實現(xiàn)

1、導(dǎo)師：導(dǎo)師：姓名：姓名：時間：時間： 本次畢業(yè)設(shè)計選擇單片機(jī)實現(xiàn)指南針。這樣能夠更好地學(xué)習(xí)和研究51系列單片機(jī)電路系統(tǒng)設(shè)計的相關(guān)知識，掌握基本應(yīng)用電路設(shè)計的方法和技巧。在不斷的實踐中開闊自己的知識面，了解和嘗試運用不同的方法實現(xiàn)設(shè)計目的。課題意義課題背景 指南針的發(fā)明是我國勞動人民智慧的結(jié)晶。在日常勞動中，人們接觸了磁礦石，開始了對磁性的了解。人們首先發(fā)現(xiàn)了磁石吸引鐵器的性質(zhì)。后來發(fā)現(xiàn)了磁石的指向性。經(jīng)過多方的實驗和研究，終于發(fā)明了可以實際應(yīng)用的指南針。國內(nèi)一般稱之為羅盤。 磁通門、磁阻式和霍爾元件三種。磁通門傳感器是由一套環(huán)繞磁芯的線圈組成，該磁芯配有勵磁電路，能夠提供低成本的磁場探測方法，

2、但它們體積偏大、易碎、響應(yīng)時間慢?；魻栃?yīng)磁傳感器的優(yōu)點是體積小，重量輕，功耗小，價格便宜，接口電路簡單，特別適用于強(qiáng)磁場的測量。但是，它又有靈敏度低、噪聲大、溫 度性能差等缺點。雖然有些高靈敏度或采取了聚磁措施霍爾器件也能用于測 量地磁場，但一般都是用于要求不高的場合。 電子指南針分類我們的設(shè)計 基于現(xiàn)狀，本文我們采用磁阻傳感器來設(shè)計電子磁指南針。設(shè)計電子指南針的基本思路：本設(shè)計的軟件設(shè)計總體思路是將HMC5883L得到的信息送至單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行處理，再轉(zhuǎn)換為液晶顯示數(shù)據(jù)在LCD1602上進(jìn)行顯示，得到當(dāng)前的方位信息與角度信息，由于硬件模塊較少，所以很大部分 工 作 放 在 了 軟 件 上 ，

3、A T 8 9 C 5 1 晶 振 為11.0592MHZ，處理速度較快，而本設(shè)計在一些模塊時序上對延時有一定要求，思路上采用每讀完一次數(shù)據(jù)，就立即送至液晶顯示的實時方式。系統(tǒng)總體軟件流程如下圖所示。電子指南針設(shè)計思路示意圖電子指南針設(shè)計思路示意圖開始初始化模塊獲取傳感器數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理判斷角度和方位顯示信息模塊設(shè)計 電子指南針的設(shè)計框圖如圖1所示，可分為3大模塊：傳感器模塊、液晶顯示模塊和單片機(jī)最小系統(tǒng)。 本系統(tǒng)所用的磁阻傳感器是HMC5883L三軸磁阻傳感器，可測量X，Y，Z軸的磁場分量。其磁場測量范圍是8G，分辨率可達(dá)2mG。傳感器尺寸小精度高功耗低，而且內(nèi)置自測試電路，方便量產(chǎn)測試，無需增

4、加額外昂貴的測試設(shè)備。傳感器模塊液晶顯示模塊 1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊。1602LCD是指顯示的內(nèi)容為16X2,即可以顯示兩行，每行16個字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。 51單片機(jī)模塊 作為整個設(shè)計的核心部分，單片機(jī)最小系統(tǒng)，是構(gòu)成整個系統(tǒng)的重中之重，它由電源指示燈、復(fù)位電路、時鐘電路、AT89C51單片機(jī)組成。用于處理傳感器發(fā)送來的數(shù)據(jù)，進(jìn)行計算，整合，傳輸?shù)?602，從而達(dá)到設(shè)計要求。電子指南針基本原理 在地磁場下，A為物體運動方向，在正北軸與正東軸上投影,分別為BD和DO角度 所得為 arctan(BD/DO),即可得出

5、現(xiàn)實運動方向與正東夾角，從而判斷出物體運動方向如下圖所示。北東西CBOD =arctan(BD/DO)系統(tǒng)誤差分析 電子指南針是通過地球磁場來確定角度，因而不希望有其它磁場疊加到地磁場上，影響磁場的 大小和方向，造成角度誤差。由于磁阻傳感器本身的構(gòu)造和環(huán)境因素的影響，誤差是不可避免的。主要有磁阻傳感器誤差、溫度的影響、近磁場的影響等。磁阻傳感器誤差 磁阻傳感器的主要誤差有校正、磁飽和誤差。為了減少磁阻傳感器所引起的誤差，我們采用HMC5883三軸磁阻傳感器，因為HMC5883三軸磁阻傳感器精度高（12度),不會出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象。校正采用旋轉(zhuǎn)芯片，找出x和y的最大最小值x_max、x_min、y_

6、max 、y_min。 于是，x的偏移 = (x_max + x_min) / 2; x的比例取1 y的偏移 = (y_max + y_min) / 2; y的比例 = (x_max - x_min) / (y_max - y_min); 校正的時候先加“偏移”，再乘“比例”。溫度影響 傳感器的溫度系數(shù)也將影響航向角的精度，需要考慮的是偏移隨溫度的漂移。由于HMC5883l三個相互垂直軸x、y 、z在同一個封裝中，他們的溫度系數(shù)匹配的很好，這樣三軸經(jīng)歷相同的溫度變化也相同。x和y的比率沒有太大的影響。近磁場影響 電子指南針平臺上的磁性材料及其附近運動的磁性物體都會使電子指南針周圍地磁場發(fā)生變形從而影響方位角測量的精度。這就被稱為近磁材料的影響。近磁材料的影響可分硬鐵影響：來自電子指南針平臺上永久磁鐵和被磁化的鐵(鋼)；軟鐵影響：來自地磁場和電子指南針周圍軟磁材料的相互作用。硬鐵影可以通過實驗結(jié)果進(jìn)行計算可以補(bǔ)償消除。此外在使用時盡量使電子指南針遠(yuǎn)離近磁材料，這樣可以降低外磁場對電子磁指南針的影響，比任何補(bǔ)償都好。結(jié)論 該電子指南針設(shè)計模塊簡單，可集成性好，耗電量低，采用低功耗單片機(jī)增強(qiáng)了該設(shè)備的續(xù)航能力。但LCD1602液晶為單色字符液晶，顯示能力有限，如果采用更高級的嵌入式處理器，擁有足夠的速度和存儲器，可以采用TFT液晶等較好的顯示設(shè)備，將人機(jī)界面做得更加完