数字式电子罗盘毕业设计.docx
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数字式电子罗盘毕业设计
毕业设计说明书
数字式电子罗盘设计
学生姓名：
孔垂礼学号：
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学院：
计算机与控制工程
专业：
电气工程及其自动化
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2015年06月
数字式电子罗盘设计
摘要
窗体顶端
数字式电子罗盘具有很多优点，例如：
体积比较小、启动非常迅速、功率损耗较低、制造成本低廉等,当今社会测控技术对测向传感器提出了非常高的要求;为了提高数字罗盘的测量精度,特意设计了一种基于HMC5883L三轴磁阻传感器[1]的数字电子罗盘;在分析相关类似产品的基础上,特别强调对电源、器件选型、信号调理电路、软件设计等方面进行了分析研究,设计出了数字罗盘并且研制了试验的样机;为验证设计效果,在双轴陀螺测试转台上进行了测试,试验结果初步验证了该设计方案的可行性;论文的研究工作可以为研究和改良数字式磁罗盘的测量准确度提供可靠的资料.
窗体底端
关键词：
地磁场，数字罗盘，HMC5883L三轴磁阻传感器，重力加速度计
Hereisthetranslationofyourchinesepaper’stitle
Abstract
Digitalelectroniccompass,hassmallvolume,quickstart,lowpowerconsumption,andlowcost,themodernmeasurementandcontroltechnologyputsforwardhigherrequirementsonsensorofdirectionfinding;Inordertoimprovetheprecisionofthedigitalcompass,wedesignaHMC5883Ltriaxialmagneticresistancesensorbaseddigitalelectroniccompass;Onthebasisoftheanalysisofrelatedproducts,focusesonthepowersupply,deviceselection,signalconditioningcircuitandsoftwaredesignareanalyzedinaspectsofresearch,designthedigitalcompassandtestprototypewasdeveloped;Toverifythedesigneffect,onthetwo-axisgyrotestingtablewastested,experimentalresultsverifythefeasibilityofthedesignschemeof;Thesisresearchworkcouldbeusedtoresearchandprovidereferenceforimprovingthemeasuringaccuracyofdigitalmagneticcompass.
Keywords:
Earth'smagneticfield,digitalcompass,HMC5883Lthree-axismagneticresistancesensor,thegravityaccelerometer
1.前言..........................................................................................................................................1
2.总体方案..................................................................................................................................3
2.1传感器的方案论证与选择...................................................................................................3
2.2单片机方案的选择...............................................................................................................7
2.3总体方案设计思想以及框图...............................................................................................7
3.硬件电路设计..........................................................................................................................8
3.1单片机最小系统...................................................................................................................9
3.2HMC5883L传感器模块..........................................................................................................9
3.3ADXL202模块....................................................................................................................13
3.4LCD1602液晶屏模块.........................................................................................................14
4.软件设计...............................................................................................................................17
4.1HMC5883L与单片机通信软件设计..................................................................................16
4.2LCD1602人机界面软件设计.............................................................................................17
4.3系统总统软件设计............................................................................................................19
5.系统调试................................................................................................................................21
6.结论........................................................................................................................................21
7.总结与体会............................................................................................................................21
致谢...........................................................................................................................................24
参考文献...................................................................................................................................25
附录A:
电子指南针整机电路图和实物图..........................................................................26
附录B:
1602液晶模块字符存储器.....................................................................................28
附录C:
电子指南针程序部分源代码..................................................................................29
1.前 言
磁罗盘俗称指南针，它是一种简单的用来指示判别方位的东西,也是一种重要的导航仪器，指南针可应用在许多场合中。
司南是古代的四大发明之一，即指南针的前身。
它是由一根装在轴上而且可以自由旋转的磁化了的针构成的。
在地磁场作用下磁针总能平行保持在磁子午线的切线方向上。
磁针的南极指向地理的南极，通过这种现象及其性质就可以用它来辨别方向。
常用于航海、大地测量、车载导航等方面。
随着科技的发展指南针原理不断的被世人所了解，先前笨重的“司南”也逐渐发展成为现在的轻巧便捷的指南针。
但是，它最基本的原理构造是没有改变的，都还是比较粗糙精度不高的机械指南针，另外，指示的机械结构基本上也没有改变，之所以能自由的旋转都是利用某种支撑使得磁针能够受到地磁场的影响。
机械有很多不可避免的先天因素不但影响指针式指南针的便捷便携性、灵敏度、精确度等而且还影响其使用寿命。
现如今我们国家和外国在电力电子技术领域发展都非常迅猛，尤其是很多特需芯片和一些专用传感器都有了质的改变，磁传感器就是一大特例，它的发展使指南针的基本实现机理有了更高水平的发展，老式机械结构将逐步退化，目前对磁场的测量处理和指示方向都改用轻巧便捷的磁传感器和专用传感器，这就是当前应用较为广泛的电子式指南针。
电子指南针有固定的内部结构，没有活动部分，对于和其它电子系统接口连接非常简单，不但可代替旧的磁指南针。
而且精确度非常高、稳定性特别好、应用也非常广泛。
本设计采用各向异性磁阻（AMR）传感器芯片HMC5883L，它是由Honeywell公司生产的。
霍尼韦尔HMC5883L是一种有数字接口的弱磁传感器芯片，表面非直插式的高度集成模块，HMC5883L分辨率极高，HMC118X系列磁阻传感器就是其中最先进的传感器，并附带霍尼韦尔专利的集成电路包括放大器、自动消磁驱动器、偏差校准、能使指南针精度控制在1°~2°的12位模数转换器，其I2C系列总线接口也很简单。
HMC5883L采用的各向异性磁阻（AMR）技术比其他各向异性传感器技术更先进、更有市场，特别是在轴向高灵敏度和线性高精度比较突出。
传感器之所以能够用来测量地球磁场的方向以及大小是因为它具有正交轴的低灵敏度的固相结构，其测量范围从-5高斯（gauss）到+5高斯（gauss），霍尼韦尔的磁传感器是一款在各方面性能都是最好的传感器，在低磁场传感器行业中享有盛誉，本文介绍了数字电子罗盘工作原理及电路硬件及软件的设计，同时也做了一些能够抵抗干扰信号的设计以及数据采集处理的方式方法。
1.1课题研究的背景及意义
早在我国战国时期我们的祖先就发现一种可以指示方向的磁石，后来人们就把磁矿石刻成像勺子一样的东西用来指示方向——司南，用于行军打仗。
随着时代的变化科技的发展，出现了各种各样的半导体材料，将各部分功能综合、整合的技术也在日益成熟，电子罗盘技术也得到迅速的发展，五花八门的电子罗盘在我们的生活当中也显而易见，尤其是在导航方面扮演着重要角色。
同时电子罗盘也广泛的应用在水平孔洞的测量、垂直孔洞的测量、水下探测、建筑物定位、设备维护、仿真系统、教育培训、虚拟现实等方面。
我们国家在数字电子罗盘方面的研究起步比较晚，国内无论是生产罗盘部件还是销售电子罗盘的厂家一般都是作为中介或者代售国外产品，国内九十年代末才开始电子罗盘的研究。
1.2国内外研究现状
我们国家有很多研究和生产电子罗盘的公司，Honeywell（霍尼韦尔）公司是最为著名的公司之一，其生产的代表作是磁阻式电子罗盘，另外KVH公司生产的磁通门电子罗盘也是比较出名的。
我们国家在数字式电子罗盘的研究起步比较晚，基本上还没有形成一个完整的体系，很多厂商都是代收国外品牌。
美国目前已经研制开发出地面和空中定位精度达30m、水下定位精度优于500m的地磁导航系统，他们制造的飞航导弹和巡航专用的鱼雷命中率都有很大的提高。
另外，美已经开始用地磁感应信息来研究导弹和核武器实验，并利用E22无人机在空中进行地磁数据测量。
国内在地磁导航的研究就比较落后，虽然说已经开始研究，但是主要还集中在模拟实验和仿真阶段，据了解，某某集团三院将所测得的地磁强度数据用平均绝对差法进行了多种多样的匹配运算，其分辨率能达到50m，另外，某大学的几个教授在这方面的研究也取得了很大的进步，他们利用地磁导航校正惯性导航的仿真实验取得了较高的精度。
其它国内的大部分研究都还在停滞不前，不是仿造就是抄袭，制作电子罗盘仍停留在利用Honeywell公司的磁阻传感器上，对其产生的误差进行智能补偿也要参考大量的外文数据。
因此电子磁罗盘在我们国家内部发展空间还是很大的。
1.3本文内容概述
电子罗盘主要有三种，其一是利用磁通门传感器制作的，其二是磁阻式传感器，其三利用霍尔元件。
磁通门传感器能够提供低成本、低损耗的探测方法，它由一磁芯环绕着的线圈构成，这种磁芯配备有励磁电路，但是它们整体外形体积比较大、容易破碎、等待的时间比较长。
然而霍尔效应磁传感器就有许多优点，例如：
它的体积比较小，重量非常轻，功功率损耗较小，价格也不贵，连接单片机的接口电路也简单易懂，综合评价特别适用于强度很大磁场的测量。
但是，它也有众多缺点，它不够灵敏、产生的噪声较大、温度性能不好等。
虽然有些方面也能用霍尔元件经过聚磁措施或者其他手段制造出的器材来测量地磁，但这样测出的数据偏差比较大，精度不高。
磁阻传感器就具备较完美的特点，他已经做成了标准的集成芯片，并且其衍生物也成了一系列完整的体系。
而用磁阻传感器做成的电子罗盘就避开了磁通门罗盘的不足，具有体积很小、重量轻巧、精确度高、稳定性性强、应答速度快等优点，以后的电子罗盘就朝着这个方向发展了。
本文采用霍尼韦尔HMC5883L三轴磁阻传感器作为地磁测量的核心元件展开设计，HMC5883L是通过高度整合、集成的芯片并把它贴装在电路板上的模块，并带有能够检测很弱很弱的磁场的数字接口，在弱磁环境中就可以大显身手了，用其支撑的电子罗盘不但成本低而且和应用领域广泛。
HMC118X系列磁阻传感器是HMC5883L最先进的高分辨率磁阻传感器，该系列传感器自身就带有运放电路、自己能快速消除磁场干扰、自主补偿、自助驱动等，能够把精确度准确的控制在1°~2°的范围内。
该系列还带有12位模拟信号转换成数字信号的元器件和简易的I2C系列总线接口。
HMC5883L是采用无铅表面封装技术，带有16引脚，尺寸为3.0X3.0X0.9mm。
HMC5883L的所应用领域有手机、笔记本电脑、消费类电子、汽车导航系统和个人导航系统[1]。
2.总体方案设计
现如今电力电子技术的发展非常迅猛，对于电子罗盘或者数字罗盘的改进也存在这样那样的方案，每种方案都有它的优点也有不足，故此我们要根据自己的实际要求来选择相应的设施进行设计。
2.1传感器方案论证与选择
方案一:
采用HMC1052双轴磁阻传感器
HMCI052是一个双轴线性磁传感器[2]，和其它HMC10XX系列传感器一样，每个传感器具有由惠斯登电桥合金的一个磁阻膜。
当电桥连同电源电压，传感器的磁场强度转换成电压输出，包括环境磁场和测量磁场。
HMC1052包括两个光敏元件，相互垂直的灵敏轴。
敏感元件A和B，在两个硅芯片共同存在，而且是完全正交的，并且所述参数匹配。
HMC1052小尺寸，低工作电压，还有消除非正交误差引起的两个敏感元件。
除了HMCI0522芯片和磁耦合，惠斯通电桥还带有斜带和置位/复位带。
敏感元件A和B也有两条带。
设置/复位，这样既保证了准确性。
偏置带纠正偏差传感器或任何被抵消不需要的磁场。
在HMC1052传感器元件中，他的两个敏感元件可以独立工作，功率损耗减少了很多。
然而，偏置带却不能用来实现这一功能。
如果一定要用偏置带也行，但要通过另外一种组装方式。
图2.1HMC1052传感器引脚图
方案二:
采用KMZ52磁场感应传感器
KMZ52是一种磁阻传感器，它是由Philips公司生产的[3]，其测量磁场是利用坡莫合金薄片的磁阻效应原理制作成的高灵敏度磁阻传感器。
在两个正交的磁场强度甲板上的磁阻传感器，完成补偿线圈和线圈设置/复位线圈。
补偿线圈的电流测量输出的结果是一个封闭的反馈环，从而使传感器的灵敏度不受地域限制。
这些磁阻传感器主要应用于导航，通用地磁测量和交通检测。
磁阻传感器沉积在高渗透性的铝表面的坡莫合金一定厚度，在接下来的两个翻转线圈和外部磁场的作用下，电子改变移动的方向，从而使磁阻被改变。
同时KMZ52斑马条型电阻器45°放置起来，这使得在正、负磁力更好对称性。
由于加入KMZ52反转的磁场的曲线与普通磁电阻是不同的，更线性的。
磁阻传感器KMZ52核心部分是一个惠斯通电桥，是四臂磁敏元件构成的磁阻桥臂。
长薄膜坡莫合金的磁传感元件在外部磁场的影响下，磁电阻的变化引起的输出电压。
图2.2KMZ52传感器引脚图
方案三:
使用霍尼韦尔HMC5883L三轴磁阻传感模块
霍尔HMC5883L是一种高度整合、集成的贴在PCB板上的芯片模块，其自带的微弱磁场感应数字接口比较简单，应用在很多弱磁场检测的领域。
HMC5883L分辨率极高，HMC118X系列磁阻传感器就是其中最先进的传感器，并附带霍尼韦尔专利的集成电路包括放大器、自动消磁驱动器、偏差校准、能使指南针精度控制在1°~2°的12位模数转换器，其I2C系列总线接口也很简单。
HMC5883L采用的各向异性磁阻（AMR）技术比其他各向异性传感器技术更先进、更有市场，特别是在轴向高灵敏度和线性高精度比较突出。
HMC5883L所用的封装技术是运用一种不含有毒金属铅的方式，本身带有16只脚，尺寸也很小，仅为3*3*0.9mm。
HMC5883L的所应用领域遍布各行各业，例如：
手机、笔记本电脑、消费类电子、汽车导航系统和个人导航系统。
HMC5883L采用霍尼韦尔各向异性磁阻（AMR）技术，这种技术是世界上非常先进的。
这些各向异性传感器在测量地球磁场时很灵敏也很可靠。
传感器之所以能用于测量地球磁场的方向和大小是因为它具有的对正交轴的低灵敏度的固相结构，其测量范围也非常精确，从-5毫高斯到+5毫高斯（gauss）。
在低磁场传感器行业中霍尔传感器可以说享有盛誉，其灵敏度和可靠性不言而喻。
图2.3HMC5883L传感器引脚图
在查阅相关资料和文献后，对各种传感器都进行一系列对比，总结了它们的优缺点，HMC5883L三轴磁阻传感器不需要外接ASIC，都被封装在一起了，而内部安装了12位模拟信号和数字信号转换器、防干扰的AMR传感器，不仅能够测量较为精确的地磁范围，而且还内置驱动器，不需要另外再装驱动，其优越性不言而喻。
三轴磁阻传感器在测量弱磁环境或者电子罗盘行业中各方面的性能都是非常合适的。
故此，我通过再三对比选择了第三个方案来设计电子罗盘。
表2.1HMC5883L引脚配置
引脚
名称
描述
1
3
SCL
串行时钟- I2C总线主/从时钟
C总线主/从时钟
C总线主/从
2
VDD
电源（2.16V-3.6V）
3
NC
无连接
4
S1
连接 VDDIO
5
NC
无连接
6
NC
无连接
7
NC
无连接
8
SETP
置位/复位带正-S/R电容（ C2）连接
9
GND
电源接地
10
C1
存储电容器（C1）连接
11
GND
电源接地
12
SETC
S/R电容器（ C2）连接-驱动端
13
VDDIO
IO电源供应（1.7V-VDD）
14
NC
无连接
15
DRDY
数据准备，中断引脚。
内部被拉高。
选项为连接，当数据位于输出寄存器上时会在低电位上停250μsec
16
SDA
串行数据- I2
C总线主/从数据
2.2单片机的选型
单片机的选择方案有以下三种：
（1）采用MSP430F149作为单片机的主要控制芯片，这种单片机功能及其各方面是非常强大的，它是由TI公司生产并且利用在导航方面。
此单片机具有性能高、功率损耗低16位响应超速等特点，在它的内部安置了12位模拟信号数字信号转换器。
但是也有些不足之处，它的制作价格有些昂贵，其次，单片机芯片是贴片式封装的，不利与电路板的焊接，需要用专门的PCB板，这就加大了做实物的难度和制作的时间
（2）STC12C5A60S2是通过改版增强的，它是新一代51系列单片机的主要控制芯片。
这种芯片内部安装有模拟、数字信号转换装置，还有连接单片机的SPI总线接口，而且价格也比较合适。
（3）采用传统的STC89C52单片机作为主控芯片。
这是一种很常见的主控芯片，我们都知道此芯片价格低廉、无需繁琐的操作、功率损耗减少了很多，也比较经济实惠。
综合上述方案，不论从芯片的性能方面还是和价格的高低方面我选择了传统的STC89C52综作为本系统的主控芯片。
2.3整体方案设计和构想框图
下图为安装后罗盘平面三个方向的磁场强度为HX、HY、HZ,而地球表面三个方向的磁场强度为Hx、Hy、Hz,考虑罗盘坐标系与地球坐标系的关系,做出如下图示意图,N—S表示地球南北极轴线,N′—S′表示磁南北极轴线,磁南北极与地球南北极两轴线在地球平面中,其夹角B称为磁偏角。
￠表示俯仰角,θ表示翻滚角,angle为前进方向和当地磁子午线的夹角。
电子罗盘就是根据测得的HX、HY、HZ,￠,θ,求得angle,进一步求得航向角[4]。
Hx=HXcosβ+HYsinβsinγ-HZsinβcosγ;
Hy=HXcosγ+HZsi
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