基于磁阻式传感器的电子罗盘的设计大学论文Word格式文档下载.docx
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机械设计制造及其自动化（机电一体化）
指导教师：
2016年5月9日
目录
引言4
第一章.电子罗盘的测量与倾角补偿原理5
1.1电子罗盘的测量原理5
1.2倾角补偿原理6
第二章电子罗盘的硬件设计与实现7
2.1系统框架7
2.2传感器的选择7
2.3.单片机开发环境8
第三章.电子罗盘误差分析与补偿9
3.1误差来源9
3.2误差的补偿10
3.2.1漂移补偿10
3.2.2椭球化补偿10
第四章.校正及其程序设计12
4.18字型校准12
4.28字型校准的程序设计12
4.3倾斜补偿的程序设计与实现13
4.4滤波算法14
第五章.结论与展望15
致谢16
参考文献17
摘要本设计采用了STM32F103C8T6高速单片机为控制核心，连接了采用IIC总线通讯方式的磁阻传感器HMC5883L集成模块和加速度传感器MMA8452集成模块，通过磁阻传感器测量大地磁场，但是测量的数据仅仅在水平面内有效。
在倾斜时侧需要使用加速度计进行补偿。
在经过加速度传感器的姿态数据采集后使用单片机进行数据整理、运算，经过加速度计得到的X、Y、Z三轴姿态信息进行分别计算出俯仰角PITCH和横滚角ROLL。
磁阻传感器采集的大地磁场的X、Y、Z三轴数据经过单片机进行俯仰角和横滚角的倾斜度补偿。
在经过补偿之后，通过SPI连接的OLED显示屏输出磁阻传感器的大地磁场角度信息。
关键词：
STM32单片机磁阻传感器加速度计电子罗盘
Thedesignandcalibrationofportableelectroniccompasssystem
AbstractThisdesignadoptsthestm32f103c8t6high-speedmicrocontrollerascontrolcore,connectingtheIICbuscommunicationhmc5883lmagnetoresistivesensorintegratedmoduleandaccelerationsensorMMA8452integratedmodule,bymagnetoresistivesensortomeasurethemagneticfieldoftheearth,butthemeasurementdataonlyinthehorizontalplaneeffectively.Accelerometerisusedtocompensatefortheinclinationoftheside.InafteraccelerationsensorattitudedataacquisitionSCMdataarrangement,calculation,afteraccelerationmeterisobtainedtheX,y,Zthree-axisattitudeinformationarerespectivelytocalculatethepitchingangleofpitchandtransverserollangle,roll.TheX,YandZthreeaxisdataofthemagneticfieldofthemagneticfieldofthemagneticfieldofthemagneticfieldofthemagneticresistancesensorarecarriedoutbythesinglechipmicrocomputertocarryonthepitchangleandrollangleoftherollanglecompensation.Aftercompensation,theearth'
smagneticfieldangleinformationoftheOLEDdisplayisconnectedwiththeSPIdisplayscreen.
KeywordsSTM32MCU;
magnetoresistivesensor;
accelerationsensor;
electroniccompass
引言
本课题所使用的电子罗盘属于磁罗盘，它是一种根据大地磁场各个方向的矢量的大小计算出方向的装置。
很久很久以前，人们就意识到方向的重要性，并在战国时代发明了指南针，又叫“司南”。
早在宋代，人们便发现了地磁偏角。
等到大地磁场的有关知识与研究传到欧洲的时候已经到了12世纪。
现如今伴随着科技的发展与进步，分析与利用空间里地磁场的分布来辅助定位导航已成为世界上导航与定位的潮流。
到了现在，世界上的导航技术发展越来越快，陀螺仪、无线电、GPS等更加先进的技术问世使得罗盘的地位逐渐降低。
但是磁阻传感器的问世使得数字式电子罗盘作为一种导航手段重新进入人们的生活。
机械式陀螺仪成本很高并且结构复杂难以操作；
无线电易受各种电磁波的干扰；
GPS却会因为地形等的影响使得工作状态不稳定甚至不工作。
而电子罗盘则是弥补了这些缺点，使得其重新被人们所接受。
电子罗盘一般采用磁阻传感器以及加速度计来做导航系统的信号来源。
经过信号处理便可以为人们提供实时的地磁方位数据以及姿态数据。
对比简单的磁铁式罗盘，磁阻式电子罗盘拥有着无可比拟的优点。
例如抗一定程度的物理冲击，随时可以矫正弥补周围零散的磁场干扰。
又因为是电子式的罗盘，输出信号可以和其他电子设备复合组成更加复杂的系统。
当然，磁阻式电子罗盘并不是没有缺点。
因为磁阻方位角测量时仅采用XY两轴的水平面内的数据进行磁场方位角的计算，使得在传感器不在水平面内时测量的偏差较大。
实际使用时，罗盘的平面根本无法时刻保持水平，所以我们需要对这个误差产生的原理进行分析以及修正补偿。
第一章.电子罗盘的测量与倾角补偿原理
1.1电子罗盘的测量原理
我们可以把大地磁场看做在空间内一个不变的矢量，所以这一个矢量我们可以把它分成基于磁阻传感器的相互垂直的X、Y、Z三轴磁场分量，分别标记为hx、hy、hz。
Hx为磁阻传感器的正前方，hy为磁阻传感器的正右方，hz为磁阻传感器的正上方。
至此，关于磁场的坐标系建立完成。
而三轴磁阻传感器测量大地磁场的信息即为大地磁场X、Y、Z的三轴分量。
在传感器平面处于水平面时，我们只需X、Y两轴即可通过公式计算出当前方向和磁场北极的夹角。
如图2所示。
图2水平面内XY两轴测量出的磁场分量及计算航向角
我们使用反正切角函数来计算出航向角即当前方向与地磁北极的夹角。
反正切函数的表达式为
angle=arctan（hy/hx）（1.1.1）
反正切角即射线（x,y）和x轴正向间的夹角。
但是由于arctan的定义域以及值域的局限性，我们采用了atan2（）函数来计算航向角。
atan2（）函数的定义域为-π到π，而值域为-π到π，完全满足使用要求。
因为航向角没有负数，所以我们采用如下公式：
angle=atan2（hy，hx）+π（1.1.2）
这样便使得值域变成了0到2π，即0°
-360°
。
因为磁阻传感器测量出的三轴分量一般为弧度单位，所以我们在计算航向角时变使用如下公式：
angle=atan2（hy，hx）*（180°
/3.1415926）+180°
（1.1.3）
1.2倾角补偿原理
上面我们讲述了在水平面内即电子罗盘的磁阻传感器处于水平状态下如何通过磁阻传感器的度数计算出方位角。
但是在实际使用的过程中，根本无法保证电子罗盘始终为水平。
而在电子罗盘平面倾斜时，则会产生横滚角Roll和俯仰角Pitch，使得测量的磁场分量hx、hy与水平面时的磁场矢量大小产生偏差。
经过测试在x轴方向大约10度的倾角便会引起大约7-8°
的误差。
这是我们就需要引入加速度传感器来测量传感器平面与水平面之间的夹角，即倾角。
倾角分为两种Pitch和Roll，Pitch定义为x轴和水平面的夹角，Roll定义为y轴和水平面的夹角。
加速度计传感器测量所产生的数据一样为三轴加速度分量分别标记为ax、ay、az，方向与磁阻传感器三轴方向一致。
可以这么说，三轴磁阻传感器与三轴加速度计的坐标轴保持一致。
这样加速度计所测量并计算出的倾角信息即为磁传感器所在平面与水平面的夹角信息。
在静止状态下，加速度计所测量的加速度即为重力在三轴的分量。
所以我们可以根据三轴分量的大小计算出加速度计所在平面与水平面的夹角Pitch与Roll。
公式如下：
（1.2.1）
（1.2.2）
经过矩阵变换推导我们可以得出倾斜角的补偿公式为：
Xh=hx*cos（Pitch）+hy*sin（Pitch）*sin（Roll）-hz*cos（Roll）*sin（Pitch）
（1.2.3）
Yh=hy*cos（Roll）+hz*sin（Roll）（1.2.4）
在得出经过倾斜补偿之后的地磁场的X、Y分量之后我们在代入之前得出的计算公式可以得到最终的方位角计算公式为：
angle=atan2（Yh，Xh）*（180°
（1.2.5）
第二章电子罗盘的硬件设计与实现
2.1系统框架
本系统采用STM32F103C8T6单片机为主控芯片。
该单片机时钟频率最高可达72M,完全符合本系统的工作需求。
传感器选用霍尼韦尔公司的高集成三轴磁阻传感器HMC5883L，以及飞思卡尔公司的MMA8452三轴加速度传感器。
在经过传感器的测量之后，把数据通过IIC串行总线传输到单片机内进行数据处理以及运算。
在得出方位角以及姿态信息之后，通过SPI串口把信息输出到0.96寸的OLED显示屏上。
供电方面采用普通标准USB接口供电，因为STM32单片机供电要求是3.3V，所以我们采用电源稳压芯片AMS1117-3.3V，将USB提供的5V的直流电压转换成3.3V。
另外，在硬件完成之后我们需要数据采集以及调试，所以引出STM32单片机的USART1串口1的RX、TX两根引脚。
因为HMC5883L与MMA8452的封装较小，不适合手工焊接，所以采用了已经将传感器外围电路配置好的传感器集成模块。
安装时需注意传感器模块的垂直度和水平度都要求较高。
另外，传感器模块之间的相对位置与坐标轴也有较高的要求。
整个系统框图如下图所示：
图3电子罗盘系统框架
2.2传感器的选择
因为电子罗盘的核心传感器需要测量大地磁场，所以我们需要选择一个合适的磁阻传感器测量大地磁场。
尽管我们需要的是水平面内的X、Y两轴的磁场数据，但是在倾斜补偿时时需要第三轴Z轴的数据进行补偿的，所以我们需要使用三轴的磁阻传感器。
霍尼韦尔Honeywell公司推出的高集成度的磁阻传感器HMC5883L刚好符合我们的要求。
该传感器集成了模数/数模转换、低通滤波、温度补偿等往往需要我们考虑的数字处理电路，并且价格便宜、精度高，是最理想的选择。
正是因为电子罗盘没有办法保证罗盘平面即磁阻传感器的平面与水平面重合，所以我们需要用到加速度传感器来测量罗盘平面与水平面的夹角。
因为需要测量横滚角Roll与俯仰角Pitch，所以我们需要用到三轴加速度传感器。
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