1、 编号 本科生毕业 论文 基于 AVR 单片机的电子指南针 Design and Realization of Digital Electronic Compass Based on The Chip of AVR 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
2、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
3、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、
4、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 II Abstract Along with the development of sience and technology,the areas of activity of human are expanding,so compass as an important navigation equipment is becoming an indispensable part of transportation device. On the b
5、asic of brief the development direction of magnetic compass and the magnetic measuring principle,this paper introduced the design of a digital electronic compass,its core is AVR single-chip microcomputer,and used magnetic component HMC1052L,which is a two-axis magneto resistive sensor producted by t
6、he company of HONEY WELL.In the compass system,according to the character of output signal of sensor,we choose AD7705 as the acquisition module of output data of sensor.AD7705,producted by ADI company,has 16 duble channels differential input.Used the unique function of SET and RESET of Magneto resis
7、tive sensor,we effectively eliminate the error caused by common signal such as temperature drift and circuit parameters drift.Through programing AVR single-chip mega64,we realized digital filtering and course angle calculating. The designed digita electronic compass has the charater of small size、 s
8、imple structure、 quick start、 low power consumption,and so on.In the field of aviation、marine、 vehicle navigation、 as well as in areas such as handeld devices,it has a wide application prospect. Key Words： geomagnetic field;electronic compass;magneto resistive sensor 长春理工大学本科毕业论文 I 目 录 摘 要 .I Abstra
9、ct. II 目 录 .I 第一章 绪 论 . 1 1.1 导航设备的发展背景 . 1 1.1.1 导航设备的发展历程 . 1 1.1.2 电子指南针 的发展历史 . 1 1.2 现代磁 指南针 的工作原理 . 2 1.3 论文的主要研究内容 . 2 第二章 电子指南针 测量原理 . 4 2.1 地磁航向测量原理 . 4 2.2 磁阻传感器 . 5 2.2.1 磁阻传感器结构与组成 . 5 2.2.2 偏置电流带 . 7 2.2.3 复位 /置位电流带 . 7 第三章 电子指南针 的硬件设计与实现 . 8 3.1 概述 . 8 3.2 电源系统方案 . 9 3.2.1 系统电源的设计 . 9
10、3.2.2 模数转换基准电压的设计 . 9 3.3 处理传感器电桥偏置的方案 . 10 3.4 传感器复位置位电路设计 . 12 3.5 信号调理电路设计 . 14 3.5.1 AD7705 的芯片简介 . 14 3.5.2 信号采集电路设计 . 17 3.5.3 AVRmega128 单片机简介 . 17 3.6 输出显示电路设计 . 18 3.6.1 RS-432 串行输出电路设计 . 18 3.6.2 LED 数码管显示电路设计 . 19 第四章 电子指南针 的软件设计 . 21 4.1 软件编程语言与编程调试环境 . 21 4.1.1 WINAVR 编程环境 . 21 4.1.2 AV
11、Rstudio 下载调 试环境 . 22 4.2 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 II 4.2.1 主程序流程图 . 23 4.2.2 数据采集子程序 . 24 4.3 软件的可靠性设计 . 25 4.3.1 采用模块化程序设计方法 . 25 4.3.2 合理安排中断 . 25 第五章 电子指南针实验结果与误差分析 . 27 5.1 电子指南针实体 . 27 5.2 抗干扰设计 . 27 5.2.1 硬件抗干扰 . 27 5.2.2 软件抗干扰 . 27 5.3 实 验测量结果 . 27 结 论 . 30 参考文献 . 1 致 谢 . 1 长春理工大学本科
12、毕业论文 1 第一章 绪 论 1.1 导航设备的发展背景 1.1.1 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 1位 。它具有全时空、全天候、高精度、连续事实地提供导航、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
13、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。 1.1.2 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
14、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
15、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。 20 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 2 。直到现在，部队和野外仍在使用这种 电子指南针 。 长春理工大学本科毕业论文 2 1.2 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
16、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 3 。 (2)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 4 。当施加外磁场垂直于半导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
17、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 1-2 霍尔效应原理图 Fig 1-2 The principle diagram of hall effect (3)磁阻效应式电子指南针。利用具有磁阻效应 5 的材料制成，这些磁阻传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
18、南针 的集成化和智能化。 1.3 论文的主要研究内容 本文采用各向异性磁阻传感器 AMR(Anisotropic Magneto Resistive)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长春理工大学本科毕业论文 3 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
19、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 AVRstudio4.0 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 2.1 地磁航向测量原理 众所周知，在我们
20、的地球表面空间分布着磁场，强度大约为 0.5 0.6Gauss，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 6 下，磁航向 定义为载体纵轴 (载体前进的方向 )在水平面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 2-1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。 c o sc o ss ins ins in000HHHHHHzyx 2-1 图 2-1 地球磁场的分解图 Fig.2-1 The decomposition map of geomagnetic field 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： cossinHH HHyx 2-2
