1、- i -本科毕业论文（20 届）电子罗盘的设计所在学院专业班级 电子信息工程学生姓名指导教师完成日期- ii -电子罗盘的设计目 录前言 .2第 1 章 系统总体方案 .3第 1.1 节 系 统基本要求 .3第 1.2 节 原理及系统框图 .3第 1.3 节 系统硬件选型 .4第 1.4 节 常见偏差及校正方法 .6第 2 章 系统硬件 .9第 2.1 节 系统控制模块 .9第 2.2 节 指南针模块 .10第 2.3 节 实时时钟模块 .12第 2.4 节 液晶显示电路 .12第 2.5 节 系统输入电路 .13第 3 章 系统软件 .15第 3.1 节 主监控程序 .15第 3.2 节
2、实时时钟驱动 .16第 3.3 节 指南针模块驱动 .16第 3.4 节 键盘驱动 .18第 3.5 节 液晶模块驱动 .19第 4 章 系统测试 .20第 4.1 节 测试图片 .20第 4.2 节 测试分析 .22结 论 .23参考文献 .24致 谢 .25附 录 .26附录 1：实物照片说明 .26附录 2：电子指南针系统部分源代码 .26第 1 页电子罗盘的设计【摘要】：指南针是我国的四大发明之一，初期的指南针采用了磁化指针和方位盘的构成方式，这样的罗盘携带起来很不方便，且指示灵敏度上有一定不足，准确性很差。本文通过对电子指南针基本工作原理的研究分析，采用 Honeywell 公司的各
3、向异性磁阻(AMR)传感器芯片 HMC5883L，然后通过 MCU 控制器对其进行数据读取并显示，达到了显示当前所指方向的目的。实际测试指南针模块精度达到 1，能够在 LCD 上显示当前方位和当前时间，本设计可以设置报警角度，当前方位超过设置角度就报警。这样的指南针成本和设计难度都降低了，也提高了精度。【关键词】：电子指南针；HMC5883L；单片机；液晶;Abstract:Compass is one of the four great inventions of China, the early compass used combination of magnetized pointer
4、and compass, this compass carrying is not convenient, and indicates a lack of sensitivity, accuracy is poor. In this through the analysis of the basic working principle of the electronic compass, Honeywell company (AMR) sensor chip HMC5883L, and then through the MCU controller of data read and displ
5、ay the current refers to the direction of. The actual test compass precision can reach 1 degrees, can display the current location and the current time on the LCD, this design can set the alarm point of view, the current range over the set angle on the alarm. This compass of higher accuracy to great
6、ly improve the accuracy at the same time, reduce the difficulty of design.Key words: electronic compass; HMC5883L; MCU; LCD;第 2 页前言地球是个大磁体，其地磁南极在地理北极附近，地磁北极在地理南极附近。根据磁体同级相斥，异级相吸的普便现象，无论处于何地磁体的南极会指向地球的北极附近；而磁体的北极会指向地球的南极附近。所以磁体这种指向性可以用来确定方向。随着人们对指南针原理认识的不断深入，指南针也由先前笨重的司南发展到现在的便携式指南针。但其基本构造是没有改变，都属于机械
7、指针式，指示的机械结构也基本没有改变。由于机械的先天因素导致了指针式指南针在便携性、灵敏度、精度以及寿命上都有一定的限制。指南针是一个重要的导航工具，甚至在 GPS 中也会用到。随着电子技术的飞速发展，特别是在磁传感器和专用芯片上的发展使指南针的基本实现机理有了质的改变，不再是机械结构而采用了磁场传感器和专用处理器对磁场进行测量和处理后指示方向，这就是当前应用较为广泛的电子式指南针。第 3 页第 1 章 系统总体方案第 1.1 节 系统基本要求本设计的任务是完成基于单片机的电子罗盘的设计系统，主要是设计以单片机为核心和磁阻传感器的电子罗盘，实现方向的实时测量和 LCD 数字显示，该系统设计方案
8、由硬件系统和软件系统两部分组成。第 1.2 节 原理及系统框图如图 1-1 是地球某一点的地球磁场向量 He 的三维图（其中，x 和 y 轴与地球表面平行， z 轴垂直指向下）。指南针的基本任务就是测量磁场北极（图中的 Heh，即地球磁场的水平分量）与前进方向的夹角（方位角 ），上图可知： 是从磁场的北极顺时针计算的；磁倾角 是地球磁场向量与水平面的夹角；磁偏角 是地理北极与磁场北极间的夹角，它与地球的实际位置有关。图 1-1 测量原理图在具体测量时，测量得到的初始角度是磁场北极与前进方向的夹角，而我们知道地理北极与地磁北极是不重合的，他们之间存在被称为磁偏角的角度差，所以真正地地理北极应该是
9、在我们所测得的初始角度的基础是进行磁偏角的补偿所得到的角度。此外，由于地球是球体，指南针受磁场的影响会指向地面而不是指向水平方向，此时水平方向与磁针的真实指向也会存在一个被称为磁倾角的误差角度，因此，对所测量的结果再进行磁倾角的补偿，所得到的结果才会更加的准确。电子指南针的系统主要由磁阻传感器、单片机控制器、液晶显示、蜂鸣器报警电路、按键操作、时钟电路以及系统电源几个部分组成，系统结构图 1-2 所示。整个系统中前端的磁阻传感器负责测量地磁场的大小并将磁场的变化转化为微弱的第 4 页电流的变化，专用的磁场测量芯片负责把磁阻传感器变化的电流（模拟量）转换成微控制器可以识别的数字量，然后通过芯片内
10、部的总线上传给微控制器。微控制器将表征当前磁场大小的数字量按照角度方位进行归一化等处理后通过直观的 LCD 进行角度方位显示，整个系统中还包含了实时时钟，报警等一些辅助电路，使整个系统功能得到进一步的扩展。同时可以通过键盘控制微控制器进行相应的操作，实时时钟的调整，报警角度设置等。此外，电子指南针系统容易受到外界磁场的影响，所以在整个系统设计时应注意设置磁屏蔽壳体，此设置可以极大的减少外界磁场、各种硬铁和软铁对整个系统的干扰。电 源CPU液晶显示按键操作晶振电路磁阻传感器报警电路时钟电路图 1-2 系统总框图第 1.3 节 系统硬件选型1.3.1. 磁阻传感器(1)、 一维磁阻微电路芯片 HM
11、C1052 感应磁场如图 1-3 是 HMCI052 是一个双轴线性磁传感器，象其它 HMC10XX 系列传感器，每个传感器都有一个由磁阻薄膜合金组成的惠斯通桥。当桥路加上供电电压，传感器将磁场强度转化为电压输出，包括环境磁场和测量磁场。HMC1052 包含两个敏感元件,它们的敏感轴互相垂直。敏感元件 A 和 B,共存于单硅芯片中，完全正交，且参数匹配。HMC1052 的尺寸小，低工作电压，而且消除了两个敏感元件引起的非正交误差。除了惠斯通电桥，HMCI052 有两个位于芯片上的磁耦合带；偏置带和置位/ 复位带。敏感元件 A 和 B,都有这两个带。置位/ 复位带，用于确保精度。偏置带，用于校正
12、传感器，或偏置任何不想要的磁场。在标准的 10 针外形(MSOP)中，两个敏感元件可以独立上电，用于减少功耗。然而，却不能使用偏置带。若需要偏置带，可以用另一种封装的HMCI052。第 5 页图 1-3 HMC1052 外部接线图(2)、 Philips 公司生产的 KMZ52 感应磁场如图 1-4 是KMZ52 是 Philips 公司生产的一种磁阻传感器，是利用坡莫合金薄片的磁阻效应测量磁场的高灵敏度磁阻传感器。该磁阻传感器内置两个正交磁敏电阻桥、完整的补偿线圈和设置复位线圈。补偿线圈的输出与当前测量结果形成闭环反馈，使传感器的灵敏度不受地域限制。这种磁阻传感器主要应用于导航、通用地磁测量
13、和交通检测。该磁阻传感器在金属铝的表面沉积了一定厚度的高磁导率的坡莫合金，在翻转线圈和外界磁场两个力的作用下，电子改变运动方向，使得磁敏电阻的阻值发生变化。同时KMZ52 的斑马条电阻成 45放置，这使得电子在正反向磁场力作用下有较好的对称性。由于加入了翻转磁场，KMZ52 的变化曲线与普通的磁敏电阻不同，更加线性化。 KMZ52磁阻传感器的核心部分是惠斯通电桥，是由 4 个磁敏感元件组成的磁阻桥臂。磁敏感元件由长而薄的坡莫合金薄膜制成。在外加磁场的作用下，磁阻的变化引起输出电压的变化。图 1-4 KMZ52 原理图(3)、 使用霍尼韦尔 HMC5883L 各向异性磁阻传感电路第 6 页如图
14、1-5 是霍尼韦尔 HMC5883L 是一种表面贴装的高集成模块，并带有数字接口的弱磁传感器芯片，应用于低成本罗盘和磁场检测领域。HMC5883L 包括最先进的高分辨率 HMC118X 系列磁阻传感器，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、能使罗盘精度控制在 12的 12 位模数转换器。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3.03.00.9mm。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。HMC5883L 采用霍尼韦尔各向异性磁阻 (AMR)技术，该技术领先于其
15、他磁传感器技术。这些各向异性传感器具有在轴向高灵敏度和线性高精度的特点.传感器具有的对正交轴的低灵敏度的固相结构能用于测量地球磁场的方向和大小，其测量范围从毫高斯到 8 高斯(gauss)。霍尼韦尔的磁传感器在低磁场传感器行业中是灵敏度最高和可靠性最好的传感器。图 1-5 HMC5883L 传感器引脚图通过对比各传感器特点我们了解到它们的优缺点，HMC5883L 三轴磁阻传感器和ASIC 都被封装在一起了，不需要外接 ASIC，而 12-bit ADC 与低干扰 AMR 传感器，能在8 高斯的磁场中实现 2 毫高斯的分辨率，且内置驱动器，显得更为优越。霍尼韦尔的磁传感器在低磁场传感器行业中是灵
16、敏度最高和可靠性最好的传感器。综上我们选择传感器方案三，使用霍尼韦尔 HMC5883L 各向异性磁阻传感电路。1.3.2. 其他硬件本设计采用的是 LCD1602 液晶显示器、型号为 STC89C52 系统控制芯片、DS1302时钟电路等。第 1.4 节 常见偏差及校正方法1.4.1. 磁偏角和磁倾角现在人们已经知道，地球的两个磁极和地理的南北极只是接近，并不重合。磁针指向的是地球磁极而不是地理的南北极，这样磁针指的就不是正南、正北方向而略有偏差，第 7 页这个角度就叫磁偏角。地球近似球形，所以磁针指向磁极时必向下倾斜，和水平方向有一个夹角，这个夹角称为磁倾角。不同地点的磁偏角和磁倾角都是不相
17、同的。磁偏角和磁倾角的发现使指南针的指向更加准确。1.4.2. 电子指南针的偏差电子指南针运用磁阻技术，而且具有体积小、精度高、稳定性好、价格低等特点，是理想的导航元件。但是地球磁场和电子指南针本身的特点，在测量磁场时会有些偏差，所以要进行传感器偏差补偿、干涉磁场校正、正北校正、倾斜校正等，才能得到正确的结果。1.4.3. 传感器偏移补偿在磁场强度为 15A/m（地球磁场最小值），传感器灵敏度为典型值 80mV/(KA/m)（Vcc=5V）的条件下，指南针模块的输出幅度约为 1.2mV；而 Vcc=5V 时，由于指南针模块本身偏差及温度漂移的影响，最大偏差电压可达到7.5mV，最大温度漂移电压
18、为1.5mV，都比传感器输出电压 1.2mV 高很多，所以指南针系统的内部偏移补偿是很重要的。应用“跳转技术”可以消除偏移，即在指南针模块的置位/复位线圈中通上正负脉冲电流，传感器的特性和输出信号就会周期地反转，反转传感器信号的幅值包含了需要的磁场信号，而传感器偏移是一个纯直流信号，通过放大级中的高通滤波器，可以除去这一直流信号，同时消除偏差和温漂造成的偏移。图 1-6 跳转技术波形图图 1-6 是跳转技术的波形图，a 是得到的输出信号， b 是滤波去除偏移后的信号，c 是翻转后得到的原来信号。在图 2-1 设计的电路图中，运用 MAX392 模拟开关来实现正负脉冲电路，它的四路开关可以同时控
19、制 两路通道，使两路通道具有更好的一致性；运用达林顿管，可以使正负电流脉冲时间非常短，幅度达到 1A，满足了对电流脉冲的要求。1.4.4. 干涉磁场校正实际应用中，指南针附近的地球磁场可能会受到其他磁场或附近的含铁金属干扰，第 8 页为了获得可靠的方位角，有效的补偿上述影响是很必要的。干涉磁场对指南针的影响可以由图 1-7（指南针旋转 360 度时，SCU 输出信号 Vy-Vx 图）进行估计。没有干涉磁场时，图形是一个中心在参考原点，半径为地球磁场强度 He 的圆。基本的两种干涉磁场是“硬铁效应”和“软铁效应”，“硬铁效应”是由与指南针固定位置的磁体产生的，在测试图中表现为圆心移动到（Hix,
20、Hiy）,Hix 和 Hiy 是干涉磁场的分量；含铁金属对地球磁场的影响表现为“软铁效应”，在测试图中表现为圆的变形。实际中，“硬铁效应”一般比“软铁效应”强的多。图 1-7 补偿前输出信号图如果忽略软铁效应（倘若指南针附近没有铁性材料，软铁效应是非常微弱的），可以用“双向校正”法校正。指南针在同一地点测得方向相差 180 度的两个磁场值（H1 和H2），储存两个测量值的磁场分量 Hx 和 Hy，由于指南针的磁场等于地球磁场向量 He与干涉磁场向量 Hi 的矢量和（旋转后，He 大小相等方向相反；Hi 的场源与指南针关系固定，不发生变化），可以得到干涉磁场分量：测得干涉磁场分量后，可以在补偿线圈中通以相应大小的电流，产生反向磁场分量-Hix 和-Hiy，以补偿干涉磁场。图 1-8 补偿后输出信号图图 1-7、图 1-8 是“硬铁效应”补偿前后两组数据的仿真图，补偿前图形大致以（3.5,6.5）为圆心（图 1-7），补偿后图形基本上是以（5.0，5.0）为中心（图 1-8），“硬铁效应”得到补偿。
