数字罗盘的设计与误差补偿方法的研究本科本科毕业论文.doc
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1、安徽建筑工业学院毕业设计(论文)安徽建筑工业学院 毕 业 设 计 (论 文) 专 业 通信工程 班 级 10通信(1)班 学生姓名 王宇轩 学 号 10205040238 课 题 数字罗盘的设计与误差补偿方法的研究 系统总体设计 指导教师 金勇 2014年6月课题名称 数字罗盘的设计与误差补偿方法的研究系统总体设计院系:电子与信息工程学院 系别:通信工程姓名:王宇轩 学号:10205040238班级:10通信(1)班 导师:金勇摘 要本文在了解地磁导航的原理、磁罗盘用途的基础上,针对国内外数字罗盘研究开发的现状,采用各向异性磁阻传感器(AMR)、双轴加速度计(MEMS)、结合单片机芯片,研制了
2、一种低成本、高精度基于磁阻技术的具有倾斜补偿功能三维数字罗盘。本文分析了磁阻效应、磁阻传感器及加速度计的工作原理及输出信号特征,重点介绍了整个系统的工作原理及组成,确定了各项系统指标和主要器件的选型,完成了三维数字罗盘系统的总体设计,论述了系统的硬件电路设计及软件的总体设计思想。利用该方案设计的三维数字罗盘测量系统,硬件上具有体积小、重量轻、功耗和成本低等特点;软件设计采用模块化设计方法,可修改性强,能根据需要方便地进行修改。关键词:磁阻传感器 双轴加速度计 C8051F320 总体设计AbstractBased on understanding of the principle of mag
3、netic navigation and the use of magnetic compass, Knowing the digital compasss research and development of domestic and foreign, Using anisotropic magnetoresistive sensor (AMR), dual-axis accelerometer (MEMS), combined with single chip, Based on magnetoresistive technology developed a low cost with
4、high accuracys three-dimensional digital compass. The paper analyzes the magnetoresistance, magnetoresistive sensor and the accelerometer output signal characteristics of the working principle, Introduce the focus of the whole system works and composition, identified the main components of the syste
5、m indicators and the selection, complete the three-dimensional digital compass system design are discussed hardware circuit design and software design ideas. This digital compass measurement system, the hardware is small, light weight, power consumption and low cost; software design use the modular
6、design method can be modified and strong, can easily be modified as needed.Keywords: Magnetoresistive sensor Dual-axis accelerometer C8051F320 Overall design39目 录摘 要I1 引 言11.1 课题背景及意义11.2 研究内容11.3 论文结构22 数字罗盘的工作原理32.1 数字罗盘测量原理32.1.1 磁阻效应及磁阻传感器32.1.2 角度测量与方向计算42.2 系统构成52.3 数字罗盘模块52.3.1 磁阻传感器52.3.2 加速
7、度计62.3.3 运算放大器62.3.4 微控制器72.4 外围模块82.4.1 电源模块82.4.2 各种接口8(1)USB接口8(2)JTAG接口82.5 本章小结93 系统总体设计103.1系统方案与设计指标103.2 主要器件选型113.2.1 主控芯片113.2.2磁阻传感器133.2.3 加速度计153.2.4 放大器173.2.5 液晶显示模块183.3 本章小结194 系统硬件设计204.1罗盘航向测量电路设计204.1.1核心控制电路的设计204.1.2数字罗盘电路设计20(1)磁阻传感器电路21(2)加速度计电路21(3)置复位电路21(4)信号放大电路224.2调试板接口
8、电路设计224.2.1电源电路及基准电压电路设计22(1)电源电路22(2)基准电压电路234.2.2调试板接口电路设计23(1)LCD液晶显示接口电路23(2)串口通信电路244.3本章小结255 系统软件设计265.1 系统软件设计概述265.2 软件总体流程265.4 本章小结27结 论28致 谢29参考文献30附录1 系统原理图32附录2 系统PCB图33附录3 主程序35附录4 实物图391 引 言1.1 课题背景及意义地磁导航是一种重要的导航方式,广泛应用于航海、海上平台控制、GPS集成死区推估等方面。地磁导航可以作为组合导航的辅助导航方式,随着多传感器融合技术的不断发展,单一的导
9、航系统都有着各自的独特性能与局限性,将地磁导航与GPS导航等导航方式联用,弥补其不能定向的缺点及其它外界因素所带来的精度误差,就可实现利用多种信息源互相补充和校正,构成一种有多余度和导航准确度更高的多信息源组合导航系统。磁罗盘12作为地磁导航的重要工具,可实时提供航向,广泛应用于航空、航海、车载定位等领域。在微控制器广泛应用的今天,利用磁阻器件和单片机可以制作集成化和智能化的数字罗盘,本课题正是在此基础上设计并制作具有倾角补偿功能的三维数字罗盘3。磁罗盘主要分为磁通门和磁阻式。虽然磁通门传感器能够提供低成本的磁场探测方法,但它们体积偏大、易碎、响应时间慢。而使用磁阻传感器的磁罗盘具有体积小、重
10、量轻、精度高、可靠性强、响应速度快等优点,是未来磁罗盘的发展方向。在国外数字式磁罗盘已经发展成为一种重量轻、体积小、稳定性、可靠性的姿态传感器,并且被广泛应用于航空、航天、航海、车辆导航等领域4。随着科技和现代测控事业的发展,对测向传感器的精度提出了更高的要求,国外已研制出了高精度的数字式磁罗盘。由于受MEMS 技术和计算机技术发展的制约,我国在数字罗盘研制领域的进展相对缓慢大多航向精度不高,抗干扰能力和可靠性相对国外产品较差。由于数字罗盘三轴磁阻传感器具有测量平面地磁场,双轴倾角补偿、高速高精度A/D转换,并且内置温度补偿,可最大限度减少倾斜角和指向角的温度漂移等特点,已经越来越广泛的取代传
11、统定位。1.2 研究内容本课题需要设计一种采用各向异性磁阻传感器(AMR)、双轴加速度计(MEMS)、结合单片机芯片,研制一种低成本、高精度基于磁阻技术的具有倾斜补偿功能三维数字罗盘,并根据系统精度误差来源的分析提出相应的误差补偿方案。三维数字罗盘中利用磁阻传感器的磁阻效应测量地球磁场强度在X、Y、Z轴的分量,结合加速度计测得罗盘的俯仰角和横滚角并以此对X、Y轴的磁场强度作倾斜补偿,从而确定航向角。本子课题通过了解地磁导航的原理,分析磁阻效应、磁阻传感器的工作原理及其输出信号特征;分析加速度计的工作原理及输出信号特征,进而分析整个系统的工作原理及组成,确定各项系统指标,完成三维数字罗盘系统的总
12、体设计。从而实现三维数字罗盘的系统功能。系统主要功能:测量地球磁场强度在X、Y、Z轴的分量;测得罗盘的俯仰角和横滚角;对X、Y轴的磁场强度作倾斜补偿,从而确定航向角。1.3 论文结构本论文共分为五章。第一章:引言,主要介绍课题的背景及意义,课题的主要研究内容和内容结构,并对数字罗盘在国内国外的研究发展状况进行了论述。第二章:数字罗盘的工作原理,本章简述了地磁测量的数学原理,并详细分析了航向、姿态计算理论。第三章:介绍系统总体设计方案,介绍测量航向角的基本原理和基本计算方法,并画出系统总体框图及设计指标。第四章:介绍系统硬件设计,简单介绍本设计中上层板和下层板的关键电路的总体设计并附电路图。第五
13、章:介绍系统软件设计,简要说明了系统软件设计的总体流程及方法。2 数字罗盘的工作原理数字罗盘最基本的工作原理磁阻效应,磁阻传感器正是根据磁阻效应生产的电子器件。三维数字罗盘正是利用磁阻传感器的磁阻效应测量地球磁场强度在X、Y、Z轴的分量,结合加速度计测得罗盘的俯仰角和横滚角并以此对X、Y轴的磁场强度作倾斜补偿,从而确定航向角。2.1 数字罗盘测量原理系统首先采集三轴加速度计和三轴磁阻传感器的信号,由于磁阻传感器的输出均为mV级的电压信号,所以必须经过信号放大器调理后,才可以送到微处理器进行模数转换并进行实时的姿态矩阵计算,同时进行系统误差校正,最终得到稳定的姿态参数。2.1.1 磁阻效应及磁阻
14、传感器磁阻效应5指某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象,是由于载流子在磁场中受到洛伦兹力而产生的。在达到稳态时,某速度的载流子所受到的电场力与洛伦兹力相等,载流子在两端聚集产生霍尔电场,比该速度慢的载流子将向电场力方向偏转,比该速度快的载流子则向洛伦兹力方向偏转。这种偏转导致载流子的漂移路径增加,或者说,沿外加电场方向运动的载流子数减少,从而使电阻增加,种现象称为磁阻效应。磁阻效应原理图如图2-1所示。 图2-1 磁阻效应原理图磁阻传感器是利用薄膜工艺和微细加工技术制作成的,具体来讲是磁阻传感器它是采用半导体加工工艺,将各向异性铁磁材料(玻莫合金、镍铁合金)熔制在硅片上,形成条形
15、薄膜6。形薄膜中通以电流,并施加垂直于电流的磁场时,薄膜电阻会发生明显变化,其电阻阻值取决于电流方向和磁化方向的夹角,而磁化方向取决于薄膜材料的易磁化轴、形状和磁化磁场的方向。2.1.2 角度测量与方向计算地球的磁场强度为0.30.6高斯(随地理位置变换而变化,在确定的位置,地磁场强度恒定)。磁力线从南极指向北极,在两极垂直于地球表面,在赤道平行于地球表面。磁南北极与地理南北极并不重合,而是有一个11.5的夹角。地理北(南)极和磁北(南)极问的偏差角称为磁偏角7。磁偏角随地理位置变化而变化,只要知道具体位置的经纬度,就可以计算出磁偏角,从而通过修正获得的正确方向角(文中所提及的方向角都是相对于
16、磁北极而言的)。图2-2是地球磁场三维矢量示意图。航向角():载体纵轴在水平面上的投影与地理子午线之间的夹角。俯仰角():载体纵轴和纵向水平轴之间的夹角。横滚角():载体纵向对称平面与纵向铅垂平面之间的夹角。图2-2 地球磁场三维矢量示意图将磁阻传感器的3个敏感轴沿载体的3个坐标轴安装。分别测量地磁场磁感应强度H在载体坐标系3个坐标上的投影分量。在地平坐标系中,磁阻传感器的三轴输出为。令,则可得:设3轴加速计测得的重力加速度为GX,GY,GZ,可得:2.2 系统构成本文研究的磁罗盘由磁阻传感器、加速度计组成的信号采集模块,由放大器、微处理器、置复位电路等组成的数据处理模块,由USB口等外围电路
17、以及LCD液晶显示屏组成的数据显示模块等组成。磁阻传感器输出的三轴磁场强度信号和双轴加速度计输出的重力信号经过放大器电路和微控制器处理后得到航向和姿态信息。电源模块用于为整个系统的模拟供电,置复位电路用于恢复磁阻传感器在强磁干扰后的灵敏度。2.3 数字罗盘模块2.3.1 磁阻传感器磁阻传感器是基于磁阻效应工作原理生产的电子器件。其核心部分采用一片特殊金属材料磁性材料,磁性材料(如坡莫合金)具有各向异性,对它进行磁化时,其磁化方向将取决于材料的易磁化轴、材料的形状和磁化磁场的方向。当给带状坡莫合金材料通电流I时,材料的电阻取决于电流的方向与磁化方向的夹角。如果给材料施加一个磁场B,就会使原来的磁
18、化方向转动。如果磁化方向转向垂直于电流的方向,则材料的电阻将减小,如果磁化方向转向平行于电流的方向,则材料的电阻将增大。磁阻效应传感器一般有四个这样的电阻组成,并将它们接成电桥。在被测磁场B作用下,电桥中位于相对位置的两个电阻阻值增大,另外两个电阻的阻值减小。在其线性范围内,电桥的输出电压与被测磁场成正比,电阻值随外界磁场的变化而变化,通过外界磁场的变化来测量物体的变化或状况。广泛应用于低磁场测量,角度和位置测量9。磁阻传感器特点:(1)灵敏度高,输出信号幅值大,并与旋转速度的大小无关;(2)体积小,结构简单,金属盒封装,耐油污粉尘;(3)频率特性优良,能检测”静止”状态的转速;(4)内偏置磁
19、钢;(5)抗电磁干扰能力强;(6)磁阻传感器具有高精度、高灵敏度、高分辨率、良好稳定性和可靠性、无接触测量及宽温度范围;(7)可进行动态和静态测量。2.3.2 加速度计加速度传感器是用来将加速度这一物理信号转变成便于测量的电信号的测试仪器10。当传感元件以加速度a运动时,质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力作用,发生与加速度成正比a的形变,使悬臂梁随之产生应力和应变。该变形被粘贴在悬臂梁上的扩散电阻感受到。根据硅的压阻效应,扩散电阻的阻值发生与应变成正比的变化,将这个电阻作为电桥的一个桥臂,通过测量电桥输出电压的变化可以完成对加速度的测量。多数加速度传感器是根据压电效应的原理来工作的。 所谓
20、的压电效应就是“对于不存在对称中心的异极晶体加在晶体上的外力除了使晶体发生形变,还将改变晶体的极化状态,在晶体内部建立电场,这种由于机械力作用使介质发生极化的现象称为正压电效应”。加速度传感器就是利用了其内部的由于加速度造成的晶体变形这个特性。由于这个变形会产生电压,只要计算出产生电压和所施加的加速度之间的关系,就可以将加速度转化成电压输出。2.3.3 运算放大器运算放大器是一种直流耦合,差模输入、通常为单端输出的高增益电压放大器。一个理想的运算放大器必须具备下列特性:无限大的输入阻抗、等于零的输出阻抗、无限大的开回路增益、无限大的共模排斥比的部分、无限大的频宽。最基本的运算放大器如图2-3。
21、一个运算放大器模组一般包括一个正输入端(OP_P)、一个负输入端(OP_N)和一个输出端(OP_O)。图2-3 最基本的运算放大器本系统中由于磁阻传感器的输出信号幅度很小,无法直接实现航向角的测量,同时为了充分利用AD,使转换得到满量程,需要对输出信号加以放大。普通运算放大器一般都有毫伏级的失调电压和每度几微伏的温漂,因此不能直接用于放大微弱信号,考虑到放大器的开环增益、共模抑制比、输入阻抗、输出阻抗、频带宽度、温度漂移等指标以及罗盘有X轴、Y轴、Z轴三路电桥电压需要放大,系统要求选用的放大器应该是高精度、低漂移、低噪声集成的多路运算放大器。2.3.4 微控制器微控制器是将微型计算机的主要部分
22、集成在一个芯片上的单芯片微型计算机。C8051F系列单片机是完全集成的混合信号系统级芯片12,具有与8051兼容的CIP-51微控制器内核,采用流水线结构,单周期指令运行速度是8051的12倍,全指令集运行速度是原来的9.5倍,是目前世界上速度最快的8位单片机。因此,C8051F系列单片机作为SOC芯片的杰出代表能够满足绝大部分场合的复杂功能要求。C8051F320是一款性能优化的SOC高速单片机,也是一个功能强大的USB接口器件。C8051F320片内自带有USB收发器和控制处理器是它区别与同一系列产品的一大特点。用C8051F320来进行USB技术开发既方便又快捷。是集成的混合信号片上系统
23、SOC(System on chip),具有与MCS-51内核及指令集完全兼容的微控制器,除了具有标准8051的数字外设部件之外,片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其它数字外设及功能部件。片内JTAG仿真电路提供全速的电路内仿真,不占用片内用户资源。内部Flash存储器可实现在系统编程,既可作程序存储器也可作非易失性数据存储。支持断点、单步、观察点、运行和停止等调试命令,并支持存储器和寄存器校验和修改。2.4 外围模块2.4.1 电源模块系统中根据选定的芯片供电要求需提供多种稳压电源,所以应该设计有不同伏值的电源接口和其他电压调节模块,电压调节模块的功能是将一个直流电压转换为另一
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