电子指南针设计-学位论文.doc
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1、青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书(论文) 摘 要早期的指南针采用了磁化指针和方位盘的组合方式,整个指南针从便携性、指示灵敏度上都有一定不足,极易受到外界因素的干扰。本系统采用专用的磁场传感器结合高速微控制器(MCU)的电子指南针能有效解决这些问题。系统采用了磁阻(GMR)传感器采集某一方向磁场强度后通过MCU控制器对其进行处理并显示上传,通过对电子指南针硬件电路和软件程序的分析,阐述了电子指南针基本的工作原理及实现。实际测试指南针模块精度达到1,能够在LCD上显示当前方位并能通过键盘控制实现磁场校准,磁偏角补偿,重新设定等功能。关键词:电子指南针;磁阻传感器;单片机;液晶IAbstrac
2、tSince the early use of a magnetic compass and direction-pointer of the composition, the entire compass from scratch, on the instructions of a certain sensitivity of the defect. Using a dedicated high-speed magnetic sensors with microcontroller (MCU) electronic compass can effectively solve these pr
3、oblems. The system is designed by the reluctance (GMR) sensors collecting a certain direction through the magnetic field strength after the MCU Controller its judgement will be dealt with the results, through the LCD screen display and can be sent to the MCUs top serial Machine. The actual test comp
4、ass module can reach 1 , in the LCD display on the current position and through the keyboard control can realize functions like the magnetic field calibration, Magnetic declination, Reset etc. Key words: electronic compass; GMR; MCU; LCDII目 录摘 要I1 引言11.1 课题背景11.2 指南针原理介绍11.3 国内外研究现状21.4 本课题研究的意义32 单
5、片机及相关物理量介绍42.1 单片机系统简介42.2 物理量简介72.3 电子指南针的主要偏差及校正93 原理及系统框图133.1 测量原理简介133.2 系统总图框图143.3 系统其他模块简介154 系统硬件234.1 系统控制模块234.2 指南针模块244.3 实时时钟模块254.4 液晶显示电路264.5 系统输入电路275 系统软件295.1 主监控程序295.2 实时时钟驱动305.3 指南针模块驱动305.4 键盘驱动325.5 液晶模块驱动33结 论34致 谢35参考文献36附 录371 引言1.1 课题背景指南针的发明是我国劳动人民,在长期的实践中对物体磁性认识的结果。由于
6、生产劳动,人们接触了磁矿石,开始了对磁性质的了解。人们首先发现了磁石引铁的性质。后来又发现了磁石的指向性。经过多方的实验和研究,终于发明了可以实用的指南针。指南针的始祖大约出现在战国时期。它是用天然磁石制成的。样子象一把汤勺,圆底,可以放在平滑的“地盘”上并保持平衡,且可以自由旋转。当它静止的时候,勺柄就会指向南方。古人称它为“司南”。司南由青铜盘和天然磁体制成的磁勺组成,青铜盘上刻有二十四向,置磁勺于盘中心圆面上,静止时,勺尾指向为南。但司南也有许多缺陷,天然磁体不易找到,在加工时容易因打击、受热而失磁。所以司南的磁性比较弱,而且它与地盘接触处要非常光滑,否则会因转动摩擦阻力过大,而难于旋转
7、,无法达到预期的指南效果。而且司南有一定的体积和重量,携带很不方便,使得司南长期未得到广泛应用。1.2 指南针原理介绍地球是个大磁体,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。1.2.1 电子指南针
8、的形成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。电子指南针替代旧的指针式指南针或罗盘指南针,因为电子指南针全采用固态的原件,还可以简单地和其他电子系统接口。电子指南针系统中磁场传感器的磁阻(MR)技术是最佳的解决方法,和现在很多电子指南针还在使用的磁通量传感器相比较,MR技术不需要绕线圈而且可以用集成电路(IC)生产过程生产,是一个更值得使用的解决方案。1.2.2 电子指南针的优
9、势与传统的机械指针式指南针相比,因电子式指南针采用电信号传送,且以较为直观的方式显示测量的结果,所以电子式指南针无论是在灵敏度上还是在精度上都远胜前者,而且不会因为机械磨损而减短使用寿命。此外,电子指南针在功能上更加人性化,由于是采用功能性模块,因此可以非常方便的扩展各个功能,例如在原有的电子指南针的功能基础上还可以集成数字时钟等扩展功能,方便实用。1.3 国内外研究现状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的指南针。但其基本构造是没有改变的,都是属于机械的指针式,其指示的机械结构基本上没有改变,都是利用某种支撑使得磁针能够受到地磁场的影响而自由的旋
10、转。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、精度以及使用寿命上都有一定的限制。由于国内外电子技术的飞速发展,特别是在磁传感器和专用芯片(ASIC)上的发展使能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。国内外现阶段研究电子指南针的主要应用是提供地磁导航功能,相对于其他导航手段而言,地磁导航起步得比较晚。在20世纪60年代中期,美国的E2systems公司提出了基于地磁异常场等值线匹配的MAGCOM系统, 70年代获得测量数据后,系统进行了离线实验。20世纪80年代初,瑞典的Lu
11、nd学院对船只的地磁导航进行了实验验证,实验中将地磁强度的测量数据与地磁图进行人工比对,确定船只的位置,同时根据距离已知的两个磁传感器的输出时差,确定船只的速度。美国目前已开发出地面和空中定位精度优于30m、水下定位精度优于500 m的地磁导航系统,并计划用于提高飞航导弹和巡航鱼雷的命中率。另外,美国在导弹试验方面已开始应用地磁信息,并利用E22飞机进行高空地磁数据测量。NASA God2dard空间中心和有关大学对水下地磁导航进行了研究,并进行了大量的地面试验。国内有关地磁导航的研究还主要集中在仿真和预研阶段,航天科工集团三院的李素敏等人运用平均绝对差法对地面所测量的地磁强度数据进行了匹配运
12、算,分辨率能达到50m;西北工业大学的晏登洋等人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。地磁场模型与地磁图是研究电子式指南针制导技术的基础,地磁场建模和地磁图的精确程度是决定地磁导航技术是否可行的关键因素。1.4 本课题研究的意义本课题针对电子指南针的各个功能部件对电子指南针的关键部分做了详细的研究。电子指南针系统是一个典型的单片机系统,了解其工作原理及其信号处理流程有利于研究更加复杂的嵌入式系统,特别是系统中来自国外的磁传感器及其信号的采集芯片更是有利于研究磁场传感器的实现机理,以便将其更加广泛的应用。本次课题研究,首先介绍了课题研究的背景,以及电子指南针的发展历程,其中包括了电
13、子指南针相对于传统指南针的优势以及国内外研究的现状。其次介绍了系统总控制器单片机的相关知识和设计中需要了解的一些物理量,其中包括了单片机的历史发展、分类和磁场、磁感线等,对于指南针的偏差与校正也有所介绍。然后概述了系统测量所应用的原理以及系统的总体设计框图,此外还介绍了系统中其他模块的相关知识,例如常用的指南针芯片、液晶的显示原理、实时时钟的结构和工作原理、键盘的检测等。第四部分主要是介绍了系统的具体的硬件部分设计,其中包括了各个模块的电路接线、接口的说明和时序图等。第五部分介绍了系统的软件部分的设计,在概部分里主要是介绍了系统总体和各个模块的流程图以及驱动原理等。此外在最后的附录中还附加了系
14、统的主程序和各模块的驱动程序。2 单片机及相关物理量介绍2.1 单片机系统简介单片机是自20世纪70年代问世以来,以其极高的性能价格比,受到人们的重视和关注,应用很广,发展很快。单片机体积小,重量轻,抗干扰能力强,环境要求不高,价格低廉,可靠性高,灵活性好,开发较为容易。由于具有上述优点,在我国,单片机已广泛地应用在工业自动化控制、自动检测、智能仪器仪表、家用电器、电力电子、机电一体化设备等各个方面。2.1.1 单片机的历史及发展概况单片机的发展历史可分为四个阶段:第一阶段(1974年1976年):单片机初级阶段。因工艺限制,单片机采用双片的形式而且功能比较简单。例如,仙童公司生产的F8单片机
15、,实际上只包括了8位CPU、64B RAM和2个并行口。因此,还需加1快3851(由1KB ROM、定时器/计时器和2个并行I/O构成)才能组成1台完整的计算机。第二阶段(1976年1978年)低性能单片机阶段。以Intel公司制造的MCS-48单片机为代表,这种单片机片内集成有8位CPU、并行I/O口、8位定时器/计数器、RAM和ROM等,但是不足之处是无串行口,中断处理比较简单,片内RAM和ROM容量较小且寻址范围不大于4KB。第三阶段(1978年现在)高性能单片机阶段。之歌阶段推出的单片机普遍都有串行I/O口,多级中断系统,16位定时器/计数器,片内ROM、RAM容量加大,且寻址范围可达
16、64KB,有的片内还带有A/D转换器。这类单片机的典型代表是:Intel公司的MCS-51、Motorola公司的6801和Zilog公司的Z8等。由于这类单片机的性能价格比较高,所以仍被广泛应用,是目前应用数量较多的单片机。第四阶段(1982年现在)8位单片机巩固发展及16位单片机、32位单片机推出阶段。此阶段的主要特征是一方面发展16位单片机、32位单片机及专用型单片机;另一方面不断完善高档8位单片机,改善其结构,以满足不同的用户需要。16位单片机的典型产品如Intel公司的MCS-96系列单片机,其集成度已达120000管子/片,主振为12MHz,片内RAM为232B,ROM为8KB,中
17、断处理为8级,而且片内带有多通道10位A/D转换器和高速输入/输出部件(HIS/HSO),实时处理功能的能力很强。而32位单片机除了具有更高的集成度外,其主振已达20MHz,使32位单片机的数据处理速度比16位单片机提高许多,性能比8位、16位单片机更加优越。2.1.2 单片机的分类单片机按照其用途可分为通用型和专用型两大类。通用型单片机具有比较丰富的内部资源,性能全面且实用性强,可满足多种应用需求。通用型单片机是把可开发的内部资源,如RAM、ROM、I/O等功能部件等全部提供给用户。用户可以根据实际需要,充分利用单片机的内部资源,设计一个以通用单片机芯片为核心,再配以外部接口电路及其他外围设
18、备,来满足各种不同需要的测控系统。通常所说的单片机是指通用型单片机。然而,有许多应用是使用专门针对某些产品的特定用途而制作的单片机。例如,打印机、家用电器以及各种通信设备中的专用单片机等。这种应用的最大特点是针对性强且数量巨大。为此,单片机芯片制造商常与产品厂家合作,设计和生产专用的单片机芯片。在设计中,已经对系统机构的最简化、可靠性和成本的最佳化等方面都做了全面的考虑,所以专用单片机具有十分明显的综合优势,也是今后单片机发展的一个重要方向。但是,无论专用单片机在用途上有多么“专”,其基本结构和工作原理都是以通用单片机为基础的。单片机根据其基本操作处理的位数可分为:1位单片机、4位单片机、8位
19、单片机、16位单片机和32位单片机。2.1.3 单片机的发展趋势单片机的发展趋势将是向大容量、高性能化,外围电路内装化等方面发展。位满足不同的用户要求,各公司竞相推出能满足不同需要的产品。1.CPU的改进(1)采用双COU结构,以提高处理能力。(2)增加数据总线的宽度,单片机内部采用16位数据总线,其数据处理能力明显优于一般8位单片机。(3)串行总线结构。飞利浦公司开发了一种新型总线:I2C总线(Intel-IC bus)。该总线是用2根信号线代替现行的8位数据总线,从而大大地减少了单片机外部引线,使得单片机与外部接口电路连接简单。目前许多公司都在积极的开发此类产品。2.存储器的发展(1)加大
20、存储容量。新型单片机片内ROM一般可达4KB至8KB,RAM为256B。有的单片机片内ROM容量可达128KB。(2)片内EPROM采用E2PROM或闪烁(Flash)存储器。片内EPROM由于需要高压(+21V或+12V)编程写入,紫外线擦抹给用户带来不便。采用E2PROM或闪烁存储器后,能在+5V下读写,不需要紫外线擦抹,既有静态RAM读写操作简便又有在掉电时数据不会丢失的优点。片内E2PROM或闪烁存储器的使用,大大简化了应用系统结构。(3)程序保密化。一般EPROM中的程序很容易被复制。为防止复制,生产厂家对片内E2PROM或闪烁存储器采用加锁方式。加锁后,无法读取其中的程序,这就达到
21、了程序的保密的目的。3.片内I/O的改进一般单片机都有较多的并行口,以满足外围设备、芯片扩展的需要,并配有串行口,以满足多机通信功能的要求。(1)增加并行口的驱动能力。这样可以减少外部驱动芯片。有的单片机能直接输出大电流和高电压,以便能直接驱动LED和VFD(荧光显示器)。(2)增加I/O口的逻辑控制功能。大部分单片机的I/O都能进行逻辑操作。中、高档单片机的位处理系统能够对I/O口进行寻址及位操作,大大地加强了I/O口线控制的灵活性。(3)有些单片机设置了一些特殊的串行接口功能,为构成分布式、网络化系统提供了方便条件。4.外围电路内装化随着集成度的不断提高,有肯能把众多的外围功能器件集成在片
22、内。这也是单片机发展的重要趋势。除了一般必须具有的ROM、RAM、定时器/计数器、中断系统外,随着单片机档次的提高,以适应检测、控制功能更高的要求,片内集成的部件还有A/D转换器、D/A转换器、DMA控制器、中断控制器、锁相环、频率合成器、字符发生器、声音发生器、CRT控制器、译码驱动器等。随着集成电路技术及工艺的不断发展,能装入片内的外围电路也可以是大规模的,把所需的外围电路全部装入单片机内,即系统的单片化是目前单片机发展趋势之一。5.低功耗8位单片机中有二分之一的产片已CMOS化,CMOS芯片的单片机具有功耗小得有点,而且为了充分发挥低功耗的特点,这类单片机普遍配置有Wait和Stop两种
23、工作方式。例如采用CHMOS工艺的MCS-51系列单片机80C31/80C51/87C51在正常运行(5V,12MHz)时,工作电流为16mA,同样条件下Wait方式工作时,工作电流则为3.7mA,而在Stop方式(2V)时,工作电流仅为50nA。综观单片机几十年的发展历程,单片机今后将向多功能、高性能、高速度、低电压、低功耗、低价格、外围电路内装化以及片内存储器容量增加和Flash存储器化方向发展。但其位数不一定会继续增加,尽管现在已经有32位单片机,但是用的并不多。可以预言,今后的单片机将是功能更强、集成度和可靠性更高而功耗更低,以及使用更方便。此外,专用化也是单片机的一个发展方向,针对单
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