1、安徽建筑工业学院毕业设计(论文 )I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 月安徽建筑工业学院毕业设计(论文 )II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)、
2、双轴加速度计(MEMS)、结合单片机芯片，研制了一种低成本、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 总体设计安徽建筑工业学院毕业设计(论文 )IIIAbstractBa
3、sed on understanding of the principle of magnetic 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 magnetores
4、istive technology developed a low cost with 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,
5、 identified the main components of the system 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 an
6、d low cost; software design use the modular design method can be modified and strong, can easily be modified as needed.Keywords: Magnetoresistive sensor Dual-axis accelerometer C8051F320 Overall design安徽建筑工业学院毕业设计(论文 )III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
7、 .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
8、模块 .183.3 本章小结 .19安徽建筑工业学院毕业设计(论文 )IV4 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
9、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 .39安徽建筑工业学院毕业设计(论文 )11 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
10、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
11、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
12、、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，结合加速安徽建筑工业学院毕业设计(论文 )2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
13、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。安徽建筑工业学院毕业设
14、计(论文 )32 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 磁阻效应及磁阻传感器磁阻效应 5指某些金属或半导体的电阻值
15、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 磁阻效应原理图安徽建筑工业学院毕业设计(论文 )4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，形成条形薄膜
16、 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
17、对于磁北极而言的)。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ZYXH安徽建筑工业学院毕业设计(论文 )5传感器的三轴输出为 。ZRYXRH令 ， ，则可得： cossin-0i01rolR cos0sin1i-pitch TZYXrolpicthTZRYXRH1设3轴加速计测得的
18、重力加速度为G X，G Y，G Z，可得：)/arctn(ZY2X)/rt(YRH2.2 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
19、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
