【正文】 料的磁阻效應(yīng)制成磁性效應(yīng)傳感器。磁性材料的易磁化軸、形狀和磁化磁場(chǎng)的方向影響著其磁化方向。圖 ，當(dāng)電流流通磁性材料時(shí)，其電阻阻值大小由材料流通電流的方向與磁化方向的夾角 θ決定。把磁場(chǎng) M加在磁性材料上，之前磁化方向開始轉(zhuǎn)動(dòng)。如果磁化方向轉(zhuǎn)向與電流的方向垂直， θ 角增大，電阻阻值將減?。蝗绻叫?，即 θ 角減小，電阻阻值將增大，電流方向與電阻值的關(guān)系為，這就是磁阻效應(yīng)[2]。 磁阻式傳感器具有低功耗，抗干擾，溫度穩(wěn)定性好，而且電路很容易搭建。靈敏度和線性度比較好。其性能及穩(wěn)定性容易被遲滯誤差和零點(diǎn)溫度漂移所影響，地磁場(chǎng)強(qiáng)度比較小，外界非磁場(chǎng)容易對(duì)磁阻式電子羅盤產(chǎn)生干擾。電子羅盤發(fā)展相當(dāng)迅速，在需要導(dǎo)航的系統(tǒng)的各行各業(yè)。并且有著非常大的應(yīng)用前景[3]。 由于GPS導(dǎo)航在高山、樹林時(shí)信號(hào)傳輸不能很好的回饋到衛(wèi)星中。同時(shí)GPS容易受到其他信號(hào)、波形干擾，導(dǎo)致其穩(wěn)定在某些地區(qū)較差。所以需要一個(gè)穩(wěn)定的導(dǎo)航系統(tǒng)在任何場(chǎng)地都能測(cè)出行駛方向，所以這個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)有很大的發(fā)展前景。有地磁大小和方向隨地點(diǎn)不同而不同, 無(wú)論在地球的每一個(gè)地方，磁場(chǎng)的水平分量永遠(yuǎn)指向磁北，電子羅盤根據(jù)這一個(gè)原理制作的，所以電子羅盤可以用于穩(wěn)定的精確的汽車導(dǎo)航定向[3]，電子羅盤系統(tǒng)的市場(chǎng)需求也在我國(guó)日趨明顯，而且也初具規(guī)模。未來電子羅盤的發(fā)展的方向有以下幾點(diǎn)：(1)行業(yè)進(jìn)行統(tǒng)一，整體規(guī)劃，使其規(guī)范起來。讓這個(gè)行業(yè)發(fā)展更完全。(2)使電子羅盤導(dǎo)航系統(tǒng)科技含量更高，使整個(gè)制造流程形成一個(gè)完整的產(chǎn)物鏈(3) 把GPS的技術(shù)和電子羅盤技術(shù)相結(jié)合，提高導(dǎo)航的精確性、實(shí)用性和穩(wěn)定性。(4)把電子羅盤做成信息技術(shù)服務(wù)的產(chǎn)業(yè)，使其應(yīng)用到更多的行業(yè)里，加快電子羅盤研究與發(fā)展。未來科技發(fā)展更加快速，相對(duì)磁場(chǎng)技術(shù)也會(huì)越來成熟，電子羅盤系統(tǒng)將朝著先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性、功能型的成熟完善的系統(tǒng)！3東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 2 系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)1地球表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度為 ～，方向指向地磁的北極。 所示，地球磁場(chǎng) 無(wú)論在地球那個(gè)地方都是指向北極。磁傳感器利用這一個(gè)原理指向地磁北極的方向應(yīng)用到載體上。在載體坐標(biāo)系[4]下，磁航向α角的定義是載體縱軸在水平面上的投影與低磁北極的夾角。當(dāng)載體縱軸和地磁北極平行或重合時(shí)，磁航向α角為 0176。，磁航向角α 從0176。到 360176。是隨順時(shí)針方向轉(zhuǎn)的。導(dǎo)航定位主要有三個(gè)姿態(tài)參數(shù)：航向角(α)，俯仰角(β)，橫滾角(γ)。將磁阻傳感器的三個(gè)敏感軸沿載體的三個(gè)坐標(biāo)軸安裝，分別測(cè)量地磁場(chǎng)磁感強(qiáng)度H在載體坐標(biāo)系三個(gè)坐標(biāo)上的投影分量(Hx，HY，Hz)。在地平坐標(biāo)系中，磁阻傳感器的三軸輸出為(HRX, HRY, HRZ)，如下圖示所示。
HRX=HXcosβ+HY sinβsinγHZ sinβcosγ。
HRY=HX cosγ+HZ sinβ。其中α為航向角。β為俯仰角。γ為橫滾角。兩軸加速計(jì)測(cè)得的重力加速度為Gx、Gy已知當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣戎禐間，可得：
β=arcsin(Gx/g)
γ=arcsin(GY/g)當(dāng)求出HRX和HRY值，便可以計(jì)算出羅盤系統(tǒng)縱軸與當(dāng)?shù)卮疟睒O的夾角A： A= arctan (HRY／HRX) 當(dāng)考慮當(dāng)?shù)卮牌菚r(shí)，航向角為： α=angle+β (*) 每個(gè)地區(qū)的磁偏角β是一個(gè)固定值，以列表形式存入Flash中，根據(jù)數(shù)據(jù)的信息選擇，按式(*)補(bǔ)償即可。通過軟件設(shè)置可使angle在0 186?！?60 186。 之間顯示
系統(tǒng)總體硬件設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵是選擇性價(jià)比最高的控制體系?，F(xiàn)在的控制系統(tǒng)非常多，通常根據(jù)我們實(shí)際需要，選擇控制系統(tǒng)。一下3個(gè)方案都滿足實(shí)際需要，工控機(jī)控制、可編程控制器(PLC)控制、單片機(jī)控制等。每個(gè)控制系統(tǒng)都有自己的特點(diǎn)，下面依次詳述：方案一：工控機(jī)。工控機(jī)[5]擁有計(jì)算機(jī)的軟件資源，使軟件開發(fā)、程序編寫更加容易，設(shè)計(jì)的工作界面更加完美；工控機(jī)都是標(biāo)準(zhǔn)接口，通訊與連接方便快捷；工控機(jī)穩(wěn)定性強(qiáng)、抗干擾，唯一缺點(diǎn)就是價(jià)格比較貴。在不大控制系統(tǒng)中，一般選已經(jīng)成型的工控機(jī)。方案二：PLC。PLC[6]是綜合繼電器邏輯控制和計(jì)算機(jī)技術(shù)而研發(fā)出的控制器。其優(yōu)點(diǎn)有：穩(wěn)定性好，編程簡(jiǎn)單，模塊可以隨意組合，功能齊全，通常用在要求高穩(wěn)定性的情況。如果增加模擬量輸入輸出的功能，價(jià)格更貴。比一般的單片機(jī)要貴！方案三：?jiǎn)纹瑱C(jī)。單片機(jī)[7]是一種微型的控制器，是一個(gè)完整控制體系。單片機(jī)主要優(yōu)點(diǎn)有：控制功能強(qiáng)大、穩(wěn)定性好、價(jià)格便宜，在各行各業(yè)應(yīng)用都很普遍，單片機(jī)推動(dòng)了各行業(yè)發(fā)展，使工業(yè)控制更加先進(jìn)。電子技術(shù)不斷更新，單片機(jī)的功能越來越多。那些功能有A/D、D/A轉(zhuǎn)換、PCA等等?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)用更加方便。單片機(jī)具體特點(diǎn)有：[8](1)穩(wěn)定性強(qiáng)。抗工業(yè)噪聲干擾性好，工藝好，把表格固化在ROM中；一個(gè)芯片內(nèi)有多種信號(hào)通道，使其，穩(wěn)定性強(qiáng)，更加可靠。(2)擴(kuò)展方便。片內(nèi)的部件足夠時(shí)CPU運(yùn)行的。而且片外提供大量的可擴(kuò)展的三總線，容易搭建各種規(guī)模系統(tǒng)。(3)可控性強(qiáng)。工業(yè)控制要求控制系統(tǒng)指令豐富，有各種指令，其中包括轉(zhuǎn)移指令、I/O口操作指令、位處理指令等。并不強(qiáng)制添置下程序，需要的應(yīng)用程序由用戶自己決定。(4)價(jià)格便宜，易而且容易開發(fā)，技術(shù)不斷更新，控制系統(tǒng)的造價(jià)越來越低提供了；另外，單片機(jī)的應(yīng)用案例非常的多，同時(shí)可以看到很多程序，并且許多模塊程序相同。綜上所述，單片機(jī)控制能力在工控機(jī)和PLC之間，價(jià)格是最便宜，而且小巧，低功耗等優(yōu)點(diǎn)。磁阻式傳感器的控制系統(tǒng)中，采用單片機(jī)作為控制器的核心滿足了本系統(tǒng)的實(shí)際需要。性價(jià)比最優(yōu)，所以選用單片機(jī)。 數(shù)字電子羅盤3大模塊分別是：傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和MCU模塊。需要硬件有： 磁阻傳感器、 雙軸加速度傳感器、AD轉(zhuǎn)換器以及單片機(jī)的磁阻式電子羅盤。硬件總體框圖如下： 采用三軸磁阻傳感器進(jìn)行地球磁場(chǎng)矢量測(cè)量，雙軸加速傳感器可以傳感地球重力場(chǎng)中測(cè)量載體的姿態(tài)，然后通過姿態(tài)坐標(biāo)變換將磁阻傳感器得到載體坐標(biāo)的測(cè)量信號(hào)變換到地平坐標(biāo)系。其磁阻式傳感器HMC5883包含輸出為3路的差分模擬電壓值，差分值大約為幾毫伏，信號(hào)經(jīng)過傳感器內(nèi)置的ASIC放大器把信號(hào)進(jìn)行放大，再進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換；再由有單片機(jī)處理數(shù)字信號(hào)，經(jīng)由處理后得到航向角由顯示屏來顯示；復(fù)位電路用于恢復(fù)磁阻傳感器在強(qiáng)磁干擾后的靈敏度；電源模塊分別為復(fù)位電路和信號(hào)處理電路供電；此外專門添設(shè)了鍵盤調(diào)節(jié)數(shù)碼管亮度的功能，使得操作員可以在環(huán)境光線強(qiáng)時(shí)將數(shù)碼管調(diào)亮些，在夜間環(huán)境光線弱時(shí)將亮度調(diào)暗 系統(tǒng)軟件除了完成初始化、信號(hào)采集、信號(hào)調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換，再到單片機(jī)中進(jìn)行信號(hào)處理分析，然后判斷能否輸出。其框圖如下所示：
軟件總體框圖單片機(jī)對(duì)傳感器失調(diào)、溫度漂移等干擾造成的誤差進(jìn)行調(diào)整。失調(diào)和溫度漂移會(huì)在傳感器敏感信號(hào)上面疊加一個(gè)直流偏置電路，單片機(jī)通過將傳感器在置位和復(fù)位情況下得到的信號(hào)進(jìn)行分析，算出平均值。就可以得到由于失調(diào)和漂移造成的直流偏置信號(hào)，在方向角計(jì)算前對(duì)該偏置信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償即可消除其影響。再判斷能否輸出，如果不能輸出，則再采集一次；能輸出則把數(shù)據(jù)送到顯示屏顯示。36東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 硬件系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3硬件系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)控制器是設(shè)計(jì)數(shù)字電子羅盤的核心部分，MCU負(fù)責(zé)對(duì)傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、處理，通過姿態(tài)矩陣和誤差補(bǔ)償，可以礙到載體的姿態(tài)參數(shù)。一般計(jì)算量較大，普通的單片機(jī)不能滿足使用要求一下有幾個(gè)方案可供選擇方案一：采用MSP430作為系統(tǒng)的CPU。MSP430 系列單片機(jī)[9]是一個(gè) 16 位、單片機(jī)，采用了精簡(jiǎn)指令集（ RISC ）結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式（ 7 種源操作數(shù)尋址、 4 種目的操作數(shù)尋址）、簡(jiǎn)潔的 27 條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算；還有高效的查表處理指令；高速度的處理。方案二：采用FPGA [6]作為系統(tǒng)的CPU。FPGA中，實(shí)現(xiàn)大的，高密度的各種復(fù)雜的邏輯功能，它是集成于一個(gè)芯片，減小尺寸，改進(jìn)穩(wěn)定性，并應(yīng)用EDA仿真，調(diào)試，容易擴(kuò)展的所有設(shè)備。 FPGA的并行輸入輸出方法，適合于大規(guī)模的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)核心的處理速度。然而，由于建造的數(shù)據(jù)處理速度以下苛刻的FPGA的優(yōu)勢(shì)高速處理不能完全反射，并由于其高的集成水平，具有很高的成本和因?yàn)樵黾拥碾娐吩O(shè)計(jì)和實(shí)際的芯片引腳更多的物理硬件電路板布線和焊接[4]。方案三： AT89C52為系統(tǒng)控制器。兼容MCS51指令系統(tǒng)，8kB可反復(fù)擦寫(大于1000次）Flash ROM；32個(gè)雙向I/O口；256x8bit內(nèi)部RAM；3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷；時(shí)鐘頻率024MHz；2個(gè)串行中斷，可編程UART串行通道；2個(gè)外部中斷源，共8個(gè)中斷源；2個(gè)讀寫中斷口線，3級(jí)加密位；低功耗空閑和掉電模式，軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能；單片機(jī)處理數(shù)據(jù)能力強(qiáng)，編程自由，方便，可用實(shí)現(xiàn)算法和邏輯方面的控制[7]，并且由于其低功耗、尺寸小、性能穩(wěn)定、價(jià)格便宜，使其在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛經(jīng)過仔細(xì)對(duì)比， AT89C52單片機(jī)符合設(shè)計(jì)要求的，容易操作，性價(jià)比高，所以選用AT89C52單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器。磁阻式傳感器是本系統(tǒng)信號(hào)采集的關(guān)鍵部件，因此傳感器的選擇變的尤為重要。目前的電子羅盤傳感器主要分為磁通門、磁阻式和霍爾元件三種。磁阻傳感器的電子羅盤抗噪聲好，溫度穩(wěn)定性好、尺寸小、精度高、可靠性強(qiáng)、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，是未來電子羅盤的發(fā)展方向。為了更好地選擇傳感器，我去了解磁羅盤的現(xiàn)狀及其未來發(fā)展方向；弄懂磁阻效應(yīng)，磁阻傳感器的工作原理和輸出信號(hào)特征。這里我根據(jù)需求，采用HMC5883作為本系統(tǒng)的傳感器。HMC5883是霍尼韋爾公司推出的三