【正文】 料的磁阻效應制成磁性效應傳感器。磁性材料的易磁化軸、形狀和磁化磁場的方向影響著其磁化方向。圖 ，當電流流通磁性材料時，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 M加在磁性材料上，之前磁化方向開始轉動。如果磁化方向轉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系為，這就是磁阻效應[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溫度漂移所影響，地磁場強度比較小，外界非磁場容易對磁阻式電子羅盤產生干擾。電子羅盤發(fā)展相當迅速，在需要導航的系統(tǒng)的各行各業(yè)。并且有著非常大的應用前景[3]。 由于GPS導航在高山、樹林時信號傳輸不能很好的回饋到衛(wèi)星中。同時GPS容易受到其他信號、波形干擾，導致其穩(wěn)定在某些地區(qū)較差。所以需要一個穩(wěn)定的導航系統(tǒng)在任何場地都能測出行駛方向，所以這個導航系統(tǒng)有很大的發(fā)展前景。有地磁大小和方向隨地點不同而不同, 無論在地球的每一個地方，磁場的水平分量永遠指向磁北，電子羅盤根據這一個原理制作的，所以電子羅盤可以用于穩(wěn)定的精確的汽車導航定向[3]，電子羅盤系統(tǒng)的市場需求也在我國日趨明顯，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：(1)行業(yè)進行統(tǒng)一，整體規(guī)劃，使其規(guī)范起來。讓這個行業(yè)發(fā)展更完全。(2)使電子羅盤導航系統(tǒng)科技含量更高，使整個制造流程形成一個完整的產物鏈(3) 把GPS的技術和電子羅盤技術相結合，提高導航的精確性、實用性和穩(wěn)定性。(4)把電子羅盤做成信息技術服務的產業(yè)，使其應用到更多的行業(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，相對磁場技術也會越來成熟，電子羅盤系統(tǒng)將朝著先進性、經濟性、實用性、功能型的成熟完善的系統(tǒng)！3東華理工大學畢業(yè)設計（論文） 系統(tǒng)設計與分析 2 系統(tǒng)分析與設計1地球表面的磁場強度為 ～，方向指向地磁的北極。 所示，地球磁場 無論在地球那個地方都是指向北極。磁傳感器利用這一個原理指向地磁北極的方向應用到載體上。在載體坐標系[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。當載體縱軸和地磁北極平行或重合時，磁航向α角為 0176。，磁航向角α 從0176。到 360176。是隨順時針方向轉的。導航定位主要有三個姿態(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敏感軸沿載體的三個坐標軸安裝，分別測量地磁場磁感強度H在載體坐標系三個坐標上的投影分量(Hx，HY，Hz)。在地平坐標系中，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。兩軸加速計測得的重力加速度為Gx、Gy已知當?shù)氐闹亓铀俣戎禐間，可得：
β=arcsin(Gx/g)
γ=arcsin(GY/g)當求出HRX和HRY值，便可以計算出羅盤系統(tǒng)縱軸與當?shù)卮疟睒O的夾角A： A= arctan (HRY／HRX) 當考慮當?shù)卮牌菚r，航向角為： α=angle+β (*) 每個地區(qū)的磁偏角β是一個固定值，以列表形式存入Flash中，根據數(shù)據的信息選擇，按式(*)補償即可。通過軟件設置可使angle在0 186?！?60 186。 之間顯示
系統(tǒng)總體硬件設計中，關鍵是選擇性價比最高的控制體系。現(xiàn)在的控制系統(tǒng)非常多，通常根據我們實際需要，選擇控制系統(tǒng)。一下3個方案都滿足實際需要，工控機控制、可編程控制器(PLC)控制、單片機控制等。每個控制系統(tǒng)都有自己的特點，下面依次詳述：方案一：工控機。工控機[5]擁有計算機的軟件資源，使軟件開發(fā)、程序編寫更加容易，設計的工作界面更加完美；工控機都是標準接口，通訊與連接方便快捷；工控機穩(wěn)定性強、抗干擾，唯一缺點就是價格比較貴。在不大控制系統(tǒng)中，一般選已經成型的工控機。方案二：PLC。PLC[6]是綜合繼電器邏輯控制和計算機技術而研發(fā)出的控制器。其優(yōu)點有：穩(wěn)定性好，編程簡單，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，價格更貴。比一般的單片機要貴！方案三：單片機。單片機[7]是一種微型的控制器，是一個完整控制體系。單片機主要優(yōu)點有：控制功能強大、穩(wěn)定性好、價格便宜，在各行各業(yè)應用都很普遍，單片機推動了各行業(yè)發(fā)展，使工業(yè)控制更加先進。電子技術不斷更新，單片機的功能越來越多。那些功能有A/D、D/A轉換、PCA等等?？刂葡到y(tǒng)應用更加方便。單片機具體特點有：[8](1)穩(wěn)定性強?？构I(yè)噪聲干擾性好，工藝好，把表格固化在ROM中；一個芯片內有多種信號通道，使其，穩(wěn)定性強，更加可靠。(2)擴展方便。片內的部件足夠時CPU運行的。而且片外提供大量的可擴展的三總線，容易搭建各種規(guī)模系統(tǒng)。(3)可控性強。工業(yè)控制要求控制系統(tǒng)指令豐富，有各種指令，其中包括轉移指令、I/O口操作指令、位處理指令等。并不強制添置下程序，需要的應用程序由用戶自己決定。(4)價格便宜，易而且容易開發(fā)，技術不斷更新，控制系統(tǒng)的造價越來越低提供了；另外，單片機的應用案例非常的多，同時可以看到很多程序，并且許多模塊程序相同。綜上所述，單片機控制能力在工控機和PLC之間，價格是最便宜，而且小巧，低功耗等優(yōu)點。磁阻式傳感器的控制系統(tǒng)中，采用單片機作為控制器的核心滿足了本系統(tǒng)的實際需要。性價比最優(yōu)，所以選用單片機。 數(shù)字電子羅盤3大模塊分別是：傳感器模塊、數(shù)據采集模塊和MCU模塊。需要硬件有： 磁阻傳感器、 雙軸加速度傳感器、AD轉換器以及單片機的磁阻式電子羅盤。硬件總體框圖如下： 采用三軸磁阻傳感器進行地球磁場矢量測量，雙軸加速傳感器可以傳感地球重力場中測量載體的姿態(tài)，然后通過姿態(tài)坐標變換將磁阻傳感器得到載體坐標的測量信號變換到地平坐標系。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，信號經過傳感器內置的ASIC放大器把信號進行放大，再進行模數(shù)轉換器進行放大和模數(shù)轉換；再由有單片機處理數(shù)字信號，經由處理后得到航向角由顯示屏來顯示；復位電路用于恢復磁阻傳感器在強磁干擾后的靈敏度；電源模塊分別為復位電路和信號處理電路供電；此外專門添設了鍵盤調節(jié)數(shù)碼管亮度的功能，使得操作員可以在環(huán)境光線強時將數(shù)碼管調亮些，在夜間環(huán)境光線弱時將亮度調暗 系統(tǒng)軟件除了完成初始化、信號采集、信號調理、A/D轉換，再到單片機中進行信號處理分析，然后判斷能否輸出。其框圖如下所示：
軟件總體框圖單片機對傳感器失調、溫度漂移等干擾造成的誤差進行調整。失調和溫度漂移會在傳感器敏感信號上面疊加一個直流偏置電路，單片機通過將傳感器在置位和復位情況下得到的信號進行分析，算出平均值。就可以得到由于失調和漂移造成的直流偏置信號，在方向角計算前對該偏置信號進行補償即可消除其影響。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)據送到顯示屏顯示。36東華理工大學畢業(yè)設計（論文） 硬件系統(tǒng)模塊設計與實現(xiàn)3硬件系統(tǒng)模塊設計與實現(xiàn)控制器是設計數(shù)字電子羅盤的核心部分，MCU負責對傳感器采集的信號進行實時分析、處理，通過姿態(tài)矩陣和誤差補償，可以礙到載體的姿態(tài)參數(shù)。一般計算量較大，普通的單片機不能滿足使用要求一下有幾個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[9]是一個 16 位、單片機，采用了精簡指令集（ RISC ）結構，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）、簡潔的 27 條內核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內數(shù)據存儲器都可參加多種運算；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，實現(xiàn)大的，高密度的各種復雜的邏輯功能，它是集成于一個芯片，減小尺寸，改進穩(wěn)定性，并應用EDA仿真，調試，容易擴展的所有設備。 FPGA的并行輸入輸出方法，適合于大規(guī)模的實時控制系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)核心的處理速度。然而，由于建造的數(shù)據處理速度以下苛刻的FPGA的優(yōu)勢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為增加的電路設計和實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可反復擦寫(大于1000次）Flash ROM；32個雙向I/O口；256x8bit內部RAM；3個16位可編程定時/計數(shù)器中斷；時鐘頻率024MHz；2個串行中斷，可編程UART串行通道；2個外部中斷源，共8個中斷源；2個讀寫中斷口線，3級加密位；低功耗空閑和掉電模式，軟件設置睡眠和喚醒功能；單片機處理數(shù)據能力強，編程自由，方便，可用實現(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、價格便宜，使其在各個領域應用廣泛經過仔細對比， AT89C52單片機符合設計要求的，容易操作，性價比高，所以選用AT89C52單片機作為系統(tǒng)控制器。磁阻式傳感器是本系統(tǒng)信號采集的關鍵部件，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、響應速度快等優(yōu)點，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，磁阻傳感器的工作原理和輸出信號特征。這里我根據需求，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