【正文】 青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） I 摘 要 早期的指南針采用了磁化指針和方位盤的組合方式，整個(gè)指南針從便攜性、指示靈敏度上都有一定不足，極易受到外界因素的干擾。本系統(tǒng)采用專用的磁場(chǎng)傳感器結(jié)合高速微控制器（ MCU）的電子指南針能有效解決這些問題。 系統(tǒng)采用了磁阻（ GMR）傳感器采集某一方向磁場(chǎng)強(qiáng)度后通過 MCU 控制器對(duì)其進(jìn)行處理并顯示上傳，通過對(duì)電子指南針硬件電路和軟件程序的分析，闡述了電子指南針基本的工作原理及實(shí)現(xiàn)。實(shí)際測(cè)試指南針模塊精度達(dá)到 1176。 ，能夠在 LCD 上顯示當(dāng)前方位并能通過鍵盤控制 實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)校準(zhǔn)， 磁偏角 補(bǔ)償，重新設(shè)定等功能 。 關(guān)鍵 詞 ： 電子指南針； 磁阻傳感器 ； 單片機(jī) ； 液晶 青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） II Abstract Since the early use of a magic pass and directionpointer of the position, the entire pass from scratch, on the instructions of a certain sensitivity of the defect. Using a dedicated highspeed magic sensors with microcontroller (MCU) electronic pass can effectively solve these problems. The system is designed by the reluctance (GMR) sensors collecting a certain direction through the magic 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 MCU39。s top serial Machine. The actual test pass module can reach 1 176。, in the LCD display on the current position and through the keyboard control can realize functions like the magic field calibration, Magic declination, Reset etc. Key words: electronic pass。 GMR。 MCU。 LCD青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 目 錄 摘 要 .............................................. I 1 引言 .............................................. 1 課題背景 .................................................... 1 指南針原理介紹 .............................................. 1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .............................................. 2 本課題研究的意義 ............................................ 3 2 單片機(jī)及相關(guān)物理量介紹 .............................. 4 單片機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介 .............................................. 4 物理量簡(jiǎn)介 .................................................. 7 電子指南針的主要偏差及校正 .................................. 9 3 原理及系統(tǒng)框圖 .................................... 13 測(cè) 量 原理簡(jiǎn)介 ............................................... 13 系統(tǒng)總圖框圖 ............................................... 14 系統(tǒng)其他模塊簡(jiǎn)介 ........................................... 15 4 系統(tǒng)硬件 .......................................... 23 系統(tǒng)控制模塊 ............................................... 23 指南針模塊 ................................................. 24 實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊 ............................................... 25 液晶顯示電路 ............................................... 26 系統(tǒng)輸入電路 ............................................... 27 5 系統(tǒng)軟件 .......................................... 29 主監(jiān)控程序 ................................................. 29 實(shí)時(shí)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng) ............................................... 30 指南針模塊驅(qū)動(dòng) ............................................. 30 鍵盤驅(qū)動(dòng) ................................................... 32 液晶模塊驅(qū)動(dòng) ............................................... 33 結(jié) 論 ........................................... 34 致 謝 ........................................... 35 參考文獻(xiàn) ........................................... 36 附 錄 ........................................... 37 青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 1 1 引言 課題背景 指南針的發(fā)明是我國(guó)勞動(dòng)人民，在長(zhǎng)期的實(shí)踐中對(duì)物體磁性認(rèn)識(shí)的結(jié)果。由于生產(chǎn)勞動(dòng)，人們接觸了 磁礦石 ，開始了對(duì) 磁性質(zhì)的了解。人們首先發(fā)現(xiàn)了磁石引鐵的性質(zhì)。后來又發(fā)現(xiàn)了磁石的指向性。經(jīng)過多方的實(shí)驗(yàn)和研究，終于發(fā)明了可以實(shí)用的指南針。 指南針的始祖大約出現(xiàn)在戰(zhàn)國(guó)時(shí)期。它是用天然磁石制成的。樣子象一把湯 勺，圓底，可以放在平滑的 “地盤 ”上并保持平衡，且可以自由旋轉(zhuǎn)。當(dāng)它靜止的時(shí)候，勺柄就會(huì)指向南方。古人稱它為 “司南 ”。 司南由青銅盤和天然磁體制成的磁勺組成，青銅盤上刻有二十四向，置磁勺于盤中心圓面上，靜止時(shí)，勺尾指向?yàn)槟稀? 但司南也有許多缺陷，天然磁體不易找到，在加工時(shí)容易因打擊、受熱而 失磁 。所以司南的磁性比較弱，而且它與地盤接觸處要非常光滑，否則會(huì)因轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻力過大，而難于旋轉(zhuǎn)，無法達(dá)到預(yù)期的指南效果。而且司南有一定的體積和重量，攜帶很不方便，使得 司南長(zhǎng)期未得到廣泛應(yīng)用。 指南針原理介紹 地球是個(gè)大 磁體，其地磁南極在地理北極附近，地磁北極在地理南極附近。根據(jù)磁體同級(jí)相斥，異級(jí)相吸的普 便 現(xiàn)象，無論處于何地磁體的南極會(huì)指向地球的北極附近；而磁體的北極會(huì)指向地球的南極附近。所以磁體這種指向性可以用來確定方向。 隨著人們對(duì)指南針原理認(rèn)識(shí)的不斷深入，指南針也由先前笨重的司南發(fā)展到現(xiàn)在的便攜式指南針。但其基本構(gòu)造是沒有改變，都屬于機(jī)械指針式，指示的機(jī)械結(jié)構(gòu)也基本沒有改變。由于機(jī)械的先天因素導(dǎo)致了指針式指南針在便攜性、靈敏度、精度以及壽命上都有一定的限制。 電子指南針 的形成 指南針是一個(gè)重要的導(dǎo)航工具 ，甚至在 GPS 中也會(huì)用到。 隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是在磁傳感器和專用芯片上的發(fā)展使指南針的基本實(shí)現(xiàn)機(jī)理有了質(zhì)的改變，不再是機(jī)械結(jié)構(gòu)而采用了磁場(chǎng)傳感器和專用處理器對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量和處理后指示方向，這就是當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的電子式指南針。 電子指南針替代 舊 的 指 針式指南針或羅盤指南針，因?yàn)殡娮又改厢樔捎霉虘B(tài)的原件，還可以簡(jiǎn)單地和其他電子系統(tǒng)接口。 電子指南針系統(tǒng)中磁場(chǎng)傳感器的磁阻（ MR）技術(shù) 是 最佳的解決方法，和現(xiàn)在很多電子指南針還在使用的磁通量傳感器相比較， MR 技術(shù)不需要繞線圈而且可以用集成電路 （ IC）生產(chǎn)過程 生產(chǎn)，是一個(gè)更值得使用的解決方案。 青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 2 電子指南針的優(yōu)勢(shì) 與傳統(tǒng)的機(jī)械指針式指南針相比， 因電子式指南針采用電信號(hào)傳送，且以較為直觀的方式顯示測(cè)量的結(jié)果，所以電子式指南針無論是在靈敏度上還是在精度上都遠(yuǎn)勝前者，而且不會(huì)因?yàn)闄C(jī)械磨損而減短使用壽命。 此外，電子指南針在功能上更加人性化， 由于是采用功能性模塊，因此可以非常方便的擴(kuò)展各個(gè)功能，例如在原有的電子指南針的功能基礎(chǔ)上 還可以集成數(shù)字時(shí)鐘等擴(kuò)展功能，方便實(shí)用。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 隨著人們對(duì)指南針原理認(rèn)識(shí)的不斷深入，指南針也由先前笨重的“司南”發(fā)展 到現(xiàn)在的便攜式的指南針。但其基本構(gòu)造是沒有改變的，都是屬于機(jī)械的指針式，其指示的機(jī)械結(jié)構(gòu)基本上沒有改變，都是利用某種支撐使得磁針能夠受到地磁場(chǎng)的影響而自由的旋轉(zhuǎn)。 由于機(jī)械的先天因素導(dǎo)致了指針式指南針在便攜性、靈敏度、精度以及使用壽命上都有一定的限制。由于國(guó)內(nèi)外電子技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是在磁傳感器和專用芯片（ ASIC）上的發(fā)展使能指南針的基本實(shí)現(xiàn)機(jī)理有了質(zhì)的改變，不再是機(jī)械結(jié)構(gòu)而采用了磁場(chǎng)傳感器和專用處理器對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量和處理后指示方向，這就是當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的電子式指南針。 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)階段研究電子指南針的主 要應(yīng)用是提供地磁導(dǎo)航功能，相對(duì)于其他導(dǎo)航手段而言 ,地磁導(dǎo)航起步得比較晚。在 20 世紀(jì) 60 年代中期 ,美國(guó)的 E2systems 公司提出了基于地磁異常場(chǎng)等值線匹配的 MAGCOM系統(tǒng) , 70年代獲得測(cè)量數(shù)據(jù)后 ,系統(tǒng)進(jìn)行了離線實(shí)驗(yàn)。 20 世紀(jì) 80 年代初 ,瑞典的 Lund 學(xué)院對(duì)船只的地磁導(dǎo)航進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 ,實(shí)驗(yàn)中將地磁強(qiáng)度的測(cè)量數(shù)據(jù)與地磁圖進(jìn)行人工比對(duì) ,確定船只的位置 ,同時(shí)根據(jù)距離已知的兩個(gè)磁傳感器的輸出時(shí)差 ,確定船只的速度。 美國(guó)目前已開發(fā)出地面和空中定位精度優(yōu)于 30m、水下定位精度優(yōu)于 500 m 的地磁導(dǎo)航系統(tǒng) ,并計(jì)劃用于 提高飛航導(dǎo)彈和巡航魚雷的命中率。另外 ,美國(guó)在導(dǎo)彈試驗(yàn)方面已開始應(yīng)用地磁信息 ,并利用 E22 飛機(jī)進(jìn)行高空地磁數(shù)據(jù)測(cè)量。 NASA God2dard 空間中心和有關(guān)大學(xué)對(duì)水下地磁導(dǎo)航進(jìn)行了研究 ,并進(jìn)行了大量的地面試驗(yàn)。 國(guó)內(nèi)有關(guān)地磁導(dǎo)航的研究還主要集中在仿真和預(yù)研階段 ,航天科工集團(tuán)三院的李素敏等人運(yùn)用平均絕對(duì)差法對(duì)地面所測(cè)量的地磁強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行了匹配運(yùn)算 ,分辨率能達(dá)到50m； 西北工業(yè)大學(xué)的晏登洋等人利用地磁導(dǎo)航校正慣性導(dǎo)航的仿真實(shí)驗(yàn)取得了較高的精度。 地磁場(chǎng)模型與地磁圖是研究 電子式指南針 制導(dǎo)技術(shù)的基礎(chǔ) ,地磁場(chǎng)建模和地磁 圖的精確程度是決定地磁導(dǎo)航技術(shù)是否可行的關(guān)鍵因素。 青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 3 本課題研究的意義 本課題針對(duì)電子指南針的各個(gè)功能部件對(duì)電子指南針的關(guān)鍵部分做了詳細(xì)的研究。電子指南針系統(tǒng)是一個(gè)典型的單片機(jī)系統(tǒng)，了解其工作原理及其信號(hào)處理流程有利于研究更加復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)，特別是系統(tǒng)中來自國(guó)外的磁傳感器及其信號(hào)的采集芯片更是有利于研究磁場(chǎng)傳感器的實(shí)現(xiàn)機(jī)理，以便將其更加廣泛的應(yīng)用。 本次課題研究，首先介紹了課題研究的背景，以及電子指南針的發(fā)展歷程，其中包括了電子指南針相對(duì)于傳統(tǒng)指南針的優(yōu)勢(shì)以及國(guó)內(nèi)外研究的現(xiàn)狀。 其次 介紹了系統(tǒng)總控制器 單片機(jī)的相關(guān)知識(shí)和設(shè)計(jì)中需要了解的一些物理量 ，其中包括了單片機(jī)的歷史發(fā)展、分類和磁場(chǎng)、磁感線等，對(duì)于指南針的偏差與校正也有所介紹。然后概述了系統(tǒng)測(cè)量所應(yīng)用的原理以及系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖，此外還介紹了系統(tǒng)中其他模塊的相關(guān)知識(shí)，例如常用的指南針芯片、液晶的顯示原理、實(shí)時(shí)時(shí)鐘的結(jié)構(gòu)和工作原理、鍵盤的檢測(cè)等。 第四部分主要是介紹了系統(tǒng)的具體的硬件部分設(shè)計(jì)，其中包括了各個(gè)模塊的電路接線、接口的說明和時(shí)序圖等。第五部分介紹了系統(tǒng)的軟件部分的設(shè)計(jì)，在概部分里主要是介紹了系統(tǒng)總體和各個(gè)模塊的流程圖 以及驅(qū)動(dòng)原理等。此外在最后的 附錄中還附加了系統(tǒng)的主程序和各模塊的驅(qū)動(dòng)程序。 青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）