【正文】 流的磁場時，薄膜電阻會發(fā)生明顯變化，其電阻阻值取決于電流方向和磁化方向的夾角，而磁化方向取決于薄膜材料的易 磁化軸、形狀和磁化磁場的方向。地理北 (南 )極和磁北(南 )極問的偏差角稱為磁偏角 [7]。 俯仰角 (? )：載體縱軸和縱向水平軸之間的夾角。在地平坐標(biāo)系中，磁阻安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 5 傳感器 的三軸輸出為 ?? ZRYRXR HHH ??? 。 數(shù)字羅盤模塊 磁阻傳感器 磁阻傳感器是基于磁阻效應(yīng)工作原理 生產(chǎn)的電子器件。如果磁化方向轉(zhuǎn)向垂直于電流的方向，則材料的電阻將減小 ， 如果磁化方向轉(zhuǎn)向平行于電流的方向，則材料的電阻將增大。廣泛應(yīng)用于低磁場測量，安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 6 角度和位置測量 [9]。該變形被粘貼在懸臂梁上的擴散電阻感受到。 加速度傳感器就是利用了其內(nèi)部的由于加速度造成的晶體變 形這個特性。最基本的運算放大器如圖 23。 微控制器 微控制器是將微型計算機的主要部分集成在一個芯片上的單芯片微型計算機。 C8051F320 片內(nèi)自帶有 USB 收發(fā)器和控制處理器是它區(qū)別與同一系列產(chǎn)品的一大特點。內(nèi)部 Flash 存儲器可實現(xiàn)在系統(tǒng)編程，既可作程序存儲器也可作非易失性數(shù)據(jù)存儲。 各種接口 （ 1） USB 接口 USB 是近年發(fā)展起來的一種快速，靈活的總線接口。本文論述的方案基于壓強測試儀的應(yīng)用環(huán)境，在開發(fā)壓強測試儀的過程中根據(jù)實際的需求，要求能夠存儲大量數(shù)據(jù)，以往的解決方案是 接口，但由于傳輸速度慢、在高速采樣時容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，而且必須有上位機的參與，這對于室外作業(yè)很不方便。標(biāo)準(zhǔn)的 JTAG 接口是 4 線： TMS、 TCK、 TDI、 TDO，分別為模式選擇、時鐘、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出線。 JTAG 編程方式是在線編程，傳 統(tǒng)生產(chǎn)流程中先對芯片進行預(yù)編程現(xiàn)再裝到板上因此而改變，簡化的流程為先固定器件到電路板上，再用 JTAG 編程，從而大大加快工程進度。 本章小結(jié) 本章介紹了羅盤的工作原理，羅盤的工作原理中講到了磁阻效應(yīng)是數(shù)字羅盤的最基本的工作原理，地 磁場的水平分量永遠指向磁北 為 磁羅盤的制作基礎(chǔ) 。系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖 31 所示： 信 號 采 集信 號 放 大放 大 器O P 4 1 3單 片 機C 8 0 5 1 F 3 2 0A i n 1A i n 2A i n 3D o D i 0 D o 1由 I R F 7 5 0 9 組 成的 置 復(fù) 位 電 路輸 出H M C 1 0 5 2磁 阻 傳 感 器H M C 1 0 5 1 Z磁 阻 傳 感 器A D X L 2 0 2加 速 度 計S / RS / RU S B 口輸 出串 口 輸 出L C D 液 晶顯 示 屏H xH yH z橫 滾 角俯 仰 角 圖 31 系統(tǒng)總框圖 使用霍尼韋爾公司的各向異性磁阻傳感器 HMC1052[9]球磁場在 X， Y 軸的分量，HMC1051Z 測量地球磁場 Z 軸分量。俯仰、翻滾精度為177。然后確定本系統(tǒng)的指標(biāo)為：航向角測量范圍為 0176。范圍內(nèi)航向角精度為 ? 3176。在這種通過交叉開關(guān)配置的 I/O 端口系統(tǒng)中，單片機外部為通用 I/O 口，如 P0 口、 P1 口和 P2 口。內(nèi)部 Flash 存儲器可實現(xiàn)在系統(tǒng)編程 ， 既可作程序存儲器也可作非易失性數(shù)據(jù)存儲。用 C8051F320 來進行 USB 技術(shù)開發(fā)既方便又快捷 [16]。 (3)片內(nèi)調(diào)試模塊片內(nèi)調(diào)試電路提供全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試 (不需仿真器 )，支持端點、單步、觀察點、堆棧監(jiān)視器 ， 可以觀察 /修改存儲器和寄存器 ， 比使用仿真芯片、目標(biāo)仿真頭和仿真插座的仿真系統(tǒng)有更好的性能。 (8)時鐘源內(nèi)部晶振 ， 精度為 ， 支持所有 USB 和 UART 模式 ， 外部晶振器 :晶體、 RC、 C 或外部時鐘 ， 內(nèi)置一個針對 USB 控制器的片上時鐘乘法器。這種固定方式既占用較多引腳 ， 配置又不夠靈活。 C8051F320 是一款完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片 ， 片內(nèi)集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其它數(shù)字外設(shè)及功能部件。在 開發(fā)和應(yīng)用其 USB 技術(shù)時 ， 與同類產(chǎn)品相比 ， 它在性能、速度、方便性以及成本等方面都具有很大的優(yōu)勢。 近乎完美的正交雙軸感應(yīng)（誤差 度），且靈敏度互相匹配，消除了指向誤差。 90186。當(dāng)橋路加上供電電壓時，傳感器將磁場強度轉(zhuǎn)化為電壓輸出。本系統(tǒng)所用的磁阻傳感器是HMCl051Z／ 1052 單軸／雙軸磁阻傳感器，由它們組合成 3 軸磁阻傳感器，可測量安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 15 X、 Y、 Z 軸的磁場分量。傳感器的芯片上有兩個磁耦合的電流帶：偏置電流帶和置位電流帶，省去了外加線圈的需要。 ADXL202 是 ADI 公司出品的一款雙軸加速度測量系統(tǒng)，模擬輸入，可測量動態(tài)加速度和靜態(tài)加速度，測量范圍為 177。 ADXL202傳感器由振蕩器， X、 Y方向傳感器，相位檢波電路以及占空比調(diào)制器組成，具有數(shù)字輸出接口和模擬電壓信號輸出接口。 圖 37為 DXL202加速度計的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖。 ADXL202在慣性導(dǎo)航、傾斜感應(yīng)、地震監(jiān)控及汽車保險等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，精度高、集成度高、功耗低等特點使之完全可以取代傳統(tǒng)的加速度傳感器。C 至+85176。使用內(nèi)部校準(zhǔn)的許多系統(tǒng)一般采用 5V 或 12V 單極性電源供電。不僅可保證輸入失調(diào)電壓性能，而且能保證失調(diào)電壓漂移低于 176。輸出電壓擺幅也包括負電源電壓，并且可達正供電軌的 1V 范圍內(nèi)。 為了能夠簡單、有效地顯示漢字和圖形，該模塊內(nèi)部設(shè)計有 2MB 的中文字型CGROM 和 64256 點陣的 GDRAM 繪圖區(qū)域 [17][18]；同時，該模塊還提供有 4 組可編程控制的 1616 點陣造字空間；除此之外，為了適應(yīng)多種微處理器和單片機接口的需要，該模 塊還提供了 4 位并行、 8 位并行、 2 線串行以及 3 線串行等多種接口方式 。A，低功耗模式： 30181。 本次設(shè)計因為外圍硬件較多， I/O 口較為緊缺，所以我們決定采用串行工作方式。數(shù)字羅盤系統(tǒng)方案框圖部分介紹了系統(tǒng)包含的幾個主要模塊：傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和核心控制模塊；設(shè)計指標(biāo)：航向角測量范圍為 0176。范圍內(nèi)航向角精度為 ? 3176。上層板包括核心控制電路和羅盤航向測量電路。 羅盤航向測量電路 設(shè)計 核心控制電路的設(shè)計 作為整個設(shè)計的核心部分，微處理器負責(zé)對傳感器采集的信號進行實時處理，通過姿態(tài)矩陣和誤差校正，可以得到載體的姿態(tài)參數(shù)。置位 /復(fù)位信號在微處理器的控制下產(chǎn)生，置位脈沖和復(fù)位脈沖對傳感器所起的作用基本一樣，唯一的區(qū)別是傳感器的極性改變。器件本次設(shè)計所用到的基準(zhǔn)電壓分別是 和 。引腳 3 接滑動變阻器，作用是調(diào)節(jié) LCD 的亮度，引腳 4 接 CLK，引腳 5 接 SID 數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包括顯示數(shù)據(jù)和命令。 電路如圖 411 所示： 圖 411 JTAG接口電路 圖 本章小結(jié) 本章簡要介紹了本次課題設(shè)計時所用到的硬件設(shè)計部分，主要介紹了數(shù)字羅盤各硬件模塊電路的設(shè)計。它的優(yōu)越之處就是編程效率高，軟件調(diào)試直觀，開發(fā)周期短；可讀性強，易于系統(tǒng)維護、升級；代碼的重復(fù)利用率高，便于跨平臺的代碼移植和修改，使產(chǎn)品的升級和繼承更迅速。 Keil是近年來非常受仿真機廠家歡迎的C開發(fā)軟件。本文的軟件采用模塊化設(shè)計，子程序模塊負責(zé)完成各自的指定功能，并供主程序調(diào)用 [26]。 C8051F005 指令不支持對有符號數(shù)的運算，因此當(dāng)程序中涉及到有符號數(shù)的運算的時候，編譯器就會調(diào)用相關(guān)的庫函數(shù)、產(chǎn)生與之相關(guān)的更多的代碼來實現(xiàn)這些操作，這將要影響到系統(tǒng)最終的運行效率。編譯器總是嘗試在寄存器里保持局部變量，將循環(huán)變量說明為局部變量是最好的。 本章小結(jié) 本章首先介紹了數(shù)字羅盤的軟件程序設(shè)計思想，該部分主要集中介紹數(shù)字羅盤在正常工作模式下 的工作流程和在校準(zhǔn)工作模式下的主要工作流程；本文的軟件程序設(shè)計采用 C 語言作為編程語言，使用 KeilC集成開發(fā)環(huán)境，來完成航向姿態(tài)信息解算及數(shù)據(jù)通信等主要工作。通過傾角計算、坐標(biāo)變換得到的地磁航向角經(jīng)過修正得到地理航向角，航向角以數(shù)字輸出的形式通過串口發(fā)送到 PC 機，除此之外，采用LCD 液晶顯示屏直接顯示航向角 。 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 29 致 謝 經(jīng)過半年的忙碌和工作，本次畢業(yè)設(shè)計已經(jīng)接近尾聲 ，通過本次畢業(yè)設(shè)計，讓我對我國電子軟件有了新的認識。 在這里首先要 感謝我的導(dǎo)師 金海紅 老師。 其次要感謝我的同學(xué)對我無私的幫助， 我要感謝我們組的全體成員，沒有大家的團結(jié)一致，互相幫助就沒有今天！在我們這個小組中我們 5 個人共同來完成這個課題，雖然我們 5 個人各自完 成的部分不同，但我們是一個團隊，大家經(jīng)常在一起交流經(jīng)驗，討論問題 ， 正因為如此我才能順利的完成設(shè)計 。 在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學(xué)、 朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意！ 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 30 參考文獻 [1] 王永強 . 一種基于磁阻傳感器的數(shù)字羅盤的設(shè)計 [J]. 計算機測量與控制 , 2020, 15(12): 1864 1866. [2] 李怡達 . 基于磁阻傳感器與微處理器的二維磁電子羅盤的設(shè)計 [J]. 功能材料與器件學(xué)報 ， 2020, 14(2): 558560. [3] 常青 楊東凱 寇艷紅 . 車輛導(dǎo)航定位方法及應(yīng)用 [M]. 機械工業(yè)出版社， 2020. [4] 劉大杰 施一民 過靜珺等 .全球定位系統(tǒng) (GPS)的原理與數(shù)據(jù)處理 [M].上海：同濟大學(xué)出版社 , 2020. [5] 賈伯年，俞樸 .傳感器技術(shù) [M].東南大學(xué)出版社 , 1996. [6] 何希才 .傳感器及應(yīng)用電路 [M].北京 :電子工業(yè)出版社 , 2020. [7] 陳篤行 . 磁場測量基礎(chǔ) [M]. 北京 : 機械工業(yè)出版社 , 1985. [8] Honeywell Magic Sensor Products user’s manual[EB/OL],Honeywell Application Note, 2020. [9] 兩軸磁傳感器 HMC1052 手冊 [10] 翟飛飛 趙振 陳潤深 戴勝華 . 雙軸加速度傳感器 ADXL202 及其應(yīng)用設(shè)計 .北京交通大學(xué) , 2020 [11] 孫涵芳 ， 徐愛卿 . 單片機原理及應(yīng)用 。 最后，我再一次表達我對領(lǐng)導(dǎo)以及教過我所有的老師最衷心的感謝，是你們在我前進的道路上給以引導(dǎo)，并無私的教給我許多專業(yè)知識以及做人的道理。我的設(shè)計較為復(fù)雜煩瑣，但是 金 老師仍然細心地糾正 論文 中的錯誤。從而激勵我在今后的學(xué)習(xí)和工作中更要努力的學(xué)習(xí)和不斷的充實自己。其次， 各種 元器件的選擇 和 總體設(shè)計方案的選擇 也曾使我的設(shè)計停滯不前。 本 系統(tǒng)總體方案 設(shè)計主要包括由磁阻傳感器、加速度計組成的信號采集模塊，由放大器、 微處理器 、 置 復(fù)位電路 等 組成的數(shù)據(jù)處理模塊，由 USB 口等外圍電路以及 LCD 液晶顯示屏組成的數(shù)據(jù)顯示模塊 。 主程序中應(yīng)包括安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 27 系統(tǒng)各端口、時鐘、定時器、 AD、串口、外部中斷的初始化；關(guān)閉看門狗， LCD初始化顯示，啟動置復(fù)位電路；調(diào)用 AD子程序；調(diào)用加速度計子程序；計算航向角 并實施 誤 差 補償，輸出數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化，航向角顯示，串口發(fā)送等。 (4)計算基于二進制，在選擇數(shù)組存儲和數(shù)組大小可以節(jié)省操作。 為提高編譯效率，本文對程序采取如下方式進行編寫： (1).盡量使用 char數(shù)據(jù)類型，由于 C8051F005是 8位機，對具有 char類型的對象的操作比 int或者 long類型的操作方便的多。這種軟件有方便易用的集成環(huán)境，強大的軟件仿真調(diào)試工具可以讓你事半功倍 [25]。 uVision源代碼級調(diào)試器是一個理想的，快速，可靠的程序調(diào)試器。然后簡略的介紹了外圍電路的設(shè)計，外圍電路為測量電路等模塊的有源設(shè)備提供了工作電壓，保證了各模塊之間的通信，并且提供了可供測試的 JTAG 端口，并附有各模塊的電路設(shè)計圖。 電路如圖 49 所示： 圖 49 串口模塊電路圖 （ 3） USB接口通信電路 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 25 由于 C8051F320 微控制器內(nèi)部集成了一個 USB 接收器，簡單易用，因此，用它進行 USB 接口的硬件設(shè)計也顯得比較簡單 ， 不需要任何外部器件就可直接與 USB 接口相連 ，電路如圖 410 所示： 圖 410 USB模塊電路圖 （ 4） JTAG調(diào)試口電路 JTAG 可以對同一塊電路板上多塊芯片進行測試。而 是為了給 AD 模塊 提供的。他直接提供給工作電壓是 5V 的器件使用。 圖 41 核心 控制電路 數(shù)字羅盤 電路設(shè)計 羅盤航向電路主要包括：磁阻傳感器電路、加速度計電路、置復(fù)位電路、信號放大電路等。下層板包括電源及基準(zhǔn)電壓電路和調(diào)試板接口電路。 另外 分別 重點講述了主要 器件的性能特性及工作原理 。在傾角在 60176。使用串口通訊模式，可將 PSB 接固定低電平，可以用該引腳與“ GND”短接的方法實現(xiàn)。這就決定的