【正文】 ectively 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。本系統(tǒng)采用專(zhuān)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(wèn)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(guò) MCU 控制器對(duì)其進(jìn)行處理并顯示上傳，通過(guò)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)。s top serial Machine. The actual test pass module can reach 1 176。 LCD青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（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(pán)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(shuō)明書(shū)（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。經(jīng)過(guò)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。當(dāng)它靜止的時(shí)候，勺柄就會(huì)指向南方。所以司南的磁性比較弱，而且它與地盤(pán)接觸處要非常光滑，否則會(huì)因轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻力過(guò)大，而難于旋轉(zhuǎn)，無(wú)法達(dá)到預(yù)期的指南效果。所以磁體這種指向性可以用來(lái)確定方向。 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。 青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（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(wú)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。 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。 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。 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。 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。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。由于具有上述優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)，單片機(jī)已廣泛地應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)化控制、自動(dòng)檢測(cè)、智能儀器儀表、家用電器、電力電子、機(jī)電一體化設(shè)備等各個(gè)方面。因此，還需加 1 快 3851（由 1KB ROM、定時(shí)器 /計(jì)時(shí)器和 2 個(gè)并行 I/O 構(gòu)成）才能組成 1 臺(tái)完整的計(jì)算機(jī)。之歌階段推出的單片機(jī)普遍都有串行 I/O 口，多級(jí)中斷系統(tǒng)， 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，片內(nèi) ROM、 RAM 容量加大，且尋址范圍可達(dá) 64KB，有的片內(nèi)還帶有 A/D 轉(zhuǎn)換器。此階段的主要特征是一方面發(fā)展 16 位單片機(jī)、 32 位單片機(jī)及專(zhuān)用型單片機(jī)；另一方面不斷完善高檔 8 位單片機(jī)，改善其結(jié)構(gòu)，以滿足不同的用戶(hù)需要。 通用型單片機(jī)具有比較豐富的內(nèi)部資源，性能全面且實(shí)用性強(qiáng)，可滿足多種應(yīng)用需求。 然而，有許多應(yīng)用是使用專(zhuān)門(mén)針對(duì)某些產(chǎn)品的特定用途而制作的單片機(jī)。在設(shè)計(jì)中，已經(jīng)對(duì)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的最簡(jiǎn)化、可靠性和成本的最佳化等方面都做了全面的考慮，所以專(zhuān)用單片機(jī)具有十分明顯的綜合優(yōu)勢(shì)，也是今后單片機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要方向。位滿足不同的用戶(hù)要求，各公司競(jìng)相推出能滿足不同需要的產(chǎn)品。飛利浦公司開(kāi)發(fā)了一種新型總線： I2C 總線（ IntelIC bus）。新型單片機(jī)片內(nèi) ROM 一般可達(dá) 4KB 至 8KB， RAM 為 256B。采用 E2PROM 或閃爍存儲(chǔ)器后，能在 +5V 下讀寫(xiě)，不需要紫外線擦抹，既有靜態(tài) RAM 讀寫(xiě)操作簡(jiǎn)便又有在掉電 時(shí)數(shù)據(jù)不會(huì)丟失的優(yōu)點(diǎn)。為防止復(fù)制，生產(chǎn)廠家青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 6 對(duì)片內(nèi) E2PROM 或閃爍存儲(chǔ)器采用加鎖方式。這樣可以減少外部驅(qū)動(dòng)芯片。中、高檔單片機(jī)的位處理系統(tǒng)能夠?qū)?I/O 口進(jìn)行尋址及位操作，大大地加強(qiáng)了 I/O 口線控制的靈活性。除了一般必須具有的 ROM、 RAM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)外，隨著單片機(jī)檔次的提高，以適應(yīng)檢測(cè)、控制功能更高的要求，片內(nèi)集成的部件還有 A/D 轉(zhuǎn)換器、 D/A 轉(zhuǎn)換器、 DMA 控制器、中斷控制器、鎖相環(huán)、頻率合成器、字符發(fā)生器、聲音發(fā)生器、 CRT 控制器、譯碼驅(qū)動(dòng)器等。 綜觀單片機(jī)幾十年的發(fā)展歷程，單片機(jī)今后將向多功能、高性能、高速度、低電壓、低功耗、低價(jià)格、外圍電路內(nèi)裝化以及片內(nèi)存儲(chǔ)器容量增加和 Flash 存儲(chǔ)器化方向發(fā)展。 青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 7 物理量簡(jiǎn)介 磁場(chǎng) 磁場(chǎng)是一種看不見(jiàn)，而又摸不著的特殊物質(zhì)。 磁場(chǎng)的基本特征是能對(duì)其中的運(yùn)動(dòng)電荷施加作用力，磁場(chǎng)對(duì)電流、對(duì)磁體的作用力或力距皆源于此。 運(yùn)動(dòng)電荷或變化電場(chǎng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)，或兩者之和的總磁場(chǎng)，都是無(wú)源有旋的矢量場(chǎng)， 磁感線 是閉合的曲線族，不中斷，不交叉。規(guī)定小磁針的北極所指的方向?yàn)?磁感線 的方向。 磁現(xiàn)象是最早被人類(lèi)認(rèn)識(shí)的物理現(xiàn)象之一，指南針是中國(guó)古代一大發(fā)明。甚至在 人體內(nèi)，伴隨著生命活動(dòng)，一些組織和器官內(nèi)也會(huì)產(chǎn)生微弱的磁場(chǎng)。地磁的北磁極在地理的南極附近；地磁的南磁極在地理的北極附近。這已為 1839 年德國(guó)數(shù)學(xué)家 .高斯首次運(yùn)用球諧函數(shù)分析法所證實(shí)。描述空間某一 點(diǎn)地磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向，需要 3 個(gè)獨(dú)立的地磁要素。 近地空間的地磁場(chǎng)，像一個(gè)均勻磁化球體的磁場(chǎng)，其強(qiáng)度在地面兩極附近還不到 1 高斯，所以地磁場(chǎng)是非常弱的磁場(chǎng)。 地磁場(chǎng)包括基本磁場(chǎng)和變化磁場(chǎng)兩個(gè)部分，它們?cè)诔梢蛏贤耆煌?。偶極子磁場(chǎng)是地磁場(chǎng)的基本成分，其強(qiáng)度約占地磁場(chǎng)總強(qiáng)度的 90％，產(chǎn)生于地球液態(tài)外核內(nèi)的電磁流體力學(xué)過(guò)程，即自激發(fā)電機(jī)效應(yīng)。平靜變化主要是以一個(gè)太陽(yáng)日為周期的太陽(yáng)靜日變化，其場(chǎng)源分布在電離層中。 除外源場(chǎng)外，變化磁場(chǎng)還有內(nèi)源場(chǎng)。這已成為地磁學(xué)的一個(gè)重要領(lǐng)域，叫做地球電磁感應(yīng)。 地球近似球形，所以磁針指向磁極時(shí)必向下傾斜，和水平方向有一個(gè)夾角，這個(gè)夾角稱(chēng)為磁傾角。 但是地球磁場(chǎng)和電子指南針本身的特點(diǎn)，在測(cè)量磁場(chǎng)時(shí)會(huì)有些偏差，所以要進(jìn)行傳感器偏差補(bǔ)償、干涉磁場(chǎng)校正、正北校正、傾斜校正等，才能得到正確的結(jié)果。 青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 10 圖 21 跳轉(zhuǎn)技術(shù)波形圖 圖 21 是跳轉(zhuǎn)技術(shù)的波形圖， a 是得到的輸出信號(hào)， b 是濾波去除偏移后的信號(hào)， c 是翻轉(zhuǎn)后得到的原來(lái)信號(hào)。 沒(méi)有干涉磁場(chǎng)時(shí)，圖形是一個(gè)中心在參考原點(diǎn)，半徑為地球磁場(chǎng)強(qiáng)度 He 的圓。指南針在同一地點(diǎn)測(cè)得方向相差 180 度 的兩個(gè)磁場(chǎng)值（ H1 和 H2），儲(chǔ)存兩個(gè)測(cè)量值的磁場(chǎng)分量 Hx 和 Hy，由于指南針的磁 場(chǎng)等于地球磁場(chǎng)向量 He 與干涉磁場(chǎng)向量 Hi 的矢量和（旋轉(zhuǎn)后， He 大小相等方向相反； Hi的場(chǎng)源與指南針關(guān)系固定，不發(fā)生變化），可以得到干涉磁場(chǎng)分量：測(cè)得干涉磁場(chǎng)分量后，可以在補(bǔ)償線圈中通以相應(yīng)大小的電流，產(chǎn)生反向磁場(chǎng)分量 Hix 和 Hiy，以補(bǔ)償干涉磁場(chǎng)。 圖 31 測(cè)量原理圖 在具體測(cè)量時(shí)，測(cè)量得到的初始角度是磁場(chǎng)北極與前進(jìn)方向的夾角，而我們知道地理北極與地磁北極是 不重合的，他們之間存在被稱(chēng)為磁偏角的角度差，所以真正地地理北極應(yīng)該是在我們所測(cè)得的初始角度的基礎(chǔ)是進(jìn)行磁偏角的補(bǔ)償所得到的角度。 微控制器將表征當(dāng)前磁場(chǎng)大小的數(shù)字量按照 角度 方位進(jìn)行歸一化等處理后通過(guò)直觀的 LCD 進(jìn)行 角度 方位顯示， 整個(gè)系統(tǒng)中還包含了實(shí)時(shí)時(shí)鐘等一些輔助電路，使整個(gè)系統(tǒng)功能得到進(jìn)一步的擴(kuò)展。 青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 15 系統(tǒng)其他模塊 簡(jiǎn)介 整個(gè)系統(tǒng)除包含單片機(jī)做 位中央控制器外，還包括了指南針模塊、液晶顯示模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、鍵盤(pán)輸入模塊等擴(kuò)展電路，下面對(duì)各個(gè)模塊做分別的介紹。敏感元件 A 和 B,共存于單硅芯片中，完全正交，且參數(shù)匹配。置位 / 復(fù)位帶，用于確保精度。若需要偏置帶，可以用另一種封裝的 HMCI052。雖然這不是一個(gè)完全的三軸傾斜補(bǔ)償?shù)牧_盤(pán)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，該參考設(shè)計(jì)可以用于各種電平平臺(tái)或用戶(hù)的校平系統(tǒng)，如手表等。這種磁阻傳感 器主要應(yīng)用于導(dǎo)航、通用地磁測(cè)量和交通檢測(cè)。由于加青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 17 入了翻轉(zhuǎn)磁場(chǎng)， KMZ52 的變化曲線與普通的磁敏電阻不同，更加線性化。 圖 35 KMZ52 原理圖 液晶顯示簡(jiǎn)介 液晶是一種高分子材料，因?yàn)槠涮厥獾奈锢?、化學(xué)、光學(xué)特性， 20 世紀(jì)中葉開(kāi)始被廣泛應(yīng)用在輕薄型的顯示技術(shù)上