【文章內(nèi)容簡介】 因此不需要在傳感器外部安裝補(bǔ)償線圈。由于這些補(bǔ)償線圈的磁場已經(jīng)是充分確定的 ，所以對于所測的磁場強(qiáng)度的補(bǔ)償也就 確定了。圖 給出了信號調(diào)節(jié)單元的翻轉(zhuǎn)技術(shù)和電磁反饋技術(shù)框圖 ，電磁反饋技術(shù)電路是一個(gè)閉合的回路控制器，整流器驅(qū)動翻轉(zhuǎn)線圈以保證此時(shí)傳感器輸出電壓為0V。為了保證傳感器的輸出電壓為 0V，一個(gè)適當(dāng)?shù)恼髌魇潜夭豢缮俚?。測量到 的磁場強(qiáng)度可以通過電壓來表示，正比于補(bǔ)償電流。 第 19頁 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 圖 翻轉(zhuǎn)技術(shù)和電磁反饋技術(shù)框圖 （ 3） 非正交性偏移補(bǔ)償 假設(shè)兩個(gè)磁敏感元件準(zhǔn)確的擺放為正交 90176。，則不存在非正交性偏移引起的誤差，然而，在實(shí)際的封裝過程中有不可避免的公差，存在一個(gè)β角的偏差，這會影響到指南針的讀數(shù)，對本設(shè)計(jì)使用的 KMZ52 而言，最大的非正交性偏差角度為 2176。，那么就會引起方位角 2176。的偏 差。對于高精度的指南針，β角需要得到補(bǔ)償，如果指南針轉(zhuǎn)動，考慮到地磁場， Vx 和 Vy 之間的相位差是 90176。 β，確定了β值，該誤差就可以從數(shù)學(xué)計(jì)算上被消除。 Vy =Vmax 179。 sin(α + β )；Vx =Vmax 179。 cosα，而未發(fā)生正交性偏差時(shí) ,Vy ,corrected =Vmax 179。 sinα ,根據(jù) sin(α + β ) = sinα cosβ + cosα sinβ可得： （ 6） 第 20頁 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 下圖是信號調(diào)節(jié)模塊的電路圖設(shè) 計(jì)，包含了前置放大電路，翻轉(zhuǎn)技術(shù)補(bǔ)償 電路，電磁反饋技術(shù)補(bǔ)償 圖 信號調(diào)節(jié)模塊電路圖 第 21頁 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 模塊 1的作用是產(chǎn)生周期性的翻轉(zhuǎn)脈沖電流， KMZ51/KMZ52都需要周期為 6us大小為 +1A 的脈沖電流 ,驅(qū)動電流由 OP 輸出來控制， TR1 和 TR2是兩個(gè)達(dá)林頓晶體管。 產(chǎn)生快速的脈沖電流來激勵(lì) KMZ51/KMZ52 的翻轉(zhuǎn)線圈。模塊 2的功能 放大翻轉(zhuǎn)后的傳感器信號。 由于運(yùn)用了電磁反饋技術(shù)，所以當(dāng)閉環(huán)回路置位時(shí)，前置放大的輸出電壓為 0。 OP2 應(yīng)該在閉環(huán)回路瞬變過程保持它的線性變化范圍。當(dāng)閉環(huán)回路中斷時(shí) OP2 的輸出保持它的線性變化。放大 100 倍較為合適 。模塊 3用于電壓偏置的補(bǔ)償， OP3 旁邊的低通濾波器 提取出偏置量，偏置量為輸出信號翻轉(zhuǎn)后的直流分量。模塊 4 為同步整流器，它將翻轉(zhuǎn)的交流信號恢復(fù)為需要的直流信號，通過控制開關(guān) S1，使得放振幅在 +1和 1之間交替變換。實(shí)現(xiàn)信號的翻轉(zhuǎn)， S1 由方波發(fā)生器控制。 模塊 5 為積分控制器，與模塊 6 一起驅(qū)動補(bǔ)償線圈來消除溫度的敏感漂移。模塊 6 為補(bǔ)償線圈驅(qū)動。 俯仰角φ及橫滾角ρ 測量模塊 俯仰角和橫滾角的測定可由加速度傳感器完成，俯仰角和橫滾角的測定是為了修正當(dāng)指南針上傾斜放置時(shí)造成的方位角偏差，由公式 1和公式 2可知這兩 個(gè)角對方位角的具體影響。 本設(shè)計(jì)選用的 加速度傳感器 是由美國模擬器件公司生產(chǎn)的 ADXL203。 ADXL203 是一種 高精度、低功耗及單一的 iMEMS 型 IC 芯片雙軸加速計(jì)，具有信號可調(diào)的電壓輸出。 輸出量為一個(gè)與加速度成比例的模擬電壓信號，比例系數(shù)達(dá)到 1000mV/g。該加速計(jì)既可測量動態(tài)加速度，又可以用來實(shí)現(xiàn)諸如重力加速度的靜態(tài)測量，此時(shí)可以替代傾斜角傳感器進(jìn)行傾斜測量。 ADXL203 最常見的應(yīng)用是進(jìn)行傾斜度測量。加速計(jì)以重力矢量作為基準(zhǔn)來測定物體的空間方位。當(dāng)加速計(jì)的感應(yīng)軸與重力方向垂直（即感應(yīng)軸水平）時(shí)，它對傾 斜度的變化是最敏感的，傾斜度每變化 1?，輸出 g 值變化 ；當(dāng)感應(yīng)軸與水平成 45?角時(shí)，傾斜度每變化 1?，輸出 g 值變化只有 ；而當(dāng)感應(yīng)軸與重力方向接近平行時(shí) (所感應(yīng)到的加速度接近 +g 或 g)，傾斜度每變化 1?，加速計(jì)輸出幾乎沒有什么變化。隨著測量傾斜角度的增大，測量精度下降。 A XA Ypitchroll 圖 重力矢量關(guān)系圖 第 22頁 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 將加速計(jì)的 X 和 Y 軸都水平放置，就可以作為雙軸傾斜計(jì)測量傾斜度了。如圖 所示。將輸出模擬電壓信號 Vx， Vy 換算成對應(yīng)的 g值變 化量 AX， AY： V / g )5 V ) / ( 1 0 0 0 (A XX ?? （ 7） V / g )5 V ) / ( 1 0 0 0 (A YY ?? （ 8） 代入下面公式計(jì)算得到 X、 Y軸的傾斜角度俯仰角（ pitch）和傾斜角（ roll）： 1 g )/a rc s in (Ap itc h X? （ 9） )1g/A(arcsinro ll Y? （ 10） 下圖是 ADXL203 的 參數(shù)對照表 圖 第 23頁 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 圖 第 24頁 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 A/D 轉(zhuǎn)換模塊 該模塊的主要功能是將磁阻傳感器 KMZ52/KMZ52和加速度傳感器 ADXL203輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送入微處理器處理，之后將方位角，俯仰角，橫滾角 顯示 在 LED上。 本設(shè)計(jì)采用的是美信公司生產(chǎn)的 MAX155。 圖 LED 顯示模塊 該模塊的功能是將測量到得方位角俯仰角橫滾角顯示在 LED 上。當(dāng)微處 理器采集到通過模數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號后，經(jīng)過程序處理，將所測量的方位角 顯示在 數(shù)碼管 上，微處理器選用 STC8051。 當(dāng) MAX155 采集到加速度傳感器和 KMZ52/51 的輸出電壓后，進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，將得到的數(shù)字量輸出到單片機(jī)，單片機(jī)通過程序的處理和運(yùn)算，得到方位角 俯仰角和橫滾角 的值，將方位角的值通過 I/O 口 P0 口 輸出到 鎖存器，鎖存器將數(shù)字量輸出到 數(shù)碼管進(jìn)行顯示 ， P2口控制數(shù)碼管的位選。下圖是 LED 顯示模塊電路圖。 第 25頁 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 圖 KMZ52/KMZ51 KMZ52 是一個(gè)使用坡莫合金薄片的磁阻效應(yīng)來測量磁場的高靈敏度的磁場傳感器。感器器件里包含兩個(gè)正交的磁敏電阻橋、完整的補(bǔ)償線圈和設(shè)置 /復(fù)位線圈。補(bǔ)償線圈的輸出和當(dāng)前的測量結(jié)果形成一個(gè)閉環(huán)反饋 ， 使得傳感器的靈敏度不受地域的限制。主要應(yīng)用于導(dǎo)航、通用地磁測量和交通檢測等 。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如 圖 。 KMZ52的引腳說明如圖所示： 第 26頁 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 圖 KMZ52管腳說明 PIN1：翻轉(zhuǎn)線圈。 PIN2：電阻橋電源。 PIN3：接地。 PIN4：補(bǔ)償線圈。 PIN5：接地。 PIN6：補(bǔ)償線圈。 PIN7: 補(bǔ)償線圈。 PIN8: 電阻橋輸出電壓。 PIN9: 電阻橋 輸出 電壓。 PIN10: 翻轉(zhuǎn)線圈。 PIN11: 翻轉(zhuǎn)線圈。 PIN12: 電阻橋電源電壓 。 PIN13: 補(bǔ)償線圈。 PIN14: 電阻橋輸出電壓。 PIN15： 電阻橋輸出電壓。 PIN16： 翻轉(zhuǎn)線圈。 第 27頁 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 從 KMZ52 的結(jié)構(gòu)圖 中可以看出 KMZ52 中的測量輸出為兩組電阻橋的電壓變化輸出。電阻橋由四個(gè)磁敏電阻組成。磁敏電阻會根據(jù)磁場的變化來改變自身的電阻值。根據(jù)霍爾效應(yīng)的原理 ， 半導(dǎo)體里的電子運(yùn)動軌跡會受到磁場作用而橫向偏移這種偏移 ， 改變了電子運(yùn)動的路徑 ， 因而呈現(xiàn)了電阻改變的特性。 KMZ52 的磁敏電阻的結(jié)構(gòu)示意圖如下 ： 圖 .1KMZ52 的磁敏電阻的結(jié)構(gòu)示意圖 KMZ52 磁敏電阻是在金屬鋁的表面上沉積了一定厚度的高磁導(dǎo)率的坡莫合金 ， 在翻轉(zhuǎn)線圈和外界磁場兩個(gè)力的作用下電子改變了運(yùn)動方向 ， 使得磁敏電阻的阻值發(fā)生變化。 同時(shí) KMZ52 的斑馬條電阻是成 45度放置 ， 這樣使得電子在正反的磁場力作用下有較好的對稱性。因?yàn)榧舆M(jìn)了翻轉(zhuǎn)磁場 ， 使得 KMZ52 的變化曲線與普通的磁敏電阻不同 ， 更加線性化。 KMZ52 磁敏電阻與普通磁敏電阻的變化曲線比較如下圖 ： 圖 KMZ52 磁敏電阻與普通磁敏電阻的變化曲線 在翻轉(zhuǎn)線圈的作用下使得 KMZ52 磁敏電阻阻值變化的中點(diǎn)平移上去 ， 可以更加方便的測量外界磁場正反兩個(gè)方向的變化。同時(shí) ， 翻轉(zhuǎn)線圈還起著磁場偏置點(diǎn)校正的作用。因?yàn)榇琶綦娮铇虻钠胶恻c(diǎn)會隨著環(huán)境的不同而改變。翻轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生的 正反兩個(gè)方向的磁場和外界磁場的合力使得磁敏電阻產(chǎn)生兩個(gè)相反的變化曲線。在本系統(tǒng)中在磁場傳感器的翻轉(zhuǎn)線圈 Z1和 Z2上加載翻轉(zhuǎn)電信號后使之能夠產(chǎn)生化 第 28頁 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 的磁場 .由于該變化磁場會造成磁阻變化 (ΔR), 并將其轉(zhuǎn)化成變化的差動電壓輸出 ,這樣 ,就能根據(jù)磁場大小正比于輸出差動電壓的原理 ,分別讀取對應(yīng)的兩軸信號 ,然后再進(jìn)行處理計(jì)算即可得到偏轉(zhuǎn)角度 .為了克服不同地域和溫度造成的響 ,通過補(bǔ)償線圈對其進(jìn)行補(bǔ)償 ,提高了系統(tǒng)精度 。 下圖是 KMZ52/KMZ51的參考數(shù)據(jù)。 圖 KMZ52參考數(shù)據(jù) 圖 KMZ52參考數(shù)據(jù) 第 29頁 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 加速度傳感器 ADXL203 ADXL203 是美國模擬器件公司（簡稱 ADI） 生產(chǎn)的 一種高精度、低功耗及單一的 iMEMS 型 IC 芯片雙軸加速計(jì)，具有信號可調(diào)的電壓輸出。 輸出量為一個(gè)與加速度成比例的模擬電壓信號， 比例系數(shù)達(dá)到 1000mV/g。該加速計(jì)既可測量動態(tài)加速度，又可以用來實(shí)現(xiàn)諸如重力加速度的靜態(tài)測量，此時(shí)可以替代傾斜角傳感器進(jìn)行傾斜測量。 ADXL203 典型測量范圍在 177。 g，該 加速計(jì) 既可測量靜態(tài)的也可測量動態(tài)的加速度， 可承受 3500g 極限加速度。 其下拉電流小于 700181。A，靈敏度達(dá)到 1000mV/g。該加速計(jì) 在 – 40176。C 到 125176。C 溫度范圍內(nèi)具有 177。%的溫度靈敏性 177。25mg 的零點(diǎn)偏移精度；在小于 60Hz的帶寬下具有解決小于 1 mg的解決方案 (176。 傾斜 )以及優(yōu)于 mg/176。C 的穩(wěn)定性。采用 5179。5179。2 mm的 LCC 的封裝。 ADXL203 的管腳封裝及引腳功能如圖 及表 所示。 12438675+X+YV SSTDNCCOMX OUTY OUTDNC 圖 ADXL203管腳圖 表 管腳序號 管腳名稱 管腳功能 1 ST 自檢電壓輸入 2 DNC 空白腳 3 COM 公共地 4 DNC 空白腳 5 DNC 空白腳 6 YOUT Y 軸電壓輸出 7 XOUT X 軸電壓輸出 8 VS 3V到 6V ADXL203 內(nèi)部電路框圖如圖 2 所示。傳感器輸出幅值與所測加速度成正比的方波信號，經(jīng)過信號交流放大，相敏檢波、低通濾波，得到與加速度成比例的電壓信號。 第 30頁 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 圖 ADXL203內(nèi)部電路框圖 傳感器主要是由一個(gè)利用表面微機(jī)械加工的多晶硅機(jī)構(gòu)和一個(gè)差動電容器組成。多晶硅結(jié)構(gòu)由多晶硅彈簧支撐 ,處于晶片的頂部 ,并與差動電容的運(yùn)動的中心極 板相連。分別在差動電容的固定的上下極板上加兩路幅度相等、相位差為180?的方波。在加速度的作用下 ,多晶硅結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生偏移 ,拉動差動電容的中心極板滑動，使兩個(gè)電 容值不同，便在中心極板產(chǎn)生電壓，傳感器輸出方波。輸出方波的幅值與測量的加速度成正比。 運(yùn)算放大器 運(yùn)算放大器選用的是 CA741， 運(yùn)算放大電路對信號進(jìn)行 100倍放大 ， 放大后的信號 能滿足信號處理單元的要求。 uA741M， uA741I， uA741C（單運(yùn)放）是高增益運(yùn)算放大器，用于軍事，工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用 . 這類單片硅 集成電路器件提供輸出短路保護(hù)和 閉鎖自由運(yùn)作。 這些類型還具有廣泛的共同模式，差模信號范圍和低失調(diào)電壓調(diào)零能力與使用適當(dāng)?shù)碾娢弧Ｏ聢D是 UA741的內(nèi)部電路圖以及管腳說明。 第 31頁 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 圖 UA741內(nèi)部電路圖 UA741管腳說明圖 1和 5為偏置 (調(diào)零端 )， 2為正向輸入端， 3為反向輸入端， 4接地， 6為輸出，7 接電源， 8 空腳。 第 32頁 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 AD 轉(zhuǎn)換器 MAX155 一般的 AD 轉(zhuǎn)換芯片只有 1 個(gè)采樣保持器，只能通過多路模擬開關(guān)輪流采集各通道的信號 ,因此各通道采集的信號數(shù)據(jù)在時(shí)間上相差很大，若用這樣的數(shù)據(jù)作為 同期原始數(shù)據(jù)使用 ,將帶來相應(yīng)的系統(tǒng)誤差。因此 ,本系統(tǒng)采用了美信公司生產(chǎn)的一種高性價(jià)比、具有多路采樣保持器的 8 位 8 通道 AD 轉(zhuǎn)換芯片 MAX155。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下： 圖 MAX155內(nèi)