【正文】 在論文即將完成之際，我的心情無(wú)法平靜，從開(kāi)始進(jìn)入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長(zhǎng)、同學(xué)、 朋友給了我無(wú)言的幫助，在這里請(qǐng)接受我誠(chéng)摯的謝意！ 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 30 參考文獻(xiàn) [1] 王永強(qiáng) . 一種基于磁阻傳感器的數(shù)字羅盤(pán)的設(shè)計(jì) [J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制 , 2020, 15(12): 1864 1866. [2] 李怡達(dá) . 基于磁阻傳感器與微處理器的二維磁電子羅盤(pán)的設(shè)計(jì) [J]. 功能材料與器件學(xué)報(bào) ， 2020, 14(2): 558560. [3] 常青 楊東凱 寇艷紅 . 車(chē)輛導(dǎo)航定位方法及應(yīng)用 [M]. 機(jī)械工業(yè)出版社， 2020. [4] 劉大杰 施一民 過(guò)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(jì)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(chǎng)測(cè)量基礎(chǔ) [M]. 北京 : 機(jī)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(cè) [10] 翟飛飛 趙振 陳潤(rùn)深 戴勝華 . 雙軸加速度傳感器 ADXL202 及其應(yīng)用設(shè)計(jì) .北京交通大學(xué) , 2020 [11] 孫涵芳 ， 徐愛(ài)卿 . 單片機(jī)原理及應(yīng)用 。 最后，我再一次表達(dá)我對(duì)領(lǐng)導(dǎo)以及教過(guò)我所有的老師最衷心的感謝，是你們?cè)谖仪斑M(jìn)的道路上給以引導(dǎo)，并無(wú)私的教給我許多專業(yè)知識(shí)以及做人的道理。 其次要感謝我的同學(xué)對(duì)我無(wú)私的幫助， 我要感謝我們組的全體成員，沒(méi)有大家的團(tuán)結(jié)一致，互相幫助就沒(méi)有今天！在我們這個(gè)小組中我們 5 個(gè)人共同來(lái)完成這個(gè)課題，雖然我們 5 個(gè)人各自完 成的部分不同，但我們是一個(gè)團(tuán)隊(duì)，大家經(jīng)常在一起交流經(jīng)驗(yàn)，討論問(wèn)題 ， 正因?yàn)槿绱宋也拍茼樌耐瓿稍O(shè)計(jì) 。我的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜煩瑣，但是 金 老師仍然細(xì)心地糾正 論文 中的錯(cuò)誤。 在這里首先要 感謝我的導(dǎo)師 金海紅 老師。從而激勵(lì)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(shí)自己。 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 29 致 謝 經(jīng)過(guò)半年的忙碌和工作，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲 ，通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，讓我對(duì)我國(guó)電子軟件有了新的認(rèn)識(shí)。其次， 各種 元器件的選擇 和 總體設(shè)計(jì)方案的選擇 也曾使我的設(shè)計(jì)停滯不前。通過(guò)傾角計(jì)算、坐標(biāo)變換得到的地磁航向角經(jīng)過(guò)修正得到地理航向角，航向角以數(shù)字輸出的形式通過(guò)串口發(fā)送到 PC 機(jī)，除此之外，采用LCD 液晶顯示屏直接顯示航向角 。 本 系統(tǒng)總體方案 設(shè)計(jì)主要包括由磁阻傳感器、加速度計(jì)組成的信號(hào)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 。 本章小結(jié) 本章首先介紹了數(shù)字羅盤(pán)的軟件程序設(shè)計(jì)思想，該部分主要集中介紹數(shù)字羅盤(pán)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(jì)采用 C 語(yǔ)言作為編程語(yǔ)言，使用 KeilC集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，來(lái)完成航向姿態(tài)信息解算及數(shù)據(jù)通信等主要工作。 主程序中應(yīng)包括安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 27 系統(tǒng)各端口、時(shí)鐘、定時(shí)器、 AD、串口、外部中斷的初始化；關(guān)閉看門(mén)狗， LCD初始化顯示，啟動(dòng)置復(fù)位電路；調(diào)用 AD子程序；調(diào)用加速度計(jì)子程序；計(jì)算航向角 并實(shí)施 誤 差 補(bǔ)償，輸出數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化，航向角顯示，串口發(fā)送等。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(shuō)明為局部變量是最好的。 (4)計(jì)算基于二進(jìn)制，在選擇數(shù)組存儲(chǔ)和數(shù)組大小可以節(jié)省操作。 C8051F005 指令不支持對(duì)有符號(hào)數(shù)的運(yùn)算，因此當(dāng)程序中涉及到有符號(hào)數(shù)的運(yùn)算的時(shí)候，編譯器就會(huì)調(diào)用相關(guān)的庫(kù)函數(shù)、產(chǎn)生與之相關(guān)的更多的代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)這些操作，這將要影響到系統(tǒng)最終的運(yùn)行效率。 為提高編譯效率，本文對(duì)程序采取如下方式進(jìn)行編寫(xiě)： (1).盡量使用 char數(shù)據(jù)類型，由于 C8051F005是 8位機(jī)，對(duì)具有 char類型的對(duì)象的操作比 int或者 long類型的操作方便的多。本文的軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，子程序模塊負(fù)責(zé)完成各自的指定功能，并供主程序調(diào)用 [26]。這種軟件有方便易用的集成環(huán)境，強(qiáng)大的軟件仿真調(diào)試工具可以讓你事半功倍 [25]。 Keil是近年來(lái)非常受仿真機(jī)廠家歡迎的C開(kāi)發(fā)軟件。 uVision源代碼級(jí)調(diào)試器是一個(gè)理想的，快速，可靠的程序調(diào)試器。它的優(yōu)越之處就是編程效率高，軟件調(diào)試直觀，開(kāi)發(fā)周期短；可讀性強(qiáng)，易于系統(tǒng)維護(hù)、升級(jí)；代碼的重復(fù)利用率高，便于跨平臺(tái)的代碼移植和修改，使產(chǎn)品的升級(jí)和繼承更迅速。然后簡(jiǎn)略的介紹了外圍電路的設(shè)計(jì)，外圍電路為測(cè)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(cè)試的 JTAG 端口，并附有各模塊的電路設(shè)計(jì)圖。 電路如圖 411 所示： 圖 411 JTAG接口電路 圖 本章小結(jié) 本章簡(jiǎn)要介紹了本次課題設(shè)計(jì)時(shí)所用到的硬件設(shè)計(jì)部分，主要介紹了數(shù)字羅盤(pán)各硬件模塊電路的設(shè)計(jì)。 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(jì) (論文 ) 25 由于 C8051F320 微控制器內(nèi)部集成了一個(gè) USB 接收器，簡(jiǎn)單易用，因此，用它進(jìn)行 USB 接口的硬件設(shè)計(jì)也顯得比較簡(jiǎn)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(duì)同一塊電路板上多塊芯片進(jìn)行測(cè)試。引腳 3 接滑動(dòng)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。而 是為了給 AD 模塊 提供的。器件本次設(shè)計(jì)所用到的基準(zhǔn)電壓分別是 和 。他直接提供給工作電壓是 5V 的器件使用。置位 /復(fù)位信號(hào)在微處理器的控制下產(chǎn)生，置位脈沖和復(fù)位脈沖對(duì)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。 圖 41 核心 控制電路 數(shù)字羅盤(pán) 電路設(shè)計(jì) 羅盤(pán)航向電路主要包括：磁阻傳感器電路、加速度計(jì)電路、置復(fù)位電路、信號(hào)放大電路等。 羅盤(pán)航向測(cè)量電路 設(shè)計(jì) 核心控制電路的設(shè)計(jì) 作為整個(gè)設(shè)計(jì)的核心部分，微處理器負(fù)責(zé)對(duì)傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，通過(guò)姿態(tài)矩陣和誤差校正，可以得到載體的姿態(tài)參數(shù)。下層板包括電源及基準(zhǔn)電壓電路和調(diào)試板接口電路。上層板包括核心控制電路和羅盤(pán)航向測(cè)量電路。 另外 分別 重點(diǎn)講述了主要 器件的性能特性及工作原理 。范圍內(nèi)航向角精度為 ? 3176。在傾角在 60176。數(shù)字羅盤(pán)系統(tǒng)方案框圖部分介紹了系統(tǒng)包含的幾個(gè)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(jì)指標(biāo)：航向角測(cè)量范圍為 0176。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(shí)現(xiàn)。 本次設(shè)計(jì)因?yàn)橥鈬布^多， I/O 口較為緊缺，所以我們決定采用串行工作方式。這就決定的 LCD 接收數(shù)據(jù)的方式有兩種方式。A，低功耗模式： 30181。 ST7920 的主要技術(shù)參數(shù)和顯示特性如下： （ 1） 電源： VDD(－ ～＋ )＋ 5V(內(nèi)置升壓電路，一般無(wú)需負(fù)壓 )； （ 2） 功耗：正常模式： 450181。 為了能夠簡(jiǎn)單、有效地顯示漢字和圖形，該模塊內(nèi)部設(shè)計(jì)有 2MB 的中文字型CGROM 和 64256 點(diǎn)陣的 GDRAM 繪圖區(qū)域 [17][18]；同時(shí)，該模塊還提供有 4 組可編程控制的 1616 點(diǎn)陣造字空間；除此之外，為了適應(yīng)多種微處理器和單片機(jī)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 。 液晶顯示模塊 ST7920 是 臺(tái)灣矽創(chuàng)電子公司生產(chǎn)的中文圖形控制芯片，它是一種內(nèi)置1286412 漢字圖形點(diǎn)陣的液晶顯示控制模塊，用于顯示漢字及圖形。輸出電壓擺幅也包括負(fù)電源電壓，并且可達(dá)正供電軌的 1V 范圍內(nèi)。輸入共模范圍包括負(fù)電源電壓，并且在整個(gè)電源電壓范圍的正電源電壓 1 V 范圍內(nèi)。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。壓擺率超過(guò) 1V/μs。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。通常，這些基于處理器的系統(tǒng)能夠校正失調(diào)電壓和增益，但無(wú)法校正溫度漂移和噪聲。C 至+85176。OP413 額定電源電壓為 5V（單電源）和 177。 ADXL202在慣性導(dǎo)航、傾斜感應(yīng)、地震監(jiān)控及汽車(chē)保險(xiǎn)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(diǎn)使之完全可以取代傳統(tǒng)的加速度傳感器。 ADXL202傳感器的應(yīng)用方法經(jīng)過(guò)驗(yàn)證完全可行，并且能夠達(dá)到較高的測(cè)量精度。 圖 37為 DXL202加速度計(jì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖。傳感器之后級(jí)連相位檢波器，主要是用來(lái)修正信號(hào)，并對(duì)信號(hào)的方向做出判斷。 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(hào)輸出接口。 ADXL202 為單片集成電路，集成度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，內(nèi)部包含多晶硅表面微處理傳感器和信號(hào)控制電路，以實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)加速度測(cè)量結(jié)構(gòu)。 ADXL202 是 ADI 公司出品的一款雙軸加速度測(cè)量系統(tǒng)，模擬輸入，可測(cè)量動(dòng)態(tài)加速度和靜態(tài)加速度，測(cè)量范圍為 177。因此在盡量保持磁阻傳感器的同一信號(hào)的差分輸出線 平行同時(shí)，避免在這兩根線之間的區(qū)域 (ZONE)布地線。傳感器的芯片上有兩個(gè)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。 2Gauss，反應(yīng)時(shí)間小于 1us，靈敏度為 3Mv／ V178。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(cè)量安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 15 X、 Y、 Z 軸的磁場(chǎng)分量。 內(nèi)部電路如安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 14 圖 34所 示 ： 圖 34 HMC1052內(nèi)部電路 HMC1051Z實(shí)際上是 HMC1052的單軸版本， HMC1051Z是從 HMC1052派生的單橋電路，為 8pin SIP封裝， 其參數(shù)與 HMC1052相同。當(dāng)橋路加上供電電壓時(shí)，傳感器將磁場(chǎng)強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為電壓輸出。 表 31 HMC1052標(biāo)準(zhǔn)參數(shù) 參數(shù) 峰 峰值 橋電阻 引腳數(shù) 封裝類型 靈敏度 量程 數(shù)值 120 mV 2100 歐 8 SOIC mV/V/Oe 177。 90186。而 HMC1051Z 是 HMC1052的單軸版本。 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。 HMC1052 磁阻傳感器將二維或三維的高性能磁阻傳感器集中在單個(gè)的芯片上。在 開(kāi)發(fā)和應(yīng)用其 USB 技術(shù)時(shí) ， 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(shì)。C8051F320 與市場(chǎng)上同類帶 USB 接口的微處理器相比較 ， 它內(nèi)部強(qiáng)大的功能模塊大大簡(jiǎn)化了 USB 技術(shù)的開(kāi)發(fā) ， 還能很好地縮短開(kāi)發(fā)周期。 C8051F320 是一款完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)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。在這種通過(guò)交叉開(kāi)關(guān)配置的 I/O端口系統(tǒng)中 ， 單片機(jī)外部為通用 I/O 口 ， 如 P0 口、 P1 口和 P2 口。這種固定方式既占用較多引腳 ， 配置又不夠靈活。 (10)性能特點(diǎn) C8051F320 在保持 CISC 結(jié)構(gòu)及指令系統(tǒng)不變的情況下 ， 對(duì)指令運(yùn)行實(shí)行流水作業(yè) ， 推出了 CIP51 的 CPU 模式 ， 從而大大提高了指令運(yùn)行速度 ， 使8051 兼容機(jī)系列進(jìn)入了 8 位高速單片機(jī)行列。 (8)時(shí)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(shí)鐘 ， 內(nèi)置一個(gè)針對(duì) USB 控制器的片上時(shí)鐘乘法器。 (6)存儲(chǔ)器 1280 字節(jié)的內(nèi)部數(shù)據(jù) RAM(1K+256)， 16K 字節(jié)的可以在系統(tǒng)編程的Flash 閃速存儲(chǔ)器。 (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(diǎn)、單步、觀察點(diǎn)、堆棧監(jiān)視器 ， 可以觀察 /修改存儲(chǔ)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。 1LSB INL):其最大可編程轉(zhuǎn)換速率可達(dá) 200kbps，可多 可有 17 個(gè)外部輸入 ， 可編程為單端輸入或差分輸入 ， 內(nèi)置一個(gè)溫度傳感器 、二個(gè)模擬比較器 、 的內(nèi)部電壓基準(zhǔn) 和 精確的 Vdd 監(jiān)視器和欠壓檢測(cè)器。用 C8051F320 來(lái)進(jìn)行 USB 技術(shù)開(kāi)發(fā)既方便又快捷 [16]。支持?jǐn)帱c(diǎn)、單步、觀察點(diǎn)、運(yùn)行和停止等調(diào)試命令 ， 并支持存儲(chǔ)器和寄存器校驗(yàn)和修改。內(nèi)部 Flash 存儲(chǔ)器可實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)編程 ， 既可作程序存儲(chǔ)器也可作非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖 32 所示。在這種通過(guò)交叉開(kāi)關(guān)配置的 I/O 端口系統(tǒng)中，單片機(jī)外部為通用 I/O 口，如 P0 口、 P1 口和 P2 口。下面分別介紹 主要 器件的性能特性及工作原理 。范圍內(nèi)航向角精度為 ? 3176。在傾角在 60186。然后確定本系統(tǒng)