【正文】 業(yè)設(shè)計(jì)說明書 目 錄 1前言 ............................................................ 3 2地磁場 .......................................................... 4 3電子指南針需要測試的量 ............................................ 6 ................................................... 6 ......................................................................................... 6 ......................................................................................... 7 ................................................................................................ 7 .................................................................................. 7 方位角 ................................................................................................ 7 及橫滾角 .................................................................................. 8 ......................................................................................... 8 ........................................................................... 8 ........................................................................ 9 4核心傳感器的選擇與比較 ........................................... 11 ：利用一維磁阻微電路芯片 HMC1052 感應(yīng)磁場 ................................. 11 ：用霍尼韋爾 HMC1022 各向異性磁阻傳感電路感應(yīng)磁場 ................... 12 ：使用 Philips 公司生產(chǎn)的 KMZ52/KMZ51感應(yīng)磁場 ......................... 12 5使用 KMZ52和 KMZ51設(shè)計(jì)三維電子指南針的設(shè)計(jì)方案 ...................... 14 .............................................................................................. 14 ........................................................................................... 15 .................................................................................... 15 ........................................................... 21 A/D轉(zhuǎn)換模塊 .................................................................................... 24 LED顯示模塊 .................................................................................... 24 ..................................................................................................... 25 KMZ52/KMZ51 ......................................................................... 25 加速度傳感器 ADXL203...................................................................... 29 運(yùn) 算放大器 ....................................................................................... 30 AD轉(zhuǎn)換器 MAX155 ............................................................................. 32 微處理器 8051 .................................................................................. 33 6軟件設(shè)計(jì) ........................................................ 35 系統(tǒng)主流程 ................................................................................................... 35 7總結(jié)與體會 ...................................................... 36 8謝辭 ........................................................... 37 9參考文獻(xiàn) ........................................................ 38 10附錄 .......................................................... 39 第 2頁 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 附錄一：系統(tǒng)電路圖 .......................................................................................... 39 附錄二： AD 轉(zhuǎn)換程序及 LED 顯示程序 ................................................................ 41 附錄三：英文文獻(xiàn) .............................................................................................. 47 第 3頁 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 1 前言 指南針是我國的四大發(fā)明之一，是一種利用地磁實(shí)現(xiàn)定向功能的裝置，為世界文化的發(fā)展作出了巨大的貢獻(xiàn)。隨著人們對指南針原理認(rèn)識的不斷深入，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。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， 舊的機(jī)械式指南針已經(jīng)不能滿足人們的需要。電子指南針采用固 態(tài)的元器 件，因此具有極高的精度，能最大限度的減小誤差，同時使用圖形顯示 和數(shù)字顯示的方法，能方便直觀的顯示出用戶所需要的方位信息。與傳統(tǒng)的自主慣性導(dǎo)航設(shè)備相比，磁電子羅盤具有體積小、成本低、無累計(jì)誤差、能夠自動尋北等特點(diǎn)。并且能夠?qū)﹄s散磁場進(jìn)行補(bǔ)償，輸出電信號．可方便地與其他電子設(shè)備組成應(yīng)用系統(tǒng)。磁體周圍存在磁場，磁體間的相互 作用就是以磁場作為媒介的。由于磁體的磁性來源于電流，電流是電荷的運(yùn)動，因而概括地說，磁場是由運(yùn)動電荷或變化電場產(chǎn)生的。而現(xiàn)代理論則說明，磁力是電場力的相對論效應(yīng)。然而， 作為一個矢量場，磁場的性質(zhì)與電場頗為不同。換言之，在磁場中不存在發(fā)出磁力線的源頭， 也不存在會聚磁力線的尾閭，磁力線閉合表明沿磁力線的環(huán)路積分不為零， 即磁場是有旋場而不是勢場（保守場），不存在類似于電勢那樣的標(biāo)量函數(shù)。地磁學(xué)的主要研究對象。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。這個解釋最初是英國 1600 年提出的。這已為 1839 年德國數(shù)學(xué)家 .高斯首次運(yùn)用球諧函數(shù)分析法所證實(shí)。 中國古代的著名科學(xué)家沈括是第一個注意到磁偏角現(xiàn)象的科學(xué)家。描述空間某一點(diǎn)地磁場的強(qiáng)度和方向，需要 3 個獨(dú)立的地磁要素。其中以磁偏角的觀測歷史為最早。近地空間的地磁場，像一個均勻磁化球體的磁場，其強(qiáng)度在地面兩極 附近還不到 1 高斯，所以地磁場是非常弱的磁場。 1960 年決定采用特斯拉作為國際測磁單位， 1 高斯＝ 10^(4)特斯拉（ T）， 1 伽馬＝ 10^(9)特斯拉＝ 1 納特斯拉（ nT），簡稱納特。地磁場包括基本磁場和變化磁場兩個 第 5頁 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 部分，它們在成因上完全不同。變化磁場包括地磁場的各種短期變化，主要起源于地球外部，并且很微弱。偶極子磁場是地磁場的基本成分，其強(qiáng)度約占地磁場總強(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)過程，即自激發(fā)電機(jī)效應(yīng)。 圖 2地磁場 第 6頁 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 3 電子指南針需要測試的量 姿態(tài)角 以及 用到的坐標(biāo)系簡介 習(xí)慣 上，討論一個物體相對于另一個物體運(yùn)動，必須具有與兩個物體相關(guān)聯(lián)的參考坐標(biāo)系才能確定其位置。 地理坐標(biāo)系 原點(diǎn)在地球 的重心， xt 軸指向東， yt 軸指北， zt 軸沿垂線指向天，通常稱東北天坐標(biāo)系。 圖 地理坐標(biāo)系 第 7頁 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 機(jī)體坐標(biāo)系 機(jī)體坐標(biāo)系是固連在機(jī)體上的，其原點(diǎn)在運(yùn)動體的重心， yb軸指向運(yùn)動體縱軸向前， xb 軸指向機(jī)翼右方， zb 軸垂直 Oxbyb 平面向上。 姿態(tài)角 （ 1）繞垂直軸 OZt轉(zhuǎn)動 α 角（方位角 ），到達(dá)新系 )(t1)。 （ 3）最后，繞 OYt2 軸轉(zhuǎn)動 ρ （ 橫 滾角），到達(dá)機(jī)體系 （ b 系）。 方位角是三維電子指南針?biāo)饕獪y定顯示的角。（ 360176。南為 180176。 第 8頁 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 俯仰角及橫滾角 當(dāng)電子指南針非水平放置時，指南針的方位角將出現(xiàn)偏差，此時需要使用加速度傳感器對偏差進(jìn)行修正。 圖 角的計(jì)算方法 當(dāng)指南針?biāo)椒胖脮r 圖 水平放置的 指南針方位角 示意圖 第 9頁 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 He 為磁場向量，根據(jù)方位角的定義可知： X軸與磁北極的夾角為方位角， 由圖 幾何分析可得：方位角 = arctan（ Heh 在 Y的磁場分量 /Heh 在 X軸的磁場分量）即： α =arctan(Hey/Hex)。 當(dāng)指南針位于第二象限時為方位角為東偏南α。 當(dāng)指南針位于第四象限時為方位角為西偏北α。 90176。 270176。 當(dāng)指南針非水平放置時 當(dāng)指南針非水平放置時，如果套用上述公式則會造成方位角的計(jì)算偏差，此時需要對電子指南針的傾斜角進(jìn)行補(bǔ)償 根據(jù)圖 式 方位角 = arctan（ Heh 在 Y的磁場分量 /Heh 在 X 軸的磁場分量）可得： * c os * si n si n * c os si nH e x H x c H y c H zc? ? ? ? ?? ? ? （ 1） * c os * si nH e y H y c H zc???? (2） 其中 φ 角 為 俯仰角，ρ 角為橫滾角， 可由加速度傳感器測得。由公式 1和公式 2分析，當(dāng)指南針?biāo)椒胖脮rφ角和 ρ 角均為 0176。 傾斜補(bǔ)償 當(dāng)指南針非水平放置時，將會產(chǎn)生傾斜誤差，誤差值基 于指南針?biāo)谖恢玫卮艌龅拇艃A角 δ，下圖是磁傾角誤差各個角的關(guān)系圖。時， Y 軸則為南北方向， X 軸為東西方向，因此，如果 ? =0176。當(dāng)南北方向的傾斜角為 0176。這個誤差角為ε。 第 11頁 西華大