【正文】 球的南極附近。 隨著人們對(duì)指南針原理認(rèn)識(shí)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、精度以及壽命上都有一定的限制。 隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是在磁傳感器和專用芯片上的發(fā)展使指南針的基本實(shí)現(xiàn)機(jī)理有了質(zhì)的改變，不再是機(jī)械結(jié)構(gòu)而采用了磁場傳感器和專用處理器對(duì)磁場進(jìn)行測量和處理后指示方向，這就是當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的電子式指南針。 電子指南針系統(tǒng)中磁場傳感器的磁阻（ MR）技術(shù) 是 最佳的解決方法，和現(xiàn)在很多電子指南針還在使用的磁通量傳感器相比較， MR 技術(shù)不需要繞線圈而且可以用集成電路 （ IC）生產(chǎn)過程 生產(chǎn)，是一個(gè)更值得使用的解決方案。 此外，電子指南針在功能上更加人性化， 由于是采用功能性模塊，因此可以非常方便的擴(kuò)展各個(gè)功能，例如在原有的電子指南針的功能基礎(chǔ)上 還可以集成數(shù)字時(shí)鐘等擴(kuò)展功能，方便實(shí)用。但其基本構(gòu)造是沒有改變的，都是屬于機(jī)械的指針式，其指示的機(jī)械結(jié)構(gòu)基本上沒有改變，都是利用某種支撐使得磁針能夠受到地磁場的影響而自由的旋轉(zhuǎn)。由于國內(nèi)外電子技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是在磁傳感器和專用芯片（ ASIC）上的發(fā)展使能指南針的基本實(shí)現(xiàn)機(jī)理有了質(zhì)的改變，不再是機(jī)械結(jié)構(gòu)而采用了磁場傳感器和專用處理器對(duì)磁場進(jìn)行測量和處理后指示方向，這就是當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的電子式指南針。在 20 世紀(jì) 60 年代中期 ,美國的 E2systems 公司提出了基于地磁異常場等值線匹配的 MAGCOM系統(tǒng) , 70年代獲得測量數(shù)據(jù)后 ,系統(tǒng)進(jìn)行了離線實(shí)驗(yàn)。 美國目前已開發(fā)出地面和空中定位精度優(yōu)于 30m、水下定位精度優(yōu)于 500 m 的地磁導(dǎo)航系統(tǒng) ,并計(jì)劃用于 提高飛航導(dǎo)彈和巡航魚雷的命中率。 NASA God2dard 空間中心和有關(guān)大學(xué)對(duì)水下地磁導(dǎo)航進(jìn)行了研究 ,并進(jìn)行了大量的地面試驗(yàn)。 地磁場模型與地磁圖是研究 電子式指南針 制導(dǎo)技術(shù)的基礎(chǔ) ,地磁場建模和地磁 圖的精確程度是決定地磁導(dǎo)航技術(shù)是否可行的關(guān)鍵因素。電子指南針系統(tǒng)是一個(gè)典型的單片機(jī)系統(tǒng)，了解其工作原理及其信號(hào)處理流程有利于研究更加復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)，特別是系統(tǒng)中來自國外的磁傳感器及其信號(hào)的采集芯片更是有利于研究磁場傳感器的實(shí)現(xiàn)機(jī)理，以便將其更加廣泛的應(yīng)用。 其次 介紹了系統(tǒng)總控制器 單片機(jī)的相關(guān)知識(shí)和設(shè)計(jì)中需要了解的一些物理量 ，其中包括了單片機(jī)的歷史發(fā)展、分類和磁場、磁感線等，對(duì)于指南針的偏差與校正也有所介紹。 第四部分主要是介紹了系統(tǒng)的具體的硬件部分設(shè)計(jì)，其中包括了各個(gè)模塊的電路接線、接口的說明和時(shí)序圖等。此外在最后的 附錄中還附加了系統(tǒng)的主程序和各模塊的驅(qū)動(dòng)程序。單片機(jī)體積小，重量輕，抗干擾能力強(qiáng)，環(huán)境要求不高，價(jià)格低廉，可靠性高，靈活性好，開發(fā)較為容易。 單片機(jī)的歷史及發(fā)展概況 單片機(jī) 的 發(fā)展歷史可分為四個(gè)階段： 第一階段（ 1974 年 —— 1976 年）：單片機(jī)初級(jí)階段。例如，仙童公司生產(chǎn)的 F8 單片機(jī)，實(shí)際上只包括了 8 位CPU、 64B RAM 和 2 個(gè)并行口。 第二階段（ 1976 年 —— 1978 年）低性能單片機(jī)階段。 第三階段（ 1978 年 —— 現(xiàn)在）高性能單片機(jī)階段。這類單片機(jī)的典型代表是： Intel 公司的 MCS5 Motorola 公司的 6801 和 Zilog 公司的 Z8 等。 第四階段（ 1982 年 —— 現(xiàn)在） 8 位單片機(jī)鞏固發(fā)展及 16 位單片機(jī)、 32 位單片機(jī)推出階段。 16 位單片機(jī)的典型產(chǎn)品如 Intel 公司的 MCS96 系列單片機(jī)，其集成度已達(dá) 120210 管子 /片，主振為12MHz,片內(nèi) RAM 為 232B， ROM 為 8KB，中斷處理為 8 級(jí)，而且片內(nèi)帶有多通道 10位 A/D 轉(zhuǎn)換器和高速輸入 /輸出部件（ HIS/HSO），實(shí)時(shí)處理功能的能力很強(qiáng)。 青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 5 單片機(jī)的分類 單片機(jī)按照其用途可分為通用型和專用型兩大類。通用型單片機(jī)是把可開發(fā)的內(nèi)部資源，如 RAM、 ROM、 I/O 等功能部件等全部提供給用戶。通常所說的單片機(jī) 是指通用型單片機(jī)。例如，打印機(jī)、家用電器以及各種通信設(shè)備中的專用單片機(jī)等。為此，單片機(jī)芯片制造商常與產(chǎn)品廠家合作，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)專用的單片機(jī)芯片。但是，無論專用單片機(jī)在用途上有多么 “ 專 ” ，其基本結(jié)構(gòu)和工作原理都是以通用單片機(jī)為基礎(chǔ)的。 單片機(jī)的發(fā)展趨勢 單片機(jī)的發(fā)展趨勢將是向大容量、高性能化，外圍電路內(nèi)裝化等方面發(fā)展。 的改進(jìn) （ 1）采用雙 COU 結(jié)構(gòu)，以提高處理能力。 （ 3）串行總線結(jié)構(gòu)。該總線是用 2 根信號(hào)線代替現(xiàn)行的 8 位數(shù)據(jù)總線，從而大大地減少了單片機(jī)外部引線，使得單片機(jī)與外部接口電路連接簡單。 （ 1）加大存儲(chǔ)容量。有的單片機(jī)片內(nèi) ROM 容量可達(dá) 128KB。片內(nèi) EPROM 由于需要高壓（ +21V 或 +12V）編程寫入，紫外線擦抹給用戶帶來不便。片內(nèi) E2PROM 或閃爍存儲(chǔ)器的使用，大大簡化了應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。一般 EPROM 中的程序很容易被復(fù)制。加鎖后，無法讀取其中的程序，這就達(dá)到了程序的保密的目的。 （ 1）增加并行口的驅(qū)動(dòng)能力。有的單片機(jī)能直接輸出大電流和高電壓，以便能直接驅(qū)動(dòng) LED 和 VFD（熒光顯示 器）。大部分單片機(jī)的 I/O 都能進(jìn)行邏輯操作。 （ 3）有些單片機(jī)設(shè)置了一些特殊的串行接口功能，為構(gòu)成分布式、網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)提供了方便條件。這也是單片機(jī)發(fā)展的重要趨勢。 隨著集成電路技術(shù)及工藝的不斷發(fā)展，能裝入片內(nèi)的外圍電路也可以是大規(guī)模的，把所需的外圍電路全部裝入單片機(jī)內(nèi)，即系統(tǒng)的單片化是目前單片機(jī)發(fā)展趨勢之一。例如采用 CHMOS 工藝的 MCS51 系列單片機(jī) 80C31/80C51/87C51 在正常運(yùn)行（ 5V，12MHz）時(shí)，工作電流為 16mA,同樣條件下 Wait 方式工作時(shí)，工作電流則為 ，而在 Stop 方式（ 2V）時(shí)，工作電流僅為 50nA。但其位數(shù)不一定會(huì)繼續(xù)增加，盡管現(xiàn)在已經(jīng)有 32 位單片機(jī)，但是用的并不多。 此外，專用化也是單片機(jī)的一個(gè) 發(fā) 展方向，針對(duì)單一用途的 單片機(jī)將會(huì)越來越多。 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(dòng)，因而概括地說，磁場是由運(yùn)動(dòng)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(duì)論 效應(yīng)。然而，作為一個(gè)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 磁感線 的源頭，也不存在會(huì)聚 磁感線 的尾閭，磁感線 閉合表明沿 磁感線 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)。 磁感線 是閉合曲線。磁鐵周圍的 磁感線 都是從 N 極出來進(jìn)入 S 極，在磁體內(nèi)部 磁感線 從 S 極到 N 極。 電磁波以有限的速度傳播，具有可交換的能量和 動(dòng)量，電磁波與實(shí)物的相互作用，電磁波與粒子的相互轉(zhuǎn)化等等，都證明電磁場是客觀存在的物質(zhì)，它的 “特殊 ”只在于沒有靜質(zhì)量。磁場是廣泛存在的，地球，恒星 (如太陽 )，星系（如銀河系），行星、衛(wèi)星，以及星際空間和星系際空間，都存在著磁場。在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和人類生活中，處處可遇到磁場，發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、變壓器、電報(bào)、電話、收青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 8 音機(jī)以至加速器、熱核聚變裝置、電磁測量儀表等無不與磁現(xiàn)象有關(guān)。地球的磁級(jí)與地理的兩極相反。人類對(duì)于地磁場存在的早期認(rèn)識(shí)，來源于天然磁石和磁針的指極性。 磁針的指極性是由于地球的北磁極（磁性為 S 極）吸引著磁針的 N 極，地球的南磁極（磁性為 S 極）吸引著磁針的 N 極。吉伯所作出的地磁場來源于 地球本體的假定是正確的。 地磁的磁感線和地理的經(jīng)線是不平行的，它們之間的夾角叫做 磁偏角 。 地磁場是一個(gè)向量場。常用的地磁要素有 7 個(gè)，即地磁場總強(qiáng)度 F，水平強(qiáng)度 H，垂直強(qiáng)度 Z， X 和 Y分別為 H 的北向和東向分量， D 和 I 分別為磁偏角和 磁傾角 。在現(xiàn)代的地磁場觀測中，地磁臺(tái)一般只記錄 H， D， Z 或 X， Y， Z。地磁場強(qiáng)度 的單位過去通常采用伽馬（ γ），即 1 納特斯拉。地磁場雖然很弱，但卻延伸到很遠(yuǎn)的空間，保護(hù)著地球上的生物和人類，使之免受宇宙輻射的侵害?；敬艌鍪堑卮艌龅闹饕糠郑鹪从诘厍騼?nèi)部，比較穩(wěn)定，變化非常緩慢。 地球的基本磁場可分為偶極子磁場、非偶極 子磁場和地磁異常幾個(gè)組成部分。非偶極子磁場主要分布在亞洲東部、非洲西部、南大西洋和南印度洋等幾個(gè)地域，平均強(qiáng)度約占地磁場的 10％。 地球變化磁場可分為平靜變化和干擾變化兩大類型。干擾變化包括磁暴、地磁亞暴、太陽擾日變化和地磁脈動(dòng)等，場源是太陽粒子輻射同地磁場相互 作用在磁層和電離層中產(chǎn)生青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 9 的各種短暫的電流體系。其他幾種干擾變化主要分布在地球的極光區(qū)內(nèi)。內(nèi)源場是由外源場在地球內(nèi)部感應(yīng)出來的電流所產(chǎn)生的。根據(jù)變化磁場的內(nèi)、外場相互關(guān)系，可以得出地球內(nèi)部電導(dǎo)率的分布。 地球變化磁場既和磁層、電離層的電磁過程相聯(lián)系，又和地殼上地幔的電性結(jié)構(gòu)有關(guān)，所以在空間物理學(xué)和固體地球物 理學(xué)的研究中都具有重要意義。磁針指向的是地球磁極而不是地理的南北極，這樣磁針指的就不是正南、正北方向而略有偏差，這個(gè)角度就叫磁偏角。不同地點(diǎn)的磁偏角和磁傾角都是不相同的。 電子指南針的偏差 電子指南針 運(yùn)用磁阻技術(shù)，而且具有體積小 、精度高、穩(wěn)定性好、價(jià)格低等特點(diǎn)，是理想的導(dǎo)航元件。 傳感器偏移補(bǔ)償 在磁場強(qiáng)度為 15A/m（地球磁場最小值），傳感器靈敏度為典型值 80mV/(KA/m)（ Vcc=5V）的條件下， 指南針模塊 的輸出幅度約為 ；而 Vcc=5V 時(shí)，由于指南針模塊 本身偏差及溫度漂移的影響，最大偏差電壓可達(dá)到 177。 應(yīng)用 “跳轉(zhuǎn)技術(shù) ”可以消除偏移，即在 指南針模塊 的置位 /復(fù)位線圈中通上正負(fù)脈沖電流，傳感器的特性和輸出信號(hào)就會(huì)周期地反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)傳感器信號(hào)的幅值包含了需要的磁場信號(hào)，而傳感器偏移是一個(gè)純直流信號(hào)，通過放大級(jí)中的高通濾波器，可以除去這一直流信號(hào)，同時(shí)消除偏差和溫漂造成的偏移。在圖 21 設(shè)計(jì)的電路圖中，運(yùn)用 MAX392 模擬開關(guān)來實(shí)現(xiàn)正負(fù)脈沖電路，它的四路開關(guān)可以同時(shí)控制 兩路通道，使兩路通道具有更好的一致性；運(yùn)用達(dá)林頓管，可以使正負(fù)電流脈沖時(shí)間非常短，幅度達(dá)到 1A，滿足了對(duì)電流脈沖的要求。干涉磁場對(duì)指南針的影響可以由圖 22（指南針旋轉(zhuǎn) 360 度 時(shí)， SCU 輸出信號(hào) VyVx 圖）進(jìn)行估計(jì)?；镜膬煞N干涉磁場是 “硬鐵效應(yīng) ”和 “軟鐵效應(yīng) ”， “硬鐵效應(yīng) ”是由與指南針固定位置的磁體產(chǎn)生的，在測試圖中表現(xiàn)為圓心移動(dòng)到（ Hix,Hiy） ,Hix 和 Hiy 是干涉磁場的分量；含鐵金屬對(duì)地球磁場的影響表現(xiàn)為 “軟鐵效應(yīng) ”，在測試圖中表現(xiàn)為圓的變形。 青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 11 圖 22 補(bǔ)償前輸出信號(hào)圖 如果忽略軟鐵效應(yīng)（倘若指南針附近沒有 鐵性材料，軟鐵效應(yīng)是非常微弱的），可以用 “雙向校正 ”法校正。 圖 23 補(bǔ)償后輸出信號(hào)圖 青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 12 圖 2圖 23 是 “硬鐵效應(yīng) ”補(bǔ)償前后兩組數(shù)據(jù)的仿真圖，補(bǔ)償前圖形大致以（ ,）為圓心（ 圖 22），補(bǔ)償后圖形基本上是以（ ， ）為中心（圖 23），“硬鐵效應(yīng) ”得到補(bǔ)償。指南針的基本任務(wù)就是測量磁場北極（圖中的 Heh，即地球磁場的水平分量）與前進(jìn)方向的夾角（方位角 α）， 上圖 可知： α是從磁場的北極順時(shí)針計(jì)算的；磁傾角 δ 是地球磁場向量與水平面的夾角；磁偏角 λ 是地理北極與磁場北極間的夾角 ， 它與地球的實(shí)際位置有關(guān)。 此外，由于地球是球體， 指南針受磁場的影響會(huì)指向地面而不是指向水平方向，此時(shí)水平方向與磁針的真實(shí)指向也會(huì)存在一個(gè)被稱為磁傾角的誤差角度，因此，對(duì)所測量的結(jié)果再進(jìn)行磁傾角的補(bǔ)償，所得到的結(jié)果才會(huì)更加的準(zhǔn)確。 圖 32 系統(tǒng)總框圖 整個(gè)系統(tǒng)中前端的磁阻傳感器負(fù)責(zé)測量地磁場的大小并將磁場的變化轉(zhuǎn)化為微弱的電流的變化，專用的磁場測量芯片負(fù)責(zé)把磁阻傳感器變化的電流（模擬量）轉(zhuǎn)換成微控制器可以識(shí)別的數(shù)字量，然后通過芯片內(nèi)部的總線上傳給微控制器。 同時(shí)可以通過鍵盤控制微控制器進(jìn)行相應(yīng)的操作，如進(jìn)行磁場校準(zhǔn)， 磁偏角 補(bǔ)償 ，實(shí)時(shí)時(shí)鐘的調(diào)整 等 。同時(shí)在系統(tǒng)的放置和校正中，應(yīng)該注意要盡量遠(yuǎn)離強(qiáng)磁源和 各種鐵性材質(zhì)的物質(zhì)。 常用 指南針芯片簡介 一維磁阻微電路芯片 HMC1052 感應(yīng)磁場 HMCI052 是一個(gè)雙軸線性磁傳感器，象其它 HMC10XX 系列傳感器，每個(gè)傳感器都有一個(gè)由磁阻薄膜合金組成的惠斯通橋。 HMC1052 包含兩個(gè)敏感元件 ,它們的敏感軸互相垂直。 HMC1052 的尺寸小，低工作電壓，而且消除了兩個(gè)敏感元件引起的非正交誤差。敏感元件 A 和 B,都有這兩個(gè)帶。偏置帶，用于校正傳感器，或偏 置任何不想要的磁場。然而，卻不能使用偏置帶。 圖 33 HMC1052 外部接線圖 青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 16 霍尼韋爾 HMC1022 各向異性磁阻傳感電路 可實(shí)現(xiàn)小型和低成本羅盤電路設(shè)計(jì)。 一個(gè)羅盤線路在與一個(gè)包括有雙模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ ADC）輸入裝置的微控制器結(jié)合