目錄1前言32地磁場(chǎng)43電子指南針需要測(cè)試的量631導(dǎo)航系統(tǒng)中的姿態(tài)角以及用到的坐標(biāo)系簡(jiǎn)介6311地理坐標(biāo)系6312機(jī)體坐標(biāo)系7313姿態(tài)角732電子指南針中測(cè)量的角7321方位角7322俯仰角及橫滾角833方位角的計(jì)算方法8331當(dāng)指南針?biāo)椒胖脮r(shí)8331當(dāng)指南針非水平放置時(shí)94核心傳感器的選擇與比較1141選擇一利用一維磁阻微電路芯片HMC1052感應(yīng)磁場(chǎng)1141選擇二用霍尼韋爾HMC1022各向異性磁阻傳感電路感應(yīng)磁場(chǎng)1243選擇三使用PHILIPS公司生產(chǎn)的KMZ52/KMZ51感應(yīng)磁場(chǎng)125使用KMZ52和KMZ51設(shè)計(jì)三維電子指南針的設(shè)計(jì)方案1451系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)1452各模塊功能設(shè)計(jì)15521信號(hào)調(diào)節(jié)模塊15522俯仰角及橫滾角測(cè)量模塊21523A/D轉(zhuǎn)換模塊24524LED顯示模塊2453硬件介紹25531傳感器KMZ52/KMZ5125532加速度傳感器ADXL20329533運(yùn)算放大器30534AD轉(zhuǎn)換器MAX15532535微處理器8051336軟件設(shè)計(jì)3561系統(tǒng)主流程357總結(jié)與體會(huì)368謝辭379參考文獻(xiàn)3810附錄39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)471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(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)在的便攜式的指南針。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(chǎng)的影響而自由的旋轉(zhuǎn)。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。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(chǎng)傳感器和專用處理器對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)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(shí)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。電子指南針在移動(dòng)方面有著重要的應(yīng)用價(jià)值。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(dòng)尋北等特點(diǎn)。與常規(guī)的指針型羅盤相比，磁電子羅盤在抗沖擊性、抗震性等方面性能良好。并且能夠?qū)﹄s散磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，輸出電信號(hào)可方便地與其他電子設(shè)備組成應(yīng)用系統(tǒng)。2地磁場(chǎng)磁場(chǎng)是一種看不見，而又摸不著的特殊物質(zhì)。磁體周圍存在磁場(chǎng)，磁體間的相互作用就是以磁場(chǎng)作為媒介的。電流、運(yùn)動(dòng)電荷、磁體或變化電場(chǎng)周圍空間存在的一種特殊形態(tài)的物質(zhì)。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(chǎng)是由運(yùn)動(dòng)電荷或變化電場(chǎng)產(chǎn)生的。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。而現(xiàn)代理論則說明，磁力是電場(chǎng)力的相對(duì)論效應(yīng)。與電場(chǎng)相仿，磁場(chǎng)是在一定空間區(qū)域內(nèi)連續(xù)分布的矢量場(chǎng)，描述磁場(chǎng)的基本物理量是磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量B，也可以用磁感線形象地圖示。然而，作為一個(gè)矢量場(chǎng)，磁場(chǎng)的性質(zhì)與電場(chǎng)頗為不同。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)，都是無源有旋的矢量場(chǎng)，磁力線是閉合的曲線族，不中斷，不交叉。換言之，在磁場(chǎng)中不存在發(fā)出磁力線的源頭，也不存在會(huì)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(chǎng)是有旋場(chǎng)而不是勢(shì)場(chǎng)（保守場(chǎng)），不存在類似于電勢(shì)那樣的標(biāo)量函數(shù)。地磁場(chǎng)是從地心至磁層頂?shù)目臻g范圍內(nèi)的磁場(chǎng)。地磁學(xué)的主要研究對(duì)象。人類對(duì)于地磁場(chǎng)存在的早期認(rèn)識(shí)，來源于天然磁石和磁針的指極性。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。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。這個(gè)解釋最初是英國W吉伯于1600年提出的。吉伯所作出的地磁場(chǎng)來源于地球本體的假定是正確的。這已為1839年德國數(shù)學(xué)家CF高斯首次運(yùn)用球諧函數(shù)分析法所證實(shí)。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。中國古代的著名科學(xué)家沈括是第一個(gè)注意到磁偏角現(xiàn)象的科學(xué)家。地磁場(chǎng)是一個(gè)向量場(chǎng)。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。常用的地磁要素有7個(gè)，即地磁場(chǎng)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。其中以磁偏角的觀測(cè)歷史為最早。在現(xiàn)代的地磁場(chǎng)觀測(cè)中，地磁臺(tái)一般只記錄H，D，Z或X，Y，Z。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)強(qiáng)度的單位過去通常采用伽馬（），即1納特斯拉。1960年決定采用特斯拉作為國際測(cè)磁單位，1高斯104特斯拉（T），1伽馬109特斯拉1納特斯拉（NT），簡(jiǎn)稱納特。地磁場(chǎng)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。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?。基本磁?chǎng)是地磁場(chǎng)的主要部分，起源于地球內(nèi)部，比較穩(wěn)定，變化非常緩慢。變化磁場(chǎng)包括地磁場(chǎng)的各種短期變化，主要起源于地球外部，并且很微弱。地球的基本磁場(chǎng)可分為偶極子磁場(chǎng)、非偶極子磁場(chǎng)和地磁異常幾個(gè)組成部分。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)過程，即自激發(fā)電機(jī)效應(yīng)。圖2為地磁場(chǎng)簡(jiǎn)易分布圖。圖2地磁場(chǎng)3電子指南針需要測(cè)試的量31導(dǎo)航系統(tǒng)中的姿態(tài)角以及用到的坐標(biāo)系簡(jiǎn)介習(xí)慣上，討論一個(gè)物體相對(duì)于另一個(gè)物體運(yùn)動(dòng)，必須具有與兩個(gè)物體相關(guān)聯(lián)的參考坐標(biāo)系才能確定其位置。對(duì)于在地球表面附近運(yùn)動(dòng)的載體，不論是飛機(jī)、艦船還是車輛，知道它們相對(duì)地球的地理位置和相對(duì)于地理坐標(biāo)系的首向角及水平姿態(tài)角是最重要的，因此必須在運(yùn)動(dòng)物體上獲得一個(gè)地理坐標(biāo)系或一個(gè)慣性坐標(biāo)系。311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。對(duì)于地理坐標(biāo)系還有不同的取法，如北西天、北東地等坐標(biāo)系指向不同僅僅影響某一矢量在坐標(biāo)系中求取投影分量的正負(fù)號(hào)不同而已。圖311地理坐標(biāo)系312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(dòng)體的重心，YB軸指向運(yùn)動(dòng)體縱軸向前，XB軸指向機(jī)翼右方，ZB軸垂直O(jiān)XBYB平面向上。機(jī)體坐標(biāo)系相對(duì)地理坐標(biāo)系的方位為飛行器的姿態(tài)和航向。312機(jī)體坐標(biāo)系313姿態(tài)角（1）繞垂直軸OZT轉(zhuǎn)動(dòng)角（方位角），到達(dá)新系T1。（2）在繞OXT1軸轉(zhuǎn)動(dòng)角（俯仰角），到T2系。（3）最后，繞OYT2軸轉(zhuǎn)動(dòng)（橫滾角），到達(dá)機(jī)體系（B系）。32電子指南針中測(cè)量的角321方位角地磁北極和前進(jìn)方向之間的夾角，地磁北極的方向?yàn)镠EH的方向。方位角是三維電子指南針?biāo)饕獪y(cè)定顯示的角。本設(shè)計(jì)基于順時(shí)針方向的，北為0（360），東為90，南為180，西為270。322俯仰角及橫滾角當(dāng)電子指南針非水平放置時(shí)，指南針的方位角將出現(xiàn)偏差，此時(shí)需要使用加速度傳感器對(duì)偏差進(jìn)行修正。與X軸的夾角稱為俯仰角（PITCH），與Y軸的夾角稱為橫滾角（ROLL）。圖322非水平放置的電子指南針33方位角的計(jì)算方法331當(dāng)指南針?biāo)椒胖脮r(shí)圖33水平放置的指南針方位角示意圖HE為磁場(chǎng)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33幾何分析可得方位角ARCTAN（HEH在Y的磁場(chǎng)分量/HEH在X軸的磁場(chǎng)分量）即ARCTANHEY/HEX。當(dāng)方位角處于不同的四個(gè)象限時(shí)，表示方法如下圖圖321處于不同象限方位角的計(jì)算方法當(dāng)指南針位于第一象限時(shí)為方位角為北偏東。當(dāng)指南針位于第二象限時(shí)為方位角為東偏南。當(dāng)指南針位于第三象限時(shí)為方位角為南偏西。當(dāng)指南針位于第四象限時(shí)為方位角為西偏北。分別為0，90，180，270時(shí)對(duì)應(yīng)北東南西四個(gè)方向。331當(dāng)指南針非水平放置時(shí)1、當(dāng)指南針非水平放置時(shí)，如果套用上述公式則會(huì)造成方位角的計(jì)算偏差，此時(shí)需要對(duì)電子指南針的傾斜角進(jìn)行補(bǔ)償根據(jù)圖322圖33以及方位角計(jì)算公式方位角ARCTAN（HEH在Y的磁場(chǎng)分量/HEH在X軸的磁場(chǎng)分量）可得COSSINCOSINHEXHYZ（1）SSIYZ2）其中角為俯仰角，角為橫滾角，可由加速度傳感器測(cè)得。HXC，HYC，HZC分別為指南針傾斜放置時(shí)磁場(chǎng)向量在傳感器坐標(biāo)系OXYZ上的磁場(chǎng)分量，可由磁阻傳感器KMZ52/KMZ51測(cè)得。由公式1和公式2分析，當(dāng)指南針?biāo)椒胖脮r(shí)角和角均為0，可得HEXHXC，HEYHYC，和水平放置時(shí)所得的方位角計(jì)算公式是相符合的。2、傾斜補(bǔ)償當(dāng)指南針非水平放置時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生傾斜誤差，誤差值基于指南針?biāo)谖恢玫卮艌?chǎng)的磁傾角，下圖是磁傾角誤差各個(gè)角的關(guān)系圖。為了簡(jiǎn)化論述，假設(shè)XY坐標(biāo)面與地球表面平行，假設(shè)傾斜角0時(shí)，Y軸則為南北方向，X軸為東西方向，因此，如果0時(shí)磁場(chǎng)HE的水平分量就只有Y軸的分量，指南針正確的指向北方，當(dāng)在南北方向存在傾斜時(shí)，HE的水平分量很大但是仍然會(huì)指向北方。當(dāng)南北方向的傾斜角為0時(shí)，就會(huì)在在東西方向存在一個(gè)傾斜角。這個(gè)誤差角為。圖312傾斜誤差補(bǔ)償?shù)母鱾€(gè)角的關(guān)系圖由圖可以分析得到傾斜誤差角最大值的計(jì)算公式（3）一個(gè)經(jīng)典的避免傾斜誤差的方法是將指南針放入液體中，因?yàn)橐后w使指南針因?yàn)橹亓Φ脑蚨幱谒轿恢?，這就是經(jīng)常提到的平衡環(huán)，但是這里并沒有為指南針提供液體掩護(hù)，可以通過電子的平衡來補(bǔ)償傾斜誤差，那么需要使用使用傳感器元件。4核心傳感器的選擇與比較41選擇一利用一維磁阻微電路芯片HMC1052感應(yīng)磁場(chǎng)HMCI052是一個(gè)雙軸線性磁傳感器，像其它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。當(dāng)橋路加上供電電壓，傳感器將磁場(chǎng)強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為電壓輸出，包括環(huán)境磁場(chǎng)和測(cè)量磁場(chǎng)。HMC1052包含兩個(gè)敏感元件,它們的敏感軸互相垂直。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。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。除了惠斯通電橋，HMCI052有兩個(gè)位于芯片上的磁耦合帶；偏置帶和置位/復(fù)位帶。敏感元件A和B,都有這兩個(gè)帶。置位/復(fù)位帶，用于確保精度。偏置帶，用于校正傳感器，或偏置任何不想要的磁場(chǎng)。在標(biāo)準(zhǔn)的10針外形MSOP中，兩個(gè)敏感元件可以獨(dú)立上電，用于減少功耗。然而，卻不能使用偏置帶。若需要偏置帶，可以用另一種封裝的HMCI052。圖41是該傳感器的結(jié)構(gòu)圖。圖41HMC105241選擇二用霍尼韋爾HMC1022各向異性磁阻傳感電路感應(yīng)磁場(chǎng)可實(shí)現(xiàn)小型和低成本羅盤電路設(shè)計(jì)。該參考設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)是針對(duì)那些希望采用現(xiàn)成的模擬和數(shù)字元件就能取得主要的羅盤功能的產(chǎn)品開發(fā)者設(shè)計(jì)的。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)合后，可以與HMC1052雙軸傳感器、低壓雙運(yùn)算放大器以及少量常用的離散元件組裝在一起。雖然這不是一個(gè)完全的三軸傾斜補(bǔ)償?shù)牧_盤設(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)或用戶的校平系統(tǒng)，如手表等。圖42為HMC1022原理圖圖42HMC1022原理圖43選擇三使用PHILIPS公司生產(chǎn)的KMZ52/KMZ51感應(yīng)磁場(chǎng)KMZ52是PHILIPS公司生產(chǎn)的一種磁阻傳感器，是利用坡莫合金薄片的阻效應(yīng)測(cè)量磁場(chǎng)的高靈敏度磁阻傳感器。該磁阻傳感器內(nèi)置兩個(gè)正交磁敏電阻橋、完整的補(bǔ)償線圈和設(shè)置復(fù)位線圈。補(bǔ)償線圈的輸出與當(dāng)前測(cè)量結(jié)果形成閉環(huán)反饋，使傳感器的靈敏度不受地域限制。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)。該磁阻傳感器在金屬鋁的表面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(chǎng)兩個(gè)力的作用下，電子改變運(yùn)動(dòng)方向，使得磁敏電阻的阻值發(fā)生變化。同時(shí)KMZ52的斑馬條電阻成45放置，這使得電子在正反向磁場(chǎng)力作用下有較好的對(duì)稱性。由于加入了翻轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，KMZ52的變化曲線與普通的磁敏電阻不同，加線性化。KMZ52磁阻傳感器的核心部分是惠斯通電橋，是由4個(gè)磁敏感元件組成的磁阻橋臂。磁敏感元件由長而薄的坡莫合金薄膜制成。在外加磁場(chǎng)的作用下，磁阻的變化引起輸出電壓的變化。KMZ51內(nèi)部只有一個(gè)電阻橋。圖43為KMZ52內(nèi)部電路圖，圖431為KMZ51內(nèi)部電路圖。圖43KMZ52電路圖圖431KMZ51電路圖綜上所訴，采用KMZ52/KMZ51設(shè)計(jì)三維電子指南針。5使用KMZ52和KMZ51設(shè)計(jì)三維電子指南針的設(shè)計(jì)方案51系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)三維電子指南針的核心元件是KMZ51/KMZ52，采用這兩個(gè)磁阻傳感器以及加速度傳感器測(cè)得的俯仰角和橫滾角一起測(cè)得指南針非水平放置時(shí)磁場(chǎng)向量在X,Y,Z軸上的磁場(chǎng)分量HXC、HYC、HZC，并通過補(bǔ)償線圈和翻轉(zhuǎn)線圈消除信號(hào)的偏移和溫度的敏感漂移。最后輸出電壓值，將電壓值和加速度傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)經(jīng)運(yùn)算放大器放大后交由微處理器處理，并顯示在LED上，系統(tǒng)模塊如下圖所示KMZ52KMZ51（測(cè)量XYZ軸的磁場(chǎng)分量）加速度傳感器（測(cè)量俯仰角和橫滾角）運(yùn)算放大器VY微處理器A/D轉(zhuǎn)換橫滾角俯仰角LED顯示VXVZ5V電源信號(hào)調(diào)節(jié)模塊模塊1產(chǎn)生周期性的翻轉(zhuǎn)脈沖電流驅(qū)動(dòng)翻轉(zhuǎn)線圈模塊2功能放大翻轉(zhuǎn)后的傳感器信模塊3其功能是電壓偏置的補(bǔ)償模塊4為同步整流器模塊5為積分控制器，與6一起驅(qū)動(dòng)補(bǔ)償線圈模塊6為補(bǔ)償線圈驅(qū)動(dòng)5V電源圖51三維電子指南針系統(tǒng)模塊52各模塊功能設(shè)計(jì)521信號(hào)調(diào)節(jié)模塊該模塊的功能是測(cè)量磁場(chǎng)分量HXC、HYC、HZC，然后得到輸出電壓輸出到運(yùn)算放大器。該模塊的另一重要功能則是信號(hào)調(diào)理。信號(hào)調(diào)理只要依靠傳感器內(nèi)部的翻轉(zhuǎn)線圈及補(bǔ)償線圈實(shí)現(xiàn)，按照最微弱的地磁場(chǎng)強(qiáng)度為大致為15A/M，傳感器的典型的靈敏度為80MV/（KA/M）（當(dāng)電源電壓為5V時(shí)），傳感器此時(shí)的輸出電壓大約為12MV，KMZ52/KMZ51有一個(gè)最大大為為15MV的偏置電壓和一個(gè)大約為3UV/（V/K）的漂移偏置電壓，當(dāng)VCC5V時(shí)，由于KMZ52本身偏差及溫度漂移的影響，最大偏差電壓可達(dá)到75MV，最大溫度漂移電壓為15MV，都比傳感器輸出電壓12MV高很多，所以指南針系統(tǒng)的內(nèi)部偏移補(bǔ)償是很重要的。根據(jù)電子指南針精度的設(shè)計(jì)要求，信號(hào)調(diào)節(jié)模塊需要解決以下三個(gè)問題（1）信號(hào)調(diào)節(jié)模塊的輸出電壓偏置VOX，VOY。該偏置是由于傳感元件和相連接的運(yùn)算放大器造成的，傳感器元件的偏置由元件中的四個(gè)磁敏電阻的公共誤差和溫度漂移造成，因此在沒有加電源電壓的情況下傳感器的輸出電壓偏移了0V開始輸出。偏置電壓的幅度大約在08，振幅比為1則會(huì)引起08的方位角誤差。（2）X軸和Y軸之間的靈敏度差異造成的，該靈敏度的差異由公差和溫度的漂移造成。該誤差大約為03，也就是/S為1時(shí)將為引起03的方位角誤差。（3）由于封裝公差，傳感器真正的角位移從正交的90偏移了角。即下圖中DIE1與DIE2的非正交性偏移為時(shí)。1的非正交性偏移會(huì)引起1的方位角誤差。KMZ52的非正交性誤差為2，將會(huì)引起2的方位角誤差。圖5221非正交性偏移角公式4給出了這些加入這些誤差因素后的角位置計(jì)算公式，根據(jù)HEX、HEY正比于VX、VY可得公式（4）（4）關(guān)于以上3個(gè)誤差的消除（1）偏置電壓的補(bǔ)償應(yīng)用“翻轉(zhuǎn)技術(shù)”可以消除偏移，即在KMZ52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(chǎng)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)消除偏差和溫度漂移造成的偏移。圖521是翻轉(zhuǎn)電路原理框圖。圖5211翻轉(zhuǎn)電路原理框圖圖5211是翻轉(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)后得到的原來信號(hào)。圖5212翻轉(zhuǎn)技術(shù)的波形圖由上圖可知放大后的傳感器信號(hào)電壓值VX,Y1/2（VPVN），電壓偏移值VO1/2（VPVN），送入到微處理器的翻轉(zhuǎn)后電壓值VX,YVPVO。（2）X軸Y軸靈敏度差異補(bǔ)償在一個(gè)給定的溫度下，當(dāng)指南針旋轉(zhuǎn)時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)X軸、Y軸的輸出電壓擺幅VX,PPVY,PP并使之相等來獲得補(bǔ)償。輸出電壓擺幅比率VY,PP/VX,PP等于靈敏度比率SY/SXSS/S，VY校正后殼得到公式4（5）為了避免溫度造成的影響而獲得高精度的電子指南針，傳感器的溫度漂移必須得到補(bǔ)償，下圖給出了在不同的溫度下磁阻傳感器的電壓偏移特性。圖5213磁阻傳感器溫度漂移特性由圖可知，溫度漂移可以通過控制傳感器的0點(diǎn)來補(bǔ)償，所以，通過磁阻傳感器的干擾磁場(chǎng)必須通過等強(qiáng)度極性相反的磁場(chǎng)來抵消以獲得補(bǔ)償，這種技術(shù)稱為電磁反饋技術(shù)（ELECTROMAGNETICFEEDBACK）。事實(shí)上，這個(gè)補(bǔ)償磁場(chǎng)可以通過在傳感器周圍的安裝合適的線圈來產(chǎn)生，PHILIPS公司的磁阻傳感器的內(nèi)部集成有補(bǔ)償線圈，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(chǎng)已經(jīng)是充分確定的，所以對(duì)于所測(cè)的磁場(chǎng)強(qiáng)度的補(bǔ)償也就確定了。圖5214給出了信號(hào)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(dòng)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(cè)量到的磁場(chǎng)強(qiáng)度可以通過電壓來表示，正比于補(bǔ)償電流。圖5214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90，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)角的偏差，這會(huì)影響到指南針的讀數(shù)，對(duì)本設(shè)計(jì)使用的KMZ52而言，最大的非正交性偏差角度為2，那么就會(huì)引起方位角2的偏差。對(duì)于高精度的指南針，角需要得到補(bǔ)償，如果指南針轉(zhuǎn)動(dòng)，考慮到地磁場(chǎng)，VX和VY之間的相位差是90，確定了值，該誤差就可以從數(shù)學(xué)計(jì)算上被消除。VYVMAXSIN；VXVMAXCOS，而未發(fā)生正交性偏差時(shí),VY,CORRECTEDVMAXSIN,根據(jù)SINSINCOSCOSSIN可得（6）下圖是信號(hào)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5215信號(hào)調(diào)節(jié)模塊電路圖模塊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(dòng)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(hào)。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(hào)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(hào)恢復(fù)為需要的直流信號(hào)，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(hào)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(dòng)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(dòng)。522俯仰角及橫滾角測(cè)量模塊俯仰角和橫滾角的測(cè)定可由加速度傳感器完成，俯仰角和橫滾角的測(cè)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(duì)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(hào)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(hào)，比例系數(shù)達(dá)到1000MV/G。該加速計(jì)既可測(cè)量動(dòng)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(cè)量，此時(shí)可以替代傾斜角傳感器進(jìn)行傾斜測(cè)量。ADXL203最常見的應(yīng)用是進(jìn)行傾斜度測(cè)量。加速計(jì)以重力矢量作為基準(zhǔn)來測(cè)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(duì)傾斜度的變化是最敏感的，傾斜度每變化1，輸出G值變化175MG；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122MG；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(cè)量?jī)A斜角度的增大，測(cè)量精度下降。AXAYPITCHROL圖522重力矢量關(guān)系圖將加速計(jì)的X和Y軸都水平放置，就可以作為雙軸傾斜計(jì)測(cè)量?jī)A斜度了。如圖522所示。將輸出模擬電壓信號(hào)VX，VY換算成對(duì)應(yīng)的G值變化量AX，AYV/5/10M2VAX（7）V/G5/10M2VAY（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）1G/ARCSINPITHX（9）/ARSIOLY（10）下圖是ADXL203的參數(shù)對(duì)照表圖5221ADXL203參數(shù)對(duì)照表圖5222ADXL203接口電路圖523A/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(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)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523數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊電路圖524LED顯示模塊該模塊的功能是將測(cè)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(hào)后，經(jīng)過程序處理，將所測(cè)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。圖524LED顯示模塊電路圖53硬件介紹531傳感器KMZ52/KMZ51KMZ52是一個(gè)使用坡莫合金薄片的磁阻效應(yīng)來測(cè)量磁場(chǎng)的高靈敏度的磁場(chǎng)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(cè)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(cè)量和交通檢測(cè)等。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖43所示。KMZ52的引腳說明如圖所示圖531KMZ52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。從KMZ52的結(jié)構(gòu)圖中可以看出KMZ52中的測(cè)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(huì)根據(jù)磁場(chǎng)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(dòng)軌跡會(huì)受到磁場(chǎng)作用而橫向偏移這種偏移，改變了電子運(yùn)動(dòng)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5311KMZ52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(chǎng)兩個(gè)力的作用下電子改變了運(yùn)動(dòng)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(chǎng)力作用下有較好的對(duì)稱性。因?yàn)榧舆M(jìn)了翻轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，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5312KMZ52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(cè)量外界磁場(chǎng)正反兩個(gè)方向的變化。同時(shí)，翻轉(zhuǎn)線圈還起著磁場(chǎng)偏置點(diǎn)校正的作用。因?yàn)榇琶綦娮铇虻钠胶恻c(diǎn)會(huì)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(chǎng)和外界磁場(chǎng)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(chǎng)傳感器的翻轉(zhuǎn)線圈Z1和Z2上加載翻轉(zhuǎn)電信號(hào)后使之能夠產(chǎn)生化的磁場(chǎng)由于該變化磁場(chǎng)會(huì)造成磁阻變化R,并將其轉(zhuǎn)化成變化的差動(dòng)電壓輸出,這樣,就能根據(jù)磁場(chǎng)大小正比于輸出差動(dòng)電壓的原理,分別讀取對(duì)應(yīng)的兩軸信號(hào),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(duì)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5313KMZ52參考數(shù)據(jù)圖5314KMZ52參考數(shù)據(jù)532加速度傳感器ADXL203ADXL203是美國模擬器件公司（簡(jiǎn)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(hào)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(hào)，比例系數(shù)達(dá)到1000MV/G。該加速計(jì)既可測(cè)量動(dòng)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(cè)量，此時(shí)可以替代傾斜角傳感器進(jìn)行傾斜測(cè)量。ADXL203典型測(cè)量范圍在17G，該加速計(jì)既可測(cè)量靜態(tài)的也可測(cè)量動(dòng)態(tài)的加速度，可承受3500G極限加速度。其下拉電流小于700A，靈敏度達(dá)到1000MV/G。該加速計(jì)在40C到125C溫度范圍內(nèi)具有03的溫度靈敏性25MG的零點(diǎn)偏移精度；在小于60HZ的帶寬下具有解決小于1MG的解決方案006傾斜以及優(yōu)于01MG/C的穩(wěn)定性。采用552MM的LCC的封裝。ADXL203的管腳封裝及引腳功能如圖532及表532所示。12438675XYVSSTDNCCOMXOUTYOUTDNC圖5321ADXL203管腳圖表532管腳序號(hào)管腳名稱管腳功能1ST自檢電壓輸入2DNC空白腳3COM公共地4DNC空白腳5DNC空白腳6YOUTY軸電壓輸出7XOUTX軸電壓輸出8VS3V到6VADXL203內(nèi)部電路框圖如圖2所示。傳感器輸出幅值與所測(cè)加速度成正比的方波信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)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(hào)。圖5322ADXL203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(dòng)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(dòng)電容的運(yùn)動(dòng)的中心極板相連。分別在差動(dòng)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(huì)產(chǎn)生偏移,拉動(dòng)差動(dòng)電容的中心極板滑動(dòng)，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(cè)量的加速度成正比。533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(duì)信號(hào)進(jìn)行100倍放大，放大后的信號(hào)能滿足信號(hào)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(hào)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。圖533UA741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。534AD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(hào),因此各通道采集的信號(hào)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5341MAX155內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖MAX155轉(zhuǎn)換速度快，每通道轉(zhuǎn)換時(shí)間為36S，可編程指定單極性或雙極性轉(zhuǎn)換、單端和差分輸入，便于和8位單片機(jī)接口，具有電路簡(jiǎn)單、接口方便、同時(shí)采樣、造價(jià)低、轉(zhuǎn)換快等明顯優(yōu)點(diǎn)。在每次接到啟動(dòng)命令后，同時(shí)把8路信號(hào)分別保持在8個(gè)采樣保持器里，之后自動(dòng)依次轉(zhuǎn)換,數(shù)據(jù)全部轉(zhuǎn)換完成后，依次保存在片內(nèi)的RAM中，并提供轉(zhuǎn)換完成信號(hào)。為了充分利用CPU資源，CPU采取中斷方式讀取數(shù)據(jù)。MAX155的控制配置方式方便靈活，通過改變其內(nèi)部的多路復(fù)用配置器的配置和硬件接線模式就可以改變采集方式。具體方法如下圖為了數(shù)據(jù)采集編程的方便,采用的是硬連線模式,MODE接地,VSS接5V，即8通道單端雙極性轉(zhuǎn)換方式在這種方式下,不使用配置寄存器，D0D7上的輸入數(shù)據(jù)被忽略在WR脈沖作用下，啟動(dòng)8通道單端雙極性轉(zhuǎn)換,在WR上升沿轉(zhuǎn)換開始，BUSY變低，等轉(zhuǎn)換結(jié)束即BUSY變高后,將數(shù)據(jù)放到內(nèi)部RAM中，此時(shí)微處理器可以用連續(xù)的RD脈沖依次讀入8個(gè)通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果。圖5342MAX155轉(zhuǎn)換類型535微處理器8051單片微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱為單片機(jī)，又稱為微型控制器，是微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支。單片機(jī)是70年代中期發(fā)展起來的一種大規(guī)模集成電路芯片，是CPU、RAM、ROM、I/O接口和中斷系統(tǒng)于同一硅片的器件。80年代以來，單片機(jī)發(fā)展迅速，各類新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，出現(xiàn)了許多高性能新型機(jī)種，現(xiàn)已逐漸成為工廠自動(dòng)化和各控制領(lǐng)域的支柱產(chǎn)業(yè)之一。圖535是8051管腳圖。圖53518051管腳圖P0口有三個(gè)功能1、外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)，當(dāng)做數(shù)據(jù)總線（如圖1中的D0D7為數(shù)據(jù)總線接口）2、外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)，當(dāng)作地址總線（如圖1中的A0A7為地址總線接口）3、不擴(kuò)展時(shí)，可做一般的I/O使用，但內(nèi)部無上拉電阻，作為輸入或輸出時(shí)應(yīng)在外部接上拉電阻。P1口只做I/O口使用其內(nèi)部有上拉電阻。P2口有兩個(gè)功能1、擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器時(shí)，當(dāng)作地址總線使用2、做一般I/O口使用，其內(nèi)部有上拉電阻；P3口有兩個(gè)功能除了作為I/O使用外（其內(nèi)部有上拉電阻），還有一些特殊功能，由特殊寄存器來設(shè)置，具體功能請(qǐng)參考我們后面的引腳說明。有內(nèi)部EPROM的單片機(jī)芯片（例如8751），為寫入程序需提供專門的編程脈沖和編程電源，這些信號(hào)也是由信號(hào)引腳的形式提供的，即編程脈沖30（ALE/PROG）編程電壓（25V）31腳（EA/VPP）接觸過工業(yè)設(shè)備的兄弟可能會(huì)看到有些印刷線路板上會(huì)有一個(gè)電池，這個(gè)電池是干什么用的呢這就是單片機(jī)的備用電源當(dāng)外接電源下降到下限值時(shí)，備用電源就會(huì)經(jīng)第二功能的方式由第9腳（RST/VPD）引入，以保護(hù)內(nèi)部RAM中的信息不會(huì)丟失。P0口如果作為輸入時(shí)，處在高阻抗?fàn)顟B(tài)，只有外接一個(gè)上拉電阻才能有效。ALE/PROG地址鎖存控制信號(hào)在系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，ALE用于控制把P0口的輸出低8位地址送鎖存器鎖存起來，以實(shí)現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的隔離。（在后面關(guān)于擴(kuò)展的課程中我們就會(huì)看到8051擴(kuò)展EEPROM電路，在圖中ALE與74LS373鎖存器的G相連接，當(dāng)CPU對(duì)外部進(jìn)行存取時(shí)，用以鎖住地址的低位地址，即P0口輸出。ALE有可能是高電平也有可能是低電平，當(dāng)ALE是高電平時(shí)，允許地址鎖存信號(hào)，當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE信號(hào)負(fù)跳變（即由正變負(fù)）將P0口上低8位地址信號(hào)送入鎖存器。當(dāng)ALE是低電平時(shí)，P0口上的內(nèi)容和鎖存器輸出一致。關(guān)于鎖存器的內(nèi)容，我們稍后也會(huì)介紹。在沒有訪問外部存儲(chǔ)器期間，ALE以1/6振蕩周期頻率輸出（即6分頻），當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器以1/12振蕩周期輸出（12分頻）。從這里我們可以看到，當(dāng)系統(tǒng)沒有進(jìn)行擴(kuò)展時(shí)ALE會(huì)以1/6振蕩周期的固定頻率輸出，因此可以做為外部時(shí)鐘，或者外部定時(shí)脈沖使用。6軟件設(shè)計(jì)61系統(tǒng)主流程整個(gè)系統(tǒng)監(jiān)控程序流程圖如果61所示，當(dāng)系統(tǒng)上電后，最先執(zhí)行的就是對(duì)系統(tǒng)各個(gè)部件進(jìn)行初始化的代碼，其中要包括對(duì)內(nèi)部定時(shí)器、時(shí)鐘以及系統(tǒng)通信串口的初始化，系統(tǒng)初始化后對(duì)經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后的指南針輸入量進(jìn)行讀取，讀取到指南針的VX，VY，VZ三個(gè)量以及加速度傳感器的輸出量后，微控制器根據(jù)公式據(jù)算出方位角。微控制器再根據(jù)得到的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)LED進(jìn)行相應(yīng)的顯示。初始化微處理器依次讀RAM中的數(shù)據(jù)LED顯示啟動(dòng)轉(zhuǎn)換輸入端5通道同時(shí)采樣Y轉(zhuǎn)換結(jié)果存入MAX155的RAM五個(gè)數(shù)據(jù)是否讀完I5YNBUSY1，Y5N從最低通道依次轉(zhuǎn)換圖61主程序流程圖7總結(jié)與體會(huì)隨著畢業(yè)日子的到來，畢業(yè)設(shè)計(jì)也接近了尾聲。經(jīng)過幾周的奮戰(zhàn)我的畢業(yè)設(shè)計(jì)終于完成了。在沒有做畢業(yè)設(shè)計(jì)以前覺得畢業(yè)設(shè)計(jì)只是對(duì)這幾年來所學(xué)知識(shí)的單純總結(jié)，但是通過這次做畢業(yè)設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)自己的看法有點(diǎn)太片面。畢業(yè)設(shè)計(jì)不僅是對(duì)前面所學(xué)知識(shí)的一種檢驗(yàn)，而且也是對(duì)自己能力的一種提高。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)使我明白了自己原來知識(shí)還比較欠缺。自己要學(xué)習(xí)的東西還太多，以前老是覺得自己什么東西都會(huì)，什么東西都懂，有點(diǎn)眼高手低。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我才明白學(xué)習(xí)是一個(gè)長期積累的過程，在以后的工作、生活中都應(yīng)該不斷的學(xué)習(xí)，努力提高自己知識(shí)和綜合素質(zhì)。我畢業(yè)設(shè)計(jì)選擇的題目是三維電子指南針的設(shè)計(jì)，開始拿到題目時(shí)一頭霧水，不知從何做起，經(jīng)過黃老師的指導(dǎo)開始閱讀參考資料經(jīng)過仔細(xì)的閱讀和大量的資料檢索，思路逐漸清晰，明白了三維電子指南針需要測(cè)試的量，以及測(cè)試的原理。我的心得也就這么多了，總之，不管學(xué)會(huì)的還是學(xué)不會(huì)的的確覺得困難比較多，真是萬事開頭難，不知道如何入手。最后終于做完了有種如釋重負(fù)的感覺。此外，還得出一個(gè)結(jié)論知識(shí)必須通過應(yīng)用才能實(shí)現(xiàn)其價(jià)值有些東西以為學(xué)會(huì)了，但真正到用的時(shí)候才發(fā)現(xiàn)是兩回事，所以我認(rèn)為只有到真正會(huì)用的時(shí)候才是真的學(xué)會(huì)了。在整個(gè)設(shè)計(jì)中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了我獨(dú)立工作的能力，樹立了對(duì)自己工作能力的信心，相信會(huì)對(duì)今后的學(xué)習(xí)工作生活有非常重要的影響。而且大大提高了動(dòng)手的能力，使我充分體會(huì)到了在創(chuàng)造過程中探索的艱難和成功時(shí)的喜悅。在設(shè)計(jì)過程中所學(xué)到的東西是這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的最大收獲和財(cái)富，使我終身受益。8謝辭經(jīng)過半年的忙碌和工作，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲，作為一個(gè)本科生的畢業(yè)設(shè)計(jì)，由于經(jīng)驗(yàn)的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有導(dǎo)師的督促指導(dǎo)，以及一起工作的同學(xué)們的支持，想要完成這個(gè)設(shè)計(jì)是難以想象的。在這里首先要感謝我的導(dǎo)師黃勇老師。黃老師平日里工作繁多，但在我做畢業(yè)設(shè)計(jì)的每個(gè)階段，從查閱資料到設(shè)計(jì)草案的確定和修改，中期檢查，后期詳細(xì)設(shè)計(jì)等整個(gè)過程中都給予了我悉心的指導(dǎo)。我的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜煩瑣，但是張老師仍然細(xì)心地糾正設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤。除了敬佩黃老師的專業(yè)水平外，他的治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)研究的精神也是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜樣，并將積極影響我今后的學(xué)習(xí)和工作。其次要感謝我的同學(xué)對(duì)我無私的幫助，特別是在軟件的使用方面，正因?yàn)槿绱宋也拍茼樌耐瓿稍O(shè)計(jì)，我要感謝我的母校西華大學(xué)，是母校給我們提供了優(yōu)良的學(xué)習(xí)環(huán)境；另外，我還要感謝那些曾給我授過課的每一位老師，是你們教會(huì)我專業(yè)知識(shí)。在此，我再說一次謝謝謝謝大家。9參考文獻(xiàn)1電子測(cè)量與傳感器楊蕾等編，北京大學(xué)出版社，20082KMA199PROGRAMMABLEANGLESENSORPDF3ELECTRONICCOMPASSDESIGNUSINGKMZ51ANDKMZ52PDF4GPS的原理和應(yīng)用，北京航空航天大學(xué)出版社，趙剡5單片機(jī)的原理及應(yīng)用，高等教育出版社，張毅剛6MEMS加速度傳感器的原理及分析J,電子工藝技術(shù)，張海濤，閻貴平7集成傳感器應(yīng)用M北京中國電力出版社，2005沙占友8MEMS加速度傳感器的原理及分析J電子工藝技術(shù)，200324（6），張海濤，閻貴平9數(shù)字水平儀的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，微機(jī)算機(jī)信息，20048湯琳寶，毛洋林，潘志浩10PRECISION17GSINGLE/DUALAXISIMEMSACCELEROMETERZANALOGDEVICES,INC11汪雪蓮電子羅盤的方位測(cè)量誤差及其補(bǔ)償校正J聲學(xué)與電子工程,200512電子羅盤的傾斜及羅差補(bǔ)償算法研究傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2007,06邵婷婷,馬建倉,胡士峰,王超13基于系統(tǒng)芯片SOC的低成本電子羅盤的設(shè)計(jì)J測(cè)控技術(shù),2006趙忠,何海濤,徐曉東10附錄附錄一系統(tǒng)電路圖附錄二AD轉(zhuǎn)換程序及LED顯示程序INCLUDEINCLUDEDEFINESEGP0DEFINESCANPP2DEFINEUCHARUNSIGNEDCHARDEFINEUINTUNSIGNEDINTSBITSTP30SBITOEP31SBITEOCP32SBITCLKP33SBITPOINTP37VOIDDELAYINTUNSIGNEDCHARCOUNT_T00UNSIGNEDCHARCODEUNSIGNEDCHARSCAN0,TEMP0UCHARQIAN,BAI,SHI,GEUINTHEX,HEY,AZIMUTH,PITCH,ROLLSBITDULAP10SBITP3_2P32UCHARCODETABLE0X3F,0X06,0X5B,0X4F,0X66,0X6D,0X7D,0X07,0X7F,0X6F,0X77,0X7C,0X39,0X5E,0X79,0X71VOIDINITVOIDDELAYUINTZVOIDMAINDOUBLEAZIMUTH,PITCH,ROLLDOUBLEHEX,HEY,AX,AY,VX,VY，VXC，VYC，VZCAXVX25/1000AYVY25/1000PITCHASINAX/LGROLLASINAY/LGHEXVXCCOSPITCHVYCSINPITCHSINROLLVZCCOSROLLSINPICTHHEYVYCCOSROLLVZCSINROLLANGLEATAN2HEX,HEYTRACEANGLEAZIMUTH180X/PIINITTMOD0X22/方式2；TH0256250/賦初值0X06TL0256250/溢出之后進(jìn)入中斷1,將TH0中的數(shù)返回TL0TH12562/賦初值0XFETL12562/溢出之后進(jìn)入中斷3，將TH1中的數(shù)范圍TL1ET01/允許T0中斷ET11/允許T1中斷EA1/CPU開中斷TR01/啟動(dòng)定時(shí)器T0TR11/啟動(dòng)定時(shí)器T1WHILE1OE0/輸出數(shù)據(jù)線呈高阻ST0/轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)，上升沿復(fù)位，下降沿啟動(dòng)轉(zhuǎn)換ST1ST0/DELAY2/延時(shí)顯示所顯示的電壓值WHILEEOC0OE1/當(dāng)A/D處于轉(zhuǎn)換狀態(tài)時(shí)，輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)到鎖存器，再輸出到P1口TEMPP1/將P1口獲得的數(shù)據(jù)賦給TEMP變量/DELAY2/延時(shí)OE0RESULTSTEMP196RESULTSRESULTS/10VOIDT0_CLKINTERRUPT1CLKCLK/產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖，時(shí)鐘周期大約為250USWHILE1IFP3_21BAI1AZIMUTH/100SHI1AZIMUTH100/10GE1AZIMUTH10BAI2PITCH/100SHI2PITCH100/10GE2PITCH10BAI3ROLL/100SHI3ROLL100/10GE3ROLL10P20XFEDULA11P0TABLEBAI1DULA0DELAY20P20XFDDULA11P0TABLESHI1DULA0DELAY5P20XFBDULA11P0TABLEGE1DULA10DELAY5P20XFEDULA21P0TABLEBAI2DULA20DELAY20P20XFDDULA21P0TABLESHI2DULA20DELAY5P20XFBDULA21P0TABLEGE2P10XFEDULA31P0TABLEBAI3DULA0DELAY20P10XFDDULA11P0TABLESHI3DULA30DELAY5P10XFBDULA31P0TABLEGE3VOIDINITAZIMUTH0EA1EX01IT01VOIDDELAYUINTZUINTHEX,HEYFORHEXZHEX0HEXFORY125HEY0HEYVOIDWBZD0INTERRUPT0IF9999AZIMUTH0附錄三英文文獻(xiàn)THEDIRECTIONFINDINGINSTRUMENTUSEDINNAVIGATIONCOMPASS1、TYPESOFCOMPASSESTHEREARETWOWIDELYUSEDANDRADICALLYDIFFERENTTYPESOFCOMPASSTHEMAGNETICCOMPASSCONTAINSAMAGNETTHATINTERACTSWITHTHEEARTHSMAGNETICFIELDANDALIGNSITSELFTOPOINTTOTHEMAGNETICPOLES6SIMPLECOMPASSESOFTHISTYPESHOWDIRECTIONSINAFRAMEOFREFERENCEINWHICHTHEDIRECTIONSOFTHEMAGNETICPOLESAREDUENORTHANDSOUTHTHESEDIRECTIONSARECALLEDMAGNETICNORTHANDMAGNETICSOUTHTHEGYROCOMPASSSOMETIMESSPELLEDWITHAHYPHEN,ORASONEWORDCONTAINSARAPIDLYSPINNINGWHEELWHOSEROTATIONINTERACTSDYNAMICALLYWITHTHEROTATIONOFTHEEARTHSOASTOMAKETHEWHEELPRECESS,LOSINGENERGYTOFRICTIONUNTILITSAXISOFROTATIONISPARALLELWITHTHEEARTHSTHEWHEELSAXISTHEREFOREPOINTSTOTHEEARTHSROTATIONALPOLES,ANDAFRAMEOFREFERENCEISUSEDINWHICHTHEDIRECTIONSOFTHEROTATIONALPOLESAREDUENORTHANDSOUTHTHESEDIRECTIONSARECALLEDTRUENORTHANDTRUESOUTH,RESPECTIVELYTHEREAREOTHERDEVICESWHICHARENOTCONVENTIONALLYCALLEDCOMPASSESBUTWHICHDOALLOWTHETRUECARDINALDIRECTIONSTOBEDETERMINEDTHEYARESAIDTOWORK“LIKEACOMPASS“,OR“ASACOMPASS“,WITHOUTACTUALLYBEINGACOMPASSFOREXAMPLE,AGLOBALPOSITIONINGSYSTEMGPSSATELLITERECEIVERDETERMINESITSOWNPOSITIONONTHEGROUND,ASTRUELATITUDEANDTRUELONGITUDEIFTHERECEIVERISBEINGMOVED,EVENATWALKINGPACE,ITCANFOLLOWTHECHANGEOFITSPOSITION,ANDHENCEDETERMINETHECOMPASSBEARINGOFITSDIRECTIONOFMOVEMENT,ANDTHENCETHEDIRECTIONSOFTHECARDINALPOINTSRELATIVETOITSDIRECTIONOFMOVEMENTSOMEGPSRECEIVERSHAVETWOANTENNAS,FIXEDSOMEDISTANCEAPARTTOTHESTRUCTUREOFAVEHICLE,USUALLYANAIRCRAFTTHEEXACTLATITUDESANDLONGITUDESOFTHEANTENNASCANBEDETERMINEDSIMULTANEOUSLY,WHICHALLOWSTHEDIRECTIONSOFTHECARDINALPOINTSTOBECALCULATEDRELATIVETOTHEHEADINGOFTHEAIRCRAFTTHEDIR