畢業(yè)論文---電子指南針

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　本文介紹了目前用于定位系統(tǒng)中的電子指南針的工作原理，使用霍尼韋爾HMC 1052 各向異性磁阻（AMR）傳感電路，可實現(xiàn)小型和低成本羅盤電路設(shè)計。該參考設(shè)計結(jié)構(gòu)是針對那些希望采用現(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)計的。一個羅盤線路在與一個包括有雙模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）輸入裝置的微控制器結(jié)合后，可以與HMC

2、 1052雙軸傳感器、低壓雙運算放大器以及少量常用的離散元件組裝在一起。雖然這不是一個完全的三軸傾斜補償?shù)牧_盤設(shè)計結(jié)構(gòu)，該參考設(shè)計可以用于各種電平平臺或用戶的校平系統(tǒng)，如手表等。由于外界存在干擾，該系統(tǒng)集成了幾種特殊的抗干擾技術(shù)來提高系統(tǒng)精度。</p><p>　　關(guān)鍵詞：電子指南針；磁場傳感器；KMZ52</p><p><b>　　目錄</b></p>

3、<p><b>　　摘要1</b></p><p><b>　　目錄2</b></p><p>　　一 傳感器方案的論證與比較2</p><p>　　方案一：使用霍尼韋爾HMC1022 各向異性磁阻傳感電路2</p><p>　　方案二：采用Philips公司生產(chǎn)的KMZ52

4、感應(yīng)磁場3</p><p>　　二 相關(guān)物理量介紹4</p><p>　　1．我國部分地區(qū)的磁偏角4</p><p><b>　　2.磁場5</b></p><p><b>　　3.磁感線6</b></p><p><b>　　4.地磁場7</b

5、></p><p>　　三 電子指南針系統(tǒng)設(shè)計9</p><p>　　1.系統(tǒng)工作原理與總體方案9</p><p>　?。?）系統(tǒng)磁感應(yīng)部分電路圖9</p><p>　　（2）系統(tǒng)線路說明9</p><p><b>　　2.硬件設(shè)計14</b></p><p&

6、gt;　?。?）單片機控制系統(tǒng)14</p><p><b>　　4.干擾校正15</b></p><p>　?。?）磁感應(yīng)羅盤的校準(zhǔn)15</p><p>　?。?）干涉磁場校正16</p><p><b>　　四 結(jié)束語18</b></p><p>　　五 參考

7、文獻(xiàn)19</p><p>　　一 傳感器方案的論證與比較</p><p>　　方案一：使用霍尼韋爾HMC1022 各向異性磁阻傳感電路</p><p>　　可實現(xiàn)小型和低成本羅盤電路設(shè)計。該參考設(shè)計結(jié)構(gòu)是針對那些希望采用現(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)計的。一個羅盤線路在與一個包括有雙模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）輸入裝置的微控制器結(jié)合后，可以

8、與HMC 1052雙軸傳感器、低壓雙運算放大器以及少量常用的離散元件組裝在一起。雖然這不是一個完全的三軸傾斜補償?shù)牧_盤設(shè)計結(jié)構(gòu)，該參考設(shè)計可以用于各種電平平臺或用戶的校平系統(tǒng)，如手表等。</p><p>　　方案二：采用Philips公司生產(chǎn)的KMZ52感應(yīng)磁場</p><p>　　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磁阻效應(yīng)測量磁場的高靈敏度磁阻傳感器

9、。該磁阻傳感器內(nèi)置兩個正交磁敏電阻橋、完整的補償線圈和設(shè)置／復(fù)位線圈。補償線圈的輸出與當(dāng)前測量結(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、通用地磁測量和交通檢測。 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)線圈和外界磁場兩個力的作用下，電子改變運動方向，使得磁敏電阻的阻值發(fā)生變化。同時KMZ52的斑馬條電阻成45°放置，這使得電子在正反向磁場力作用下有較好的對稱性。由

10、于加入了翻轉(zhuǎn)磁場，KMZ52的變化曲線與普通的磁敏電阻不同，更加線性化。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。在外加磁場的作用下，磁阻的變化引起輸出電壓的變化。</p><p>　　綜上所述，我們選擇方案一。</p><p>　　二 相關(guān)物理量介紹</p><p>　　1．我國部分地區(qū)的

11、磁偏角</p><p>　　漠河 11°00' 齊齊哈爾 9°54'</p><p>　　哈爾濱 9°39' 長春 8°53'</p><p>　　滿洲里 8°40' 沈陽 7°44

12、'</p><p>　　旅大 6°35' 北京 5°50'</p><p>　　天津 5°30' 濟南 5°01'</p><p>　　呼和浩特 4°36' 徐州 4°27

13、'</p><p>　　上海 4°26' 太原 4°11'</p><p>　　包頭 4°03' 南京 4°00'</p><p>　　合肥 3°52' 鄭州 3°

14、50'</p><p>　　杭州 3°50' 許昌 3°40'</p><p>　　九江 3°03' 武漢 2°54'</p><p>　　南昌 2°48' 銀川 2

15、6;35'</p><p>　　臺北 2°32' 西安 2°29' </p><p>　　長沙 2°14' 贛州 2°01'</p><p>　　衡陽 1°56' 廈門 1&

16、#176;50'</p><p>　　蘭州 1°44' 重慶 1°34'</p><p>　　遵義 1°26' 西寧 1°22'</p><p>　　桂林 1°22' 貴陽

17、1°17'</p><p>　　成都 1°16' 廣州 1°09'</p><p>　　柳州 1°08' 東沙群島 1°05'</p><p>　　昆明 1°00'

18、 南寧 0°50'</p><p>　　湛江 0°44' 憑祥 0°39'</p><p>　　?？?0°29' 拉薩 0°21'</p><p>　　珠穆朗瑪 0°19'

19、 西沙群島 0°10'</p><p>　　曾母暗沙 0°24'(東） 南沙群島 0°35'(東）</p><p><b>　　2.磁場</b></p><p>　　磁場是一種看不見，而又摸不著的特殊物質(zhì)。磁體周圍存在磁場，磁體間的相互作用就是以磁場作為媒介的。電流、運動電荷、

20、磁體或變化電場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，電流是電荷的運動，因而概括地說，磁場是由運動電荷或變化電場產(chǎn)生的。</p><p>　　磁場的基本特征是能對其中的運動電荷施加作用力，磁場對電流、對磁體的作用力或力距皆源于此。而現(xiàn)代理論則說明，磁力是電場力的相對論效應(yīng)。 </p><p>　　與電場相仿，磁場是在一定空間區(qū)域內(nèi)連續(xù)分布的矢量場，描述磁場的基本物理量是

21、磁感應(yīng)強度矢量B ，也可以用磁感線形象地圖示。然而，作為一個矢量場，磁場的性質(zhì)與電場頗為不同。運動電荷或變化電場產(chǎn)生的磁場，或兩者之和的總磁場，都是無源有旋的矢量場，磁力線是閉合的曲線族，不中斷，不交叉。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)。</p><p><b>　

22、　3.磁感線</b></p><p>　　在磁場中畫一些曲線，使曲線上任何一點的切線方向都跟這一點的磁場方向相同，這些曲線叫磁力線。磁力線是閉合曲線。規(guī)定小磁針的北極所指的方向為磁力線的方向。磁鐵周圍的磁力線都是從N極出來進(jìn)入S極，在磁體內(nèi)部磁力線從S極到N極。</p><p>　　電磁場是電磁作用的媒遞物，是統(tǒng)一的整體，電場和磁場是它緊密聯(lián)系、相互依存的兩個側(cè)面，變化的電場產(chǎn)

23、生磁場，變化的磁場產(chǎn)生電場，變化的電磁場以波動形式在空間傳播。電磁波以有限的速度傳播，具有可交換的能量和動量，電磁波與實物的相互作用，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。</p><p>　　磁現(xiàn)象是最早被人類認(rèn)識的物理現(xiàn)象之一，指南針是中國古代一大發(fā)明。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

24、。為了認(rèn)識和解釋其中的許多物理現(xiàn)象和過程，必須考慮磁場這一重要因素。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、電動機、變壓器、電報、電話、收音機以至加速器、熱核聚變裝置、電磁測量儀表等無不與磁現(xiàn)象有關(guān)。甚至在人體內(nèi)，伴隨著生命活動，一些組織和器官內(nèi)也會產(chǎn)生微弱的磁場。地球的磁級與地理的兩極相反。</p><p>　　安培力：（左手定則）F=BIL*Sinθ</p><p>　　洛

25、倫茲力：（左手定則）【微觀上】F=qvBSinθ </p><p><b>　　4.地磁場</b></p><p>　　地磁場（geomagnetic field）是從地心至磁層頂?shù)目臻g范圍內(nèi)的磁場。地磁學(xué)的主要研究對象。人類對于地磁場存在的早期認(rèn)識，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

26、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C.F.高斯首次運用球諧函數(shù)分析法所證實。 </p><p>　　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)家沈括是第一個注意到磁偏角現(xiàn)象的科學(xué)家。</p><

27、p>　　地磁場是一個向量場。描述空間某一點地磁場的強度和方向，需要3個獨立的地磁要素。常用的地磁要素有7個，即地磁場總強度F，水平強度H，垂直強度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歷史為最早。在現(xiàn)代的地磁場觀測中，地磁臺一般只記錄H，D，Z或X，Y，Z。 </p><p>　　近地空間的地磁場，像一個均勻磁化球體的磁場，其強度在地面兩極附近還不到1高斯，所以地

28、磁場是非常弱的磁場。地磁場強度的單位過去通常采用伽馬（γ），即1納特斯拉。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。地磁場雖然很弱，但卻延伸到很遠(yuǎn)的空間，保護著地球上的生物和人類，使之免受宇宙輻射的侵害。 </p><p>　　地磁場包括基本磁場和變化磁場兩個部分，它們在成因上完全不同?；敬艌鍪堑卮艌龅闹饕糠?，起源

29、于地球內(nèi)部，比較穩(wěn)定，變化非常緩慢。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。 </p><p>　　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組成部分。偶極子磁場是地磁場的基本成分，其強度約占地磁場總強度的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)電機效應(yīng)。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地域，平均強度約占地磁場的10％。地

30、磁異常又分為區(qū)域異常和局部異常，與巖石和礦體的分布有關(guān)。 </p><p>　　地球變化磁場可分為平靜變化和干擾變化兩大類型。平靜變化主要是以一個太陽日為周期的太陽靜日變化，其場源分布在電離層中。干擾變化包括磁暴、地磁亞暴、太陽擾日變化和地磁脈動等，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)生的各種短暫的電流體系。磁暴是全球同時發(fā)生的強烈磁擾，持續(xù)時間約為1～3天，幅度可達(dá)10納特。其他幾種干擾變化主要

31、分布在地球的極光區(qū)內(nèi)。除外源場外，變化磁場還有內(nèi)源場。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。將高斯球諧分析用于變化磁場，可將這種內(nèi)、外場區(qū)分開。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。這已成為地磁學(xué)的一個重要領(lǐng)域，叫做地球電磁感應(yīng)。 </p><p>　　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

32、意義。 </p><p>　　三 電子指南針系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　1.系統(tǒng)工作原理與總體方案</p><p>　?。?）系統(tǒng)磁感應(yīng)部分電路圖</p><p><b>　?。?）系統(tǒng)線路說明</b></p><p>　　上圖儀表盒中所示的HMC 1052 雙軸磁傳感器包括了兩個惠斯通電橋網(wǎng)

33、絡(luò)稱作RA 和RB。各電橋中每個電阻元件都是標(biāo)準(zhǔn)的1100歐姆，其平均磁場靈敏度為1mV/高斯/V（分母中的V為施加在電橋上的電壓）。兩個電橋元件相互垂直，每個電橋都有一敏感軸，用來將地球磁場分為X和Y兩個分矢量。電橋元件提供一偏加在半供電電壓（Vdd）上的平衡信號輸出。任何跨過輸出端（OUTA-，OUTA+，OUTB-和OUTB+）的不平衡都是由于地球磁場以及電橋制造公差（稱為電橋偏差）所造成的。</p><p&g

34、t;　　傳感器電橋的偏差電壓可以用下面的方法檢測到：將羅盤電路放在一對磁場屏蔽的箱殼中，測量跨過每一個電橋的輸出插腳端上的電壓差即可。一般這一偏差對跨過這一電橋施加的每一個電壓來說僅僅是若干mV在本參考設(shè)計中可預(yù)期其額定電壓范圍為2.7至3.6V，代表一典型的鋰電池電壓范圍。</p><p>　　在HMC 1052傳感器中，每個電橋元件下都設(shè)置有一個金屬螺旋體，供任意執(zhí)行設(shè)置或復(fù)位功能之用。該設(shè)置/復(fù)位功能使得羅

35、盤可以根據(jù)生產(chǎn)條件中重新校準(zhǔn)坡莫合金（一種強磁性鐵鎳透磁合金）薄膜電阻元件。通過向盤旋在兩傳感元件間的金屬帶條短時間地施加一強大的電流，該電流脈沖就產(chǎn)生一局部磁場，使坡莫合金膜重新校準(zhǔn)。該設(shè)置/復(fù)位帶條是一個電阻器Rsr并有3至5歐姆的電阻值。</p><p>　　每個傳感器電橋的輸出電壓，供給儀器的各個放大（器）級，以進(jìn)行各種不同的測量，并將測量結(jié)果放大200倍以轉(zhuǎn)換成兩傳感器輸出端的數(shù)字信號。在本例中，X1和

36、X2所代表的一個雙運算放大器選用的LMV358MM。LMV358MM可以由其他具有與低電壓相容、低成本、小體積及耗電適中等特點的類似的運算放大器所替代。</p><p>　　運算放大器級X1和X2分別被電阻元件R1至R4和R5至R8環(huán)繞。這些電阻通過使用4.99千歐的輸入電阻和1兆歐的電阻來設(shè)置200倍的放大比（1兆/4.99k=200）。通過選擇四至十倍于電橋元件電阻的輸入電阻，這些電橋得以承受最小的負(fù)載，并使

37、由運算放大器級產(chǎn)生的偏差誤差減至最小。為獲得最佳的噪音抑制和最小的偏差，這些電阻的允差只能有公差范圍的 1%。</p><p>　　電容器C1和C2根據(jù)反饋電阻的值和所要求的電路測量帶寬來選擇。在本設(shè)計中，只選擇了150皮法（10-12）,以滿足剛好超過1kHz帶寬的測量要求。該1kHz帶寬足夠小，可以防止EMI/RFI的放大，但是又足夠快，可以在1秒鐘的時間內(nèi)進(jìn)行許多測量。</p><p&g

38、t;　　電阻器R12和R13只是簡單地分解網(wǎng)絡(luò)（軌分解），以生成半供電基準(zhǔn)電壓（Vref），向由X1，X2，C1，C2以及電阻R1至R8組成的儀器放大（器）電路供電。要求R12和R13的電阻值相同，并且在某種程度上是任選的。當(dāng)它們被選擇為10千歐時，它們阻止Vref被從半供電點處被拉開，因為它們的負(fù)載較反饋電阻低100倍，但仍然足夠大而不致被來自供電電壓源（例如：紐扣電池）吸走大量電流。該Vref點從提供電容旁通以增加噪音抑制的方面來看

39、可能是適當(dāng)?shù)?，但它不能作為附加電容器來對待，因為那樣將使運算放大器的穩(wěn)定時間延長，從而不能進(jìn)行羅盤的“快速”測量?！翱焖佟绷_盤測量的基本原理要求短暫地接通各傳感器和放大電路，但讓它們在大部分時間內(nèi)處于斷開狀態(tài)以減少電路的電流消耗。</p><p>　　晶體管Q1，電阻R9和R10，以及電容器C3和C4形成一“組”電路，將高電流脈沖驅(qū)入HMC 1052的設(shè)置/復(fù)位搭接電阻（Rsr）。一個微控制器通過提供一個正常低邏

40、輯狀態(tài)的數(shù)字輸出插腳（DO1）來執(zhí)行電路的控制部分功能。這正常狀態(tài)使晶體三極管Q1 “off”（斷開），允許電容器C3充電至幾乎至全供電電壓，并讓電容器C4幾乎放完所有的電（0伏特）。當(dāng)DO1從低切換到高邏輯狀態(tài)時，電阻R10和電容器C4會產(chǎn)生一正電壓峰值，讓Q1短時間完全接通將充滿電的C3放在一帶Rsr的閉合電路中。結(jié)果超過半安培的電流脈沖流過Q1，C3和Rsr，為電橋元件的重新校準(zhǔn)生成了一“組”磁場。在數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換和限制最大充電電流

41、至小電池的電平容量后，選擇約220歐姆的電阻R9為C3重新充電。</p><p>　　晶體管Q2和電阻R11生成電子開關(guān)以來回切換羅盤電路電源（Vdd）的接通和斷開。另一個數(shù)字輸出插腳（DO0）都正常的處于高邏輯狀態(tài)以保持Q2斷開，并防止電池正極接觸帶電的羅盤電路部件。當(dāng)DO0被切換至其低邏輯狀態(tài)時，電阻R11將Q2完全接通以允許更多的電流毫安流入傳感器，運算放大器和設(shè)置電路中。</p><p

42、><b>　　操作細(xì)節(jié) </b></p><p>　　當(dāng)羅盤電路完全通電后，傳感器電橋A與坡莫合金電阻元件R1A，R2A，R3A和R4A一起產(chǎn)生一跨過OUTA-和OUTA+的電壓差，然后被放大200倍，提供給微控制器模擬輸入AN0。同樣，電橋B和坡莫合金電阻元件R1B，R2B，R3B和R4B產(chǎn)生一被放大200倍的跨過OUTB-和OUTB+的電壓差，提供給微控制器模擬輸入AN1。這些AN

43、0和AN1處的模擬電壓可以被認(rèn)為是代表磁場中的矢量“X ”和“Y ”。</p><p>　　為得到這些X和Y，可以通過微控制器的機載模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）將AN0和AN1數(shù)字化。根據(jù)ADC的分辨率來設(shè)置羅盤的分辨率。典型的一度增量顯示的羅盤有10比特或更大比特的ADC，8比特的ADC更適合于8基本方位基點（北、南、東、西以及對角點）羅盤測量。為不同的微控制器選擇備有大量不同的ADC裝置。可能有這樣的例子，這些A

44、DC裝置可共用ADC基準(zhǔn)電壓和羅盤基準(zhǔn)電壓。需要記住的一點是，模擬電壓輸出是參照半供電電橋電壓然后用相似基準(zhǔn)放大后確定的。</p><p>　　對于AMR羅盤電路最常被問及的是設(shè)置/復(fù)位帶條必須以怎樣的頻度來激發(fā)脈沖。對于大多數(shù)低成本羅盤來說，回答是：頻度并不高，范圍從每秒一次到每臺羅盤裝置只需要一次，由用戶來選擇。當(dāng)設(shè)定的電路每一脈沖幾乎不吸收能量時，每秒一次的恒定脈沖率或許在一年不到的時間內(nèi)吸完一個新的手表電

45、池。另外一個極端情況是：只有在用戶人工請求進(jìn)行羅盤方向（定向）時才產(chǎn)生一“套”脈沖，這時可以忽略電池壽命的影響。一般來說，設(shè)置脈沖的間隔時間應(yīng)該是盡可能最短，不過設(shè)置脈沖間隔時用戶應(yīng)該考慮到在羅盤電路暴露于，如：揚聲器磁鐵、電焊電纜或CRT撓曲線圈等大磁場源旁邊后，對羅盤定向準(zhǔn)確度誤差的允許程度。低成本羅盤的典型的自動設(shè)置間隔時間根據(jù)電池容量可設(shè)置為每10秒鐘一次至每小時一次。為用戶命令的“設(shè)置”功能準(zhǔn)備的裝置可能是一個方便使用的替換裝

46、置到定期的或自動設(shè)置的例行程序的裝置。</p><p>　　像羅盤手表，PDA和無線電話等用戶的輕便型電子設(shè)備所選用的適當(dāng)?shù)牧_盤方向數(shù)據(jù)流對電路能源消耗有非常大的影響。比如說，運動用手表的每秒次定向的更新率可能讓羅盤電路在手表的近99%壽命期間都斷開著，只有每秒10毫秒的快速測量以及每分鐘一次的設(shè)定脈沖校準(zhǔn)時才被接通。HMC 1052傳感器在磁場感應(yīng)中有一個5MHz的帶寬，所以最小快速測量時間主要由運算放大器的設(shè)

47、定時間加上微控制器ADC的取樣與保持時間推導(dǎo)出來的。</p><p>　　在一些無線電話和PDA的“游戲”(gaming) 應(yīng)用場合中，更頻繁的定向更新允許虛擬現(xiàn)實傳感器為軟件反映提供輸入。一般說來這些更新速率參照先前的設(shè)定，但超過了一個世紀(jì)前電影行業(yè)的設(shè)定，每秒鐘更新20次或更多。一方面在這些頻繁的更新期間仍然規(guī)定了斷開時間，另一方面一些用戶可能選擇只為傳感器電橋單獨地接通電源，并優(yōu)化電路的其他部分，以降低功率

48、消耗。</p><p>　　方向（羅盤定向）算法 </p><p>　　一旦輸入到微控制器的AN0和AN1處的電壓穩(wěn)定，并且機載ADC對輸入數(shù)據(jù)開始取樣，則方向計算就可以開始了。方向計算的第一步就是對輸入到ADC輸入電壓刻度“記數(shù)”，并將該記數(shù)與零磁場值中的記數(shù)作對照。比如說，一個10比特的ADC在其大部分供電電壓范圍內(nèi)記數(shù)1024次。用一個3伏的額定電源（Vdd=3V），每次記數(shù)大約是2

49、.9mV，512次記數(shù)相當(dāng)于1.5V的Verf。</p><p>　　零磁場ADC記數(shù)在理論上對AN0和AN1的輸入都是512，但是實際上記數(shù)會有來自一個或多個出錯源造成的偏差。這些出錯源必須從額定的512記數(shù)基準(zhǔn)數(shù)中減去。如果我們把AN0記數(shù)記作“X”，AN1記數(shù)記作“Y”，則電路偏差修正值Xco和Yco 可以在工廠里測量出來，并存入微控制器存儲器中， </p><p><b>

50、;　　公式： </b></p><p>　　Xco=X-512, Yco=Y-512 </p><p>　　就是所要求的第一個修正系數(shù)。</p><p>　　下一個數(shù)據(jù)信息要包括最新用戶校正例行程序中的（二價）鐵含量的修正系數(shù)。靠近（二價）鐵材料可能在地球磁場中的傳感電橋中產(chǎn)生畸變，并要求為X和Y記數(shù)給出偏差值和刻度系數(shù)值。這些值可以用Xoff, Yof

51、f, Xsf和Ysf來表示。在運用刻度系數(shù)之前，Vref記數(shù)水平（如512）同樣必須消除，以達(dá)到從額定0點開始的雙向數(shù)。這樣真正的X和Y方向值的公式為： </p><p>　　Xh=[(X-512-Xco)*(Xsf)]-Xoff</p><p>　　Yh=[(Y-512-Yco)*(Ysf)]-Yoff</p><p>　　一旦這些真正方向記數(shù)值確定后，羅盤方向（

52、方位）就可以用以下公式計算： </p><p>　　完成這要用記憶限定微控制器，一種用來繪制arctan函數(shù)的像查找表似的記憶圖，計算出分?jǐn)?shù)Yh/Xh。然后與含有全套有效（可供的）羅盤定向分辨率（解答）的記憶圖作比較。比如說：一個一度羅盤會有一90個測位的記憶圖，并知道Xh 和Yh的正負(fù)符號，允許選擇360的一度方向。然后這方向系數(shù)（商數(shù)）會與最接近的記憶圖號相匹配。當(dāng)Xh為零等特別情況（如，正東或正西）同樣應(yīng)該

53、在系數(shù)（商數(shù)）計算前發(fā)現(xiàn)，不然會導(dǎo)致無限大的錯誤。更多arctan方位計算的細(xì)節(jié)請看magneticsensors.com網(wǎng)站上的標(biāo)題為“航海系統(tǒng)中的磁阻傳感器的應(yīng)用”或“低成本羅盤系統(tǒng)中磁傳感器的”白皮書。</p><p><b>　　2.硬件設(shè)計</b></p><p>　?。?）單片機控制系統(tǒng)</p><p>　　at89c2051是美國

54、ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含2k bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和128bytes的隨機數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，功能強大at89c2051單片機可為您提供許多高性價比的應(yīng)用場合。</p><p>　?。?） 由于89C2051內(nèi)部程

55、序存貯器為Flash，所以修改它內(nèi)部的程序十分方便快捷，只要配備一個可以編程89C2051的編程器即可。調(diào)試人員可以采用程序編輯-編譯-固化-插到電路板中試驗這樣反復(fù)循環(huán)的方法，對于熟練的MCS-51程序員來說，這種調(diào)試方法并不十分困難。當(dāng)做這種調(diào)試不能夠了解片內(nèi)RAM的內(nèi)容和程序的走向等有關(guān)信息。</p><p>　?。?） 將普通8031/80C31仿真器的仿真插頭中P1.0～P1.7和P3.0～P3.6引出

56、來仿真2051,這種方法可以運用單步、斷點的調(diào)試方法，但是仿真不夠真實，比如，2051的內(nèi)部模擬比較器功能，P1口、P3口的增強下拉能力等等。</p><p><b>　　單片機控制系統(tǒng)</b></p><p>　　為使二者的比值接近ｔａｎα０＜α＜９０°的變化,可以在幅值較大且數(shù)值變化較小的角度范圍內(nèi),使幅值保持基本不變;而在幅值較小且數(shù)值變化較大的角

57、度范圍內(nèi),用一個函數(shù)改變其幅值變化曲線。具體實現(xiàn)時,可按照一定角度對曲線進(jìn)行分段,并對各段用一次函數(shù)ｙ＝ａｘ＋ｂ去擬合。這樣,就可以使幅值變化曲線接近ｔａｎα。角度劃分越細(xì),精度越高。磁場傳感器ＫＭＺ５２的精度為３°,若按１５°劃分,可將精度提高到１°。若按５°對其劃分,精度可高達(dá)０．３°。如劃分更細(xì),精度還可進(jìn)一步提高。若采用高階函數(shù)去擬合,也可以提高精度。實際上,在精度要求不高的情況

58、下,通常以１５°劃分就可以達(dá)到要求。</p><p><b>　　4.干擾校正</b></p><p>　?。?）磁感應(yīng)羅盤的校準(zhǔn) </p><p>　　在前面部分，值Xoff, Yoff, Xsf 和Ysf是地球磁場中“硬鐵”畸變對傳感器的校準(zhǔn)系數(shù)。一般這些畸變來自附近磁化的元件。軟鐵畸變定向值的校準(zhǔn)系數(shù)的確定要復(fù)雜得多，而一般在低

59、成本羅盤運用中被忽略。軟鐵畸變往往由于未磁化的鐵材料太靠近傳感器或太大，磁場被這些材料彎曲而引起的。</p><p>　　為了推導(dǎo)校準(zhǔn)系數(shù)，傳感器總成及其固定平臺（如：手表/人、船、汽車等）都必須進(jìn)行一次完整的旋轉(zhuǎn)，使羅盤電子裝置收集許多連續(xù)讀數(shù)。轉(zhuǎn)動的速度和速率要根據(jù)微控制器在校準(zhǔn)期間收集和處理Xh和Yh數(shù)據(jù)的快慢而定。收集讀數(shù)的最好的辦法是要求多旋轉(zhuǎn)幾轉(zhuǎn)或使旋轉(zhuǎn)足夠慢，以便收集旋轉(zhuǎn)速率適當(dāng)時的讀數(shù)。</

60、p><p>　　校準(zhǔn)期間Xh和Yh的讀數(shù)由值Xoff和Yoff值為零時以及Xsf和Ysf為同一值時讀數(shù)。在收集好值Xh和Yh后列表找出X和Y的最大和最小值。在最后的校準(zhǔn)期間，X最大, Y最大, X最小和Y最小由以下方法算出： </p><p>　　Xsf=1或（Ymax-Ymin）/(Xmax-Xmin),取較大值</p><p>　　Ysf=1或（Xmax-Xmin）

61、/(Ymax-Ymin), 取較大值</p><p>　　Xoff=[(Xmax-Xmin)/2-Xmax]*Xsf</p><p>　　Yoff=[(Ymax-Ymin)/2-Ymax]*Ysf</p><p><b>　?。?）干涉磁場校正</b></p><p>　　實際應(yīng)用中，指南針附近的地球磁場可能會受到其他磁

62、場或附近的含鐵金屬干擾，為了獲得可靠的方位角，有效的補償上述影響是很必要的。干涉磁場對指南針的影響可以由測試圖（指南針旋轉(zhuǎn)360o時，SCU輸出信號Vy-Vx圖）進(jìn)行估計。沒有干涉磁場時，圖形是一個中心在參考原點，半徑為地球磁場強度He的圓?；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)為圓心移動到（Hix,Hiy）,Hix和Hiy是干涉磁場的分量；含鐵金屬對地球磁場的影響表

63、現(xiàn)為“軟鐵效應(yīng)”，在測試圖中表現(xiàn)為圓的變形。實際中，“硬鐵效應(yīng)”一般比“軟鐵效應(yīng)”強的多。</p><p>　　如果忽略軟鐵效應(yīng)（倘若指南針附近沒有磁鐵性材料，軟鐵效應(yīng)是非常微弱的），可以用“雙向校正”法校正。指南針在同一地點測得方向相差180 o的兩個磁場值（H1和H2），儲存兩個測量值的磁場分量Hx和Hy，由于指南針的磁場等于地球磁場向量He與干涉磁場向量Hi的矢量和（旋轉(zhuǎn)后，He大小相等方向相反；Hi的場源

64、與指南針關(guān)系固定，不發(fā)生變化），可以得到干涉磁場分量：測得干涉磁場分量后，可以在補償線圈中通以相應(yīng)大小的電流，產(chǎn)生反向磁場分量-Hix和-Hiy，以補償干涉磁場。圖4是“硬鐵效應(yīng)”補償前后兩組數(shù)據(jù)的仿真圖，補償前圖形大致以（3.5,6.5）為圓心（圖4a），補償后圖形基本上是以（5.0，5.0）為中心（圖4b），“硬鐵效應(yīng)”得到補償。</p><p>　　有時候,某些外來磁場疊加會產(chǎn)生一個恒定磁場,這個磁場對系統(tǒng)

65、指示將造成影響。故可采用如下方法對其進(jìn)行校正：</p><p>　　讓整個系統(tǒng)在水平面上旋轉(zhuǎn)一周,干涉磁場與地球磁場疊加會有一個最大值Ｖｍａｘ和一個最小值Ｖｍｉｎ,記錄下這兩個值和達(dá)到最大值（或最小值）的角度φ,再經(jīng)過校正,即可消除磁場的影響。現(xiàn)以圖５所示的干擾校正方案為例來加以說明。</p><p>　　設(shè)地球磁場的大小為Ｖｅａｒ,干擾磁場的大小為Ｖｄｉｓ則有：</p>

66、<p>　?。郑澹幔颍剑ǎ郑恚幔郑恚椋睿拨?lt;/p><p>　?。郑洌椋螅剑ǎ郑恚幔郑恚椋睿拨?lt;/p><p>　　這樣,由正弦定理Ｖｅａｒ／ｓｉｎφ＝Ｖｄｉｓ／ｓｉｎγ可求出γ。然后在α上加上γ角即可消除干擾磁場的影響。</p><p><b>　　四 結(jié)束語</b></p><p>　　本

67、電子指南針采用特殊的數(shù)據(jù)處理方法提高了系統(tǒng)的精度。由于系統(tǒng)采用了抗干擾技術(shù),因而減小了其它因素所造成的影響,使系統(tǒng)精度進(jìn)一步得到提高。創(chuàng)建本低成本羅盤參考設(shè)計是為了展示設(shè)計過程和方便在電子羅盤中使用現(xiàn)成元件。讀者可以自由替換其最終成品特性不相匹配的元件。由于本系統(tǒng)可以采用各種處理平臺來實現(xiàn),因此具有良好的可移植性,可廣泛用于定位系統(tǒng),而且可靠性好,精度很高。</p><p><b>　　五 參考文獻(xiàn)&

68、lt;/b></p><p>　　[1] 邵婷婷,馬建倉,胡士峰,王超. 電子羅盤的傾斜及羅差補償算法研究[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報, 2007, (06) . [2] 邱丹,黃圣國. 電子羅盤在航向系統(tǒng)的應(yīng)用[J]. 江蘇航空, 2006, (02) . [3] 彭樹生. 數(shù)字電子羅盤HMR3000的特性及應(yīng)用[J]. 電子技術(shù), 2004, (08) . [4] 朱學(xué)斌. 基于MAX155和KMZ52

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