電子指南針畢業(yè)設(shè)計論文（含外文翻譯）

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　早期的指南針采用了磁化指針和方位盤的組合方式，整個指南針從便攜性、指示靈敏度上都有一定不足，極易受到外界因素的干擾。本系統(tǒng)采用專用的磁場傳感器結(jié)合高速微控制器（MCU）的電子指南針能有效解決這些問題。</p><p>　　系統(tǒng)采用了磁阻（GMR）傳感器采集某一方向磁場強(qiáng)度后通過MCU控制器對其進(jìn)行處理

2、并顯示上傳，通過對電子指南針硬件電路和軟件程序的分析，闡述了電子指南針基本的工作原理及實(shí)現(xiàn)。實(shí)際測試指南針模塊精度達(dá)到1°，能夠在LCD上顯示當(dāng)前方位并能通過鍵盤控制實(shí)現(xiàn)磁場校準(zhǔn)，磁偏角補(bǔ)償，重新設(shè)定等功能。</p><p>　　關(guān)鍵詞：電子指南針；磁阻傳感器；單片機(jī)；液晶</p><p><b>　　Abstract</b></p><

3、p>　　Since the early use of a magnetic compass and direction-pointer of the composition, the entire compass from scratch, on the instructions of a certain sensitivity of the defect. Using a dedicated high-speed magneti

4、c sensors with microcontroller (MCU) electronic compass can effectively solve these problems. </p><p>　　The system is designed by the reluctance (GMR) sensors collecting a certain direction through the magne

5、tic field strength after the MCU Controller its judgement will be dealt with the results, through the LCD screen display and can be sent to the MCU's top serial Machine. The actual test compass module can reach 1

6、76;, in the LCD display on the current position and through the keyboard control can realize functions like the magnetic field calibration, Magnetic declination, Reset etc. </p><p>　　Key words: electronic co

7、mpass; GMR; MCU; LCD</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p><b>　　1 引言1</b></p><p>　　1.1 課題背景1</p><p>　　

8、1.2 指南針原理介紹1</p><p>　　1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.4 本課題研究的意義3</p><p>　　2 單片機(jī)及相關(guān)物理量介紹4</p><p>　　2.1 單片機(jī)系統(tǒng)簡介4</p><p>　　2.2 物理量簡介7</p><p>　　2.3

9、 電子指南針的主要偏差及校正9</p><p>　　3 原理及系統(tǒng)框圖13</p><p>　　3.1 測量原理簡介13</p><p>　　3.2 系統(tǒng)總圖框圖14</p><p>　　3.3 系統(tǒng)其他模塊簡介15</p><p><b>　　4 系統(tǒng)硬件23</b></p&g

10、t;<p>　　4.1 系統(tǒng)控制模塊23</p><p>　　4.2 指南針模塊24</p><p>　　4.3 實(shí)時時鐘模塊25</p><p>　　4.4 液晶顯示電路26</p><p>　　4.5 系統(tǒng)輸入電路27</p><p><b>　　5 系統(tǒng)軟件29</b&g

11、t;</p><p>　　5.1 主監(jiān)控程序29</p><p>　　5.2 實(shí)時時鐘驅(qū)動30</p><p>　　5.3 指南針模塊驅(qū)動30</p><p>　　5.4 鍵盤驅(qū)動32</p><p>　　5.5 液晶模塊驅(qū)動33</p><p><b>　　結(jié) 論3

12、4</b></p><p><b>　　致 謝35</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)36</b></p><p><b>　　附 錄37</b></p><p><b>　　1 引言</b></p>

13、<p><b>　　1.1 課題背景</b></p><p>　　指南針的發(fā)明是我國勞動人民，在長期的實(shí)踐中對物體磁性認(rèn)識的結(jié)果。由于生產(chǎn)勞動，人們接觸了磁礦石，開始了對磁性質(zhì)的了解。人們首先發(fā)現(xiàn)了磁石引鐵的性質(zhì)。后來又發(fā)現(xiàn)了磁石的指向性。經(jīng)過多方的實(shí)驗(yàn)和研究，終于發(fā)明了可以實(shí)用的指南針。</p><p>　　指南針的始祖大約出現(xiàn)在戰(zhàn)國時期。它是用天然磁石制

14、成的。樣子象一把湯勺，圓底，可以放在平滑的“地盤”上并保持平衡，且可以自由旋轉(zhuǎn)。當(dāng)它靜止的時候，勺柄就會指向南方。古人稱它為“司南”。司南由青銅盤和天然磁體制成的磁勺組成，青銅盤上刻有二十四向，置磁勺于盤中心圓面上，靜止時，勺尾指向?yàn)槟稀?lt;/p><p>　　但司南也有許多缺陷，天然磁體不易找到，在加工時容易因打擊、受熱而失磁。所以司南的磁性比較弱，而且它與地盤接觸處要非常光滑，否則會因轉(zhuǎn)動摩擦阻力過大，而難于旋

15、轉(zhuǎn)，無法達(dá)到預(yù)期的指南效果。而且司南有一定的體積和重量，攜帶很不方便，使得司南長期未得到廣泛應(yīng)用。</p><p>　　1.2 指南針原理介紹</p><p>　　地球是個大磁體，其地磁南極在地理北極附近，地磁北極在地理南極附近。根據(jù)磁體同級相斥，異級相吸的普便現(xiàn)象，無論處于何地磁體的南極會指向地球的北極附近；而磁體的北極會指向地球的南極附近。所以磁體這種指向性可以用來確定方向。</

16、p><p>　　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)在的便攜式指南針。但其基本構(gòu)造是沒有改變，都屬于機(jī)械指針式，指示的機(jī)械結(jié)構(gòu)也基本沒有改變。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。</p><p>　　1.2.1 電子指南針的形成</p><p>　　指南針是一個重要的導(dǎo)航工具，甚至在GPS中

17、也會用到。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。</p><p>　　電子指南針替代舊的指針式指南針或羅盤指南針，因?yàn)殡娮又改厢樔捎霉虘B(tài)的原件，還可以簡單地和其他電子系統(tǒng)接口。</p><p>　　電子指南針系統(tǒng)中磁場傳

18、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)，是一個更值得使用的解決方案。</p><p>　　1.2.2 電子指南針的優(yōu)勢</p><p>　　與傳統(tǒng)的機(jī)械指針式指南針相比，因電子式指南針采用電信號傳送，且以較為直觀的方式顯示測量的結(jié)果，所以電子式指南針無論是在靈敏度上還是在精度上都遠(yuǎn)

19、勝前者，而且不會因?yàn)闄C(jī)械磨損而減短使用壽命。</p><p>　　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)字時鐘等擴(kuò)展功能，方便實(shí)用。</p><p>　　1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　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)

20、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的影響而自由的旋轉(zhuǎn)。</p><p>　　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。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

21、專用處理器對磁場進(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。</p><p>　　國內(nèi)外現(xiàn)階段研究電子指南針的主要應(yīng)用是提供地磁導(dǎo)航功能，相對于其他導(dǎo)航手段而言,地磁導(dǎo)航起步得比較晚。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)。20世紀(jì)80年代初,瑞典的Lund學(xué)院對船只的地磁導(dǎo)航進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)

22、驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)中將地磁強(qiáng)度的測量數(shù)據(jù)與地磁圖進(jìn)行人工比對,確定船只的位置,同時根據(jù)距離已知的兩個磁傳感器的輸出時差,確定船只的速度。</p><p>　　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),并計劃用于提高飛航導(dǎo)彈和巡航魚雷的命中率。另外,美國在導(dǎo)彈試驗(yàn)方面已開始應(yīng)用地磁信息,并利用E22飛機(jī)進(jìn)行高空地磁數(shù)據(jù)測量。NASA God2dard空間中心和有關(guān)大學(xué)對水下地磁

23、導(dǎo)航進(jìn)行了研究,并進(jìn)行了大量的地面試驗(yàn)。</p><p>　　國內(nèi)有關(guān)地磁導(dǎo)航的研究還主要集中在仿真和預(yù)研階段,航天科工集團(tuán)三院的李素敏等人運(yùn)用平均絕對差法對地面所測量的地磁強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行了匹配運(yùn)算,分辨率能達(dá)到50m；西北工業(yè)大學(xué)的晏登洋等人利用地磁導(dǎo)航校正慣性導(dǎo)航的仿真實(shí)驗(yàn)取得了較高的精度。</p><p>　　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

24、程度是決定地磁導(dǎo)航技術(shù)是否可行的關(guān)鍵因素。</p><p>　　1.4 本課題研究的意義</p><p>　　本課題針對電子指南針的各個功能部件對電子指南針的關(guān)鍵部分做了詳細(xì)的研究。電子指南針系統(tǒng)是一個典型的單片機(jī)系統(tǒng)，了解其工作原理及其信號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。&

25、lt;/p><p>　　本次課題研究，首先介紹了課題研究的背景，以及電子指南針的發(fā)展歷程，其中包括了電子指南針相對于傳統(tǒng)指南針的優(yōu)勢以及國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀。其次介紹了系統(tǒng)總控制器單片機(jī)的相關(guān)知識和設(shè)計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，對于指南針的偏差與校正也有所介紹。然后概述了系統(tǒng)測量所應(yīng)用的原理以及系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖，此外還介紹了系統(tǒng)中其他模塊的相關(guān)知識，例如常用的指南針芯片、

26、液晶的顯示原理、實(shí)時時鐘的結(jié)構(gòu)和工作原理、鍵盤的檢測等。</p><p>　　第四部分主要是介紹了系統(tǒng)的具體的硬件部分設(shè)計，其中包括了各個模塊的電路接線、接口的說明和時序圖等。第五部分介紹了系統(tǒng)的軟件部分的設(shè)計，在概部分里主要是介紹了系統(tǒng)總體和各個模塊的流程圖以及驅(qū)動原理等。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)動程序。</p><p>　　2 單片機(jī)及相關(guān)物理量介紹</

27、p><p>　　2.1 單片機(jī)系統(tǒng)簡介</p><p>　　單片機(jī)是自20世紀(jì)70年代問世以來，以其極高的性能價格比，受到人們的重視和關(guān)注，應(yīng)用很廣，發(fā)展很快。單片機(jī)體積小，重量輕，抗干擾能力強(qiáng)，環(huán)境要求不高，價格低廉，可靠性高，靈活性好，開發(fā)較為容易。由于具有上述優(yōu)點(diǎn)，在我國，單片機(jī)已廣泛地應(yīng)用在工業(yè)自動化控制、自動檢測、智能儀器儀表、家用電器、電力電子、機(jī)電一體化設(shè)備等各個方面。</

28、p><p>　　2.1.1 單片機(jī)的歷史及發(fā)展概況</p><p>　　單片機(jī)的發(fā)展歷史可分為四個階段：</p><p>　　第一階段（1974年——1976年）：單片機(jī)初級階段。因工藝限制，單片機(jī)采用雙片的形式而且功能比較簡單。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個并行口。因此，還需加1快3851（由1KB ROM、定時器/計時

29、器和2個并行I/O構(gòu)成）才能組成1臺完整的計算機(jī)。</p><p>　　第二階段（1976年——1978年）低性能單片機(jī)階段。以Intel公司制造的MCS-48單片機(jī)為代表，這種單片機(jī)片內(nèi)集成有8位CPU、并行I/O口、8位定時器/計數(shù)器、RAM和ROM等，但是不足之處是無串行口，中斷處理比較簡單，片內(nèi)RAM和ROM容量較小且尋址范圍不大于4KB。</p><p>　　第三階段（1978年

30、——現(xiàn)在）高性能單片機(jī)階段。之歌階段推出的單片機(jī)普遍都有串行I/O口，多級中斷系統(tǒng)，16位定時器/計數(shù)器，片內(nèi)ROM、RAM容量加大，且尋址范圍可達(dá)64KB，有的片內(nèi)還帶有A/D轉(zhuǎn)換器。這類單片機(jī)的典型代表是：Intel公司的MCS-51、Motorola公司的6801和Zilog公司的Z8等。由于這類單片機(jī)的性能價格比較高，所以仍被廣泛應(yīng)用，是目前應(yīng)用數(shù)量較多的單片機(jī)。</p><p>　　第四階段（1982年

31、——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。此階段的主要特征是一方面發(fā)展16位單片機(jī)、32位單片機(jī)及專用型單片機(jī)；另一方面不斷完善高檔8位單片機(jī)，改善其結(jié)構(gòu)，以滿足不同的用戶需要。16位單片機(jī)的典型產(chǎn)品如Intel公司的MCS-96系列單片機(jī)，其集成度已達(dá)120000管子/片，主振為12MHz,片內(nèi)RAM為232B，ROM為8KB，中斷處理為8級，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/H

32、SO），實(shí)時處理功能的能力很強(qiáng)。而32位單片機(jī)除了具有更高的集成度外，其主振已達(dá)20MHz,使32位單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理速度比16位單片機(jī)提高許多，性能比8位、16位單片機(jī)更加優(yōu)越。</p><p>　　2.1.2 單片機(jī)的分類</p><p>　　單片機(jī)按照其用途可分為通用型和專用型兩大類。</p><p>　　通用型單片機(jī)具有比較豐富的內(nèi)部資源，性能全面且實(shí)用性強(qiáng)，

33、可滿足多種應(yīng)用需求。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。用戶可以根據(jù)實(shí)際需要，充分利用單片機(jī)的內(nèi)部資源，設(shè)計一個以通用單片機(jī)芯片為核心，再配以外部接口電路及其他外圍設(shè)備，來滿足各種不同需要的測控系統(tǒng)。通常所說的單片機(jī)是指通用型單片機(jī)。</p><p>　　然而，有許多應(yīng)用是使用專門針對某些產(chǎn)品的特定用途而制作的單片機(jī)。例如，打印機(jī)、家用電器以及各種通信設(shè)備中的專用

34、單片機(jī)等。這種應(yīng)用的最大特點(diǎn)是針對性強(qiáng)且數(shù)量巨大。為此，單片機(jī)芯片制造商常與產(chǎn)品廠家合作，設(shè)計和生產(chǎn)專用的單片機(jī)芯片。在設(shè)計中，已經(jīng)對系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的最簡化、可靠性和成本的最佳化等方面都做了全面的考慮，所以專用單片機(jī)具有十分明顯的綜合優(yōu)勢，也是今后單片機(jī)發(fā)展的一個重要方向。但是，無論專用單片機(jī)在用途上有多么“?！?，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。</p><p>　　單片機(jī)根據(jù)其基本操作處理的位數(shù)可分為：

35、1位單片機(jī)、4位單片機(jī)、8位單片機(jī)、16位單片機(jī)和32位單片機(jī)。</p><p>　　2.1.3 單片機(jī)的發(fā)展趨勢</p><p>　　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。位滿足不同的用戶要求，各公司競相推出能滿足不同需要的產(chǎn)品。</p><p><b>　　1.CPU的改進(jìn)</b></p><

36、p>　?。?）采用雙COU結(jié)構(gòu)，以提高處理能力。</p><p>　?。?）增加數(shù)據(jù)總線的寬度，單片機(jī)內(nèi)部采用16位數(shù)據(jù)總線，其數(shù)據(jù)處理能力明顯優(yōu)于一般8位單片機(jī)。</p><p>　　（3）串行總線結(jié)構(gòu)。飛利浦公司開發(fā)了一種新型總線：I2C總線（Intel-IC bus）。該總線是用2根信號線代替現(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。

37、目前許多公司都在積極的開發(fā)此類產(chǎn)品。</p><p><b>　　2.存儲器的發(fā)展</b></p><p>　?。?）加大存儲容量。新型單片機(jī)片內(nèi)ROM一般可達(dá)4KB至8KB，RAM為256B。有的單片機(jī)片內(nèi)ROM容量可達(dá)128KB。</p><p>　?。?）片內(nèi)EPROM采用E2PROM或閃爍（Flash）存儲器。片內(nèi)EPROM由于需要高壓

38、（+21V或+12V）編程寫入，紫外線擦抹給用戶帶來不便。采用E2PROM或閃爍存儲器后，能在+5V下讀寫，不需要紫外線擦抹，既有靜態(tài)RAM讀寫操作簡便又有在掉電時數(shù)據(jù)不會丟失的優(yōu)點(diǎn)。片內(nèi)E2PROM或閃爍存儲器的使用，大大簡化了應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。</p><p>　?。?）程序保密化。一般EPROM中的程序很容易被復(fù)制。為防止復(fù)制，生產(chǎn)廠家對片內(nèi)E2PROM或閃爍存儲器采用加鎖方式。加鎖后，無法讀取其中的程序，這就

39、達(dá)到了程序的保密的目的。</p><p>　　3.片內(nèi)I/O的改進(jìn)</p><p>　　一般單片機(jī)都有較多的并行口，以滿足外圍設(shè)備、芯片擴(kuò)展的需要，并配有串行口，以滿足多機(jī)通信功能的要求。</p><p>　?。?）增加并行口的驅(qū)動能力。這樣可以減少外部驅(qū)動芯片。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LED和VFD（熒光顯示器）。</p>

40、<p>　?。?）增加I/O口的邏輯控制功能。大部分單片機(jī)的I/O都能進(jìn)行邏輯操作。中、高檔單片機(jī)的位處理系統(tǒng)能夠?qū)/O口進(jìn)行尋址及位操作，大大地加強(qiáng)了I/O口線控制的靈活性。</p><p>　　（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。</p><p><b>　　4.外圍電路內(nèi)裝化</b></p>

41、;<p>　　隨著集成度的不斷提高，有肯能把眾多的外圍功能器件集成在片內(nèi)。這也是單片機(jī)發(fā)展的重要趨勢。除了一般必須具有的ROM、RAM、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)外，隨著單片機(jī)檔次的提高，以適應(yīng)檢測、控制功能更高的要求，片內(nèi)集成的部件還有A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、DMA控制器、中斷控制器、鎖相環(huán)、頻率合成器、字符發(fā)生器、聲音發(fā)生器、CRT控制器、譯碼驅(qū)動器等。</p><p>　　隨著集成電路技術(shù)及

42、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。</p><p><b>　　5.低功耗</b></p><p>　　8位單片機(jī)中有二分之一的產(chǎn)片已CMOS化，CMOS芯片的單片機(jī)具有功耗小得有點(diǎn)，而且為了充分發(fā)揮低功耗的特點(diǎn)，這類單片機(jī)普遍配置有Wait和Stop兩種工作方式。例如采用C

43、HMOS工藝的MCS-51系列單片機(jī)80C31/80C51/87C51在正常運(yùn)行（5V，12MHz）時，工作電流為16mA,同樣條件下Wait方式工作時，工作電流則為3.7mA，而在Stop方式（2V）時，工作電流僅為50nA。</p><p>　　綜觀單片機(jī)幾十年的發(fā)展歷程，單片機(jī)今后將向多功能、高性能、高速度、低電壓、低功耗、低價格、外圍電路內(nèi)裝化以及片內(nèi)存儲器容量增加和Flash存儲器化方向發(fā)展。但其位數(shù)不

44、一定會繼續(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?？梢灶A(yù)言，今后的單片機(jī)將是功能更強(qiáng)、集成度和可靠性更高而功耗更低，以及使用更方便。</p><p>　　此外，專用化也是單片機(jī)的一個發(fā)展方向，針對單一用途的單片機(jī)將會越來越多。</p><p><b>　　2.2 物理量簡介</b></p><p><b>　　2.2.1 磁

45、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(yùn)動電荷、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)。</p><p>　　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。</p><p>　　磁場的基本特征是能對其中的運(yùn)

46、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，作為一個矢量場，磁場的性質(zhì)與電場頗為不同。</p><p>　　運(yùn)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

47、感線是閉合的曲線族，不中斷，不交叉。</p><p>　　換言之，在磁場中不存在發(fā)出磁感線的源頭，也不存在會聚磁感線的尾閭，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)。</p><p><b>　　2.2.2 磁感線</b></p><p>　　在磁場中畫一些曲線，使曲線上任何一點(diǎn)

48、的切線方向都跟這一點(diǎn)的磁場方向相同，這些曲線叫磁感線。磁感線是閉合曲線。規(guī)定小磁針的北極所指的方向?yàn)榇鸥芯€的方向。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。</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)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。</p><p>　　電磁波

49、以有限的速度傳播，具有可交換的能量和動量，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。</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。</p><p>　　為了認(rèn)識和解釋其中的

50、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(jī)、電動機(jī)、變壓器、電報、電話、收音機(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)。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><b>　　2.2.3 地磁場</b></p><p>　　地磁場（

51、geomagnetic field）是從地心至磁層頂?shù)目臻g范圍內(nèi)的磁場，是地磁學(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。</p><p>　　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

52、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(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)家沈括是第一個注意到磁偏角現(xiàn)象的科學(xué)家。</p><p>　　地磁場是一個向量場。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。常用的地磁要素有7個，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

53、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。 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。地磁場強(qiáng)度的單位過去通常采用伽馬（γ），即1納特斯拉。</p><p>　　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（n

54、T），簡稱納特。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。 </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糠郑鹪从诘厍騼?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

55、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(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)。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(qiáng)度約占地磁場的10％。地磁異常又分為區(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

56、，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(qiáng)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分布在地球的極光區(qū)內(nèi)。</p><p>　　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)

57、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意義。 </p><p>　　2.3 電子指南針的主要偏差及校正</p><p>　　2.3.1 磁偏

58、角和磁傾角</p><p>　　現(xiàn)在人們已經(jīng)知道，地球的兩個磁極和地理的南北極只是接近，并不重合。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，這個角度就叫磁偏角。</p><p>　　地球近似球形，所以磁針指向磁極時必向下傾斜，和水平方向有一個夾角，這個夾角稱為磁傾角。不同地點(diǎn)的磁偏角和磁傾角都是不相同的。磁偏角和磁傾角的發(fā)現(xiàn)使指南針的指向更加準(zhǔn)確。

59、</p><p>　　2.3.2 電子指南針的偏差  </p><p>　　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、價格低等特點(diǎn)，是理想的導(dǎo)航元件。</p><p>　　但是地球磁場和電子指南針本身的特點(diǎn)，在測量磁場時會有些偏差，所以要進(jìn)行傳感器偏差補(bǔ)償、干涉磁場校正、正北校正、傾斜校正等，才能得到正確的結(jié)果。</p>&l

60、t;p>　　2.3.3 傳感器偏移補(bǔ)償 </p><p>　　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 1.2mV；而Vcc=5V 時，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±7.5mV，最大溫度漂移電壓為1.5mV，都比傳感器輸出電壓1.2mV高很多，所以指南針系

61、統(tǒng)的內(nèi)部偏移補(bǔ)償是很重要的。</p><p>　　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就會周期地反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)傳感器信號的幅值包含了需要的磁場信號，而傳感器偏移是一個純直流信號，通過放大級中的高通濾波器，可以除去這一直流信號，同時消除偏差和溫漂造成的偏移。</p><p>　　圖2-1 跳轉(zhuǎn)技術(shù)波形圖</p>&l

62、t;p>　　圖2-1是跳轉(zhuǎn)技術(shù)的波形圖，a是得到的輸出信號，b是濾波去除偏移后的信號，c是翻轉(zhuǎn)后得到的原來信號。在圖2-1設(shè)計的電路圖中，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)電流脈沖時間非常短，幅度達(dá)到1A，滿足了對電流脈沖的要求。</p><p>　　2.3.4 干涉磁場校正</p>&

63、lt;p>　　實(shí)際應(yīng)用中，指南針附近的地球磁場可能會受到其他磁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(bǔ)償上述影響是很必要的。干涉磁場對指南針的影響可以由圖2-2（指南針旋轉(zhuǎn)360度時，SCU輸出信號Vy-Vx圖）進(jìn)行估計。</p><p>　　沒有干涉磁場時，圖形是一個中心在參考原點(diǎn)，半徑為地球磁場強(qiáng)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

64、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現(xiàn)為“軟鐵效應(yīng)”，在測試圖中表現(xiàn)為圓的變形。實(shí)際中，“硬鐵效應(yīng)”一般比“軟鐵效應(yīng)”強(qiáng)的多。</p><p>　　圖2-2 補(bǔ)償前輸出信號圖</p><p>　　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。指南針在同一地點(diǎn)測得

65、方向相差180度的兩個磁場值（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(bǔ)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(bǔ)償干涉磁場。</p><p>　　圖2-3 補(bǔ)償后輸出信號圖</p>

66、<p>　　圖2-2、圖2-3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（3.5,6.5）為圓心（圖2-2），補(bǔ)償后圖形基本上是以（5.0，5.0）為中心（圖2-3），“硬鐵效應(yīng)”得到補(bǔ)償。 </p><p><b>　　3 原理及系統(tǒng)框圖</b></p><p>　　3.1 測量原理簡介</p><p>　　如圖3-

67、1是地球某一點(diǎn)的地球磁場向量He的三維圖（其中，x和y軸與地球表面平行， z軸垂直指向下）。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針計算的；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)。</p><p>　　圖3-1 測量原理圖</p><p>

68、　　在具體測量時，測量得到的初始角度是磁場北極與前進(jìn)方向的夾角，而我們知道地理北極與地磁北極是不重合的，他們之間存在被稱為磁偏角的角度差，所以真正地地理北極應(yīng)該是在我們所測得的初始角度的基礎(chǔ)是進(jìn)行磁偏角的補(bǔ)償所得到的角度。</p><p>　　此外，由于地球是球體，指南針受磁場的影響會指向地面而不是指向水平方向，此時水平方向與磁針的真實(shí)指向也會存在一個被稱為磁傾角的誤差角度，因此，對所測量的結(jié)果再進(jìn)行磁傾角的補(bǔ)償

69、，所得到的結(jié)果才會更加的準(zhǔn)確。</p><p>　　3.2 系統(tǒng)總圖框圖</p><p>　　電子指南針的系統(tǒng)主要由前端磁阻傳感器、磁場測量專用轉(zhuǎn)換芯片、單片機(jī)控制器、輔助擴(kuò)展電路、人機(jī)界面以及系統(tǒng)電源幾個部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3-2所示。</p><p><b>　　圖3-2系統(tǒng)總框圖</b></p><p>　　整個系

70、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。</p><p>　　微控制器將表征當(dāng)前磁場大小的數(shù)字量按照角度方位進(jìn)行歸一化等處理后通過直觀的LCD進(jìn)行角度方位顯示，整個系統(tǒng)中還包含了實(shí)時時鐘等一些輔助電路，使整個系統(tǒng)功能得到進(jìn)一步的擴(kuò)展。同時可以通過鍵盤控制

71、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)時時鐘的調(diào)整等。</p><p>　　此外，電子指南針系統(tǒng)容易受到外界磁場的影響，所以在整個系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)注意設(shè)置磁屏蔽殼體，此設(shè)置可以極大的減少外界磁場、各種硬鐵和軟鐵對整個系統(tǒng)的干擾。同時在系統(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)。</p><p>　　3.3 系統(tǒng)其他模塊簡介</p><p

72、>　　整個系統(tǒng)除包含單片機(jī)做位中央控制器外，還包括了指南針模塊、液晶顯示模塊、實(shí)時時鐘模塊、鍵盤輸入模塊等擴(kuò)展電路，下面對各個模塊做分別的介紹。</p><p>　　3.3.1 常用指南針芯片簡介</p><p>　　3.3.1.1 一維磁阻微電路芯片HMC1052感應(yīng)磁場</p><p>　　HMCI052是一個雙軸線性磁傳感器，象其它HMC10XX系列傳感

73、器，每個傳感器都有一個由磁阻薄膜合金組成的惠斯通橋。</p><p>　　當(dāng)橋路加上供電電壓，傳感器將磁場強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為電壓輸出，包括環(huán)境磁場和測量磁場。HMC1052包含兩個敏感元件,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，而且消除了兩個敏感元件引起的非正交誤差。</p><p>　　除了惠斯通電橋，HMCI052

74、有兩個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。在標(biāo)準(zhǔn)的 10 針外形(MSOP)中，兩個敏感元件可以獨(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。</p><p>　　圖3-3 HMC1052外部接線圖</p><p>　　3.

75、3.1.2 霍尼韋爾HMC1022各向異性磁阻傳感電路</p><p>　　可實(shí)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。</p><p>　　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

76、是一個完全的三軸傾斜補(bǔ)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>　　圖3-4 HMC1022接線圖</p><p>　　3.3.1.3 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。該磁阻

77、傳感器內(nèi)置兩個正交磁敏電阻橋、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(yùn)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。由于加入了

78、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>　　圖3-5 KMZ52原理圖</p><p>　　3.3.2 液晶顯示簡介</p><p>　　液晶是一種高分子材料，

79、因?yàn)槠涮厥獾奈锢?、化學(xué)、光學(xué)特性，20世紀(jì)中葉開始被廣泛應(yīng)用在輕薄型的顯示技術(shù)上。人們熟悉的物質(zhì)狀態(tài)為氣、液、固，較為生疏的是電漿和液晶。液晶相要具有特殊形狀分子組合始會產(chǎn)生，它們可以流動，又擁有結(jié)晶的光學(xué)性質(zhì)。</p><p>　　液晶的定義，現(xiàn)在已放寬而囊括了在某一溫度范圍可以是現(xiàn)液晶相，在較低溫度為正常結(jié)晶之物質(zhì)。而液晶的組成物質(zhì)是一種有機(jī)化合物，也就是以碳為中心所構(gòu)成的化合物。 同時具有兩種物質(zhì)的液晶，是

80、以分子間力量組合的，它們的特殊光學(xué)性質(zhì)，又對電磁場敏感，極有實(shí)用價值。</p><p>　　3.3.2.1 物理特性</p><p>　　當(dāng)通電時導(dǎo)通，排列變得有秩序，使光線容易通過；不通電時排列混亂，阻止光線通過。讓液晶如閘門般地阻隔或讓光線穿透。從技術(shù)上簡單地說，液晶面板包含了兩片相當(dāng)精致的無鈉玻璃素材，稱為Substrates，中間夾著一層液晶。當(dāng)光束通過這層液晶時，液晶本身會排排站

81、立或扭轉(zhuǎn)呈不規(guī)則狀，因而阻隔或使光束順利通過。</p><p>　　大多數(shù)液晶都屬于有機(jī)復(fù)合物，由長棒狀的分子構(gòu)成。在自然狀態(tài)下，這些棒狀分子的長軸大致平行。將液晶倒入一個經(jīng)精良加工的開槽平面，液晶分子會順著槽排列，所以假如那些槽非常平行，則各分子也是完全平行的。液晶是一種介于晶體狀態(tài)和液態(tài)狀態(tài)之間的中間物質(zhì)。它兼有液體和晶體的某些特點(diǎn)，表現(xiàn)出一些獨(dú)特的性質(zhì)。</p><p>　　3.3.

82、2.2 液晶顯示器</p><p>　　液晶顯示器，又稱LCD(Liquid Crystal Display)，為平面超薄的顯示設(shè)備，它由一定數(shù)量的彩色或黑白畫素組成，放置于光源或者反射面前方。液晶顯示器功耗很低，因此倍受工程師青睞，適用于使用電池的電子設(shè)備。</p><p>　　每個畫素由以下幾個部分構(gòu)成：懸浮于兩個透明電極(氧化銦錫)間的一列液晶分子，兩個偏振方向互相垂直的偏振過濾片，

83、如果沒有電極間的液晶，光通過其中一個過濾片勢必被另一個阻擋，通過一個過濾片的光線偏振方向被液晶旋轉(zhuǎn)，從而能夠通過另一個。</p><p>　　液晶分子本身帶有電荷，將少量的電荷加到每個畫素或者子畫素的透明電極，則液晶的分子將被靜電力旋轉(zhuǎn)，通過的光線同時也被旋轉(zhuǎn)，改變一定的角度，從而能夠通過偏振過濾片。</p><p>　　在將電荷加到透明電極之前，液晶分子處于無約束狀態(tài)，分子上的電荷使得這

84、些分子組成了螺旋形或者環(huán)形（晶體狀）， 在有些LCD中，電極的化學(xué)物質(zhì)表面可作為晶體的晶種，因此分子按照需要的角度結(jié)晶，通過一個過濾片的光線在通過液芯片后偏振防線發(fā)生旋轉(zhuǎn)，從而使光線能夠通過另一個偏振片，一小部分光線被偏振片吸收，但其余的設(shè)備都是透明的。 　　</p><p>　　將電荷加到透明電極上后，液晶分子將順著電場方向排列，因此限制了透過光線偏振方向的旋轉(zhuǎn)，假如液晶分子被完全打散，通過的光線其偏振方向?qū)⒑?/p>

85、第二個偏振片完全垂直，因此被光線完全阻擋了，此時畫素不發(fā)光，通過控制每個畫素中液晶的旋轉(zhuǎn)方向，我們可以控制照亮畫素的光線，可多可少。 　　</p><p>　　許多LCD在交流電作用下變黑，交流電破壞了液晶的螺旋效應(yīng)，而關(guān)閉電流后，LCD會變亮或者透明。 　　</p><p>　　為了省電，LCD顯示采用復(fù)用的方法，在復(fù)用模式下，一端的電極分組連接在一起，每一組電極連接到一個電源，另一端的

86、電極也分組連接，每一組連接到電源另一端，分組設(shè)計保證每個畫素由一個獨(dú)立的電源控制，電子設(shè)備或者驅(qū)動電子設(shè)備的軟件通過控制電源的開/關(guān)序列，從而控制畫素的顯示。 　　</p><p>　　檢驗(yàn)LCD顯示器的指標(biāo)包括以下幾個重要方面：顯示大小，反應(yīng)時間(同步速率)，陣列類型（主動和被動），視角，所支持的顏色，亮度和對比度，分辨率和屏幕高寬比，以及輸入接口（例如視覺接口和視頻顯示陣列）。</p><

87、p>　　3.3.2.3顯示原理</p><p>　　利用液晶的基本性質(zhì)實(shí)現(xiàn)顯示。自然光經(jīng)過一偏振片后“過濾”為線性偏振光，由于液晶分子在盒子中的扭曲螺距遠(yuǎn)比可見光波長大得多，所以當(dāng)沿取向膜表面的液晶分子排列方向一致或正交的線性偏振光入射后，其偏光方向在經(jīng)過整個液晶層后會扭曲90°由另一側(cè)射出，正交偏振片起到透光的作用；如果在液晶盒上施加一定值的電壓，液晶長軸開始沿電場方向傾斜，當(dāng)電壓達(dá)到約2倍閾值

88、電壓后，除電極表面的液晶分子外，所有液晶盒內(nèi)兩電極之間的液晶分子都變成沿電場方向的再排列，這時90°旋光的功能消失，在正交片振片間失去了旋光作用，使器件不能透光。如果使用平行偏振片則相反。 　　</p><p>　　正是這樣利用給液晶盒通電或斷電的辦法使光改變其透－遮住狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)顯示。上下偏振片為正交或平行方向時顯示表現(xiàn)為常白或常黑模式。</p><p>　　3.3.3 實(shí)時

89、時鐘簡介</p><p>　　現(xiàn)在流行的串行時鐘電路很多，如DS1302、 DS1307、PCF8485等。這些電路的接口簡單、價格低廉、使用方便，被廣泛地采用。</p><p>　　3.3.3.1 DS1302的結(jié)構(gòu)及工作原理</p><p>　　DS1302 是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實(shí)時時鐘電路，它可以對年、月、日、周日、時、分

90、、秒進(jìn)行計時，具有閏年補(bǔ)償功能，工作電壓為2.5V～5.5V。采用三線接口與CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或RAM數(shù)據(jù)。DS1302內(nèi)部有一個31×8的用于臨時性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升級產(chǎn)品，與DS1202兼容，但增加了主電源/后背電源雙電源引腳，同時提供了對后背電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力。</p><p>　　3.3.3.2 引腳功能及結(jié)

91、構(gòu)</p><p>　　在DS1302的引腳排列,其中Vcc1為后備電源，Vcc2為主電源。在主電源關(guān)閉的情況下，也能保持時鐘的連續(xù)運(yùn)行。DS1302由Vcc1或Vcc2兩者中的較大者供電。當(dāng)Vcc2大于Vcc1+0.2V時，Vcc2給DS1302供電。當(dāng)Vcc2小于Vcc1時，DS1302由Vcc1供電。X1和X2是振蕩源，外接32.768kHz晶振。RST是復(fù)位/片選線，通過把RST輸入驅(qū)動置高電平來啟動所有

92、的數(shù)據(jù)傳送。RST輸入有兩種功能：首先，RST接通控制邏輯，允許地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段。當(dāng)RST為高電平時，所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許對DS1302進(jìn)行操作。如果在傳送過程中RST置為低電平，則會終止此次數(shù)據(jù)傳送，I/O引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。上電運(yùn)行時，在Vcc≥2.5V之前，RST必須保持低電平。只有在SCLK為低電平時，才能將RST置為高電平。I/O為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端(雙向)，后

93、面有詳細(xì)說明。SCLK始終是輸入端。</p><p>　　3.3.3.3 DS1302的控制字節(jié)和數(shù)據(jù)的輸入輸出</p><p>　　DS1302 的控制字符表示?？刂谱止?jié)的最高有效位(位7)必須是邏輯1，如果它為0，則不能把數(shù)據(jù)寫入DS1302中，位6如果為0，則表示存取日歷時鐘數(shù)據(jù)，為1表示存取RAM數(shù)據(jù);位5至位1指示操作單元的地址;最低有效位(位0)如為0表示要進(jìn)行寫操作，為1表示

94、進(jìn)行讀操作，控制字節(jié)總是從最低位開始輸出。</p><p>　　在控制指令字輸入后的下一個SCLK時鐘的上升沿時，數(shù)據(jù)被寫入DS1302，數(shù)據(jù)輸入從低位即位0開始。同樣，在緊跟8位的控制指令字后的下一個SCLK脈沖的下降沿讀出DS1302的數(shù)據(jù)，讀出數(shù)據(jù)時從低位0位到高位7。</p><p>　　3.3.3.4 DS1302的寄存器</p><p>　　DS1302

95、有12個寄存器，其中有7個寄存器與日歷、時鐘相關(guān)，存放的數(shù)據(jù)位為BCD碼形式。</p><p>　　此外，DS1302 還有年份寄存器、控制寄存器、充電寄存器、時鐘突發(fā)寄存器及與RAM相關(guān)的寄存器等。時鐘突發(fā)寄存器可一次性順序讀寫除充電寄存器外的所有寄存器內(nèi)容。 DS1302與RAM相關(guān)的寄存器分為兩類：一類是單個RAM單元，共31個，每個單元組態(tài)為一個8位的字節(jié)，其命令控制字為C0H～FDH，其中奇數(shù)為讀操作，

96、偶數(shù)為寫操作；另一類為突發(fā)方式下的RAM寄存器，此方式下可一次性讀寫所有的RAM的31個字節(jié)，命令控制字為FEH(寫)、FFH(讀)。</p><p>　　3.3.4 鍵盤檢測原理簡介</p><p>　　鍵盤分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤。鍵盤上閉合鍵的識別由專用的硬件編碼器實(shí)現(xiàn)，并產(chǎn)生鍵編碼號或鍵值的稱為編碼鍵盤，如計算機(jī)鍵盤。而靠軟件編程來識別的鍵盤稱為非編碼鍵盤，在單片機(jī)組成的各種系統(tǒng)中

97、，用的較多的是非編碼鍵盤。非編碼鍵盤又分為獨(dú)立鍵盤和矩陣式鍵盤。</p><p>　　3.3.4.1 獨(dú)立鍵盤檢測</p><p>　　鍵盤實(shí)際上是一組按鍵，在單片機(jī)外圍電路中，通常用到的按鍵都是機(jī)械彈性開關(guān)，當(dāng)開關(guān)閉合時，線路導(dǎo)通，開關(guān)斷開時，線路斷開。</p><p>　　彈性小按鍵被按下時閉合，松手后自動斷開；自鎖式按鍵按下時閉合且會自動鎖住，只有再次按下時才

98、彈起斷開。通常我們把自鎖式按鍵當(dāng)做開關(guān)使用，比如單片機(jī)試驗(yàn)箱上得的源開關(guān)就是用自鎖按鍵。</p><p>　　單片機(jī)的外圍輸入控制用小彈性按鍵比較好，單片機(jī)檢測按鍵的原理是：單片機(jī)的I/O口既可以作為輸出也可以作為輸入使用，當(dāng)檢測按鍵時用的是它的輸入功能，我們把按鍵的一端接地，另一端與單片機(jī)的某個I/O口相連，開始時先給I/O口賦一高電平，然后讓單片機(jī)不斷地檢測該I/O口是否變?yōu)榈碗娖剑?dāng)按鍵閉合時，即相當(dāng)于該I

99、/O口通過按鍵與地相連，變成低電平，程序一旦檢測到I/O口變?yōu)榈碗娖絼t說明按鍵被按下，然后執(zhí)行相應(yīng)的指令。</p><p>　　按鍵的連接方法非常簡單，如圖3-6所示，右側(cè)I/O端與單片機(jī)的任一I/O口相連。按鍵在被按下時，其觸點(diǎn)電壓變化過程如圖3-7所示。</p><p>　　從圖3-7可看出，理想波形與實(shí)際波形之間是有區(qū)別的，實(shí)際波形在按下和釋放的瞬間都有抖動現(xiàn)象，抖動時間的長短和按鍵

100、的機(jī)械特性有關(guān)，一般位5~10ms。通常我們手動按下鍵然后立即釋放，這個動作中穩(wěn)定閉合的時間超過20ms。</p><p>　　因此單片機(jī)在檢測鍵盤是否按下時都要加上去抖動操作，有動用的去抖動電路，也有專用的去抖動芯片，但通常我們用軟件延時的方法就能很容易解決抖動問題，而沒有必要再添加多余的硬件電路。</p><p>　　圖3-6 按鍵與單片機(jī)連接圖 圖3-

101、7 按鍵被按下時電壓變化</p><p>　　用示波器跟蹤不同類型的開關(guān)，得到圖3-8和圖3-9的波形，觀察波形可以幫助我們對抖動現(xiàn)象有一個直觀的了解。圖3-8是一個小按鈕開關(guān)在閉合時的抖動現(xiàn)象，水平軸2ms/Div，抖動間隙大約為10ms，在達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)前一共有6次變化，頻率隨時間升高。</p><p>　　圖3-8 小按鈕開關(guān)閉合瞬間</p><p>　　圖3-

102、9是一個小型繼電器在閉合時抖動現(xiàn)象，水平軸2ms/Div，抖動間隙大約為8ms，在達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)前共有13次變化。注意在開始和結(jié)束時，幾個小的脈沖后伴隨較高的頻率。</p><p>　　圖3-9 小型繼電器閉合瞬間</p><p>　　編寫單片機(jī)的鍵盤檢測程序時，一般在檢測按下時加入去抖延時，檢測松手時就不用加了。</p><p>　　3.3.4.2 矩陣鍵盤檢測&l

103、t;/p><p>　　獨(dú)立鍵盤與單片機(jī)連接時，每一個按鍵都需要單片機(jī)的一個I/O口，若某單片機(jī)系統(tǒng)需要較多的按鍵，如果用獨(dú)立按鍵便會占用過多的I/O口資源。單片機(jī)系統(tǒng)中I/O口資源往往比較寶貴，當(dāng)用到多個按鍵時，為了節(jié)省I/O口線，可采用矩陣鍵盤。</p><p>　　無論是獨(dú)立鍵盤還是矩陣鍵盤，單片機(jī)檢測其是否被按下的依據(jù)都是一樣的，也就是檢測與該鍵對應(yīng)的I/O口是否是低電平。獨(dú)立鍵盤有一端

104、固定為低電平，單片機(jī)程序檢測時比較方便。而矩陣鍵盤兩端都與單片機(jī)I/O口相連，因此在檢測時需人為通過單片機(jī)I/O口送出低電平。</p><p>　　檢測時，先送一列位低電平，其余幾列全為高電平（這時我們確定了列數(shù)），然后立即輪流檢測一次各行是否有低電平，若檢測到某一行為低電平（這時我們有確定了行數(shù)），則我們便可確認(rèn)當(dāng)前被按下的鍵是哪一行哪一列的，用同樣方法輪流送各列一次低電平，在輪流檢測一次各行是否變?yōu)榈碗娖?，這

105、樣即可檢測完所有的按鍵，當(dāng)有鍵被按下時便可判斷出按下的鍵是哪一個鍵。這就是矩陣鍵盤檢測的原理和方法。</p><p><b>　　4 系統(tǒng)硬件</b></p><p>　　4.1 系統(tǒng)控制模塊</p><p>　　本次設(shè)計中采用了高速51內(nèi)核MCU，具體型號為STC89C52，高速8051架構(gòu)，每個機(jī)器周期一個時鐘，最高頻率33MHz，單周期指

106、令30ns，雙數(shù)據(jù)指針，支持四種頁面存儲器訪問模式。</p><p>　　4.1.1 控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　STC89C52支持片內(nèi)8KB閃存，在應(yīng)用編程，可通過串口實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)編程。四路8位并行I/O端口，三個定時器，512字節(jié)暫存RAM。支持電源管理模式，可編程的時鐘分頻器，自動的硬件和軟件退出低功耗。外設(shè)特性：兩路全雙工串口、可編程看門狗定時器、五級中斷優(yōu)先級、電源失效復(fù)

107、位等。</p><p>　　4.1.2 控制器具體電路</p><p>　　整個系統(tǒng)的控制部分主要完成對指南針模塊數(shù)據(jù)的讀取和處理并將數(shù)據(jù)的處理結(jié)果通過控制液晶界面顯示出來，同時監(jiān)控鍵盤的輸入以便完成系統(tǒng)功能設(shè)定等操作。</p><p>　　整個系統(tǒng)中各個模塊對微控制器的端口占用比較少，指南針模塊的接口采用串口與單片機(jī)相連。LCD是系統(tǒng)中比較繁忙的器件之一，其接口采