三维电子指南针MAX155——毕业设计

1、目 录1前言32地磁场43电子指南针需要测试的量63.1导航系统中的姿态角以及用到的坐标系简介63.1.1地理坐标系63.1.2机体坐标系73.1.3姿态角73.2电子指南针中测量的角73.2.1 方位角73.2.2俯仰角及横滚角83.3方位角的计算方法83.3.1当指南针水平放置时83.3.1当指南针非水平放置时94核心传感器的选择与比较114.1选择一：利用一维磁阻微电路芯片 hmc1052 感应磁场114.1选择二：用霍尼韦尔 hmc1022 各向异性磁阻传感电路感应磁场124.3选择三：使用 philips 公司生产的 kmz52/kmz51感应磁场125使用kmz52和kmz51设计

2、三维电子指南针的设计方案145.1系统模块设计145.2各模块功能设计155.2.1信号调节模块155.2.2俯仰角及横滚角测量模块215.2.3 a/d转换模块245.2.4 led显示模块245.3硬件介绍255.3.1传感器 kmz52/kmz51255.3.2 加速度传感器adxl203295.3.3 运算放大器305.3.4 ad转换器 max155325.3.5 微处理器8051336软件设计356.1系统主流程357总结与体会368谢辞379参考文献3810附录39附录一：系统电路图39附录二：ad转换程序及led显示程序41附录三：英文文献471前言指南针是我国的四大发明之一，

3、是一种利用地磁实现定向功能的装置，为世界文化的发展作出了巨大的贡献。随着人们对指南针原理认识的不断深入，指南针也由先前笨重的“司南”发展到现在的便携式的指南针。但其基本构造是没有改变的，都是属于机械的指针式，其指示的机械结构基本上没有改变，都是利用某种支撑使得磁针能够受到地磁场的影响而自由的旋转。由于机械的先天因素导致了指针式指南针在便携性、灵敏度、精度以及使用寿命上都有一定的限制，旧的机械式指南针已经不能满足人们的需要。由于国内外电子技术的飞速发展， 特别是在磁传感器和专用芯片（asic）上的发展使能指南针的基本实现机理有了 质的改变，不再是机械结构而采用了磁场传感器和专用处理器对磁场进行测

4、量和 处理后指示方向，这就是当前应用较为广泛的电子式指南针。电子指南针采用固 态的元器件，因此具有极高的精度，能最大限度的减小误差，同时使用图形显示 和数字显示的方法，能方便直观的显示出用户所需要的方位信息。电子指南针在移动方面有着重要的应用价值。与传统的自主惯性导航设备相比，磁电子罗盘具有体积小、成本低、无累计误差、能够自动寻北等特点。与常规的指针型罗盘相比，磁电子罗盘在抗冲击性、抗震性等方面性能良好。并且能够对杂散磁场进行补偿，输出电信号可方便地与其他电子设备组成应用系统。2地磁场磁场是一种看不见，而又摸不着的特殊物质。磁体周围存在磁场，磁体间的相互作用就是以磁场作为媒介的。电流、运动电荷

5、、磁体或变化电 场周围空间存在的一种特殊形态的物质。由于磁体的磁性来源于电流，电流是电荷的运动，因而概括地说，磁场是由运动电荷或变化电场产生的。 磁场的基本特征是能对其中的运动电荷施加作用力，磁场对电流、对 磁体的作用力或力距皆源于此。而现代理论则说明，磁力是电场力的相对论效应。与电场相仿，磁场是在一定空间区域内连续分布的矢量场，描述磁场 的基本物理量是磁感应强度矢量 b ，也可以用磁感线形象地图示。然而， 作为一个矢量场，磁场的性质与电场颇为不同。运动电荷或变化电场产生 的磁场，或两者之和的总磁场，都是无源有旋的矢量场，磁力线是闭合的 曲线族，不中断，不交叉。换言之，在磁场中不存在发出磁力线

6、的源头， 也不存在会聚磁力线的尾闾，磁力线闭合表明沿磁力线的环路积分不为零， 即磁场是有旋场而不是势场（保守场），不存在类似于电势那样的标量函数。地磁场是从地心至磁层顶的空间范围内的磁场。地磁学的主要研究对象。人类对于地磁场存在的早期认识，来源于天然磁石和磁针的指极性。地磁的北磁极在地理的南极附近；地磁的南磁极在地 理的北极附近。磁针的指极性是由于地球的北磁极（磁性为 s 极）吸引着 磁针的 n 极，地球的南磁极（磁性为 s 极）吸引着磁针的n 极。这个解释最初是英国 w.吉伯于 1600 年提出的。吉伯所作出的地磁场来源于地球本体 的假定是正确的。这已为 1839 年德国数学家 c.f.高斯

7、首次运用球谐函数分析法所证实。地磁的磁感线和地理的经线是不平行的，它们之间的夹角叫做磁偏角。 中国古代的著名科学家沈括是第一个注意到磁偏角现象的科学家。地磁场是一个向量场。描述空间某一点地磁场的强度和方向，需要3个独立的地磁要素。常用的地磁要素有 7 个，即地磁场总强度 f，水平强度h，垂直强度 z，x 和 y 分别为 h 的北向和东向分量，d 和 i 分别为磁偏角和 磁倾角。其中以磁偏角的观测历史为最早。在现代的地磁场观测中，地磁台一般只记录 h，d，z 或 x，y，z。近地空间的地磁场，像一个均匀磁化球体的磁场，其强度在地面两极 附近还不到 1 高斯，所以地磁场是非常弱的磁场。地磁场强度的

8、单位过去通常采用伽马（），即 1 纳特斯拉。1960年决定采用特斯拉作为国际测磁单位，1 高斯10(-4)特斯拉（t），1 伽马10(-9)特斯拉1 纳特斯拉（nt），简称纳特。地磁场虽然很弱，但却延伸到很远的空间，保护着地球 上的生物和人类，使之免受宇宙辐射的侵害。地磁场包括基本磁场和变化磁场两个部分，它们在成因上完全不同。 基本磁场是地磁场的主要部分，起源于地球内部，比较稳定，变化非常缓慢。变化磁场包括地磁场的各种短期变化，主要起源于地球外部，并且很微弱。地球的基本磁场可分为偶极子磁场、非偶极子磁场和地磁异常几个组成部分。偶极子磁场是地磁场的基本成分，其强度约占地磁场总强度的 90 ，产生

9、于地球液态外核内的电磁流体力学过程，即自激发电机效应。图2为地磁场简易分布图。图2地磁场3电子指南针需要测试的量3.1导航系统中的姿态角以及用到的坐标系简介习惯上，讨论一个物体相对于另一个物体运动，必须具有与两个物体相关联的参考坐标系才能确定其位置。对于在地球表面附近运动的载体，不论是飞机、舰船还是车辆，知道它们相对地球的地理位置和相对于地理坐标系的首向角及水平姿态角是最重要的，因此必须在运动物体上获得一个地理坐标系或一个惯性坐标系。3.1.1地理坐标系原点在地球的重心，xt轴指向东，yt轴指北，zt轴沿垂线指向天，通常称东北天坐标系。对于地理坐标系还有不同的取法，如北西天、北东地等.坐标系指

10、向不同仅仅影响某一矢量在坐标系中求取投影分量的正负号不同而已。图3.1.1 地理坐标系3.1.2机体坐标系机体坐标系是固连在机体上的，其原点在运动体的重心， yb轴指向运动体纵轴向前，xb轴指向机翼右方，zb轴垂直oxbyb平面向上。机体坐标系相对地理坐标系的方位为飞行器的姿态和航向。3.1.2机体坐标系3.1.3姿态角（1）绕垂直轴ozt转动角（方位角），到达新系)(t1)。（2）在绕oxt1轴转动角（俯仰角），到t2系。（3）最后，绕oyt2轴转动（横滚角），到达机体系（b系）。3.2电子指南针中测量的角3.2.1 方位角地磁北极和前进方向之间的夹角，地磁北极的方向为heh的方向。方位角是

11、三维电子指南针所主要测定显示的角。本设计基于顺时针方向的，北为0（360），东为90，南为180，西为270。3.2.2俯仰角及横滚角当电子指南针非水平放置时，指南针的方位角将出现偏差，此时需要使用加速度传感器对偏差进行修正。与x轴的夹角称为俯仰角（pitch），与y轴的夹角称为横滚角（roll）。图3.2.2非水平放置的电子指南针3.3方位角的计算方法 3.3.1当指南针水平放置时图3.3 水平放置的指南针方位角示意图he为磁场向量，根据方位角的定义可知：x轴与磁北极的夹角为方位角，由图3.3几何分析可得：方位角= arctan（heh在y的磁场分量/heh在x轴的磁场分量）即：=arcta

12、n(hey/hex)。当方位角处于不同的四个象限时，表示方法如下图：图3.2.1 处于不同象限方位角的计算方法当指南针位于第一象限时为方位角为北偏东。当指南针位于第二象限时为方位角为东偏南。当指南针位于第三象限时为方位角为南偏西。当指南针位于第四象限时为方位角为西偏北。分别为0，90，180，270时对应北东南西四个方向。3.3.1当指南针非水平放置时1、当指南针非水平放置时，如果套用上述公式则会造成方位角的计算偏差，此时需要对电子指南针的倾斜角进行补偿根据图3.2.2图3.3以及方位角计算公式方位角= arctan（heh在y的磁场分量/heh在x轴的磁场分量）可得： （1） (2）其中角为

13、俯仰角，角为横滚角，可由加速度传感器测得。hxc，hyc，hzc分别为指南针倾斜放置时磁场向量在传感器坐标系oxyz上的磁场分量，可由磁阻传感器kmz52/kmz51测得。由公式1和公式2分析，当指南针水平放置时角和角均为0，可得hex=hxc，hey=hyc，和水平放置时所得的方位角计算公式是相符合的。2、倾斜补偿当指南针非水平放置时，将会产生倾斜误差，误差值基于指南针所在位置地磁场的磁倾角，下图是磁倾角误差各个角的关系图。为了简化论述，假设xy坐标面与地球表面平行，假设倾斜角=0时，y轴则为南北方向，x轴为东西方向，因此，如果=0时磁场he的水平分量就只有y轴的分量，指南针正确的指向北方，

14、当在南北方向存在倾斜时，he的水平分量很大但是仍然会指向北方。当南北方向的倾斜角为0时，就会在在东西方向存在一个倾斜角。这个误差角为。图3.1.2倾斜误差补偿的各个角的关系图由图可以分析得到倾斜误差角最大值的计算公式： （3）一个经典的避免倾斜误差的方法是将指南针放入液体中，因为液体使指南针因为重力的原因而处于水平位置，这就是经常提到的平衡环，但是这里并没有为指南针提供液体掩护，可以通过电子的平衡来补偿倾斜误差，那么需要使用使用传感器元件。4核心传感器的选择与比较4.1选择一：利用一维磁阻微电路芯片 hmc1052 感应磁场hmci052是一个双轴线性磁传感器，像其它hmc10xx系列传感器，

15、每个传感器都有一个由磁阻薄膜合金组成的惠斯通桥。当桥路加上供电电压，传感器将磁场强度转化为电压输出，包括环境磁场和测量磁场。hmc1052包含两个敏感元件,它们的敏感轴互相垂直。敏感元件a和b,共存于单硅芯片中，完全正交，且参数匹配。hmc1052 的尺寸小，低工作电压，而且消除了两个敏感元件引起的非正交误差。除了惠斯通电桥，hmci052有两个位于芯片上的磁耦合带；偏置带和置位/复位带。敏感元件a和b,都有这两个带。置位/ 复位带，用于确保精度。偏置带，用于校正传感器，或偏置任何不想要的磁场。在标准的 10 针外形(msop)中，两个敏感元件可以独立上电，用于减少功耗。然而，却不能使用偏置带

16、。若需要偏置带，可以用另一种封装的hmci052。图4.1是该传感器的结构图。图4.1hmc10524.1选择二：用霍尼韦尔 hmc1022 各向异性磁阻传感电路感应磁场可实现小型和低成本罗盘电路设计。该参考设计结构是针对那些希望采用现成的模拟和数字元件就能取得主要的罗盘功能的产品开发者设计的。一个罗盘线路在与一个包括有双模拟数字转换器（adc）输入装置的微控制器结合后，可以与hmc1052双轴传感器、低压双运算放大器以及少量常用的离散元件组装在一起。虽然这不是一个完全的三轴倾斜补偿的罗盘设计结构，该参考设计可以用于各种电平平台或用户的校平系统，如手表等。图4.2为hmc1022原理图:图4.

17、2hmc1022原理图4.3选择三：使用 philips 公司生产的 kmz52/kmz51感应磁场kmz52 是 philips 公司生产的一种磁阻传感器，是利用坡莫合金薄片的阻效应测量磁场的高灵敏度磁阻传感器。该磁阻传感器内置两个正交磁敏电阻桥、 完整的补偿线圈和设置复位线圈。补偿线圈的输出与当前测量结果形成闭环反馈，使传感器的灵敏度不受地域限制。这种磁阻传感器主要应用于导航、通用地 磁测量和交通检测。 该磁阻传感器在金属铝的表面沉积了一定厚度的高磁导率 的坡莫合金，在翻转线圈和外界磁场两个力的作用下，电子改变运动方向，使得 磁敏电阻的阻值发生变化。同时 kmz52 的斑马条电阻成 45放

18、置，这使得电子 在正反向磁场力作用下有较好的对称性。由于加入了翻转磁场，kmz52 的变化曲 线与普通的磁敏电阻不同，加线性化。kmz52 磁阻传感器的核心部分是惠斯通电桥，是由4个磁敏感元件组成的磁阻桥臂。磁敏感元件由长而薄的坡莫合金薄膜制成。在外加磁场的作用下，磁阻的变化引起输出电压的变化。kmz51内部只有一个电阻桥。图4.3为kmz52内部电路图，图4.3.1为kmz51内部电路图。图4.3kmz52电路图图4.3.1kmz51电路图综上所诉，采用kmz52/kmz51设计三维电子指南针。5使用kmz52和kmz51设计三维电子指南针的设计方案5.1系统模块设计三维电子指南针的核心元件

19、是kmz51/kmz52，采用这两个磁阻传感器以及加速度传感器测得的俯仰角和横滚角一起测得指南针非水平放置时磁场向量在x,y,z轴上的磁场分量hxc、hyc、hzc，并通过补偿线圈和翻转线圈消除信号的偏移和温度的敏感漂移。最后输出电压值，将电压值和加速度传感器测得的数据经运算放大器放大后交由微处理器处理，并显示在led上，系统模块如下图所示：图5.1三维电子指南针系统模块5.2各模块功能设计5.2.1信号调节模块该模块的功能是测量磁场分量hxc、hyc、hzc，然后得到输出电压输出到运算放大器。该模块的另一重要功能则是信号调理。信号调理只要依靠传感器内部的翻转线圈及补偿线圈实现，按照最微弱的地

20、磁场强度为大致为15a/m，传感器的典型的灵敏度为80mv/（ka/m）（当电源电压为5v时），传感器此时的输出电压大约为1.2mv，kmz52/kmz51有一个最大大为为+1.5mv的偏置电压和一个大约为3uv/（v/k）的漂移偏置电压，当vcc=5v 时，由于kmz52本身偏差及温度漂移的影响，最大偏差电压可达到7.5mv，最大温度漂移电压为1.5mv，都比传感器输出电压1.2mv高很多，所以指南针系统的内部偏移补偿是很重要的。根据电子指南针精度的设计要求，信号调节模块需要解决以下三个问题：（1） 信号调节模块的输出电压偏置vox，voy。该偏置是由于传感元件和相连接的运算放大器造成的，传

21、感器元件的偏置由元件中的四个磁敏电阻的公共误差和温度漂移造成，因此在没有加电源电压的情况下传感器的输出电压偏移了0v开始输出。偏置电压的幅度大约在0.8%，振幅比为1%则会引起0.8的方位角误差。（2） x轴和y轴之间的灵敏度差异s造成的，该灵敏度的差异由公差和温度的漂移造成。该误差大约为0.3%，也就是s/s为1%时将为引起0.3的方位角误差。（3） 由于封装公差，传感器真正的角位移从正交的90偏移了角。即下图中die1与die2的非正交性偏移为时。1的非正交性偏移会引起1的方位角误差。kmz52的非正交性误差为2，将会引起2的方位角误差。图5.2.2.1非正交性偏移角公式4给出了这些加入这

22、些误差因素后的角位置计算公式，根据hex、hey正比于vx、vy可得公式（4）： （4）关于以上3个误差的消除：（1）偏置电压的补偿应用“翻转技术”可以消除偏移，即在kmz52的置位/复位线圈中通上正负脉冲电流，传感器的特性和输出信号就会周期地反转，反转传感器信号的幅值包含了需要的磁场信号，而传感器偏移是一个纯直流信号，通过放大级中的高通滤波器，可以除去这一直流信号，同时消除偏差和温度漂移造成的偏移。图5.2.1是翻转电路原理框图。图5.2.1.1翻转电路原理框图图5.2.1.1是翻转技术的波形图，a是得到的输出信号，b是滤波去除偏移后的信号，c是翻转后得到的原来信号。图5.2.1.2翻转技术

23、的波形图由上图可知放大后的传感器信号电压值vx,y=1/2（vp-vn），电压偏移值vo=1/2（vp+vn），送入到微处理器的翻转后电压值vx,y=vp-vo。（2）x轴y轴灵敏度差异s补偿在一个给定的温度下，当指南针旋转时，s可以通过调节x轴、y轴的输出电压摆幅vx,ppvy,pp并使之相等来获得补偿。输出电压摆幅比率vy,pp/vx,pp等于灵敏度比率sy/sx=(s+s)/s，vy校正后壳得到公式4： （5）为了避免温度造成的影响而获得高精度的电子指南针，传感器的温度漂移必须得到补偿，下图给出了在不同的温度下磁阻传感器的电压偏移特性。图5.2.1.3磁阻传感器温度漂移特性由图可知，温度

24、漂移可以通过控制传感器的0点来补偿，所以，通过磁阻传感器的干扰磁场必须通过等强度极性相反的磁场来抵消以获得补偿，这种技术称为电磁反馈技术（electro-magnetic feedback）。事实上，这个补偿磁场可以通过在传感器周围的安装合适的线圈来产生，philips公司的磁阻传感器的内部集成有补偿线圈，因此不需要在传感器外部安装补偿线圈。由于这些补偿线圈的磁场已经是充分确定的，所以对于所测的磁场强度的补偿也就确定了。图5.2.1.4给出了信号调节单元的翻转技术和电磁反馈技术框图，电磁反馈技术电路是一个闭合的回路控制器，整流器驱动翻转线圈以保证此时传感器输出电压为0v。为了保证传感器的输出电

25、压为0v，一个适当的整流器是必不可少的。测量到的磁场强度可以通过电压来表示，正比于补偿电流。图5.2.1.4 翻转技术和电磁反馈技术框图（3）非正交性偏移补偿假设两个磁敏感元件准确的摆放为正交90，则不存在非正交性偏移引起的误差，然而，在实际的封装过程中有不可避免的公差，存在一个角的偏差，这会影响到指南针的读数，对本设计使用的kmz52而言，最大的非正交性偏差角度为2，那么就会引起方位角2的偏差。对于高精度的指南针，角需要得到补偿，如果指南针转动，考虑到地磁场，vx和vy之间的相位差是90，确定了值，该误差就可以从数学计算上被消除。vy =vmax sin( + )；vx =vmax cos，

26、而未发生正交性偏差时,vy ,corrected =vmax sin,根据sin( + ) = sincos+ cossin可得： （6）下图是信号调节模块的电路图设计，包含了前置放大电路，翻转技术补偿电路，电磁反馈技术补偿图5.2.1.5 信号调节模块电路图 模块1的作用是产生周期性的翻转脉冲电流，kmz51/kmz52都需要周期为6us大小为+1a的脉冲电流,驱动电流由op输出来控制，tr1和tr2是两个达林顿晶体管。产生快速的脉冲电流来激励kmz51/kmz52的翻转线圈。模块2的功能放大翻转后的传感器信号。由于运用了电磁反馈技术，所以当闭环回路置位时，前置放大的输出电压为0。op2应该

27、在闭环回路瞬变过程保持它的线性变化范围。当闭环回路中断时op2的输出保持它的线性变化。放大100倍较为合适。模块3用于电压偏置的补偿，op3旁边的低通滤波器提取出偏置量，偏置量为输出信号翻转后的直流分量。模块4为同步整流器，它将翻转的交流信号恢复为需要的直流信号，通过控制开关s1，使得放振幅在+1和-1之间交替变换。实现信号的翻转，s1由方波发生器控制。模块5为积分控制器，与模块6一起驱动补偿线圈来消除温度的敏感漂移。模块6为补偿线圈驱动。5.2.2俯仰角及横滚角测量模块俯仰角和横滚角的测定可由加速度传感器完成，俯仰角和横滚角的测定是为了修正当指南针上倾斜放置时造成的方位角偏差，由公式1和公式

28、2可知这两个角对方位角的具体影响。本设计选用的加速度传感器是由美国模拟器件公司生产的adxl203。adxl203是一种高精度、低功耗及单一的imems型ic芯片双轴加速计，具有信号可调的电压输出。输出量为一个与加速度成比例的模拟电压信号，比例系数达到1000mv/g。该加速计既可测量动态加速度，又可以用来实现诸如重力加速度的静态测量，此时可以替代倾斜角传感器进行倾斜测量。adxl203最常见的应用是进行倾斜度测量。加速计以重力矢量作为基准来测定物体的空间方位。当加速计的感应轴与重力方向垂直（即感应轴水平）时，它对倾斜度的变化是最敏感的，倾斜度每变化1，输出g值变化17.5mg；当感应轴与水平

29、成45角时，倾斜度每变化1，输出g值变化只有12.2mg；而当感应轴与重力方向接近平行时(所感应到的加速度接近+g或-g)，倾斜度每变化1，加速计输出几乎没有什么变化。随着测量倾斜角度的增大，测量精度下降。图5.2.2 重力矢量关系图将加速计的x和y轴都水平放置，就可以作为双轴倾斜计测量倾斜度了。如图5.2.2所示。将输出模拟电压信号vx，vy换算成对应的g值变化量ax，ay： （7） （8）代入下面公式计算得到x、y轴的倾斜角度俯仰角（pitch）和倾斜角（roll）： （9） （10）下图是adxl203的参数对照表图5.2.2.1adxl203参数对照表图5.2.2.2adxl203接口

30、电路图5.2.3 a/d转换模块 该模块的主要功能是将磁阻传感器kmz52/kmz52和加速度传感器adxl203输出的模拟信号转换为数字信号送入微处理器处理，之后将方位角，俯仰角，横滚角显示在led上。本设计采用的是美信公司生产的max155。图5.2.3数模转换模块电路图5.2.4 led显示模块该模块的功能是将测量到得方位角俯仰角横滚角显示在led上。当微处理器采集到通过模数转换后的信号后，经过程序处理，将所测量的方位角显示在数码管上，微处理器选用stc8051。当max155采集到加速度传感器和kmz52/51的输出电压后，进行数模转换，将得到的数字量输出到单片机，单片机通过程序的处理

31、和运算，得到方位角俯仰角和横滚角的值，将方位角的值通过i/o口p0口输出到锁存器，锁存器将数字量输出到数码管进行显示，p2口控制数码管的位选。下图是led显示模块电路图。图5.2.4led显示模块电路图5.3硬件介绍5.3.1传感器 kmz52/kmz51kmz52 是一个使用坡莫合金薄片的磁阻效应来测量磁场的高灵敏度的磁场传感器。感器器件里包含两个正交的磁敏电阻桥、完整的补偿线圈和设置/复位线圈。补偿线圈的输出和当前的测量结果形成一个闭环反馈，使得传感器的灵敏度不受地域的限制。主要应用于导航、通用地磁测量和交通检测等。其内部结构图如图4.3所示。kmz52的引脚说明如图所示：图5.3.1 k

32、mz52管脚说明pin1：翻转线圈。pin2：电阻桥电源。pin3：接地。pin4：补偿线圈。pin5：接地。pin6：补偿线圈。pin7: 补偿线圈。pin8: 电阻桥输出电压。pin9: 电阻桥输出电压。pin10: 翻转线圈。pin11: 翻转线圈。pin12: 电阻桥电源电压。pin13: 补偿线圈。pin14: 电阻桥输出电压。pin15：电阻桥输出电压。pin16：翻转线圈。从kmz52 的结构图中可以看出kmz52 中的测量输出为两组电阻桥的电压变化输出。电阻桥由四个磁敏电阻组成。磁敏电阻会根据磁场的变化来改变自身的电阻值。根据霍尔效应的原理，半导体里的电子运动轨迹会受到磁场作用

33、而横向偏移这种偏移，改变了电子运动的路径，因而呈现了电阻改变的特性。kmz52 的磁敏电阻的结构示意图如下：图5.3.1 .1kmz52 的磁敏电阻的结构示意图kmz52 磁敏电阻是在金属铝的表面上沉积了一定厚度的高磁导率的坡莫合金，在翻转线圈和外界磁场两个力的作用下电子改变了运动方向，使得磁敏电阻的阻值发生变化。同时kmz52 的斑马条电阻是成45度放置，这样使得电子在正反的磁场力作用下有较好的对称性。因为加进了翻转磁场，使得kmz52 的变化曲线与普通的磁敏电阻不同，更加线性化。kmz52 磁敏电阻与普通磁敏电阻的变化曲线比较如下图：图5.3.1.2 kmz52 磁敏电阻与普通磁敏电阻的变

34、化曲线在翻转线圈的作用下使得kmz52 磁敏电阻阻值变化的中点平移上去，可以更加方便的测量外界磁场正反两个方向的变化。同时，翻转线圈还起着磁场偏置点校正的作用。因为磁敏电阻桥的平衡点会随着环境的不同而改变。翻转线圈产生的正反两个方向的磁场和外界磁场的合力使得磁敏电阻产生两个相反的变化曲线。在本系统中在磁场传感器的翻转线圈z1和z2上加载翻转电信号后使之能够产生化的磁场.由于该变化磁场会造成磁阻变化(r),并将其转化成变化的差动电压输出,这样,就能根据磁场大小正比于输出差动电压的原理,分别读取对应的两轴信号,然后再进行处理计算即可得到偏转角度.为了克服不同地域和温度造成的响,通过补偿线圈对其进行

35、补偿,提高了系统精度。下图是kmz52/kmz51的参考数据。图5.3.1.3 kmz52参考数据图5.3.1.4 kmz52参考数据5.3.2 加速度传感器adxl203adxl203是美国模拟器件公司（简称adi）生产的一种高精度、低功耗及单一的imems型ic芯片双轴加速计，具有信号可调的电压输出。输出量为一个与加速度成比例的模拟电压信号，比例系数达到1000mv/g。该加速计既可测量动态加速度，又可以用来实现诸如重力加速度的静态测量，此时可以替代倾斜角传感器进行倾斜测量。adxl203典型测量范围在1.7g，该加速计既可测量静态的也可测量动态的加速度，可承受3500g极限加速度。其下拉

36、电流小于700a，灵敏度达到1000mv/g。该加速计在40c到125c温度范围内具有0.3%的温度灵敏性25mg的零点偏移精度；在小于60hz的带宽下具有解决小于1mg的解决方案(0.06倾斜)以及优于0.1mg/c的稳定性。采用552mm的lcc的封装。adxl203的管脚封装及引脚功能如图5.3.2及表5.3.2所示。图5.3.2.1 adxl203管脚图表5.3.2管脚序号管脚名称管脚功能1st自检电压输入2dnc空白脚3com公共地4dnc空白脚5dnc空白脚6youty轴电压输出7xoutx轴电压输出8vs3v到6vadxl203内部电路框图如图2所示。传感器输出幅值与所测加速度成

37、正比的方波信号，经过信号交流放大，相敏检波、低通滤波，得到与加速度成比例的电压信号。图5.3.2.2 adxl203内部电路框图 传感器主要是由一个利用表面微机械加工的多晶硅机构和一个差动电容器组成。多晶硅结构由多晶硅弹簧支撑,处于晶片的顶部,并与差动电容的运动的中心极板相连。分别在差动电容的固定的上下极板上加两路幅度相等、相位差为180的方波。在加速度的作用下,多晶硅结构会产生偏移,拉动差动电容的中心极板滑动，使两个电容值不同，便在中心极板产生电压，传感器输出方波。输出方波的幅值与测量的加速度成正比。5.3.3 运算放大器运算放大器选用的是ca741，运算放大电路对信号进行100倍放大，放大

38、后的信号 能满足信号处理单元的要求。ua741m，ua741i，ua741c（单运放）是高增益运算放大器，用于军事，工业和商业应用. 这类单片硅 集成电路器件提供输出短路保护和闭锁自由运作。 这些类型还具有广泛的共同模式，差模信号范围和低失调电压调零能力与使用适当的电位。下图是ua741的内部电路图以及管脚说明。图5.3.3 ua741内部电路图ua741管脚说明图1和5为偏置(调零端)，2为正向输入端，3为反向输入端，4接地，6为输出，7 接电源， 8 空脚。5.3.4 ad转换器 max155一般的 ad 转换芯片只有 1个采样保持器，只能通过多路模拟开关轮流采集各通道的信号,因此各通道采

39、集的信号数据在时间上相差很大，若用这样的数据作为同期原始数据使用,将带来相应的系统误差。因此,本系统采用了美信公司生产的一种高性价比、具有多路采样保持器的 8 位 8 通道 ad 转换芯片 max155。其内部结构如下：图5.3.4.1 max155内部结构图max155 转换速度快，每通道转换时间为 36s，可编程指定单极性或双极性转换、单端和差分输入，便于和 8 位单片机接口，具有电路简单、接口方便、同时采样、造价低、转换快等明显优点。在每次接到启动命令后，同时把8 路信号分别保持在 8 个采样保持器里，之后自动依次转换,数据全部转换完成后，依次保存在片内的 ram 中，并提供转换完成信号

40、。为了充分利用 cpu 资源，cpu 采取中断方式读取数据。max155 的控制配置方式方便灵活，通过改变其内部的多路复用配置器的配置和硬件接线模式就可以改变采集方式。具体方法如下图：为了数据采集编程的方便,采用的是硬连线模式,mode 接地,vss 接-5v，即 8通道单端双极性转换方式.在这种方式下,不使用配置寄存器，d0d7上的输入 数据被忽略.在wr脉冲作用下，启动8通道单端双极性转换,在wr上升沿转换开始，busy 变低，等转换结束即 busy 变高后,将数据放到内部 ram 中，此时微处理器可以用连续的rd脉冲依次读入8个通道的转换结果。图5.3.4.2max155转换类型5.3.

41、5 微处理器8051单片微型计算机简称为单片机，又称为微型控制器，是微型计算机的一个重要分支。单片机是70年代中期发展起来的一种大规模集成电路芯片，是cpu、ram、rom、i/o接口和中断系统于同一硅片的器件。80年代以来，单片机发展迅速，各类新产品不断涌现，出现了许多高性能新型机种，现已逐渐成为工厂自动化和各控制领域的支柱产业之一。图5.3.5是8051管脚图。图5.3.5.1 8051管脚图p0口有三个功能1、外部扩展存储器时，当做数据总线（如图1中的d0d7为数据总线接口）2、外部扩展存储器时，当作地址总线（如图1中的a0a7为地址总线接口）3、不扩展时，可做一般的i/o使用，但内部无

42、上拉电阻，作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。p1口只做i/o口使用：其内部有上拉电阻。p2口有两个功能1、扩展外部存储器时，当作地址总线使用 2、做一般i/o口使用，其内部有上拉电阻；p3口有两个功能除了作为i/o使用外（其内部有上拉电阻），还有一些特殊功能，由特殊寄存器来设置，具体功能请参考我们后面的引脚说明。有内部eprom的单片机芯片（例如8751），为写入程序需提供专门的编程脉冲和编程电源，这些信号也是由信号引脚的形式提供的，即：编程脉冲：30（ale/prog）编程电压（25v）：31脚（ea/vpp）接触过工业设备的兄弟可能会看到有些印刷线路板上会有一个电池，这个电池是干什么用的

43、呢？这就是单片机的备用电源当外接电源下降到下限值时，备用电源就会经第二功能的方式由第9脚（rst/vpd）引入，以保护内部ram中的信息不会丢失。p0口如果作为输入时，处在高阻抗状态，只有外接一个上拉电阻才能有效。ale/prog 地址锁存控制信号在系统扩展时，ale用于控制把p0口的输出低8位地址送锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。（在后面关于扩展的课程中我们就会看到8051扩展 eeprom电路，在图中ale与74ls373锁存器的g相连接，当cpu对外部进行存取时，用以锁住地址的低位地址，即p0口输出。ale有可能是高电平也有可能是低电平，当ale是高电平时，允许地址锁存信号，

44、当访问外部存储器时，ale信号负跳变（即由正变负）将p0口上低8位地址信号送入锁存器。当ale是低电平时，p0口上的内容和锁存器输出一致。关于锁存器的内容，我们稍后也会介绍。在没有访问外部存储器期间，ale以1/6振荡周期频率输出（即6分频），当访问外部存储器以1/12振荡周期输出（12分频）。从这里我们可以看到，当系统没有进行扩展时ale会以1/6振荡周期的固定频率输出，因此可以做为外部时钟，或者外部定时脉冲使用。6软件设计6.1系统主流程整个系统监控程序流程图如果6.1所示，当系统上电后，最先执行的就是对系统各个部件进行初始化的代码，其中要包括对内部定时器、时钟以及系统通信串口的初始化，系

45、统初始化后对经过数模转换后的指南针输入量进行读取，读取到指南针的vx，vy，vz三个量以及加速度传感器的输出量后，微控制器根据公式据算出方位角。微控制器再根据得到的数据驱动led进行相应的显示。图6.1 主程序流程图7总结与体会随着毕业日子的到来，毕业设计也接近了尾声。经过几周的奋战我的毕业设计终于完成了。在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做毕业设计发现自己的看法有点太片面。毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次毕业设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么

46、东西都懂，有点眼高手低。通过这次毕业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。我毕业设计选择的题目是三维电子指南针的设计，开始拿到题目时一头雾水，不知从何做起，经过黄老师的指导开始阅读参考资料经过仔细的阅读和大量的资料检索，思路逐渐清晰，明白了三维电子指南针需要测试的量，以及测试的原理。我的心得也就这么多了，总之，不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多，真是万事开头难，不知道如何入手。最后终于做完了有种如释重负的感觉。此外，还得出一个结论：知识必须通过应用才能实现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我

47、认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。8谢辞经过半年的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。 在这里首先要感谢我的导师黄勇老师。黄老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的

48、每个阶段，从查阅资料到设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计等整个过程中都给予了我悉心的指导。我的设计较为复杂烦琐，但是张老师仍然细心地纠正设计中的错误。除了敬佩黄老师的专业水平外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。 其次要感谢我的同学对我无私的帮助，特别是在软件的使用方面，正因为如此我才能顺利的完成设计，我要感谢我的母校西华大学，是母校给我们提供了优良的学习环境；另外，我还要感谢那些曾给我授过课的每一位老师，是你们教会我专业知识。在此，我再说一次谢谢！谢谢大家！。9参考文献1 电子测量与传感器杨蕾等编，北京大学出版社，20082 kma1

49、99 programmable angle sensor.pdf3 electronic compass design using kmz51 and kmz52.pdf4 gps的原理和应用，北京航空航天大学出版社，赵剡5单片机的原理及应用，高等教育出版社，张毅刚 6mems加速度传感器的原理及分析j,电子工艺技术，张海涛，阎贵平7集成传感器应用m.北京：中国电力出版社，2005沙占友8mems加速度传感器的原理及分析j电子工艺技术，2003.24（6），张海涛，阎贵平9数字水平仪的设计与应用，微机算机信息，2004.8汤琳宝，毛洋林，潘志浩10precision 1.7 g single-

50、/dual-axis imems accelerometerz. analog devices, inc11汪雪莲电子罗盘的方位测量误差及其补偿校正j声学与电子工程, 2005 12电子罗盘的倾斜及罗差补偿算法研究 传感技术学报, 2007, (06) 邵婷婷,马建仓,胡士峰,王超13基于系统芯片(soc)的低成本电子罗盘的设计j.测控技术, 2006赵忠,何海涛,徐晓东10附录附录一：系统电路图附录二：ad转换程序及led显示程序#include #include#define seg p0#define scanp p2#define uchar unsigned char#define

51、uint unsigned intsbit st=p30;sbit oe=p31;sbit eoc=p32;sbit clk=p33;sbit point=p37;void delay (int);unsigned char count_t0=0;unsigned char code unsigned char scan=0,temp=0;uchar qian,bai,shi,ge;uint hex,hey,azimuth,pitch,roll;sbit dula=p10;sbit p3_2=p32;uchar code table=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,

52、0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71;void init();void delay(uint z);void main() double azimuth,pitch,roll; double hex,hey,ax,ay,vx,vy，vxc，vyc，vzc; ax=(vx-2.5)/1000; ay=(vy-2.5)/1000; pitch= asin(ax/lg); roll= asin(ay/lg); hex=vxc*cos(pitch)+vyc*sin(pitch)*sin(roll)-vzc*cos(roll)*sin(pic

53、th); hey=vyc*cos(roll)+vzc*sin(roll); angle=atan2(hex,hey); trace(angle); azimuth=180*x/pi init();tmod=0x22; /方式2； th0=(256-250); /赋初值0x06 tl0=(256-250);/溢出之后进入中断1,将th0中的数返回tl0 th1=(256-2); /赋初值0xfe tl1=(256-2);/溢出之后进入中断3，将th1中的数范围tl1 et0 =1; /允许t0中断 et1 =1; /允许t1中断 ea = 1; /cpu开中断 tr0=1; /启动定时器t0 tr1=1; /启动定时器t1 while(1) oe