电子指南针说明书

摘要
早期的指南针采用了磁化指针和方位盘的组合方式,整个指南针从便携性、指示灵敏度上都有一定不足,极易受到外界因素的干扰。

本系统采用专用的磁场传感器结合高速微控制器〔MCU〕的电子指南针能有效解决这些问题。

系统采用了磁阻〔GMR〕传感器采集某一方向磁场强度后通过MCU控制器对其进行处理并显示上传,通过对电子指南针硬件电路和软件程序的分析,阐述了电子指南针基本的工作原理及实现。

实际测试指南针模块精度达到1°,能够在LCD上显示当前方位并能通过键盘控制实现磁场校准,磁偏角补偿,重新设定等功能。

关键词：电子指南针；磁阻传感器；单片机；液晶
Abstract
Since the early use of amagnetic 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 magnetic sensors with microcontroller <MCU> electronic compass can effectively solve these problems. The system is designed by the reluctance <GMR> sensors collecting a certain direction through the magnetic 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 °, 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.
Key words: electronic compass; GMR; MCU; LCD
目录摘要I
1 引言1
1.1 课题背景1
1.2 指南针原理介绍1
1.3 国外研究现状2
1.4 本课题研究的意义2
2 单片机及相关物理量介绍4
2.1 单片机系统简介4
2.2 物理量简介7
2.3 电子指南针的主要偏差及校正9
3 原理及系统框图13
3.1 测量原理简介13
3.2 系统总图框图14
3.3 系统其他模块简介15
4 系统硬件24
4.1 系统控制模块24
4.2 指南针模块25
4.3 实时时钟模块26
4.4 液晶显示电路27
4.5 系统输入电路28
5 系统软件30
5.1 主监控程序30
5.2 实时时钟驱动31
5.3 指南针模块驱动32
5.4 键盘驱动34
5.5 液晶模块驱动34结论36
致37
参考文献36
附录37
1 引言
1.1 课题背景
指南针的发明是我国劳动人民,在长期的实践中对物体磁性认识的结果。

由于生产劳动,人们接触了磁矿石,开始了对磁性质的了解。

人们首先发现了磁石引铁的性质。

后来又发现了磁石的指向性。

经过多方的实验和研究,终于发明了可以实用的指南针。

指南针的始祖大约出现在战国时期。

它是用天然磁石制成的。

样子象一把汤勺,圆底,可以放在平滑的"地盘"上并保持平衡,且可以自由旋转。

当它静止的时候,勺柄就会指向南方。

古人称它为"司南"。

司南由青铜盘和天然磁体制成的磁勺组成,青铜盘上刻有二十四向,置磁勺于盘中心圆面上,静止时,勺尾指向为南。

但司南也有许多缺陷,天然磁体不易找到,在加工时容易因打击、受热而失磁。

所以司南的磁性比较弱,而且它与地盘接触处要非常光滑,否则会因转动摩擦阻力过大,而难于旋转,无法达到预期的指南效果。

而且司南有一定的体积和重量,携带很不方便,使得司南长期未得到广泛应用。

1.2 指南针原理介绍
地球是个大磁体,其地磁南极在地理北极附近,地磁北极在地理南极附近。

根据磁体同级相斥,异级相吸的普便现象,无论处于何地磁体的南极会指向地球的北极附近；而磁体的北极会指向地球的南极附近。

所以磁体这种指向性可以用来确定方向。

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指南针。

但其基本构造是没有改变,都属于机械指针式,指示的机械结构也基本没有改变。

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、精度以及寿命上都有一定的限制。

1.2.1 电子指南针的形成
指南针是一个重要的导航工具,甚至在GPS中也会用到。

随着电子技术的飞速发展,特别是在磁传感器和专用芯片上的发展使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。

电子指南针替代旧的指针式指南针或罗盘指南针,因为电子指南针全采用固态的原件,还可以简单地和其他电子系统接口。

电子指南针系统中磁场传感器的磁阻〔MR〕技术是最佳的解决方法,和现在很多电子指南针还在使用的磁通量传感器相比较,MR技术不需要绕线圈而且可以用集成电路〔IC〕生产过程生产,是一个更值得使用的解决方案。

1.2.2电子指南针的优势
与传统的机械指针式指南针相比,因电子式指南针采用电信号传送,且以较为直观的方式显示测量的结果,所以电子式指南针无论是在灵敏度上还是在精度上都远胜前者,而且不会因为机械磨损而减短使用寿命。

此外,电子指南针在功能上更加人性化,由于是采用功能性模块,因此可以非常方便的扩展各个功能,例如在原有的电子指南针的功能基础上还可以集成数字时钟等扩展功能,方便实用。

1.3 国外研究现状
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。

由于国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。

国外现阶段研究电子指南针的主要应用是提供地磁导航功能,相对于其他导航手段而言,地磁导航起步得比较晚。

在20世纪60年代中期,美国的E2systems公司提出了基于地磁异常场等值线匹配的MAGCOM系统, 70年代获得测量数据后,系统进行了离线实验。

20世纪80年代初,瑞典的Lund学院对船只的地磁导航进行了实验验证,实验中将地磁强度的测量数据与地磁图进行人工比对,确定船只的位置,同时根据距离已知的两个磁传感器的输出时差,确定船只的速度。

美国目前已开发出地面和空中定位精度优于30m、水下定位精度优于500 m的地磁导航系统,并计划用于提高飞航导弹和巡航鱼雷的命中率。

另外,美国在导弹试验方面已开始应用地磁信息,并利用E22飞机进行高空地磁数据测量。

NASA God2dard空间中心和有关大学对水下地磁导航进行了研究,并进行了大量的地面试验。

国有关地磁导航的研究还主要集中在仿真和预研阶段,航天科工集团三院的素敏等人运用平均绝对差法对地面所测量的地磁强度数据进行了匹配运算,分辨率能达到50m；西北工业大学的晏登洋等人利用地磁导航校正惯性导航的仿真实验取得了较高的精度。

地磁场模型与地磁图是研究电子式指南针制导技术的基础,地磁场建模和地磁图的精确程度是决定地磁导航技术是否可行的关键因素。

1.4 本课题研究的意义
本课题针对电子指南针的各个功能部件对电子指南针的关键部分做了详细的研究。

电子指南针系统是一个典型的单片机系统,了解其工作原理及其信号处理流程有利于研究更加复杂的嵌入式系统,特别是系统中来自国外的磁传感器及其信号的采集芯片更是有利于研究磁场传感器的实现机理,以便将其更加广泛的应用。

本次课题研究,首先介绍了课题研究的背景,以及电子指南针的发展历程,其中包括了电子指南针相对于传统指南针的优势以及国外研究的现状。

其次介绍了系统总控制器单片机的相关知识和设计中需要了解的一些物理量,其中包括了单片机的历史发展、分类和磁场、磁感线等,对于指南针的偏差与校正也有所介绍。

然后概述了系统测量所应用的原理以及系统的总体设计框图,此外还介绍了系统中其他模块的相关知识,例如常用的指南针芯片、液晶的显示原理、实时时钟的结构和工作原理、键盘的检测等。

第四部分主要是介绍了系统的具体的硬件部分设计,其中包括了各个模块的电路接线、接口的说明和时序图等。

第五部分介绍了系统的软件部分的设计,在概部分里主要是介绍了系统总体和各个模块的流程图以及驱动原理等。

此外在最后的附录中还附加了系统的主程序和各模块的驱动程序。

2 单片机及相关物理量介绍
2.1 单片机系统简介
单片机是自20世纪70年代问世以来,以其极高的性能价格比,受到人们的重视和关注,应用很广,发展很快。

单片机体积小,重量轻,抗干扰能力强,环境要求不高,价格低廉,可靠性高,灵活性好,开发较为容易。

由于具有上述优点,在我国,单片机已广泛地应用在工业自动化控制、自动检测、智能仪器仪表、家用电器、电力电子、机电一体化设备等各个方面。

2.1.1 单片机的历史及发展概况
单片机的发展历史可分为四个阶段：
第一阶段〔1974年——1976年〕：单片机初级阶段。

因工艺限制,单片机采用双片的形式而且功能比较简单。

例如,仙童公司生产的F8单片机,实际上只包括了8位CPU、64B RAM和2个并行口。

因此,还需加1快3851〔由1KB ROM、定时器/计时器和2个并行I/O构成〕才能组成1台完整的计算机。

第二阶段〔1976年——1978年〕低性能单片机阶段。

以Intel公司制造的MCS-48单片机为代表,这种单片机片集成有8位CPU、并行I/O口、8位定时器/计数器、RAM 和ROM等,但是不足之处是无串行口,中断处理比较简单,片RAM和ROM容量较小且寻址
围不大于4KB。

第三阶段〔1978年——现在〕高性能单片机阶段。

之歌阶段推出的单片机普遍都有串行I/O口,多级中断系统,16位定时器/计数器,片ROM、RAM容量加大,且寻址围可达64KB,有的片还带有A/D转换器。

这类单片机的典型代表是：Intel公司的MCS-51、Motorola公司的6801和Zilog公司的Z8等。

由于这类单片机的性能价格比较高,所以仍被广泛应用,是目前应用数量较多的单片机。

第四阶段〔1982年——现在〕8位单片机巩固发展及16位单片机、32位单片机推出阶段。

此阶段的主要特征是一方面发展16位单片机、32位单片机及专用型单片机；另一方面不断完善高档8位单片机,改善其结构,以满足不同的用户需要。

16位单片机的典型产品如Intel公司的MCS-96系列单片机,其集成度已达120000管子/片,主振为12MHz,片RAM为232B,ROM为8KB,中断处理为8级,而且片带有多通道10位A/D转换器和高速输入/输出部件〔HIS/HSO〕,实时处理功能的能力很强。

而32位单片机除了具有更高的集成度外,其主振已达20MHz,使32位单片机的数据处理速度比16位单片机提高许多,性能比8位、16位单片机更加优越。

2.1.2 单片机的分类
单片机按照其用途可分为通用型和专用型两大类。

通用型单片机具有比较丰富的部资源,性能全面且实用性强,可满足多种应用需求。

通用型单片机是把可开发的部资源,如RAM、ROM、I/O等功能部件等全部提供给用户。

用户可以根据实际需要,充分利用单片机的部资源,设计一个以通用单片机芯片为核心,再配以外部接口电路及其他外围设备,来满足各种不同需要的测控系统。

通常所说的单片机是指通用型单片机。

然而,有许多应用是使用专门针对某些产品的特定用途而制作的单片机。

例如,打印机、家用电器以及各种通信设备中的专用单片机等。

这种应用的最大特点是针对性强且数量巨大。

为此,单片机芯片制造商常与产品厂家合作,设计和生产专用的单片机芯片。

在设计中,已经对系统机构的最简化、可靠性和成本的最佳化等方面都做了全面的考虑,所以专用单片机具有十分明显的综合优势,也是今后单片机发展的一个重要方向。

但是,无论专用单片机在用途上有多么"专",其基本结构和工作原理都是以通用单片机为基础的。

单片机根据其基本操作处理的位数可分为：1位单片机、4位单片机、8位单片机、16位单片机和32位单片机。

2.1.3 单片机的发展趋势
单片机的发展趋势将是向大容量、高性能化,外围电路装化等方面发展。

位满足不同的用户要求,各公司竞相推出能满足不同需要的产品。

1.CPU的改进
〔1〕采用双COU结构,以提高处理能力。

〔2〕增加数据总线的宽度,单片机部采用16位数据总线,其数据处理能力明显优于一般8位单片机。

〔3〕串行总线结构。

飞利浦公司开发了一种新型总线：I2C总线〔Intel-IC bus〕。

该总线是用2根信号线代替现行的8位数据总线,从而大减少了单片机外部引线,使得单片机与外部接口电路连接简单。

目前许多公司都在积极的开发此类产品。

2.存储器的发展
〔1〕加大存储容量。

新型单片机片ROM一般可达4KB至8KB,RAM为256B。

有的单片机片ROM容量可达128KB。

〔2〕片EPROM采用E2PROM或闪烁〔Flash〕存储器。

片EPROM由于需要高压〔+21V 或+12V〕编程写入,紫外线擦抹给用户带来不便。

采用E2PROM或闪烁存储器后,能在+5V 下读写,不需要紫外线擦抹,既有静态RAM读写操作简便又有在掉电时数据不会丢失的优点。

片E2PROM或闪烁存储器的使用,大大简化了应用系统结构。

〔3〕程序化。

一般EPROM中的程序很容易被复制。

为防止复制,生产厂家对片E2PROM 或闪烁存储器采用加锁方式。

加锁后,无法读取其中的程序,这就达到了程序的的目的。

3.片I/O的改进
一般单片机都有较多的并行口,以满足外围设备、芯片扩展的需要,并配有串行口,以满足多机通信功能的要求。

〔1〕增加并行口的驱动能力。

这样可以减少外部驱动芯片。

有的单片机能直接输出大电流和高电压,以便能直接驱动LED和VFD〔荧光显示器〕。

〔2〕增加I/O口的逻辑控制功能。

大部分单片机的I/O都能进行逻辑操作。

中、高档单片机的位处理系统能够对I/O口进行寻址及位操作,大加强了I/O口线控制的灵活性。

〔3〕有些单片机设置了一些特殊的串行接口功能,为构成分布式、网络化系统提供了方便条件。

4.外围电路装化
随着集成度的不断提高,有肯能把众多的外围功能器件集成在片。

这也是单片机发展的重要趋势。

除了一般必须具有的ROM、RAM、定时器/计数器、中断系统外,随着单片机档次的提高,以适应检测、控制功能更高的要求,片集成的部件还有A/D转换器、D/A 转换器、DMA控制器、中断控制器、锁相环、频率合成器、字符发生器、声音发生器、CRT控制器、译码驱动器等。

随着集成电路技术及工艺的不断发展,能装入片的外围电路也可以是大规模的,把所需的外围电路全部装入单片机,即系统的单片化是目前单片机发展趋势之一。

5.低功耗
8位单片机中有二分之一的产片已CMOS化,CMOS芯片的单片机具有功耗小得有点,而且为了充分发挥低功耗的特点,这类单片机普遍配置有Wait和Stop两种工作方式。

例如采用CHMOS工艺的MCS-51系列单片机80C31/80C51/87C51在正常运行〔5V,12MHz〕时,工作电流为16mA,同样条件下Wait方式工作时,工作电流则为3.7mA,而在Stop方式〔2V〕时,工作电流仅为50nA。

综观单片机几十年的发展历程,单片机今后将向多功能、高性能、高速度、低电压、低功耗、低价格、外围电路装化以及片存储器容量增加和Flash存储器化方向发展。

但其位数不一定会继续增加,尽管现在已经有32位单片机,但是用的并不多。

可以预言,今后的单片机将是功能更强、集成度和可靠性更高而功耗更低,以及使用更方便。

此外,专用化也是单片机的一个发展方向,针对单一用途的单片机将会越来越多。

2.2 物理量简介
2.2.1 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、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,磁感线是闭合的曲线族,不中断,不交叉。

换言之,在磁场中不存在发出磁感线的源头,也不存在会聚磁感线的尾闾,磁感线闭合表明沿磁感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。

2.2.2 磁感线
在磁场中画一些曲线,使曲线上任何一点的切线方向都跟这一点的磁场方向相同,这些曲线叫磁感线。

磁感线是闭合曲线。

规定小磁针的北极所指的方向为磁感线的方向。

磁铁周围的磁感线都是从N极出来进入S极,在磁体部磁感线从S极到N极。

电磁场是电磁作用的媒递物,是统一的整体,电场和磁场是它紧密联系、相互依存的两个侧面,变化的电场产生磁场,变化的磁场产生电场,变化的电磁场以波动形式在空间传播。

电磁波以有限的速度传播,具有可交换的能量和动量,电磁波与实物的相互作用,电磁波与粒子的相互转化等等,都证明电磁场是客观存在的物质,它的"特殊"只在于没有静质量。

磁现象是最早被人类认识的物理现象之一,指南针是中国古代一大发明。

磁场是广泛存在的,地球,恒星<如太阳>,星系〔如银河系〕,行星、卫星,以及星际空间和星系际空间,都存在着磁场。

为了认识和解释其中的许多物理现象和过程,必须考虑磁场这一重要因素。

在现代科学技术和人类生活中,处处可遇到磁场,发电机、电动机、变压器、电报、、收音机以至加速器、热核聚变装置、电磁测量仪表等无不与磁现象有关。

甚至在人体,伴随着生命活动,一些组织和器官也会产生微弱的磁场。

地球的磁级与地理的两极相反。

2.2.3 地磁场
地磁场〔geomagnetic field〕是从地心至磁层顶的空间围的磁场,是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。

地磁场强度的单位过去通常采用伽马〔γ〕,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％,产生于地球液态外核的电磁流体力学过程,即自激发电机效应。

非偶极子磁场主要分布在亚洲东部、非洲西部、南大西洋和南印度洋等几个地域,平均强度约占地磁场的10％。

地磁异常又分为区域异常和局部异常,与岩石和矿体的分布有关。

地球变化磁场可分为平静变化和干扰变化两大类型。

平静变化主要是以一个太阳日为周期的太阳静日变化,其场源分布在电离层中。

干扰变化包括磁暴、地磁亚暴、太阳扰日变化和地磁脉动等,场源是太阳粒子辐射同地磁场相互作用在磁层和电离层中产生的各种短暂的电流体系。

磁暴是全球同时发生的强烈磁扰,持续时间约为1～3天,幅度可达10纳特。

其他几种干扰变化主要分布在地球的极光区。

除外源场外,变化磁场还有源场。

源场是由外源场在地球部感应出来的电流所产生的。

将高斯球谐分析用于变化磁场,可将这种、外场区分开。

根据变化磁场的、外场相互关系,可以得出地球部电导率的分布。

这已成为地磁学的一个重要领域,叫做地球电磁感应。

地球变化磁场既和磁层、电离层的电磁过程相联系,又和地壳上地幔的电性结构有关,所以在空间物理学和固体地球物理学的研究中都具有重要意义。

2.3 电子指南针的主要偏差及校正
2.3.1 磁偏角和磁倾角
现在人们已经知道,地球的两个磁极和地理的南北极只是接近,并不重合。

磁针指向的是地球磁极而不是地理的南北极,这样磁针指的就不是正南、正北方向而略有偏差,这个角度就叫磁偏角。

地球近似球形,所以磁针指向磁极时必向下倾斜,和水平方向有一个夹角,这个夹角称为磁倾角。

不同地点的磁偏角和磁倾角都是不相同的。

磁偏角和磁倾角的发现使指南针的指向更加准确。

2.3.2电子指南针的偏差
电子指南针运用磁阻技术,而且具有体积小、精度高、稳定性好、价格低等特。