电子罗盘

哈尔滨理工大学
开放实验报告
实验项目名称：电子罗盘系统的原理与设计学生所在学院：测控技术与通信工程学院
学生所在班级：
学生姓名：
实验总学时数：
指导教师：
哈尔滨理工大学教务处制
20 年月日
一、实验目的与任务：
实验目的：通过对《电子罗盘系统的原理与设计》总体认识，学习电子罗盘的原理及涉及的相关知识，运用加速度计和磁阻传感器以MSP430单片机
为核心处理器，1602为显示机构，完成电子罗盘的设计。

在完成设
计的同时，对自身能力的提高，在科学技术飞速发展的社会里，增加
自己的社会竞争力。

实验任务：1. 查阅资料在对电子罗盘原理的有一定了解的基础上，确定完成实验所需要的元器件
2.设计电子罗盘的硬件系统并作出原理图。

3.对部分可仿真电路进行仿真，修改原理图。

4.学习Protel软件绘制PCB板，并绘制出PCB图。

5.掌握贴片电阻的焊接技术，焊接电路板，进行调试。

6.学习并掌握MSP430单片机上编程资源及相关的使用方法，在IAR
软件开发环境上编制主程序及各部分子程序；完成磁阻电子罗盘的
软硬件联合调试，实现系统功能。

7.开发开发板的其他功能。

二、实验前的准备工作（包括资料查找、相关知识准备等）：
1.查阅资料初步了解电子罗盘的原理，初步学习430正确选用试验中所需要的芯片，对电子罗盘的设计有整体的结构框架并设计出实验方案。

把实验方案交指导教师，根据指导教师建议对实验方案的可行性、实验室条件等因素对方案进行完善修正，使之具有可操作性，满足实验目的要求，确定实验方案并制定实验进度计划。

2. 分析磁阻效应从而了解磁阻传感器的工作原理及其输出信号特征，进而明确磁阻电子罗盘利用地球磁场测量载体方向的原理。

3. 根据实验进度依次完成各进度中所需知识的学习。

(1) 学会用Protel绘制电路板，并完成MSP430最小系统及传感器模块的原理图和PCB图的绘制。

(2) 加工印制电路板并完成焊接。

(3) 学习MSP430单片机原理，完成最小系统板的硬件调试。

(4) 翻译传感器的技术文档，了解磁阻传感器和加速度计的基本原理和使用方法并完成传感器模块的硬件调试。

(5) 学习MSP430的软件编程方法。

(6) 学习LCD1602的使用方法。

(6) 掌握MSP430的串口以及JTAG的用法。

三、实验用的主要设备与材料：
1. 万用表，示波器，镊子，吸锡器，烙铁，钳子
2. 磁阻传感器，加速度计
3. MSP430单片机，LCD1602液晶
4. 串口线，JTAG,电源线
四、实验内容与方法：
4.1 资料查询与方案确定
查阅大量相关资料，了解电子罗盘的现状及其集成化、智能化的发展方向；分析磁阻效应从而了解磁阻传感器的工作原理及其输出信号特征，设计一种基于磁阻传感器的低成本的电子罗盘导航系统，进而明确磁阻电子罗盘利用地球磁场测量载体方向的原理，了解根据磁阻传感器的输出计算航向角的方法，同时对电子罗盘的影响因素进行实验，用搭建的测控电路对采集的数据进行滤波处理以提高精度的同时，还采用一定的误差补偿方法对磁罗差进行补偿，实验中会涉及到智能传感器，测控电路，微机测控技术，单片机等，为我们提供了对于所学专业课综合应用的机会。

电子罗盘系统方案框图如图1所示。

图1 电子罗盘系统方案框图
4.2具体设计
4.2.1 电子罗盘硬件设计
根据电子罗盘的系统设计方案对电子罗盘进行整体设计，包括对传感器模块，测控电路，核心处理单元，显示机构的设计。

1.传感器与测控电路
传感器模块的设计包括加速度计与磁阻传感器的印制电路板设计和硬件调试，测控电路部分为对传感器输出信号进行放大与硬件滤波等处理，得到的信号送入A/D转换器、CPU进行处理。

1）磁阻传感器与加速度计
磁阻传感器
我们在设计中采用的是美国Honeywell公司的AMR磁阻传感器—HMC1052,HMC1051Z来获得三轴磁场信息，它的主要特点是：高性能，高精度，有位于芯片上的专利置位/复位带，减少了温度漂移、非线性误差的影响，也减少了由于大磁场存在而引起的信号输出损失。

其中，HMC1052是一个双轴线性磁阻传感器，内部包含两个由薄膜合金组成的惠斯通电桥。

其电路设计如图所示。

图2 HMC1052电路
图3 HMC1051电路
MXD2020EL模块
图4 MXD2020EL电路
2)测控电路
其工作原理如图5示。

图5 放大电路原理图
2．输出电路
1)LCD1602
LCD液晶显示是航向角、姿态角测量结果的主要显示方式之一，液晶显示器件是一种新型的显示器件，有以下优点：低压微功耗，可以匹配大规模集成电路；体积小，采用平板型结构，使用方便；属于被动显示器件，适合户外使用，符合人眼的视觉习惯；无电磁辐射。

图6 液晶接口电路
2)RS232串口通信
图7 RS232串口
3.其他电路
1)电源模块
图8 电源模块
2)复位电路
图9 复位电路4.2软件设计
主程序
软件完成的功能模块如图10。

磁阻电子罗盘初始化子
程序
LCD初始化
A/D,D/A初始化
串口初始化
不用端口初始化
数据采集
子程序
A/D循环采样，滤波
MEMS
角度测量
计算校正
子程序
基本原理计算
补偿，校正
LCD显示
子程序
初始界面显示
最终界面显示图10 功能模块
电子罗盘的软件主要完成的任务是控制外部硬件，对磁阻传感器的信号进行采集和处理、根据重力加速度信息计算姿态角、计算校正航向角、误差补偿校正、显示航向角和姿态角、串口发送和D/A输出等。

在软件设计的过程中必须要注意的一个问题是系统的实时性，由磁阻传感器获得的三轴A/D采样信息必须与MEMS获得的俯仰角、翻滚角信息尽量保持同步，才能保证经过倾角补偿后航
向角的正确性；另外一个重要问题是误差补偿校正，需要分析系统的误差来源，编写相应算法对其进行补偿，以提高精度。

基于以上问题的考虑，本系统软件程序包括系统初始化、LCD初始化显示、看门狗启动、数据采集及滤波、计算及补偿校正、航向角及姿态角显示、串口发送、D/A输出等。

本系统的主程序实际上是一个死循环，实时完成航向角和姿态角的测量，其具体流程如图11所示。

图11 程序流程图
五、实验结果分析：
ADXL202用做数字输出时输出的是脉宽占空比调制信号。

T1/T2的值与被测加速度成正比。

通过设置Rset和c1、c2使在0g加速度时输出占空比为50%。

ADXL202有两个Xfilt和Yfilt引脚，可外接电容Cx和Cy来设定带宽。

计算公式如下：
F=1/[2п(32kΏ)*C(x,y)]
可简化为：
F=5μF/C(x,y)
其中F为频率，C（x，y）为Cx.Cy的电容值,任何情况下最小值为1000pf。

有两个通道的DCM是通过电阻Rset来设定的。

计算公式为：
T2=Rset(Ώ)/125MΏ
（器件可在周期0.5~10ms范围内运行，即T的范围为0.5ms~10ms）
假定周期T2为1ms，则Rset=T2*125MΏ=1ms*125MΏ=125KΏ
为使0g时占空比为50%，设计Cx.Cy使带宽为1/2的T2，即0.5ms也就是2KHZ。

由公式可求得C(x,y)=5μf/2KHZ=2500pf。

即选用的电容型号为252。

假定用单片陶瓷电容，封装选择1210（560---5600pF—dc50v 560---2700pF—dc100v）
2.测控电路：
磁阻传感器的输出与电桥供电电压和磁场强度有关，本文磁阻传感器的电桥偏置电压为V mV /5.2±，最差情况下获得的最高灵敏度是gauss V mV //335.1，供电电压为V 5，地球磁场强度最大是gauss 625.0，因此，电桥偏置电压[9]最大为:
()mV V mV V V off 5.12/5.20.5±=±*= (1-1)
由磁场引起的电桥电压输出为:
mV gauss gauss V mV V V 171875.4625.0//335.10.5±=*±*=磁场 (1-2) 因此电桥总输出为:
()()mV mV mV V V V off O 671875.16171875
.45.12±=±+±=+=磁场 (1-3) 取最大冗余mV 17±，即为磁阻传感器的总输出。

该输出信号虽为电压信号，但
是幅度较小，无法直接实现航向角和姿态角的测量，同时为了充分利用A/D 转换的满量程，需要对输出信号加以放大调理。

普通运算放大器一般都有毫伏级的失调电压和每度几微伏的温漂，因此不能直接用于放大微弱信号。

考虑到放大器的开环增益V A 、共模抑制比CMRR 、输入阻抗i R 、输出阻抗o R 、频带宽度BW 温度漂移等指标[10]，以及磁阻传感器输出信号是差分形式，本文采用LM324以实现信号的放大功能。

六、参加实验的收获与体会：
从2009年9月参加学校电子罗盘开放性实验以来，无论从理论知识还是实践方面，都有很大的收获，也让我们认识到自己在学习中的不足，认识到理论与实践相结合的重要性。

对参加该项开放项目有不少感受和认识，总结起来主要有以下几点收获。

1) 理论在实验中运用，提高了学习效率。

电子罗盘实验，需要磁阻传感器获取三轴磁场信息，用加速度传感器获取姿态角进行补偿，用430高性能单片机进行信号处理与控制，并要求有很好的稳定性和可靠性；正好与本学期开设的课程《可靠性工程基础》《传感器》《测控电路》《信号与系统》《单片机原理及接口技术》这几门课程有很大关联，对于将课堂上学到的理论知识在实验中具体应用并加深对理论知识的理解大有裨益，让我对所学课程更有动力和目标，也更有兴趣，学习效率大为提高。

拓展了自己的知识面，锻炼自己解决问题的能力。

电子罗盘实验整个系统由电源模块、通信模块、处理器模块、传感器模块几个模块组成，每个模块的具体电路是以前学习所忽略的，然而在实验实践中需要做成实物来，对我的要求就高了，增强了对整个测控系统的认识。

在实验中用到的芯片IRF7509、、LMV324、MAX232ACSE 、SPX1117M-3.3，尤其是
MSP430F149、Hmc1051、Hmc1052、ADXL202都是课本上所没有的，都需要自己去搜索有效资料进行了解，其中绝大部分是英文资料，提高了我搜集资料和看英文资料的能力，这是以后做项目和继续学习的基础能力之一。

2)学习了一些专用软件的使用，训练了专业技能。

Protel DXP这样的PCB制作软件，是每个学习电类专业学生的必备技能。

在电子罗盘实验中自己学习掌握Protel DXP来绘制PCB并且送到工厂去加工。

同时在学习软件绘图的过程中遇到了很多问题，如如何寻找元件图、如何绘制元件图、如何添加元件封装、如何自己制作特殊元件封装、如何从原理图导入PCB、如何双面布置元件、如何整理修改文字等，还有很多特殊问题，训练了我提出问题、遇到问题、解决问题的能力。

4) 锻炼了独立思考能力和意志品质。

学习是不断重复的过程，绘制PCB的过程中，每次画完都会发现新的问题，需要改进，反反复复10余次，在反复中将软件用得更熟更精，每一次修改都有新的进步。

要做好一件产品是需要耐性和毅力的，电子罗盘实验将这个观念注入我的五脏六腑，让我能一次次坚持下来，直到送到工厂加工出成品。

5) 增强了沟通交流的能力。

参加电子罗盘实验的是12个学生和一个指导教师，每个人的知识和能力都有局限性，在实验过程中沟通交流，就能提升自己，加深对实验的认识，顺利解决一些疑难问题。

购买电子元器件需要跟供货商进行交流，将自己的需要告诉它，并结合它的反馈来进行合理的器件选择和设计，比如在购买过程中发现原理图上标注的237K的电阻不是标称电阻，接近的可选择240K；PCB板是要送到工厂加工的，工厂的工艺要求如何，自己画的板子工厂是否能加工出来，同样也需要询问工厂再进行修改，比如河北普通工厂过口最小能做到0.5mm，而我原来画的过口0.3mm,就需要进行修改。

有效的沟通和交流才能顺利地做出产品。

通过参加电子罗盘开放性实验，使我掌握了电路设计的基本方法，提高了自己动手实验的基本技能，培养了分析解决电路问题的实际本领，而且还培养了对科学实验、工程项目开发的正确态度，为以后从事电子实验实际工作打下基础。

同时也让我充分认识到自己的空想与实践的差别，而扎实的基础是一切创造的源泉，只有从本质上理解原理，才能更好的与疑途寻求柳暗花明。

实现在科学界的美好畅游和寻得创造的快乐。

七、指导老师评语：
学生签字：指导老师签字：。