电子指南针开题报告

一、综述本课题国外研究动态，说明选题的依据和意义
指南针是人类日常生活中不可缺少的一种判别方向的工具。在人类历史的几千年 前，指南针就已经被发明并予以应用。如今，在军事，工业，导航，生活等的各个方 面，指南针一如既往地发挥其作用。
中国是世界上公认发明指南针（Compass）的国家。据《古矿录》记载最早出现 于战国时期的磁山（今省市磁山一带）一带。指南针的发明是我国汉族劳动人民在长 期的实践中对物体磁性认识的结果。由于生产劳动，人们接触了磁铁矿，开始了对磁 性质的了解。人们首先发现了磁石吸引铁的性质，后来又发现了磁石的指向性。经过 多方面的实验和研究，终于发明了实用的指南针。
最早的指南针是司南。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。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。
虽然指南针的始祖在中国被发明，但是由于社会的进步和发展，人们对方位的判 断要求也随之提高。因此，古代的司南及各类机械指南针由于种种因素并未得到广泛 的应用，如，天然磁体资源有限并不易找到，在后期加工时又容易因为打击、受热等 工序而失磁。也是因为这样，司南的磁性比较弱，而通过接触旋转而指明方向，需要 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，影响指南效 果。机械指南针的可携带性以及稳定性也是导致其未能普遍使用的因素。
近几十年来，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。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。且电子指南针采 用高度集成的功能性模块，其体积与重量可以达到很小，在可携带性上也大大优于机 械指南针。
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。
二、研究的基本容，拟解决的主要问题：
本课题从指南针最基本最实用的功能出发，设计一种便携，满足使用者所需基本 功能的电子指南针。该指南针包含三个最基本功能。
功能一:实时显示时间。即电子表功能，使用者无需另外携带手表手机等工具， 一旦在野外遭遇手机没电等状况可以通过该指南针准确获取时间。该时钟可实现整点 报时功能。
功能二:按键显示地理南方（地磁北方向）。通过指南针部磁阻传感器获取方位方 位信息并显示在液晶屏上。使用者只需要通过一个按键即可开启并刷新方位信息（低 功耗，无需实时显示方位信息）。
功能三:按键显示实时经纬度（GPS 功能）。指南针置地理定位模块，使用者需要 知道当地的地理位置只需通过相应按键即可显示。
该电子指南针系统只有时钟采用实时显示。另外两个功能只需通过简单的按键即 可调用。该系统设计时从使用者角度考虑，以操作简单，方便使用，低功耗，体积小 为目标进行设计。成品经包装及降低成本后可投入生产销售。
以以上的功能进行设计，包括以下几个模块：
1. 主控单元模块：该指南针功能并不复杂，考虑到自己所学的知识以及市场成 本，采用的是 51 单片机作为信号处理终端与主控单元。
2. 磁阻传感器模块：考虑到成本及采集数据的精度，采用的是 HMC5883L 磁阻传 感器作为主要传感器件。该传感器为三轴磁阻传感器，在 Z 轴上能对地磁 倾角进行校正，使得精度大幅度提高，精度控制在 1°~2°。
3. 实时时钟模块：该模块采用的是 DS1302 芯片。具有低功耗，可自带电池，掉 电走时。并且能对年、月、日、周、时、分、秒进行计时，且具有闰年补 偿等多种功能。价格低廉，节省成本。
4. GPS 模块：目前市场小型通用 GPS 模块以 U-BLOX 公司的产品居多。NEO-6M 以其价成本较低，体积较小，模块中可以置天线而取得我的青睐，因此我 选择使用置天线的 NEO-6M 作为 GPS 模块。
5. 显示模块：由于该指南针所显示的容较多，简单的 LCD 屏无法满足，因此采 用小型 2.0 寸 TFT 屏作为显示屏。

6. 声音提示摸块：由于只采用简单的整点提示，因此声音模块只需采用蜂鸣器 即可实现。
（一） 硬件容： 系统框图：
（二） 软件容： 系统程序流程图：

电源开启后，显示屏开始显示实时时间。

当用户需要调用指南针功能，只需按下相应的按键，使指南针模块开启并 在显示屏上显示当前方位。指南针每隔一小段时间进行数据刷新以节省运行数 据资源与运行资源。如不需要指南针功能时只需要再次按下相应按键即可关闭 该功能，以节省电力。
当用户需要调用 GPS 定位功能时，只需按下相应按键，使 GPS 模块开启并 在显示屏上显示当前经纬度。GPS 模块定位由于经纬度的分辨率只能精确到 秒，因此不采用自动刷新。关闭 GPS 功能也只需要按下相应按键即可。如果用 户更换地理位置后需要重新定位只需重新开启 GPS 功能即可。
拟解决的主要问题：
1. 回顾 89C51 单片机结构以及引脚配置。 2. 学习并掌握各种外接模块的工作原理，以及其各种功能的相关源码。 3. 学习磁场，地磁场，磁倾角，磁偏角，传感器偏移补偿，干涉磁场校正等的 相关物理知识。 4. 熟练运用 C 语言进行主程序的设计。以及单片机与各模块之间的通信程序。 确保程序的 BUG 数量尽可能少，并且不影响用户的使用和体验。 5. 在硬件采够方面，由于用到的传感器价格均有浮动，因此在考虑成本方面后， 要尽可能在不影响用户体验以及功能完整性的前提下节约资金以减少成本开销。
三、研究步骤、方法及措施：
设计该电子指南针主要从两个方面入手： （一） 硬件部分的研究：
硬件的各模块的选材遵循低成本，高性能，高性价比的原则进行选材。在各模 块器件确定后，开始着手研究各模块的工作原理以及实现方法。
（1）单片机主控单元：由于使用的是比较经典并且引脚配置简单的 51 单片机。 该系列单片机在之前的课堂上已经学习过，并且在之前的实验中运用过，因此只需回 顾复习该单片机即可。
（2）传感器模块：由于该磁阻传感器与 GPS 传感器均是未接触过的传感器，因 此其工作原理与源程序都需要进行查阅资料来获取。源程序卖家或许会提供，在获得 源程序后对其进行学习。传感器与单片机之间的通信程序也需要经过整体程序的设计 后进行编写，确保程序漏洞尽可能少。
（3）显示模块则需要对采用的 TFT 屏进行系统的学习，掌握其显示原理，程序 代码。如果显示屏带有触摸相应功能，可以考虑将一部分实体按键用触摸屏来代替。
（4）PCB 板的制作：由于之前有设计过智能小车，制作过小车的主板。因此在 PCB 的制作上，我需要考虑更加周密的排版与焊接。以保证整体功能的完整性以及便 携性。
（二） 软件部分的研究 软件部分主要是对单片机以及各模块的程序编写。
（1）复习 51 单片机的 C 语言程序。通过网上查阅资料和相关文献，完成相关主