基于51单片机电子罗盘指南针.doc

单片机电子指南针系统 基于单片机的指南针设计 一、 本项目的目标和任务 目标：通过我们的“基于单片机的指南针设计”，实现将微弱的地磁信号，实时、准确的以12864液晶显示的形式，让用户知道当地的具体地理方向。 任务：能够实时精确稳定的显示地理位置，同时具有基本时钟功能。 二、项目的关键技术和主要技术指标（理科）或本课题研究的主要思路(包括视角、方法、途径、目的)和重要观点（文科） 关键技术：地磁采集 单片机控制 人机交互 重要技术指标：测量范围0-360度、显示分辨率1度、精度2度、响应频率大于10HZ、电压3.7-5.5V、工作温度-20—70摄氏度。 研究的主要思路： 1. 项目视角： 指南针无论在古代还是现在都有很高的地位，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。现在的指南针技术也已经比较成熟，大到航天技术，小到电子手表，很多高科技产品上都集成了指南针功能，但是他们往往都比较昂贵，不利于大面积的普及和一些电子初学者的研究。 2．设计思路： （1）KMZ52模块简介： 本模块中Philips公司生产的磁阻传感器KMZ52为核心芯片，它是利用坡莫合金薄片的磁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，更加线性化。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。 右图为KMZ52磁阻传感器的等效电路，其中，R1～R4的阻值均为R，供电电源为U。在外加偏置磁场H的作用下，R1和R4的磁化方向背向电流方向转动引起阻值减小。而R2和R3的磁化方向朝向电流方向转动，阻值增大△R。计算得：（公式在图上标明） 。 在KMZ52芯片里面集成的翻转线圈和补偿线圈能够更好的对微弱的地磁信号进行校正和补偿。下面分别介绍这两部分的原理 翻转电路：在翻转线圈的电流脉冲的时间要求十分短 只有几十微秒 输出信号首先经过预放大器 然后进入高通滤波器滤去偏置电压，最后经过一个与翻转信号的相位同步处理后输出测量电压。翻转电路的各点电压波形如如图二所示. 图2 翻转电路的各点输出波形 在上图中, 用正反两次测量出来的值就可以计算出偏置电压和输出的电压如右图所示： 补偿电路：补偿电路通过正反馈的作用将输出的信号进行反馈比较，偏移信号加到补偿线圈上面，通过电磁的作用对输出进行补偿，从而让采集进度更高。 （2）硬件设计 此系统主要由信号采集模块，键盘模块、单片机处理器和液晶显示模块构成。采集模块采集到的信号经过放大滤波后送至数据处理单元。经过处理后得到方向角信号，传送至单片机处理交由显示器显示，磁电子罗盘设计总体结构如图2所示。 SHAPE \* MERGEFORMAT 图3 指南针设计总体结构图 3. 解决方法： 1. （电源解决方案）电源是电子系统的关键构成部分，没有电源任何电器设备都无法正常工作，所以说电源问题也是比较重要的。此系统中12864液晶工作电压一般为5V，而这个电压51单片机也能正常使用，但是考虑到指南针一般都是在室外使用，使用的时间长，对电源的要求就相对较高，而实际生活中很难找到5V的便携电源，所以在电源上首先就要解决此问题。经过对12864和51单片机的实验测量发现4V至6V都可以使他们正常的工作，所以采用生活中的典型1.5V干电池（3-4节）就可以解决此问题，同时现在的手机都很普遍，手机电池电压一般为4.2V满足系统正常工作，而且手机电池是的容量也相对较大，因此本系统可以采用干电池供电或手机电池供电来解决电源问题。 2. （地磁信号的采集解决方案）考虑到地磁信号比较微弱为0.3高斯至0.6高斯采集难度很大，用一般的地磁传感器很难准确的提取这么微弱的信号，本设计采用了由 KMZ52集成芯片构成的指南针模块作为信号的采集单元，此模块具有很高的采集灵敏度和很高的分辨率同时此模块的输出信号很简单（直接就是当前的方位角信号），所以在进行信号处理的时候非常的方便，直接提取此信号通过单片机转换为液晶需要的方位信号就可以完成系统的指南功能了。 3.（51单片机I/O口解决方案）大家都知道51单片