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电子指南针的设计.rar

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    电子 指南针 设计
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    科技学院 2011 届本科毕业论文电子指南针的设计专 业: 电子信息科学与技术 指导教师: 王锦荣 学生姓名: 谢 霆 学生学号: 072004110475 中国﹒贵州﹒贵阳2011 年 5 月贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 页 目录目录 ......................................................................I摘要 .....................................................................IIAbstract ................................................................III1 绪论 ....................................................................11.1 选题目的及意义 ....................................................11.2 历史背景及发展 ....................................................12 传感器方案的比较 ........................................................22.1 方案一:使用霍尼尔 HMC1022磁阻传感器 ..............................22.2 方案二:使用 philips公司生产的 KMZ52磁阻传感器 ....................33 电子指南针的总体方案设计 ................................................43.1 地球的磁场 ........................................................43.2 电子指南针的组成 ..................................................54 硬件设计 ................................................................74.1 传感器单元 KMZ52...................................................74.2 指南针的信号调整电路设计 ..........................................95干扰校正 ................................................................115.1 传感器偏移补偿 ...................................................115.2 干涉磁场校正 .....................................................126 程序 ...................................................................146.1 指南针模块测试程序 ...............................................147 结束语 .................................................................20附录 指南针整体原理图 .................................................21参考文献 .................................................................22致谢 .....................................................................23贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 I 页 I电子指南针的设计摘要本论文主要介绍了电子指南针的工作原理和设计方法,详细论述了磁场传感器芯片 KMZ52的工作原理,给出了用 KMZ52磁场传感器设计电子指南针的总体设计方案和电路,同时给出了设计中的一些特殊处理方法。可实现小型和低成本罗盘电路设计。因为电子指南针具有体积小,轻便和灵敏度高的优点,可以简单地和其他元器件接口,其势必将替代旧式的指南针。用 KMZ52芯片设计实现了电子指南针,给出改进的电子指南针电路结构,分析了磁场测量偏差的产生及其补偿,以及干涉磁场校正,测试结果表明本设计满足指南针的精度要求。关键词:电子指南针;磁阻传感器;KMZ52贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 II 页 IIThe Design of Electronic CompassAbstractThis paper has introduced electronic compass operation principle and design method mainly. The principle of Electronic Compass used in position System is introduced. The operating principle of magnetic field Sensor KMZ52 is discussed in detail. The design of KMZ52, and its circuit are introduced. Serial special processing method and techniques of this design are given.Compass enables small and low-cost circuit design.As the electronic compass is small, light and the advantage high in sensitivity, it also can be simple connected with other components, so it will replace the old-fashioned compass. Designed and implemented by KMZ52 chip electronic compass, electronic compass circuit is given to improve the structure of the magnetic field generation and measurement error compensation and correction of magnetic interference, the test results show that the accuracy of the design to meet the requirements of the compass.Keywords: Electronic Compass Magnetic Field Sensor, KMZ52贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 0 页01 绪论1.1 选题目的及意义电子指南针系统是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。早期的指南针有着不方便携带、灵敏度不足的缺陷。在指南针技术比较成熟的今天,上到航天技术,下到电子手表,很多现代科技产品上都有了指南针功能,但这些物品往往都是比较昂贵的,对于大范围的普及和电子爱好者的研究造成一定困难。KMZ52 芯片运用了磁阻技术,并且还具备体积小、测量精度高、功耗低、稳定性好、精度高而且价格低等优点,是理想的导航元件。1.2 历史背景及发展指南针无论是在古代还是现代都是很有用的工具。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。早期的指南针采用的是磁化的指针和方位盘的结合方式,所以在指示的灵敏度和便携性上都还有一定的不足,并且天然磁体不容易找到,加工时容易因打击、受热导致磁性变弱。而现代的指南针技术已经属于比较成熟的范围了。它替代了旧的罗盘指南针,采用固态小元件,没有移动部分,而且可以简单的与其他的电子系统连接。以精度高、稳定性好、小巧方便携带等特点广泛运用于我们的生活中。贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 1 页12 传感器方案的比较2.1 方案一:使用霍尼尔 HMC1022 磁阻传感器HMC1022 是 Honeywell 公司生产的智能弱磁传感器,是基于磁阻传感器的原理,由长而薄德镀膜合金薄膜制成磁阻敏感元件,采用标准的半导体工艺,将薄膜附着在硅片上。如图 2.1 所示,同时在硅平面上制造了两个电流带,一个用来置位或者复位输出的极性,另一个用来产生偏置磁场用来补偿环境磁场。图 2.1 惠斯通电桥基于地磁测量原理设计的数字式电子罗盘由微控制器实现角度换算与输出,具有体积小、启动快、功耗低、成本低等优点.磁阻传感器两轴输出的差分信号转换均由 16位 A/D 直接完成,省去电路中复杂的运算放大器部分 .利用磁阻芯片独特的置位复位功能,有效地消除因温度漂移和电路参数漂移等共模信号造成的误差,精度可以精确到 1°。HMC1022 测量范围为±600μT(地球磁场通常为 50μT~60μT) ,可单电源工作,输出信号为弱电压,在桥压为 5V 时,灵敏度和分辨力分别为 0.01mV/V/μT 和贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 2 页20.85μT。磁阻传感器 HMC1022 内部集成的这 2 个惠斯通电桥相互垂直,分别对应直角坐标系中的 x 轴额 y 轴,输出毫伏级电压 Vx 和 Vy。2.2 方案二:使用 philips 公司生产的 KMZ52 磁阻传感器KMZ52 是 Philips 公司生产的一种磁阻传感器。该磁阻传感器内置了两个正交磁敏电阻桥、复位线圈和完整的补偿圈。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合金,在外界磁场与跳转线圈的双重力作用下,电子改变运动方向,于是磁敏电阻的阻值发生了变化。与此同时,KMZ52 的斑马条纹电阻成 45°放置,使得电子在两个方向磁场力作用下有了比较好的对称性。由于有了跳转磁场,KMZ52 的变化曲线和普通的磁敏电阻有明显的差异,它更加的线性化。惠斯通电桥是 KMZ52 的核心部分,磁阻桥臂由 4 个磁敏感元件组成。在外加磁场的作用下磁阻的变化引起输出电压的变化。如图 2.2 所示,KMZ52 磁阻传感器的等效电路。其中 R1~R4 的阻值相同,都为R,供电电源是 U。在外偏置磁场 H 的作用下,R1 和 R4 的磁化方向将背向电流方向转动继而引起阻值减小。与此同时,R2 与 R3 的磁化方向将朝向电流的方向转动,阻值增大△R 。图 2.2 KMZ52 磁阻传感器等效电路综上所述,选择方案二。贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 3 页33 电子指南针的总体方案设计3.1 地球的磁场 人 们 把 从 地 心 到 磁 层 顶 部 中 间 部 分 的 整 个 磁 场 称 为 地 磁 场 ( geomagnetic field) 。 是 一 个 地 磁 学 研 究 的 重 要 对 象 。 通 过 天 然 磁 石 以 及 磁 针 具 有 指 极 性 等 , 人 类 开 始对 地 磁 场 有 了 一 个 早 期 的 认 识 。 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 。球的磁场强度大约为 0.5至 0.6高斯,并且具有一个平行于地球表面的成分,它始终指向磁北。地球的磁场强度随着位置的改变而改变。将地球的磁场假设由一个条形磁铁产生,磁力线由地球的南极指向地球的北极。地理上的南北方向与地球的磁极方向相反。磁力线在北半球中向下指向北方,在赤道处它水平地指向北方,并且在南半球中向上指向北方。磁极和地理上的两极(由地球的旋转轴定义)并不一致,磁极和旋转轴之间的夹角是 11.5°,因此磁力线并不是指向地理上的北或正北。 图 3.1 是 地 球 某 一 点的 地 球 磁 场 向 量 He 的 三 维 图 (其 中 , x 和 Y 轴 与 地 球 表 面 平 行 , z 轴 垂 直 指 向 下 )。指 南 针 的 基 本 任 务 就 是 测 量 磁 场 北 极 (图 中 的 Heh, 即 地 球 磁 场 的 水 平 分 量 )与 前进 方 向 的 夹 角 (方 位 角 α ), 由 图 3.1 可 知 : exyarctn (1) 贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 4 页4图 3.1 地球磁场向量3.2 电子指南针的组成整个电子指南针系统的电路设计如图 3.2所示。这是所有的电子指南针都需要的基本结构,这是最小、最简设置。该电子指南针系统主要由传感器单元(KMZ52) 、信号调整单元(SCU)、方向确定单元(DDU)及显示单元四部分组成。图中,磁场传感器 KMZ52用于将地磁场信号转化成电信号输出,Philips 的磁阻传感器是测量地球微弱磁场的最佳选择。磁场传感器 KMZ52非常适合电子指南针的应用,它由两个极敏感的磁场传感器按要求的配置以 S016的封装形式组成。信号调整单元(SCU)用于将磁场传感器单元中的输出信号成比例放大,并将其转换成合适的信号 Hex和 Hey,同时消除信号的偏移。除此之外,一个 SCU信道的放大倍数应可修整、补偿 x和 y磁场传感器的敏感误差。高性能的系统还有一些特征:敏感温度补偿以及补偿由于两个传感器非正交引起的误差。对于保证系统的精度来说,SCU 是最重要的部件。通过方向确定单元 DDU可将信号贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 5 页5调整单元输出的两路信号 Hex和 Hey进行放大 ,然后再按公式计(1)计算出偏转角度 α(这样根据抗干扰技术算法对 α 进行处理就可得出该磁场的偏转角度,最后通过显示单元进行输出。图 3.2 电子指南针总体设计图
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