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1、西华大学毕业设计说明书目 录1前言32地磁场43电子指南针需要测试的量63.1导航系统中的姿态角以及用到的坐标系简介63.1.1地理坐标系63.1.2机体坐标系73.1.3姿态角73.2电子指南针中测量的角73.2.1 方位角73.2.2俯仰角及横滚角83.3方位角的计算方法83.3.1当指南针水平放置时83.3.1当指南针非水平放置时94核心传感器的选择与比较114.1选择一：利用一维磁阻微电路芯片 HMC1052 感应磁场114.1选择二：用霍尼韦尔 HMC1022 各向异性磁阻传感电路感应磁场124.3选择三：使用 Philips 公司生产的 KMZ52/KMZ51感应磁场125使用KM
2、Z52和KMZ51设计三维电子指南针的设计方案145.1系统模块设计145.2各模块功能设计155.2.1信号调节模块155.2.2俯仰角及横滚角测量模块215.2.3 A/D转换模块245.2.4 LED显示模块245.3硬件介绍255.3.1传感器 KMZ52/KMZ51255.3.2 加速度传感器ADXL203295.3.3 运算放大器305.3.4 AD转换器 MAX155325.3.5 微处理器8051336软件设计356.1系统主流程357总结与体会368谢辞379参考文献3810附录39附录一：系统电路图39附录二：AD转换程序及LED显示程序41附录三：英文文献471前言指南针
3、是我国的四大发明之一，是一种利用地磁实现定向功能的装置，为世界文化的发展作出了巨大的贡献。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，旧的机械式指南针已经不能满足人们的需要。由于国内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
4、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。电子指南针采用固 态的元器件，因此具有极高的精度，能最大限度的减小误差，同时使用图形显示 和数字显示的方法，能方便直观的显示出用户所需要的方位信息。电子指南针在移动方面有着重要的应用价值。与传统的自主惯性导航设备相比，磁电子罗盘具有体积小、成本低、无累计误差、能够自动寻北等特点。与常规的指针型罗盘相比，磁电子罗盘在抗冲击性、抗震性等方面性能良好。并且能够对杂散磁场进行补偿，输出电信号可方便地与其他电子设备组成应用系统。2地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
5、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内连续分布的矢量场，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，磁力线是闭合的 曲线族，不中断，不交叉。换言之，在
6、磁场中不存在发出磁力线的源头， 也不存在会聚磁力线的尾闾，磁力线闭合表明沿磁力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。地磁场是从地心至磁层顶的空间范围内的磁场。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
7、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沈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
8、弱的磁场。地磁场强度的单位过去通常采用伽马（），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，起源于地球内部，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
9、总强度的 90 ，产生于地球液态外核内的电磁流体力学过程，即自激发电机效应。图2为地磁场简易分布图。图2地磁场第37页3电子指南针需要测试的量3.1导航系统中的姿态角以及用到的坐标系简介习惯上，讨论一个物体相对于另一个物体运动，必须具有与两个物体相关联的参考坐标系才能确定其位置。对于在地球表面附近运动的载体，不论是飞机、舰船还是车辆，知道它们相对地球的地理位置和相对于地理坐标系的首向角及水平姿态角是最重要的，因此必须在运动物体上获得一个地理坐标系或一个惯性坐标系。3.1.1地理坐标系原点在地球的重心，xt轴指向东，yt轴指北，zt轴沿垂线指向天，通常称东北天坐标系。对于地理坐标系还有不同的取法
10、，如北西天、北东地等.坐标系指向不同仅仅影响某一矢量在坐标系中求取投影分量的正负号不同而已。图3.1.1 地理坐标系3.1.2机体坐标系机体坐标系是固连在机体上的，其原点在运动体的重心， yb轴指向运动体纵轴向前，xb轴指向机翼右方，zb轴垂直Oxbyb平面向上。机体坐标系相对地理坐标系的方位为飞行器的姿态和航向。3.1.2机体坐标系3.1.3姿态角（1）绕垂直轴OZt转动角（方位角），到达新系)(t1)。（2）在绕OXt1轴转动角（俯仰角），到t2系。（3）最后，绕OYt2轴转动（横滚角），到达机体系（b系）。3.2电子指南针中测量的角3.2.1 方位角地磁北极和前进方向之间的夹角，地磁北极
11、的方向为Heh的方向。方位角是三维电子指南针所主要测定显示的角。本设计基于顺时针方向的，北为0（360），东为90，南为180，西为270。3.2.2俯仰角及横滚角当电子指南针非水平放置时，指南针的方位角将出现偏差，此时需要使用加速度传感器对偏差进行修正。与X轴的夹角称为俯仰角（pitch），与Y轴的夹角称为横滚角（roll）。图3.2.2非水平放置的电子指南针3.3方位角的计算方法 3.3.1当指南针水平放置时图3.3 水平放置的指南针方位角示意图He为磁场向量，根据方位角的定义可知：X轴与磁北极的夹角为方位角，由图3.3几何分析可得：方位角= arctan（Heh在Y的磁场分量/Heh在X
12、轴的磁场分量）即：=arctan(Hey/Hex)。当方位角处于不同的四个象限时，表示方法如下图：图3.2.1 处于不同象限方位角的计算方法当指南针位于第一象限时为方位角为北偏东。当指南针位于第二象限时为方位角为东偏南。当指南针位于第三象限时为方位角为南偏西。当指南针位于第四象限时为方位角为西偏北。分别为0，90，180，270时对应北东南西四个方向。3.3.1当指南针非水平放置时1、当指南针非水平放置时，如果套用上述公式则会造成方位角的计算偏差，此时需要对电子指南针的倾斜角进行补偿根据图3.2.2图3.3以及方位角计算公式方位角= arctan（Heh在Y的磁场分量/Heh在X轴的磁场分量）
13、可得： （1） (2）其中角为俯仰角，角为横滚角，可由加速度传感器测得。Hxc，Hyc，Hzc分别为指南针倾斜放置时磁场向量在传感器坐标系OXYZ上的磁场分量，可由磁阻传感器KMZ52/KMZ51测得。由公式1和公式2分析，当指南针水平放置时角和角均为0，可得Hex=Hxc，Hey=Hyc，和水平放置时所得的方位角计算公式是相符合的。2、倾斜补偿当指南针非水平放置时，将会产生倾斜误差，误差值基于指南针所在位置地磁场的磁倾角，下图是磁倾角误差各个角的关系图。为了简化论述，假设XY坐标面与地球表面平行，假设倾斜角=0时，Y轴则为南北方向，X轴为东西方向，因此，如果=0时磁场He的水平分量就只有Y轴
14、的分量，指南针正确的指向北方，当在南北方向存在倾斜时，He的水平分量很大但是仍然会指向北方。当南北方向的倾斜角为0时，就会在在东西方向存在一个倾斜角。这个误差角为。图3.1.2倾斜误差补偿的各个角的关系图由图可以分析得到倾斜误差角最大值的计算公式： （3）一个经典的避免倾斜误差的方法是将指南针放入液体中，因为液体使指南针因为重力的原因而处于水平位置，这就是经常提到的平衡环，但是这里并没有为指南针提供液体掩护，可以通过电子的平衡来补偿倾斜误差，那么需要使用使用传感器元件。4核心传感器的选择与比较4.1选择一：利用一维磁阻微电路芯片 HMC1052 感应磁场HMCI052是一个双轴线性磁传感器，像其它HMC10XX系列传感器，每个传感器都有一个由磁阻薄膜合金组成的惠斯通桥。当桥路加上供电电压，传感器将磁场强度转化为电压输出，包括环境磁场和测量磁场。HMC1052包含两个敏感元件,它们的敏感轴互相垂直。敏感元件A和B,共存于单硅芯片中，完全正交，且参数匹配。HMC1052 的尺寸小，低工作电压，而且消除了两个敏感元件引起的非正交误差。除了惠斯通电桥，HMCI052有两个位于芯片上的磁耦合带；偏置带和置位/复位带。敏感元件A和B,都有这两个带。置位/ 复位带，用于确保精度。偏置带，用于校正传感器，或偏置任何不想要的磁场。在标准的 10 针外形(MSOP)中，两个敏感元件可以
