電子指南針開題報告

1、一、綜述本課題國內(nèi)外研究動態(tài)，說明選題的依據(jù)和意義指南針是人類日常生活中不可缺少的一種判別方向的工具。在人類歷史的幾千年前，指南針就已經(jīng)被發(fā)明并予以應(yīng)用。如今，在軍事，工業(yè)，導(dǎo)航，生活等的各個方 面，指南針一如既往地發(fā)揮其作用。中國是世界上公認(rèn)發(fā)明指南針（CompasS的。據(jù)記載最早出現(xiàn)于的河北（今 磁山一帶）一帶。指南針的發(fā)明是我國勞動人民在長期的實踐中對物體認(rèn)識的結(jié)果。 由于生產(chǎn)勞動，人們接觸了，開始了對磁性質(zhì)的了解。人們首先發(fā)現(xiàn)了吸引的性質(zhì)， 后來又發(fā)現(xiàn)了磁石的指向性。經(jīng)過多方面的實驗和研究，終于發(fā)明了實用的指南針。最早的指南針是。它是用天然磁石制成的。樣子象一把湯勺，圓底，可以放在平

2、滑的“地盤”上并保持平衡，且可以自由旋轉(zhuǎn)。當(dāng)它靜止的時候，勺柄就會指向南方。 司南由青銅盤和天然磁體制成的磁勺組成，青銅盤上刻有二十四向，置磁勺于盤中心圓面上，靜止時，勺尾指向為南。雖然指南針的始祖在中國被發(fā)明， 但是由于社會的進(jìn)步和發(fā)展，人們對方位的判 斷要求也隨之提高。因此，古代的司南及各類機械指南針由于種種因素并未得到廣泛 的應(yīng)用，如，天然磁體資源有限并不易找到，在后期加工時又容易因為打擊、受熱等 工序而失磁。也是因為這樣，司南的磁性比較弱，而通過接觸旋轉(zhuǎn)而指明方向，需要 它與地盤接觸處要非常光滑，否則會因轉(zhuǎn)動摩擦阻力過大，而難于旋轉(zhuǎn)，影響指南效 果。機械指南針的可攜帶性以及穩(wěn)定性也是導(dǎo)

3、致其未能普遍使用的因素。近幾十年來，由于國內(nèi)外電子技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是在磁傳感器和專用芯片（ASIC ）上的發(fā)展使能指南針的基本實現(xiàn)機理有了質(zhì)的改變，不再是機械結(jié)構(gòu)而采 用了磁場傳感器和專用處理器對磁場進(jìn)行測量和處理后指示方向，這就是當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的電子式指南針。與傳統(tǒng)的機械指針式指南針相比，因電子式指南針采用電信 號傳送，且以較為直觀的方式顯示測量的結(jié)果， 所以電子式指南針無論是在靈敏度上 還是在精度上都遠(yuǎn)勝前者，而且不會因為機械磨損而減短使用壽命。 且電子指南針采 用高度集成的功能性模塊，其體積與重量可以達(dá)到很小，在可攜帶性上也大大優(yōu)于機 械指南針。國外現(xiàn)階段研究電子指南針的主要應(yīng)用是

4、提供地磁導(dǎo)航功能， 相對于其他導(dǎo)航手 段而言，地磁導(dǎo)航起步得比較晚。在 20世紀(jì)60年代中期，美國的E2systems公司提出 了基于地磁異常場等值線匹配的 MAGCOM系統(tǒng)，70年代獲得測量數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)進(jìn)行 了離線實驗。20世紀(jì)80年代初,瑞典的Lund學(xué)院對船只的地磁導(dǎo)航進(jìn)行了實驗驗證, 實驗中將地磁強度的測量數(shù)據(jù)與地磁圖進(jìn)行人工比對 ，確定船只的位置，同時根據(jù)距離 已知的兩個磁傳感器的輸出時差，確定船只的速度。美國目前已開發(fā)出地面和空中定位精度優(yōu)于 30m、水下定位精度優(yōu)于500 m的地 磁導(dǎo)航系統(tǒng),并計劃用于提高飛航導(dǎo)彈和巡航魚雷的命中率。另外，美國在導(dǎo)彈試驗方 面已開始應(yīng)用地磁信息，

5、并利用E22飛機進(jìn)行高空地磁數(shù)據(jù)測量。NASA God2dard空 間中心和有關(guān)大學(xué)對水下地磁導(dǎo)航進(jìn)行了研究，并進(jìn)行了大量的地面試驗。國內(nèi)有關(guān)地磁導(dǎo)航的研究還主要集中在仿真和預(yù)研階段，航天科工集團(tuán)三院的李素敏等人運用平均絕對差法對地面所測量的地磁強度數(shù)據(jù)進(jìn)行了匹配運算，分辨率能達(dá)到50m；西北工業(yè)大學(xué)的晏登洋等人利用地磁導(dǎo)航校正慣性導(dǎo)航的仿真實驗取得了 較高的精度。二、研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問題：本課題從指南針最基本最實用的功能出發(fā)，設(shè)計一種便攜，滿足使用者所需基本功能的電子指南針。該指南針包含三個最基本功能。功能一：實時顯示時間。即電子表功能，使用者無需另外攜帶手表手機等工具， 一旦在

6、野外遭遇手機沒電等狀況可以通過該指南針準(zhǔn)確獲取時間。該時鐘可實現(xiàn)整點報時功能。功能二:按鍵顯示地理南方（地磁北方向）。通過指南針內(nèi)部磁阻傳感器獲取方位 方位信息并顯示在液晶屏上。使用者只需要通過一個按鍵即可開啟并刷新方位信息（低功耗，無需實時顯示方位信息）。功能三:按鍵顯示實時經(jīng)緯度（GPS功能）。指南針內(nèi)置地理定位模塊，使用者需 要知道當(dāng)?shù)氐牡乩砦恢弥恍柰ㄟ^相應(yīng)按鍵即可顯示。該電子指南針系統(tǒng)只有時鐘采用實時顯示。另外兩個功能只需通過簡單的按鍵即 可調(diào)用。該系統(tǒng)設(shè)計時從使用者角度考慮，以操作簡單，方便使用，低功耗，體積小 為目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計。成品經(jīng)包裝及降低成本后可投入生產(chǎn)銷售。以以上的功能進(jìn)行設(shè)

7、計，包括以下幾個模塊：1. 主控單元模塊：該指南針功能并不復(fù)雜，考慮到自己所學(xué)的知識以及市場成本，采用的是51單片機作為信號處理終端與主控單元。2. 磁阻傳感器模塊：考慮到成本及采集數(shù)據(jù)的精度，采用的是HMC5883磁阻傳感器作為主要傳感器件。該傳感器為三軸磁阻傳感器，在Z軸上能對地磁 傾角進(jìn)行校正，使得精度大幅度提高，精度控制在1 ° 2°。3. 實時時鐘模塊：該模塊采用的是 DS1302芯片。具有低功耗，可自帶電池，掉電走時。并且能對年、月、日、周、時、分、秒進(jìn)行計時，且具有閏年補 償?shù)榷喾N功能。價格低廉，節(jié)省成本。4. GPS模塊：目前市場小型通用 GPS模塊以U-B

8、LOX公司的產(chǎn)品居多。NEO-6M以其價成本較低，體積較小，模塊中可以內(nèi)置天線而取得我的青睞， 因此 我選擇使用內(nèi)置天線的NEO-6M作為GPS模塊。5. 顯示模塊：由于該指南針?biāo)@示的內(nèi)容較多，簡單的LCD屏無法滿足，因此采用小型2.0寸TFT屏作為顯示屏。6. 聲音提示摸塊：由于只采用簡單的整點提示，因此聲音模塊只需采用蜂鳴器 即可實現(xiàn)。（一） 硬件內(nèi)容: 系統(tǒng)框圖：（二）軟件內(nèi)容：系統(tǒng)程序流程圖:有無按犍按卜否為指兩針按I.十-液晶顯乎誕取文時時忡掠塊'-鍛從掃描' ' 轉(zhuǎn)讀取描南廿模烘*詁取G凸檯缺=T開妬口無按逍扭下酗動浪品朋.走閉抬常 針顯示恃機狀態(tài).-一

9、一tiimif .烈J3jrrm iii_I- . -i；L_,j.(_,.丄，打4一丄一._Jn-1r單動版皚畀芙閉GP$星電源開啟后，顯示屏開始顯示實時時間當(dāng)用戶需要調(diào)用指南針功能， 只需按下相應(yīng)的按鍵， 使指南針模塊開啟并 在顯示屏上顯示當(dāng)前方位。 指南針每隔一小段時間進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新以節(jié)省運行數(shù) 據(jù)資源與運行資源。 如不需要指南針功能時只需要再次按下相應(yīng)按鍵即可關(guān)閉 該功能，以節(jié)省電力。當(dāng)用戶需要調(diào)用GPS定位功能時，只需按下相應(yīng)按鍵，使GPS莫塊開啟并 在顯示屏上顯示當(dāng)前經(jīng)緯度。GPS模塊定位由于經(jīng)緯度的分辨率只能精確到 秒，因此不采用自動刷新。關(guān)閉GPS功能也只需要按下相應(yīng)按鍵即可。如

10、果用 戶更換地理位置后需要重新定位只需重新開啟 GPS功能即可。擬解決的主要問題：1. 回顧89C51單片機結(jié)構(gòu)以及引腳配置。2. 學(xué)習(xí)并掌握各種外接模塊的工作原理，以及其各種功能的相關(guān)源碼。3. 學(xué)習(xí)磁場，地磁場，磁傾角，磁偏角，傳感器偏移補償，干涉磁場校正等的 相關(guān)物理知識。4. 熟練運用C語言進(jìn)行主程序的設(shè)計。以及單片機與各模塊之間的通信程序。 確保程序內(nèi)的BUG數(shù)量盡可能少，并且不影響用戶的使用和體驗。5. 在硬件采夠方面， 由于用到的傳感器價格均有浮動， 因此在考慮成本方面后， 要盡可能在不影響用戶體驗以及功能完整性的前提下節(jié)約資金以減少成本開銷。三、研究步驟、方法及措施：設(shè)計該電子

11、指南針主要從兩個方面入手：（一） 硬件部分的研究：硬件的各模塊的選材遵循低成本， 高性能， 高性價比的原則進(jìn)行選材。 在各模 塊器件確定后，開始著手研究各模塊的工作原理以及實現(xiàn)方法。（1）單片機主控單元：由于使用的是比較經(jīng)典并且引腳配置簡單的 51 單片機。 該系列單片機在之前的課堂上已經(jīng)學(xué)習(xí)過， 并且在之前的實驗中運用過， 因此只需回 顧復(fù)習(xí)該單片機即可。（2）傳感器模塊：由于該磁阻傳感器與 GPS傳感器均是未接觸過的傳感器，因 此其工作原理與源程序都需要進(jìn)行查閱資料來獲取。 源程序賣家或許會提供， 在獲得 源程序后對其進(jìn)行學(xué)習(xí)。 傳感器與單片機之間的通信程序也需要經(jīng)過整體程序的設(shè)計 后進(jìn)行

12、編寫，確保程序漏洞盡可能少。（3）顯示模塊則需要對采用的TFT屏進(jìn)行系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，掌握其顯示原理，程序 代碼。如果顯示屏帶有觸摸相應(yīng)功能，可以考慮將一部分實體按鍵用觸摸屏來代替。（4）PCB板的制作：由于之前有設(shè)計過智能小車，制作過小車的主板。因此在 PCB的制作上，我需要考慮更加周密的排版與焊接。以保證整體功能的完整性以及便 攜性。二） 軟件部分的研究 軟件部分主要是對單片機以及各模塊的程序編寫。（1）復(fù)習(xí)51單片機的C語言程序。通過網(wǎng)上查閱資料和相關(guān)文獻(xiàn)，完成相關(guān)主當(dāng)用戶需要調(diào)用指南針功能，只需按下相應(yīng)的按鍵，使指南針模塊開啟并 在顯示屏上顯示當(dāng)前方位。指南針每隔一小段時間進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新以節(jié)省

13、運行數(shù) 據(jù)資源與運行資源。如不需要指南針功能時只需要再次按下相應(yīng)按鍵即可關(guān)閉 該功能，以節(jié)省電力。當(dāng)用戶需要調(diào)用GP吳位功能時，只需按下相應(yīng)按鍵，使GP9莫塊開啟并 在顯示屏上顯示當(dāng)前經(jīng)緯度。GPS模塊定位由于經(jīng)緯度的分辨率只能精確到 秒，因此不采用自動刷新。關(guān)閉GPSft能也只需要按下相應(yīng)按鍵即可。 如果用 戶更換地理位置后需要重新定位只需重新開啟 GPSft能即可。擬解決的主要問題：1. 回顧89C51單片機結(jié)構(gòu)以及引腳配置。2. 學(xué)習(xí)并掌握各種外接模塊的工作原理，以及其各種功能的相關(guān)源碼。3. 學(xué)習(xí)磁場，地磁場，磁傾角，磁偏角，傳感器偏移補償，干涉磁場校正等的 相關(guān)物理知識。4. 熟練運

14、用C語言進(jìn)行主程序的設(shè)計。以及單片機與各模塊之間的通信程序。 確保程序內(nèi)的BU®量盡可能少，并且不影響用戶的使用和體驗。5. 在硬件采夠方面，由于用到的傳感器價格均有浮動，因此在考慮成本方面后, 要盡可能在不影響用戶體驗以及功能完整性的前提下節(jié)約資金以減少成本開銷。三、研究步驟、方法及措施：設(shè)計該電子指南針主要從兩個方面入手：(一) 硬件部分的研究：硬件的各模塊的選材遵循低成本，高性能，高性價比的原則進(jìn)行選材。在各模 塊器件確定后，開始著手研究各模塊的工作原理以及實現(xiàn)方法。(1) 單片機主控單元：由于使用的是比較經(jīng)典并且引腳配置簡單的 51單片機。 該系列單片機在之前的課堂上已經(jīng)學(xué)習(xí)過，并且在之前的實驗中運用過，因此只需回 顧復(fù)習(xí)該單片機即可。(2) 傳感器模塊：由于該磁阻傳感器與 GPS專感器均是未接觸過的傳感器，因 此其工作原理與源程序都需要進(jìn)行查閱資料來獲取。源程序賣家或許會提供，在獲得 源程序后對其進(jìn)行學(xué)習(xí)。傳感器與單片機之間的通信程序也需要經(jīng)過整體程序的設(shè)計 后進(jìn)行編寫，確保程序漏洞盡可能少。(3) 顯示模塊則需要對采用的TFT屏進(jìn)行系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，掌握其顯示原理，程序 代碼。如果顯示屏帶有觸摸相應(yīng)功能，可以考慮將一部分實體按鍵用觸摸屏來代替。(4) PCB板的制作：由于之前有設(shè)計過智能小車，制作過小車的主板。因此在