(完整word版)電子指南針開(kāi)題報(bào)告

1、一、綜述本課題國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)，說(shuō)明選題的依據(jù)和意義指南針是人類(lèi)日常生活中不可缺少的一種判別方向的工具。 在人類(lèi)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(gè)方面，指南針一如既往地發(fā)揮其作用。中國(guó)是世界上公認(rèn)發(fā)明指南針（ Compass）的國(guó)家。據(jù)古礦錄記載最早出現(xiàn)于戰(zhàn)國(guó)時(shí)期的河北磁山 （今河北省邯鄲市磁山一帶） 一帶。指南針的發(fā)明是我國(guó)漢族勞動(dòng)人民在長(zhǎng)期的實(shí)踐中對(duì)物體磁性認(rèn)識(shí)的結(jié)果。 由于生產(chǎn)勞動(dòng)，人們接觸了磁鐵礦，開(kāi)始了對(duì)磁性質(zhì)的了解。 人們首先發(fā)現(xiàn)了磁石吸引鐵的性質(zhì)， 后來(lái)又發(fā)現(xiàn)了磁石的指向性。經(jīng)過(guò)多方面的實(shí)驗(yàn)和研究，終于發(fā)明了實(shí)用的指南針。最早的指南

2、針是司南。它是用天然磁石制成的。樣子象一把湯勺，圓底，可以放在平滑的“地盤(pán)”上并保持平衡，且可以自由旋轉(zhuǎn)。 當(dāng)它靜止的時(shí)候， 勺柄就會(huì)指向南方。司南由青銅盤(pán)和天然磁體制成的磁勺組成，青銅盤(pán)上刻有二十四向， 置磁勺于盤(pán)中心圓面上，靜止時(shí)，勺尾指向?yàn)槟?。雖然指南針的始祖在中國(guó)被發(fā)明， 但是由于社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展， 人們對(duì)方位的判斷要求也隨之提高。 因此，古代的司南及各類(lèi)機(jī)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(shí)又容易因?yàn)榇驌?、受熱等工序而失磁。也是因?yàn)檫@樣，司南的磁性比較弱，而通過(guò)接觸旋轉(zhuǎn)而指明方向，需要它與地盤(pán)接觸處要非常光滑， 否則會(huì)因轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻力過(guò)大

3、， 而難于旋轉(zhuǎn)， 影響指南效果。機(jī)械指南針的可攜帶性以及穩(wěn)定性也是導(dǎo)致其未能普遍使用的因素。近幾十年來(lái)，由于國(guó)內(nèi)外電子技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是在磁傳感器和專(zhuān)用芯片（ASIC ）上的發(fā)展使能指南針的基本實(shí)現(xiàn)機(jī)理有了質(zhì)的改變，不再是機(jī)械結(jié)構(gòu)而采用了磁場(chǎng)傳感器和專(zhuān)用處理器對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)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(jī)械指針式指南針相比， 因電子式指南針采用電信號(hào)傳送，且以較為直觀的方式顯示測(cè)量的結(jié)果， 所以電子式指南針無(wú)論是在靈敏度上還是在精度上都遠(yuǎn)勝前者， 而且不會(huì)因?yàn)闄C(jī)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，

4、在可攜帶性上也大大優(yōu)于機(jī)械指南針。國(guó)外現(xiàn)階段研究電子指南針的主要應(yīng)用是提供地磁導(dǎo)航功能， 相對(duì)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(guó)的 E2systems公司提出了基于地磁異常場(chǎng)等值線(xiàn)匹配的 MAGCOM 系統(tǒng) , 70 年代獲得測(cè)量數(shù)據(jù)后 ,系統(tǒng)進(jìn)行了離線(xiàn)實(shí)驗(yàn)。 20 世紀(jì) 80 年代初 ,瑞典的 Lund 學(xué)院對(duì)船只的地磁導(dǎo)航進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 , 實(shí)驗(yàn)中將地磁強(qiáng)度的測(cè)量數(shù)據(jù)與地磁圖進(jìn)行人工比對(duì) ,確定船只的位置 ,同時(shí)根據(jù)距離已知的兩個(gè)磁傳感器的輸出時(shí)差 ,確定船只的速度。美國(guó)目前已開(kāi)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

5、地磁導(dǎo)航系統(tǒng),并計(jì)劃用于提高飛航導(dǎo)彈和巡航魚(yú)雷的命中率。另外,美國(guó)在導(dǎo)彈試驗(yàn)方面已開(kāi)始應(yīng)用地磁信息 ,并利用 E22 飛機(jī)進(jìn)行高空地磁數(shù)據(jù)測(cè)量。 NASA God2dard 空間中心和有關(guān)大學(xué)對(duì)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(yàn)。國(guó)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(yùn)用平均絕對(duì)差法對(duì)地面所測(cè)量的地磁強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行了匹配運(yùn)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(shí)驗(yàn)取得了較高的精度。二、研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問(wèn)題：本課題從指南針最基本最實(shí)用的功能出發(fā)， 設(shè)計(jì)一種便攜， 滿(mǎn)足使用者所需基本功能的電

6、子指南針。該指南針包含三個(gè)最基本功能。功能一 : 實(shí)時(shí)顯示時(shí)間。即電子表功能，使用者無(wú)需另外攜帶手表手機(jī)等工具，一旦在野外遭遇手機(jī)沒(méi)電等狀況可以通過(guò)該指南針準(zhǔn)確獲取時(shí)間。該時(shí)鐘可實(shí)現(xiàn)整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能。功能二 : 按鍵顯示地理南方 （地磁北方向）。通過(guò)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(guò)一個(gè)按鍵即可開(kāi)啟并刷新方位信息（低功耗，無(wú)需實(shí)時(shí)顯示方位信息） 。功能三 : 按鍵顯示實(shí)時(shí)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^(guò)相應(yīng)按鍵即可顯示。該電子指南針系統(tǒng)只有時(shí)鐘采用實(shí)時(shí)顯示。 另外兩個(gè)功能只需通過(guò)簡(jiǎn)單的按鍵即可調(diào)用。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)

7、從使用者角度考慮，以操作簡(jiǎn)單，方便使用，低功耗，體積小為目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。成品經(jīng)包裝及降低成本后可投入生產(chǎn)銷(xiāo)售。以以上的功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括以下幾個(gè)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(shí)以及市場(chǎng)成本，采用的是 51 單片機(jī)作為信號(hào)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 HMC5883L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(duì)地磁傾角進(jìn)行校正，使得精度大幅度提高，精度控制在 12。3. 實(shí)時(shí)時(shí)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(shí)。并且能對(duì)年、月、日、周、時(shí)、

8、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，且具有閏年補(bǔ)償?shù)榷喾N功能。價(jià)格低廉，節(jié)省成本。4. GPS模塊：目前市場(chǎng)小型通用 GPS模塊以 U-BLOX公司的產(chǎn)品居多。 NEO-6M 以其價(jià)成本較低， 體積較小，模塊中可以?xún)?nèi)置天線(xiàn)而取得我的青睞， 因此我選擇使用內(nèi)置天線(xiàn)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(jiǎn)單的LCD屏無(wú)法滿(mǎn)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(jiǎn)單的整點(diǎn)提示，因此聲音模塊只需采用蜂鳴器即可實(shí)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：電源開(kāi)啟后，顯示屏開(kāi)始顯示實(shí)時(shí)時(shí)間。當(dāng)用戶(hù)需要調(diào)用指南針功能， 只需

9、按下相應(yīng)的按鍵， 使指南針模塊開(kāi)啟并在顯示屏上顯示當(dāng)前方位。 指南針每隔一小段時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新以節(jié)省運(yùn)行數(shù)據(jù)資源與運(yùn)行資源。如不需要指南針功能時(shí)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(hù)需要調(diào)用 GPS定位功能時(shí)， 只需按下相應(yīng)按鍵， 使 GPS模塊開(kāi)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(dòng)刷新。 關(guān)閉 GPS功能也只需要按下相應(yīng)按鍵即可。 如果用戶(hù)更換地理位置后需要重新定位只需重新開(kāi)啟 GPS功能即可。擬解決的主要問(wèn)題：1. 回顧 89C51單片機(jī)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

10、碼。3. 學(xué)習(xí)磁場(chǎng)，地磁場(chǎng)，磁傾角，磁偏角，傳感器偏移補(bǔ)償，干涉磁場(chǎng)校正等的相關(guān)物理知識(shí)。4. 熟練運(yùn)用 C 語(yǔ)言進(jìn)行主程序的設(shè)計(jì)。以及單片機(jī)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(hù)的使用和體驗(yàn)。5. 在硬件采夠方面， 由于用到的傳感器價(jià)格均有浮動(dòng)， 因此在考慮成本方面后，要盡可能在不影響用戶(hù)體驗(yàn)以及功能完整性的前提下節(jié)約資金以減少成本開(kāi)銷(xiāo)。三、研究步驟、方法及措施：設(shè)計(jì)該電子指南針主要從兩個(gè)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?xún)r(jià)比的原則進(jìn)行選材。 在各模塊器件確定后，開(kāi)始著手研究各模塊的工作原理以及實(shí)現(xiàn)方法。（ 1）單片

11、機(jī)主控單元：由于使用的是比較經(jīng)典并且引腳配置簡(jiǎn)單的 51 單片機(jī)。該系列單片機(jī)在之前的課堂上已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)， 并且在之前的實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用過(guò)， 因此只需回顧復(fù)習(xí)該單片機(jī)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(guò)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(lái)獲取。 源程序賣(mài)家或許會(huì)提供， 在獲得源程序后對(duì)其進(jìn)行學(xué)習(xí)。 傳感器與單片機(jī)之間的通信程序也需要經(jīng)過(guò)整體程序的設(shè)計(jì)后進(jìn)行編寫(xiě)，確保程序漏洞盡可能少。（ 3）顯示模塊則需要對(duì)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(shí)體按鍵用觸摸屏來(lái)代替。（ 4） PCB板的

12、制作：由于之前有設(shè)計(jì)過(guò)智能小車(chē)，制作過(guò)小車(chē)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(duì)單片機(jī)以及各模塊的程序編寫(xiě)。（ 1）復(fù)習(xí) 51 單片機(jī)的 C 語(yǔ)言程序。通過(guò)網(wǎng)上查閱資料和相關(guān)文獻(xiàn)，完成相關(guān)主當(dāng)用戶(hù)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(kāi)啟并在顯示屏上顯示當(dāng)前方位。 指南針每隔一小段時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新以節(jié)省運(yùn)行數(shù)據(jù)資源與運(yùn)行資源。如不需要指南針功能時(shí)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(hù)需要調(diào)用 GPS定位功能時(shí)， 只需按下相應(yīng)按鍵， 使 GPS模塊開(kāi)啟并在顯示屏上顯示

13、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(dòng)刷新。 關(guān)閉 GPS功能也只需要按下相應(yīng)按鍵即可。 如果用戶(hù)更換地理位置后需要重新定位只需重新開(kāi)啟 GPS功能即可。擬解決的主要問(wèn)題：1. 回顧 89C51單片機(jī)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(chǎng)，地磁場(chǎng)，磁傾角，磁偏角，傳感器偏移補(bǔ)償，干涉磁場(chǎng)校正等的相關(guān)物理知識(shí)。4. 熟練運(yùn)用 C 語(yǔ)言進(jìn)行主程序的設(shè)計(jì)。以及單片機(jī)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(hù)的使用和體驗(yàn)。5. 在硬件采夠方面， 由于用到的傳感器價(jià)格均有浮動(dòng)，

14、因此在考慮成本方面后，要盡可能在不影響用戶(hù)體驗(yàn)以及功能完整性的前提下節(jié)約資金以減少成本開(kāi)銷(xiāo)。三、研究步驟、方法及措施：設(shè)計(jì)該電子指南針主要從兩個(gè)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?xún)r(jià)比的原則進(jìn)行選材。 在各模塊器件確定后，開(kāi)始著手研究各模塊的工作原理以及實(shí)現(xiàn)方法。（ 1）單片機(jī)主控單元：由于使用的是比較經(jīng)典并且引腳配置簡(jiǎn)單的 51 單片機(jī)。該系列單片機(jī)在之前的課堂上已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)， 并且在之前的實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用過(guò)， 因此只需回顧復(fù)習(xí)該單片機(jī)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(guò)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(lái)獲取。 源程序賣(mài)家或許會(huì)提供， 在獲得源程序后對(duì)其進(jìn)行學(xué)習(xí)。 傳感器與單片機(jī)之間的通信程序也需要經(jīng)過(guò)整體程序的設(shè)計(jì)后進(jìn)行編寫(xiě)，確保程序漏洞盡可能少。（ 3）顯示模塊則需要對(duì)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(shí)體按鍵用觸摸屏來(lái)代替。（ 4） PCB板的制作：由于之前有設(shè)計(jì)過(guò)智能小車(chē)，制作過(guò)小車(chē)的主板。因此在PCB的制作上，我需