電子的指南針開題報(bào)告

..一、綜述本課題國內(nèi)外研究動(dòng)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(gè)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的國家。據(jù)《古礦錄》記載最早出現(xiàn)于戰(zhàn)國時(shí)期的XX磁山〔今XX省XX市磁山一帶一帶。指南針的發(fā)明是我國漢族勞動(dòng)人民在長期的實(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),后來又發(fā)現(xiàn)了磁石的指向性。經(jīng)過多方面的實(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"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(shí),勺尾指向?yàn)槟稀ｋm然指南針的始祖在中國被發(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)榇驌簟⑹軣岬裙ば蚨Т?。也是因?yàn)檫@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(huì)因轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻力過大,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,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(shí)現(xiàn)機(jī)理有了質(zhì)的改變,不再是機(jī)械結(jié)構(gòu)而采用了磁場傳感器和專用處理器對(duì)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(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(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,在可攜帶性上也大大優(yōu)于機(jī)械指南針。國外現(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(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500m的地磁導(dǎo)航系統(tǒng),并計(jì)劃用于提高飛航導(dǎo)彈和巡航魚雷的命中率。另外,美國在導(dǎo)彈試驗(yàn)方面已開始應(yīng)用地磁信息,并利用E22飛機(jī)進(jìn)行高空地磁數(shù)據(jù)測量。NASAGod2dard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,滿足使用者所需基本功能的電子指南針。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,使用者無需另外攜帶手表手機(jī)等工具,一旦在野外遭遇手機(jī)沒電等狀況可以通過該指南針準(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(gè)按鍵即可開啟并刷新方位信息〔低功耗,無需實(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^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)功能只需通過簡單的按鍵即可調(diào)用。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)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(jì)。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)計(jì),包括以下幾個(gè)模塊：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。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1°~2°。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)、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。GPS模塊：目前市場小型通用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。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。聲音提示摸塊：由于只采用簡單的整點(diǎn)提示,因此聲音模塊只需采用蜂鳴器即可實(shí)現(xiàn)。硬件內(nèi)容：系統(tǒng)框圖：軟件內(nèi)容：系統(tǒng)程序流程圖：電源開啟后,顯示屏開始顯示實(shí)時(shí)時(shí)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(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：回顧89C51單片機(jī)結(jié)構(gòu)以及引腳配置。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。學(xué)習(xí)磁場,地磁場,磁傾角,磁偏角,傳感器偏移補(bǔ)償,干涉磁場校正等的相關(guān)物理知識(shí)。熟練運(yùn)用C語言進(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,并且不影響用戶的使用和體驗(yàn)。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銷。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：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(jià)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(shí)現(xiàn)方法?！?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,并且在之前的實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用過,因此只需回顧復(fù)習(xí)該單片機(jī)即可?！?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(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)過整體程序的設(shè)計(jì)后進(jìn)行編寫,確保程序漏洞盡可能少?！?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)體按鍵用觸摸屏來代替?！?PCB板的制作：由于之前有設(shè)計(jì)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。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?！?復(fù)習(xí)51單片機(jī)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)主程序的設(shè)計(jì)?！?通過網(wǎng)上查閱資料以及賣家提供的源程序,進(jìn)行各模塊的學(xué)習(xí)后,完成各模塊相關(guān)功能的編寫?！?在完成整體程序的設(shè)計(jì)以及編寫后進(jìn)行調(diào)試,排除程序BUG,并完善整體程序的可行性,提升用戶使用體驗(yàn)。四、研究工作進(jìn)度：序號(hào)時(shí)間內(nèi)容1查閱資料,了解技術(shù)背景2任務(wù)書3開題報(bào)告會(huì)4.10.15文獻(xiàn)綜述以及外文翻譯5硬件采購,學(xué)習(xí)以及制版6軟件設(shè)計(jì)以及編寫7軟硬件調(diào)試8撰寫畢業(yè)論文9論文評(píng)審及查重10畢業(yè)答辯五、主要參考文獻(xiàn)：[1]武建軍,封維忠,于瑋?；贛EMS三維磁阻傳感器的電子指南針的研究。XX林業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院。[2]劉立兵,姚明高,許黎明。基于GMR單元的電子指南針的研究。上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院。[3]李世琛。基于MSP430F5438單片機(jī)的便攜電子指南針研究設(shè)計(jì)。科技傳播20XX06期。[4]張賢海,錢正洪,白茹,朱禮堯,李棟亮。基于AR