三维电子指南针MAX155.doc

目 录 1前言 3 2地磁场 4 3电子指南针需要测试的量 6 3.1导航系统中的姿态角以及用到的坐标系简介 6 3.1.1地理坐标系 6 3.1.2机体坐标系 7 3.1.3姿态角 7 3.2电子指南针中测量的角 7 3.2.1 方位角 7 3.2.2俯仰角及横滚角 8 3.3方位角的计算方法 8 3.3.1当指南针水平放置时 8 3.3.1当指南针非水平放置时 9 4核心传感器的选择与比较 11 4.1选择一：利用一维磁阻微电路芯片 HMC1052 感应磁场 11 4.1选择二：用霍尼韦尔 HMC1022 各向异性磁阻传感电路感应磁场 12 4.3选择三：使用 Philips 公司生产的 KMZ52/KMZ51感应磁场 12 5使用KMZ52和KMZ51设计三维电子指南针的设计方案 14 5.1系统模块设计 14 5.2各模块功能设计 15 5.2.1信号调节模块 15 5.2.2俯仰角φ及横滚角ρ测量模块 21 5.2.3 A/D转换模块 24 5.2.4 LED显示模块 24 5.3硬件介绍 25 5.3.1传感器 KMZ52/KMZ51 25 5.3.2 加速度传感器ADXL203 29 5.3.3 运算放大器 30 5.3.4 AD转换器 MAX155 32 5.3.5 微处理器8051 33 6软件设计 35 6.1系统主流程 35 7总结与体会 36 8谢辞 37 9参考文献 38 10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 47 1前言 指南针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