电子指南针开题报告.doc

一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义
指南针是人类日常生活中不可缺少的一种判别方向的工具。在人类历史的几千年前，指南针就已经被发明并予以应用。如今，在军事，工业，导航，生活等的各个方面，指南针一如既往地发挥其作用。
中国是世界上公认发明指南针（Compass）的国家。据《古矿录》记载最早出现于战国时期的河北磁山（今河北省邯郸市磁山一带）一带。指南针的发明是我国汉族劳动人民在长期的实践中对物体磁性认识的结果。由于生产劳动，人们接触了磁铁矿，开始了对磁性质的了解。人们首先发现了磁石吸引铁的性质，后来又发现了磁石的指向性。经过多方面的实验和研究，终于发明了实用的指南针。
最早的指南针是司南。它是用天然磁石制成的。样子象一把汤勺，圆底，可以放在平滑的“地盘”上并保持平衡，且可以自由旋转。当它静止的时候，勺柄就会指向南方。司南由青铜盘和天然磁体制成的磁勺组成，青铜盘上刻有二十四向，置磁勺于盘中心圆面上，静止时，勺尾指向为南。
虽然指南针的始祖在中国被发明，但是由于社会的进步和发展，人们对方位的判断要求也随之提高。因此，古代的司南及各类机械指南针由于种种因素并未得到广泛的应用，如，天然磁体资源有限并不易找到，在后期加工时又容易因为打击、受热等工序而失磁。也是因为这样，司南的磁性比较弱，而通过接触旋转而指明方向，需要它与地盘接触处要非常光滑，否则会因转动摩擦阻力过大，而难于旋转，影响指南效果。机械指南针的可携带性以及稳定性也是导致其未能普遍使用的因素。
近几十年来，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。与传统的机械指针式指南针相比，因电子式指南针采用电信号传送，且以较为直观的方式显示测量的结果，所以电子式指南针无论是在灵敏度上还是在精度上都远胜前者，而且不会因为机械磨损而减短使用寿命。且电子指南针采用高度集成的功能性模块，其体积与重量可以达到很小，在可携带性上也大大优于机械指南针。
国外现阶段研究电子指南针的主要应用是提供地磁导航功能，相对于其他导航手段而言,地磁导航起步得比较晚。在20世纪60年代中期,美国的E2systems公司提出了基于地磁异常场等值线匹配的MAGCOM系统, 70年代获得测量数据后,系统进行了离线实验。20世纪80年代初,瑞典的Lund学院对船只的地磁导航进行了实验验证,实验中将地磁强度的测量数据与地磁图进行人工比对,确定船只的位置,同时根据距离已知的两个磁传感器的输出时差,确定船只的速度。
美国目前已开发出地面和空中定位精度优于30m、水下定位精度优于500 m的地磁导航系统,并计划用于提高飞航导弹和巡航鱼雷的命中率。另外,美国在导弹试验方面已开始应用地磁信息,并利用E22飞机进行高空地磁数据测量。NASA God2dard空间中心和有关大学对水下地磁导航进行了研究,并进行了大量的地面试验。
国内有关地磁导航的研究还主要集中在仿真和预研阶段,航天科工集团三院的李素敏等人运用平均绝对差法对地面所测量的地磁强度数据进行了匹配运算,分辨率能达到50m；西北工业大学的晏登洋等人利用地磁导航校正惯性导航的仿真实验取得了较高的精度。

二、研究的基本内容，拟解决的主要问题：
本课题从指南针最基本最实用的功能出发，设计一种便携，满足使用者所需基本功能的电子指南针。该指南针包含三个最基本功能。
功能一:实时显示时间即电子表功能，使用者无需另外携带手表手机等工具，一旦在野外遭遇手机没电等状况可以通过该指南针准确获取时间。该时钟可实现整点报时功能。
功能二:按键显示地理南方（地磁北方向）。通过指南针内部磁阻传感器获取方位方位信息并显示在液晶屏上。使用者只需要通过一个按键即可开启并刷新方位信息（低功耗，无需实时显示方位信息）。
功能三:按键显示实时经纬度（GPS功能）。指南针内置地理定位模块，使用者需要知道当地的地理位置只需通过相应按键即可显示。
该电子指南针系统只有时钟采用实时显示。另外两个功能只需通过简单的按键即可调用。该系统设计时从使用者角度考虑，以操作简单，方便使用，低功耗，体积小为目标进行设计。成品经包装及降低成本后可投入生产销售。
以以上的功能进行设计，包括以下几个模块：

1. 主控单元模块：该指南针功能并不复杂，考虑到自己所学的知识以及市场成本，采用的是51单片机作为信号处理终端与主控单元。
2. 磁阻传感器模块：考虑到成本及采集数据的精度，采用的是HMC5883L磁阻传感器作为主要传感器件。该传感器为三轴磁阻传感器，在Z轴上能对地磁倾角进行校正，使得精度大幅度提高，精度控制在1°~2°。
3. 实时时钟模块：该模块采用的是DS1302芯片。具有低功耗，可自带电池，掉电走时。并且能对年、月、日、周、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿等多种功能。价格低廉，节省成本。
4. GPS模块：目前市场小型通用GPS模块以U-BLOX公司的产品居多。NEO-6M以其价成本较低，体积较小，模块中可以内置天线而取得我的青睐，因此我选择使用内置天线的NEO-6M作为GPS模块。
5. 显示模块：由于该指南针所显示的内容较多，简单的LCD屏无法满足，因此采用小型2.0寸TFT屏作为显示屏。
6. 声音提示摸块：由于只采用简单的整点提示，因此声音模块只需采用蜂鸣器即可实现。

（一） 硬件内容：
系统框图：

（二） 软件内容：
系统程序流程图：

电源开启后，显示屏开始显示实时时间。
当用户需要调用指南针功能，只需按下相应的按键，使指南针模块开启并在显示屏上显示当前方位。指南针每隔一小段时间进行数据刷新以节省运行数据资源与运行资源。如不需要指南针功能时只需要再次按下相应按键即可关闭该功能，以节省电力。
当用户需要调用GPS定位功能时，只需按下相应按键，使GPS模块开启并在显示屏上显示当前经纬度。GPS模块定位由于经纬度的分辨率只能精确到秒，因此不采用自动刷新。关闭GPS功能也只需要按下相应按键即可。如果用户更换地理位置后需要重新定位只需重新开启GPS功能即可。

拟解决的主要问题：
1. 回顾89C51单片机结构以及引脚配置。
2. 学习并掌握各种外接模块的工作原理，以及其各种功能的相关源码。
3. 学习磁场，地磁场，磁倾角，磁偏角，传感器偏移补偿，干涉磁场校正等的相关物理知识。
4. 熟练运用C语言进行主程序的设计。以及单片机与各模块之间的通信程序。确保程序内的BUG数量尽可能少，并且不影响用户的使用和体验。
5. 在硬件采够方面，由于用到的传感器价格均有浮动，因此在考虑成本方面后，要尽可能在不影响用户体验以及功能完整性的前提下节约资金以减少成本开销。

三、研究步骤、方法及措施：
设计该电子指南针主要从两个方面入手：
（一） 硬件部分的研究：
硬件的各模块的选材遵循低成本，高性能，高性价比的原则进行选材。在各模
块器件确定后，开始着手研究各模块的工作原理以及实现方法。
（1）单片机主控单元：由于使用的是比较经典并且引脚配置简单的51单片机。
该系列单片机在之前的课堂上已经学习过，并且在之前的实验中运用过，因此只需回顾复习该单片机即可。
（2）传感器模块：由于该磁阻传感器与GPS传感器均是未接触过的传感器，因此其工作原理与源程序都需要进行查阅资料来获取。源程序卖家或许会提供，在获得源程序后对其进行学习。传感器与单片机之间的通信程序也需要经过整体程序的设计后进行编写，确保程序漏洞尽可能少。
（3）显示模块则需要对采用的TFT屏进行系统的学习，掌握其显示原理，程序代码。如果显示屏带有触摸相应功能，可以考虑将一部分实体按键用触摸屏来代替。
（4）PCB板的制作：由于之前有设计过智能小车，制作过小车的主板。因此在PCB的制作上，我需要考虑更加周密的排版与焊接。以保证整体功能的完整性以及便携性。

（二） 软件部分的研究
软件部分主要是对单片机以及各模块的程序编写。
（1）复习51单片机的C语言程序。通过网上查阅资料和相关文献，完成相关主程序的设计。
（2）通过网上查阅资料以及卖家提供的源程序，进行各模块的学习后，完成各模块相关功能的编写。
（3）在完成整体程序的设计以及编写后进行调试，排除程序BUG，并完善整体程序的可行性，提升用户使用体验。

四、研究工作进度：
序号
时间
内容
1
2014.6.6-2014.6.19
查阅资料，了解技术背景
2
2014.6.20-2014.6.30
任务书
3
2014.9.24
开题报告会
4
2014.9.25-2014.10.15
文献综述以及外文翻译
5
2014.10.16-2014.10.29
硬件采购，学习以及制版
6
2014.10.30-2014.11.12
软件设计以及编写
7
2014.11.13-2014.11.26
软硬件调试
8
2014.11.27-2014.12.17
撰写毕业论文
9
2014.12.18-2014.12.28
论文评审及查重
10
2015.1.7
毕业答辩

五、主要参考文献：
[1] 武建军，封维忠，于玮。基于MEMS三维磁阻传感器的电子指南针的研究。南京林业大学信息科学技术学院。
[2] 刘立兵，姚明高，许黎明。基于GMR单元的电子指南针的研究。上海交通大学机械与动力学院。
[3]李世琛。基于MSP430F5438单片机的便携电子指南针研究设计。科技传播2013年06期。
[4] 张贤海，钱正洪，白茹，朱礼尧，李栋亮。基于ARM9平台的电子指南针的设计。杭州电子科技大学磁电子中心；现代电子技术2013年24期。

六、指导教师审核意见：

指导教师签字：

2014年9月 24 日
七、系评议意见：

系主任签字：

2014年9月 24日

八、开题小组评审意见：

开题小组负责人签字：　　　　

2014 年9月 24 日

九、学院领导审核意见：

1．通过； 2．完善后通过；　　　　　３．未通过

学院领导签字：　　　　

2014年9月 26 日