1、一、綜述本課題國內外研究動態，說明選題的依據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，指南針就已經被發明并予以應用。如今，在軍事，工業，導航，生活等的各個方面，指南針一如既往地發揮其作用。中國是世界上公認發明指南針（ Compass）的國家。據古礦錄記載最早出現于戰國時期的河北磁山 （今河北省邯鄲市磁山一帶） 一帶。指南針的發明是我國漢族勞動人民在長期的實踐中對物體磁性認識的結果。 由于生產勞動，人們接觸了磁鐵礦，開始了對磁性質的了解。 人們首先發現了磁石吸引鐵的性質， 后來又發現了磁石的指向性。經過多方面的實驗和研究，終于發明了實用的指南針。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”上并保持平衡，且可以自由旋轉。 當它靜止的時候， 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明， 但是由于社會的進步和發展， 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，而通過接觸旋轉而指明方向，需要它與地盤接觸處要非常光滑， 否則會因轉動摩擦阻力過大

3、， 而難于旋轉， 影響指南效果。機械指南針的可攜帶性以及穩定性也是導致其未能普遍使用的因素。近幾十年來，由于國內外電子技術的飛速發展，特別是在磁傳感器和專用芯片（ASIC ）上的發展使能指南針的基本實現機理有了質的改變，不再是機械結構而采用了磁場傳感器和專用處理器對磁場進行測量和處理后指示方向， 這就是當前應用較為廣泛的電子式指南針。 與傳統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到很小，

4、在可攜帶性上也大大優于機械指南針。國外現階段研究電子指南針的主要應用是提供地磁導航功能， 相對于其他導航手段而言 ,地磁導航起步得比較晚。在 20 世紀 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 , 70 年代獲得測量數據后 ,系統進行了離線實驗。 20 世紀 80 年代初 ,瑞典的 Lund 學院對船只的地磁導航進行了實驗驗證 , 實驗中將地磁強度的測量數據與地磁圖進行人工比對 ,確定船只的位置 ,同時根據距離已知的兩個磁傳感器的輸出時差 ,確定船只的速度。美國目前已開發出地面和空中定位精度優于30m、水下定位精度優于500 m 的

5、地磁導航系統,并計劃用于提高飛航導彈和巡航魚雷的命中率。另外,美國在導彈試驗方面已開始應用地磁信息 ,并利用 E22 飛機進行高空地磁數據測量。 NASA God2dard 空間中心和有關大學對水下地磁導航進行了研究 ,并進行了大量的地面試驗。國內有關地磁導航的研究還主要集中在仿真和預研階段,航天科工集團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據進行了匹配運算 ,分辨率能達到 50m；西北工業大學的晏登洋等人利用地磁導航校正慣性導航的仿真實驗取得了較高的精度。二、研究的基本內容，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， 設計一種便攜， 滿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，一旦在野外遭遇手機沒電等狀況可以通過該指南針準確獲取時間。該時鐘可實現整點報時功能。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 : 按鍵顯示實時經緯度（ GPS功能）。指南針內置地理定位模塊，使用者需要知道當地的地理位置只需通過相應按鍵即可顯示。該電子指南針系統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用。該系統設計時

7、從使用者角度考慮，以操作簡單，方便使用，低功耗，體積小為目標進行設計。成品經包裝及降低成本后可投入生產銷售。以以上的功能進行設計，包括以下幾個模塊：1. 主控單元模塊：該指南針功能并不復雜，考慮到自己所學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據的精度， 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 軸上能對地磁傾角進行校正，使得精度大幅度提高，精度控制在 12。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、

8、分、秒進行計時，且具有閏年補償等多種功能。價格低廉，節省成本。4. GPS模塊：目前市場小型通用 GPS模塊以 U-BLOX公司的產品居多。 NEO-6M 以其價成本較低， 體積較小，模塊中可以內置天線而取得我的青睞， 因此我選擇使用內置天線的 NEO-6M作為 GPS模塊。5. 顯示模塊：由于該指南針所顯示的內容較多，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。（一）硬件內容：系統框圖：（二）軟件內容：系統程序流程圖：電源開啟后，顯示屏開始顯示實時時間。當用戶需要調用指南針功能， 只需

9、按下相應的按鍵， 使指南針模塊開啟并在顯示屏上顯示當前方位。 指南針每隔一小段時間進行數據刷新以節省運行數據資源與運行資源。如不需要指南針功能時只需要再次按下相應按鍵即可關閉該功能，以節省電力。當用戶需要調用 GPS定位功能時， 只需按下相應按鍵， 使 GPS模塊開啟并在顯示屏上顯示當前經緯度。 GPS模塊定位由于經緯度的分辨率只能精確到秒，因此不采用自動刷新。 關閉 GPS功能也只需要按下相應按鍵即可。 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：1. 回顧 89C51單片機結構以及引腳配置。2. 學習并掌握各種外接模塊的工作原理，以及其各種功能的相關源

10、碼。3. 學習磁場，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物理知識。4. 熟練運用 C 語言進行主程序的設計。以及單片機與各模塊之間的通信程序。確保程序內的 BUG數量盡可能少，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約資金以減少成本開銷。三、研究步驟、方法及措施：設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方法。（ 1）單片

11、機主控單元：由于使用的是比較經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學習過， 并且在之前的實驗中運用過， 因此只需回顧復習該單片機即可。（ 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行學習。 傳感器與單片機之間的通信程序也需要經過整體程序的設計后進行編寫，確保程序漏洞盡可能少。（ 3）顯示模塊則需要對采用的 TFT 屏進行系統的學習，掌握其顯示原理，程序代碼。如果顯示屏帶有觸摸相應功能，可以考慮將一部分實體按鍵用觸摸屏來代替。（ 4） PCB板的

12、制作：由于之前有設計過智能小車，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）復習 51 單片機的 C 語言程序。通過網上查閱資料和相關文獻，完成相關主當用戶需要調用指南針功能， 只需按下相應的按鍵， 使指南針模塊開啟并在顯示屏上顯示當前方位。 指南針每隔一小段時間進行數據刷新以節省運行數據資源與運行資源。如不需要指南針功能時只需要再次按下相應按鍵即可關閉該功能，以節省電力。當用戶需要調用 GPS定位功能時， 只需按下相應按鍵， 使 GPS模塊開啟并在顯示屏上顯示

13、當前經緯度。 GPS模塊定位由于經緯度的分辨率只能精確到秒，因此不采用自動刷新。 關閉 GPS功能也只需要按下相應按鍵即可。 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：1. 回顧 89C51單片機結構以及引腳配置。2. 學習并掌握各種外接模塊的工作原理，以及其各種功能的相關源碼。3. 學習磁場，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物理知識。4. 熟練運用 C 語言進行主程序的設計。以及單片機與各模塊之間的通信程序。確保程序內的 BUG數量盡可能少，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，

14、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約資金以減少成本開銷。三、研究步驟、方法及措施：設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方法。（ 1）單片機主控單元：由于使用的是比較經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學習過， 并且在之前的實驗中運用過， 因此只需回顧復習該單片機即可。（ 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行學習。 傳感器與單片機之間的通信程序也需要經過整體程序的設計后進行編寫，確保程序漏洞盡可能少。（ 3）顯示模塊則需要對采用的 TFT 屏進行系統的學習，掌握其顯示原理，程序代碼。如果顯示屏帶有觸摸相應功能，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：由于之前有設計過智能小車，制作過小車的主板。因此在PCB的制作上，我需