最新電子指南針設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)綜合訓(xùn)練（畢業(yè)論文設(shè)計(jì)）課題名稱 電子指南針設(shè)計(jì) 學(xué) 院 信息工程學(xué)院 專 業(yè) 電子信息工程技術(shù) 班 級(jí) 13專電子1班 姓 名 林鑫祥 學(xué)號(hào) 2013316197 指導(dǎo)老師 何鍵 江西科技學(xué)院畢業(yè)綜合訓(xùn)練任務(wù)書學(xué)院 信息工程學(xué)院 專業(yè) 電子信息工程技術(shù) 年級(jí) 13級(jí) 班級(jí) 電子1班 姓名 林鑫祥 起止日期 2015.7.12016.5.18 題目 電子指南針設(shè)計(jì) 1畢業(yè)綜合訓(xùn)練任務(wù)及要求（根據(jù)題目性質(zhì)對(duì)學(xué)生提出具體要求）1. 分析題目需完成的功能，問題描述準(zhǔn)確、規(guī)范。2. 擬定實(shí)施方案，描述設(shè)計(jì)思路。3. 詳盡規(guī)劃內(nèi)容。4. 體現(xiàn)完整設(shè)計(jì)過程及交付最終作品。2畢業(yè)綜合訓(xùn)練的原始資料及依據(jù)

2、（包括做調(diào)研的背景，研究條件、應(yīng)用環(huán)境等）作為我國(guó)四大發(fā)明之一的指南針，古稱“司南”。它代表著我國(guó)勞動(dòng)人民在長(zhǎng)期生活實(shí)踐中對(duì)物體磁性認(rèn)識(shí)的結(jié)果，更象征著我國(guó)勞動(dòng)人民的智慧。由于生產(chǎn)勞動(dòng)，人們發(fā)現(xiàn)了磁礦石，并開始了對(duì)磁性質(zhì)的了解。人們首先發(fā)現(xiàn)了磁石引鐵的性質(zhì)。后來又發(fā)現(xiàn)了磁石的指向性。經(jīng)過多方的實(shí)驗(yàn)和研究，終于發(fā)明了可以實(shí)用的指南針1。指南針作為四大發(fā)明之一，無疑讓我們國(guó)人引以為傲，但隨社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步，司南的許多缺陷也越來越明顯，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，而通過接觸旋轉(zhuǎn)而指明方向，需要它與地盤接觸處要非常光滑，

3、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。再者，司南有一定的體積和重量，攜帶很不方便，使得司南長(zhǎng)期未得到廣泛應(yīng)用。到近代，因工藝技術(shù)的發(fā)展，指南針體積逐漸減小，使得指南針的應(yīng)用范圍更是越來越廣，軍事、生產(chǎn)、日常生活、地形測(cè)量等方面，特別是航海上。但是，磁石式的指南針仍存在不足，如，易失磁性、制作工程繁瑣、精確度不高等問題。3主要參考資料、文獻(xiàn)1關(guān)增建，指南針理論在中國(guó)歷史上的演變，自然科學(xué)史研究，, 24(2)，10-15，20052郭艷萍，電氣控制與PLC應(yīng)用，人民郵電出版社，2010。3魏偉，胡瑋，王永清，51單片機(jī)C語(yǔ)言開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)，化學(xué)工業(yè)出版社，2010。4管志寧，地磁場(chǎng)

4、與磁力勘探，地質(zhì)出版社，2005。5郭檢柟，基于磁阻芯片和MPS430的單片機(jī)的電子羅盤設(shè)計(jì)J，信息與電子工程，8(1)，12-14，2010。6江世明，基于Prouteus的單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)，電子工業(yè)出版社，2009。7蘭吉昌，51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)百例，化學(xué)工業(yè)出版社，2009。8胡修林，楊奇，用磁場(chǎng)傳感器KMZ52設(shè)計(jì)的電子指南針，國(guó)外電子元器件，8(3)，44-46，2004。9 胡寧博，李劍，趙櫸云，基于HMC5883L的電子羅盤設(shè)計(jì)，傳感器世界，11(6)，35-38，2011。10余華芳，劉健，單片機(jī)與液晶顯示模塊的軟硬件接口技術(shù)，液晶與顯示，4(2)，125-129，2003。 指導(dǎo)

5、教師 何健 2016年 5 月 20 日指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ) 論文選題符合專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)畢業(yè)論文，能夠達(dá)到綜合訓(xùn)練目標(biāo)，題目有難度，工作量較大。選題具有學(xué)術(shù)參考價(jià)值。 該生查閱文獻(xiàn)資料能力較強(qiáng)，能較為全面收集關(guān)于考試系統(tǒng)的資料，寫作過程中能綜合運(yùn)用考試系統(tǒng)知識(shí)，全面分析考試系統(tǒng)問題，綜合運(yùn)用知識(shí)能力較強(qiáng)。文章篇幅完全符合學(xué)院規(guī)定，內(nèi)容較為完整，層次結(jié)構(gòu)安排科學(xué)，主要觀點(diǎn)突出，邏輯關(guān)系清楚，但缺乏個(gè)人見解。文題相符，論點(diǎn)突出，論述緊扣主題。 語(yǔ)言表達(dá)流暢，格式完全符合規(guī)范要求；參考了較為豐富的文獻(xiàn)資料，其時(shí)效性較強(qiáng)。建議成績(jī)：優(yōu) 良 中 及格 不及格 指導(dǎo)教師簽字 年 月 日最終評(píng)定成績(jī)：、優(yōu) 良 中 及

6、格 不及格院長(zhǎng)簽章 年 月 日摘 要隨著科技發(fā)展，現(xiàn)代人愈發(fā)追求高效、快捷。傳統(tǒng)的指南針?biāo)捎玫氖谴呕羔樅头轿槐P的組合方式，整個(gè)指南針系統(tǒng)從現(xiàn)實(shí)使用的角度上看，在指示靈敏度、便攜性上都存在著一定的不足。而本次的設(shè)計(jì)采用專用的磁場(chǎng)傳感器結(jié)合高速微控制器（MCU）的電子指南針能有效解決這些問題。本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，通過采用磁阻（GMR）傳感器采集某一方向磁場(chǎng)強(qiáng)度后，傳送至MCU控制器對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并判斷對(duì)應(yīng)角度的結(jié)果，最后通過LCD顯示屏顯示出來。該系統(tǒng)通過實(shí)際測(cè)試，指南針模塊精度達(dá)到1°，能夠在LCD上顯示當(dāng)前方位角度。關(guān)鍵詞: 電子指南針；單片機(jī)；磁場(chǎng)傳感器ABSTRACTWith

7、 the development of science and technology, modern people are chasing the convenience and efficiency. The traditional compass is the combination of the magnetized pointer and orientation, in terms of the practical use of the compass system, there are certain disadvantages in the instructions sensiti

8、vity and convenience. And this decide can solve these problems by the using the special design magnetic field sensor combined with high speed micro controller (MCU) electronic compass. The design of the system, will collect a certain direction of the magnetic intensity by using the magnetic resistan

9、ce (GMR) sensors, transmit to the MCU controller which can deal with the data processing and judge the results of the corresponding Angle, and finally display it through the LCD screen. After the practical test, a compass module accuracy can reach 1 °, and display on the current position of the

10、 LCD screen. Keywords: Electronic compass；MCU；Magnetic sensorII目錄摘 要IABSTRACTII第一章 緒論11.1課題背景11.2課題目的11.3課題的意義21.4設(shè)計(jì)內(nèi)容2第二章 電子指南針總體方案的設(shè)計(jì)32.1電子指南針的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)32.2模塊方案的選擇32.2.1 方案一：PLC控制32.2.2 方案二：51系列單片機(jī)3第三章 電子指南針的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)53.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理53.2模塊電路設(shè)計(jì)53.2.1電源設(shè)計(jì)53.2.2主控芯片電路設(shè)計(jì)73.2.3信號(hào)采集模塊93.2.4 LCD顯示模塊113.2.5 越境提示模塊123

11、.3系統(tǒng)總電路14第四章 電子指南針系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)154.1系統(tǒng)主程序154.2信號(hào)采集程序164.3信號(hào)顯示程序174.4越境提示程序18第五章 數(shù)據(jù)測(cè)試與結(jié)果分析19第六章 總結(jié)20參考文獻(xiàn)22第一章 緒論1.1課題背景作為我國(guó)四大發(fā)明之一的指南針，古稱“司南”。它代表著我國(guó)勞動(dòng)人民在長(zhǎng)期生活實(shí)踐中對(duì)物體磁性認(rèn)識(shí)的結(jié)果，更象征著我國(guó)勞動(dòng)人民的智慧。由于生產(chǎn)勞動(dòng)，人們發(fā)現(xiàn)了磁礦石，并開始了對(duì)磁性質(zhì)的了解。人們首先發(fā)現(xiàn)了磁石引鐵的性質(zhì)。后來又發(fā)現(xiàn)了磁石的指向性。經(jīng)過多方的實(shí)驗(yàn)和研究，終于發(fā)明了可以實(shí)用的指南針1。追溯指南針的始祖，它大約出現(xiàn)在戰(zhàn)國(guó)時(shí)期。其樣子像只水勺，用天然磁石磨制面成，勺底為球

12、面體，勺呈橢圓狀，勺柄通體漸漸縮成柱狀。為了確定方向，還配有一個(gè)“地盤”，它是銅質(zhì)或涂漆木制盤，中央是平滑圓槽。當(dāng)它靜止的時(shí)候，勺柄就會(huì)指向南方，故古人稱它為“司南”。司南，整個(gè)系統(tǒng)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。指南針作為四大發(fā)明之一，無疑讓我們國(guó)人引以為傲，但隨社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步，司南的許多缺陷也越來越明顯，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。再者，司南有一定的體積和重量，攜帶很不方便，使

13、得司南長(zhǎng)期未得到廣泛應(yīng)用。到近代，因工藝技術(shù)的發(fā)展，指南針體積逐漸減小，使得指南針的應(yīng)用范圍更是越來越廣，軍事、生產(chǎn)、日常生活、地形測(cè)量等方面，特別是航海上。但是，磁石式的指南針仍存在不足，如，易失磁性、制作工程繁瑣、精確度不高等問題。1.2課題目的隨著人們對(duì)指南針原理認(rèn)識(shí)的不斷深入，指南針也由先前笨重的“司南”發(fā)展到現(xiàn)在的便攜式的指南針。但其基本構(gòu)造是沒有改變的，都是屬于機(jī)械的指針式，其指示的機(jī)械結(jié)構(gòu)基本上沒有改變，都是利用某種支撐使得磁針能夠受到地磁場(chǎng)的影響而自由的旋轉(zhuǎn)。由于機(jī)械的先天因素導(dǎo)致了指針式指南針在便攜性、靈敏度、精度以及使用壽命上都有一定的限制。由于國(guó)內(nèi)外電子技術(shù)的飛速發(fā)展，特

14、別是在磁傳感器和專用芯片上的發(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。電子指南針將替代舊的針式指南針或羅盤指南針，因?yàn)殡娮又改厢樔捎霉虘B(tài)的元件，還可以簡(jiǎn)單地和其他電子系統(tǒng)接口。本次課題的電子指南針大部分功能是由單片機(jī)處理實(shí)現(xiàn)的。由于單片機(jī)具有體積小，控制功能靈活，造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，因此，迎合當(dāng)今時(shí)代對(duì)指南針的迫切應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)出基于單片機(jī)的電子指南針系統(tǒng)就具有很強(qiáng)的實(shí)用性。1.3課題的意義本次畢業(yè)設(shè)計(jì)選擇“基于單片機(jī)的電子指南針的設(shè)計(jì)”是為了更好地學(xué)習(xí)和研究51系列單片機(jī)電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

15、的相關(guān)知識(shí)，掌握基本應(yīng)用電路設(shè)計(jì)的方法和技巧。如今,電子指南針已經(jīng)受到普及運(yùn)用，其功能也越來越多。而本設(shè)計(jì)針對(duì)電子指南針的各個(gè)功能部件對(duì)電子指南針的關(guān)鍵部分做了詳細(xì)的研究。電子指南針系統(tǒng)是一個(gè)典型的單片機(jī)系統(tǒng)，了解其工作原理及其信號(hào)處理流程有利于研究更加復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)，特別是系統(tǒng)中來自國(guó)外的磁傳感器及其信號(hào)的采集芯片更是有利于研究磁場(chǎng)傳感器的實(shí)現(xiàn)機(jī)理，以便將此技術(shù)應(yīng)用于其他領(lǐng)域。同時(shí)為能將課堂與書本中學(xué)習(xí)到的理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐中，設(shè)計(jì)出以系統(tǒng)簡(jiǎn)潔為目標(biāo)的電子指南針系統(tǒng)方案，并能深入了解各種電子元器件的使用方法和基本用途，能夠靈活迅速地判斷電路中出現(xiàn)的故障；學(xué)會(huì)獨(dú)立設(shè)計(jì)電路，積累更多的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)

16、，并加強(qiáng)訓(xùn)練焊接的能力和技巧，同時(shí)在實(shí)踐過程中鍛煉查閱、歸納和整理各種參考資料的能力，提高理論聯(lián)系實(shí)際的能力。通過親自設(shè)計(jì)課題來訓(xùn)練我們大學(xué)生應(yīng)用所學(xué)專業(yè)知識(shí)解決實(shí)際工程和實(shí)踐問題的技能，鞏固所學(xué)專業(yè)知識(shí)，拓寬知識(shí)面；激發(fā)我們大學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)大學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力和綜合科研開發(fā)能力。1.4設(shè)計(jì)內(nèi)容本文設(shè)計(jì)是“基于單片機(jī)的電子指南針的設(shè)計(jì)”，系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為控制核心，操縱磁場(chǎng)傳感器檢測(cè)所處環(huán)境的磁場(chǎng)。系統(tǒng)核心技術(shù)是由單片機(jī)通過HMC5883磁場(chǎng)傳感器（3軸羅盤）檢測(cè)環(huán)境中得磁場(chǎng)強(qiáng)度的數(shù)據(jù)對(duì)身處磁場(chǎng)進(jìn)行判斷，與程序設(shè)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行角度換算，通過磁場(chǎng)變化來測(cè)量所處方向的偏差，實(shí)現(xiàn)對(duì)指南

17、針的判別方向功能，達(dá)到簡(jiǎn)化電子指南針系統(tǒng)的目的。第二章 電子指南針總體方案的設(shè)計(jì)2.1電子指南針的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)為電子指南針的控制設(shè)計(jì)。電子指南針系統(tǒng)由主控制器、按鍵、磁場(chǎng)傳感器、方位顯示等幾大模塊組成，由程序控制實(shí)現(xiàn)方位測(cè)量的磁場(chǎng)感應(yīng)與角度換算。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。BACKMCULCD顯示屏開關(guān)控制三軸磁阻輸入控制越境提示圖2.1電子指南針系統(tǒng)組成本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)身處方位的方向的測(cè)量。系統(tǒng)可分為四個(gè)模塊：電源模塊、主控芯片模塊、信號(hào)采集模塊、數(shù)據(jù)輸出模塊。整個(gè)系統(tǒng)中前端的磁阻傳感器負(fù)責(zé)測(cè)量地磁場(chǎng)的大小并將磁場(chǎng)的變化轉(zhuǎn)化為微弱的電流的變化，專用的磁場(chǎng)測(cè)量芯片負(fù)責(zé)把磁阻傳感器變化的電流

18、（模擬量）轉(zhuǎn)換成微控制器可以識(shí)別的數(shù)字量然后通過芯片內(nèi)部的I2C總線上傳給微控制器。微控制器將表征當(dāng)前磁場(chǎng)大小的數(shù)字量按照方位進(jìn)行歸一化等處理后通過直觀的LCD進(jìn)行方位顯示5。整個(gè)系統(tǒng)中只使用小部分I/O口，預(yù)留了部分I/O接口，使整個(gè)系統(tǒng)功能得到進(jìn)一步的擴(kuò)展（如，添置GPS全球定位功能等）。2.2模塊方案的選擇2.2.1 方案一：PLC控制采用可編程邏輯系統(tǒng)PLC控制。PLC是一種數(shù)字式運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，集成度高，工作穩(wěn)定可靠，且外圍接口多，編程方便，用戶在硬件方面的設(shè)計(jì)工作只是確定PLC的硬件配置和I/O的外部接線即可，是專為工業(yè)環(huán)境下的系統(tǒng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來在其

19、內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)等操作指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程2。但其造價(jià)昂貴，大批量生產(chǎn)費(fèi)用很高，不適用于本設(shè)計(jì)電子指南針。故不選用此方案。2.2.2 方案二：51系列單片機(jī)51系列單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)之一是它從內(nèi)部的硬件到軟件有一套完整的按位操作系統(tǒng)，稱作位處理器，或布爾處理器，它能進(jìn)行位操作。它不僅能對(duì)片內(nèi)某些特殊功能寄存器的某位進(jìn)行處理，如傳送、置位、清零、測(cè)試等，還能進(jìn)行位的邏輯運(yùn)算，其功能十分完備，使用起來得心應(yīng)手。雖然其他種類的單片機(jī)也具有位處理功能，但能進(jìn)行位邏輯運(yùn)算的實(shí)屬少見。51系列在片內(nèi)RAM區(qū)間還特別開辟了一個(gè)雙重功能的

20、地址區(qū)間，十六個(gè)字節(jié)，單元地址20H2FH，它既可作字節(jié)處理，也可作位處理，使用極為靈活。這一功能無疑給使用者提供了極大的方便，因?yàn)橐粋€(gè)較復(fù)雜的程序在運(yùn)行過程中會(huì)遇到很多分支，因而需建立很多標(biāo)志位，在運(yùn)行過程中，需要對(duì)有關(guān)的標(biāo)志位進(jìn)行置位、清零或檢測(cè)，以確定程序的運(yùn)行方向。而實(shí)施這一處理，只需用一條位操作指令即可。51系列的I/O腳的設(shè)置和使用也非常簡(jiǎn)單，當(dāng)引腳為低電平時(shí)，吸入電流可達(dá)20mA，具有一定的驅(qū)動(dòng)能力。本次設(shè)計(jì)的電子指南針，出于實(shí)用角度，設(shè)計(jì)目的在于要求體積小，并且功能完備，因此要求控制器體積小，以便能夠在運(yùn)用過程中實(shí)現(xiàn)便攜性。51系列單片機(jī)具有體積小、編程靈活、外設(shè)多樣、易于擴(kuò)展

21、等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)多種控制功能，廣泛地應(yīng)用于各種電路控制系統(tǒng)中。由于51系列單片機(jī)技術(shù)成熟，加上其多功能，低功耗等特點(diǎn)，能滿足不同系統(tǒng)的應(yīng)用需要。相比之下，51系列單片機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)就是生產(chǎn)成本低，市售價(jià)格便宜，操作簡(jiǎn)單，適用于小型電路產(chǎn)品開發(fā)，方便大批量生產(chǎn)以其為核心的設(shè)備，且都能滿足電路系統(tǒng)的要求3。綜上所述，本次設(shè)計(jì)采用51系列的STC89C52單片機(jī)作為主控芯片。第三章 電子指南針的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理地球的磁場(chǎng)強(qiáng)度大約為0.5-0.6高斯，并且具有一個(gè)平行于地球表面的成份，它始終指向磁北。這是信號(hào)采集模塊的基礎(chǔ)，地球磁場(chǎng)可用圖3.1中所示的雙極模型來模擬表示。圖3.1 地球磁場(chǎng)

22、與真北模擬圖北半球中地球磁場(chǎng)向下指向北方，在赤道處它水平指向北方，并且在南半球中向上指向北方。在任何情況下，地球磁場(chǎng)的方向始終指向磁北。而我們要應(yīng)用的，正是這磁場(chǎng)中平行于地球表面的分量4。在本設(shè)計(jì)的信號(hào)采集中，我們關(guān)鍵完成兩個(gè)步驟：1）確定地球磁場(chǎng)的水平分量；2）糾正磁偏角。在本設(shè)計(jì)中，我們采用磁阻傳感器來完成設(shè)計(jì)系統(tǒng)。磁羅盤通過測(cè)量地磁場(chǎng)水平方向分量確定磁北極方向并推算出其他方向。當(dāng)羅盤水平放置時(shí)，傳感器坐標(biāo)系的X、Y軸在水平面內(nèi)，X軸為前進(jìn)方向，Y軸垂直于X軸向右，Z軸沿重力方向向下，從磁北方向順時(shí)針到X軸的夾角即為方位角。地球磁場(chǎng)分量見下圖3.2。圖3.2 X、Y、Z坐標(biāo)中的地球磁場(chǎng)分量

23、3.2模塊電路設(shè)計(jì)3.2.1電源設(shè)計(jì)方案一：電源模塊是為整個(gè)電路系統(tǒng)提供能源和動(dòng)力的重要保證。一般的直流穩(wěn)壓電源由整流電路，濾波電路和穩(wěn)壓電路等幾部分組成。整流電路采用4007二極管整流橋?qū)φ也ㄟM(jìn)行全波整流。濾波電路為濾除高次諧波，讓電流波形基本平穩(wěn)。穩(wěn)壓電路采用78系列的三端穩(wěn)壓管以保證輸出更加穩(wěn)定的直流波形。穩(wěn)壓電源工作原理圖如圖3.4所示。圖3.4 穩(wěn)壓電源工作原理示意圖用78/79系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來可靠、方便，而且價(jià)格便宜6。該系列集成穩(wěn)壓IC型號(hào)中的78或79后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓

24、，如7806表示輸出電壓為正6V，7909表示輸出電壓為負(fù)9V。而本設(shè)計(jì)所使用的7805即輸出電壓為正5V。圖3.5 7805引腳圖本機(jī)電源采用輸出+5V和+3.3V，分別用于提供電子電路工作電源和磁感電阻芯片驅(qū)動(dòng)電源。先使用交流變壓器將220V市電降壓至15V，經(jīng)過二極管整流橋整流、電容濾波和穩(wěn)壓管穩(wěn)壓，能輸出穩(wěn)定的直流5V和3.3V電壓。驅(qū)動(dòng)單相交流電機(jī)的電源是從220V電源線引入控制電機(jī)的電磁繼電器結(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)動(dòng)作的控制。電源模塊的電路原理圖如圖3.6所示。圖3.6 穩(wěn)壓電源模塊方案二：鑒于本設(shè)計(jì)電子指南針主要應(yīng)用于戶外，故補(bǔ)充設(shè)計(jì)攜帶性較強(qiáng)的電源系統(tǒng)，基于攜帶方便，方案二電源選用干

25、電池，生活中最為常見的1.5V干電池，通過串聯(lián)4節(jié)干電池獲得6V直流電源，然后使用電阻串聯(lián)分壓，分別產(chǎn)生5V及3.3V電源。電源控制：本設(shè)計(jì)系統(tǒng)基于實(shí)際實(shí)用考慮，電子指南針工作不為24小時(shí)，故加入電源控制系統(tǒng)，使用開關(guān)串聯(lián)在5V電壓輸入與系統(tǒng)VCC線路中，在開關(guān)閉合時(shí)，系統(tǒng)正常工作并有發(fā)光二極管LED點(diǎn)亮提示。圖3.7 電源控制電路3.2.2主控芯片電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)使用STC89C52作為主控芯片，它是一種帶8K字節(jié)閃爍可編程可檫除只讀存儲(chǔ)器的低電壓，高性能COMOS8的微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL搞密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。ST

26、C89C52單片機(jī)有4組8位的可編程I/O口，分別位P0、P1、P2、P3口，每個(gè)口為8位（8根引腳），共32根。芯片的封裝與引腳排列如圖3.8所示。STC89C52主要功能如表3.1所示。表3.1 STC89C52主要功能兼容MCS51指令系統(tǒng)8K可反復(fù)擦寫Flash ROM32個(gè)雙向I/O口256x8bit內(nèi)部RAM3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷時(shí)鐘頻率0-24MHz2個(gè)串行中斷可編程UART串行通道2個(gè)外部中斷源共6個(gè)中斷源2個(gè)讀寫中斷口線3級(jí)加密位低功耗空閑和掉電模式軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能圖3.8 STC89C52引腳排列與引腳功能系統(tǒng)控制使用的STC89C52單片機(jī)，時(shí)鐘晶振使用1

27、2MHz，并設(shè)計(jì)有上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵手動(dòng)復(fù)位電路。RST引腳是復(fù)位信號(hào)的輸入端。復(fù)位信號(hào)是高電平有效，其有效時(shí)間應(yīng)持續(xù)24個(gè)振蕩周期，即二個(gè)機(jī)器周期以上。若使用頻率為12MHz的晶振，則復(fù)位信號(hào)持續(xù)時(shí)間應(yīng)超過2us才能完成復(fù)位操作。上電自動(dòng)復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實(shí)現(xiàn)的。這佯，只要電源Vcc的上升時(shí)間不超過1ms，就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位，即單片機(jī)接通電源就成了系統(tǒng)的復(fù)位初始化7。STC89C52在系統(tǒng)中的工作電路如圖3.9所示。圖3.9 STC89C52電路原理圖單片機(jī)的按鍵手動(dòng)復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。其中，按鍵電平復(fù)位是通過使復(fù)位端經(jīng)電阻與Vcc電源接通而實(shí)現(xiàn)的；而按鍵脈沖復(fù)

28、位則是利用RC微分電路產(chǎn)生的正脈沖來實(shí)現(xiàn)的。由于電平復(fù)位電路簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)且能滿足系統(tǒng)工作要求，本次設(shè)計(jì)采用按鍵電平復(fù)位電路。單片機(jī)的P0口用于LCD數(shù)據(jù)的輸出；P1.0,P1.1口為控制磁場(chǎng)采集模塊的SCL（IIC時(shí)鐘）、SDA（IIC數(shù)據(jù)）的控制信號(hào)；P2.0、P2.1、P2.2口作為L(zhǎng)CD顯示屏的讀寫使能控制；P3口以及其余擱置，用于補(bǔ)充設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能拓展。3.2.3信號(hào)采集模塊磁場(chǎng)感應(yīng)模塊，根據(jù)查閱書籍與網(wǎng)絡(luò)，目前應(yīng)用最為廣泛的有KMZ52以及HMC5833L兩款磁感。根據(jù)對(duì)兩款模塊的學(xué)習(xí)，發(fā)現(xiàn)KMZ52實(shí)際應(yīng)用外圍應(yīng)用電路比較復(fù)雜，不利于本次設(shè)計(jì)目的，故放棄。信號(hào)采集模塊采用HMC58

29、83（三軸數(shù)字羅盤），能夠?yàn)檎麄€(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)節(jié)省體積，有效提高系統(tǒng)的便攜性8?；裟犴f爾HMC5883L是一種表面貼裝的高集成模塊，并帶有數(shù)字接口的弱磁場(chǎng)傳感器芯片，應(yīng)用于低成本羅盤和磁場(chǎng)檢測(cè)領(lǐng)域。HMC5883L包括最先進(jìn)的高分辨率HMC118X系列磁阻傳感器，并附帶霍尼韋爾專利的集成電路包括放大器、自動(dòng)消磁驅(qū)動(dòng)器、偏差校準(zhǔn)、能使羅盤精度控制在1°2°的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)易的IIC系列總線接口9。其內(nèi)部原理如下：圖3.10 STC89C52電路原理圖通過三個(gè)磁阻（AMR）分別測(cè)得環(huán)境磁場(chǎng)X、Y、Z軸數(shù)據(jù)后，經(jīng)過多路復(fù)用器（MUX）及模擬信號(hào)處理（ANALOG模塊）進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換

30、，最后將數(shù)據(jù)較由CONTROL模塊結(jié)合OFF SET（補(bǔ)償電路）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并最后使用IIC協(xié)議輸出測(cè)量數(shù)據(jù)9。HMC5883L采用霍尼韋爾各向異性磁阻（AMR）技術(shù)，具有在軸向高靈敏度的線性高精度的特點(diǎn)。傳感器帶有的對(duì)于正交軸低敏感行得固相結(jié)構(gòu)能用于測(cè)量地球磁場(chǎng)的方向和大小，起測(cè)量范圍從毫高斯到8高斯。帶有16引腳，功能和特性均合適用于本次設(shè)計(jì)并有利于設(shè)計(jì)目的的達(dá)成。其引腳圖及功能如下表3.2。表3.2 HMC5883L引腳功能圖3.10 HMC5883L引腳圖及實(shí)物圖 信號(hào)采集模塊HMC5883的電路電路圖如圖3.11所示。R1、R2為IIC總線上拉電阻，DRDY為數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好中斷，可接控制

31、器中斷輸入口。電容C3、C4加上傳感器片上ASIC電路中得H-電橋驅(qū)動(dòng)電路可以產(chǎn)生電流脈沖，使偏上的置位/復(fù)位電流帶產(chǎn)生磁場(chǎng)給傳感器去磁和極性翻轉(zhuǎn)。圖3.11 信號(hào)采集模塊HMC5883電路圖3.2.4 LCD顯示模塊LCD 液晶顯示器是Liquid Crystal Display 的簡(jiǎn)稱。本次設(shè)計(jì)是用1602LCD，16*2，即可以顯示兩行，每行16個(gè)字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。該LCD體積小、工作電壓低，非常適合于電池供電的便攜式設(shè)備。1602液晶也叫1602字符型液晶它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊它有若干個(gè)5X7或者5X11等點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可

32、以顯示一個(gè)字符。每位之間有一個(gè)點(diǎn)距的間隔每行之間也有間隔起到了字符間距和行間距的作用，正因?yàn)槿绱怂运荒茱@示圖形。目前市面上字符液晶絕大多數(shù)是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780寫的控制程序可以很方便地應(yīng)用于市面上大部分的字符型液晶10。其引腳功能如下表3.3：表3.3 LCD1602引腳功能引腳名稱描述1VSS為電源地2VDD接5V電源正極3V0液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端4RS寄存器選擇，高電平選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平選擇指令寄存器5RW為讀寫信號(hào)線，高電平進(jìn)行讀操作，低電平進(jìn)行寫操作 6E(或EN)使能(enable)端714D0D78位雙向數(shù)據(jù)端15A腳

33、背光正極16K腳背光負(fù)極圖3.12 LCD1602實(shí)物圖（引腳由左至右為1-16）RS為寄存器選擇，高電平1時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時(shí)選擇指令寄存器，與P2.0對(duì)接。 RW為讀寫信號(hào)線，高電平(1)時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平(0)時(shí)進(jìn)行寫操作，與P2.1對(duì)接。E(或EN)端為使能(enable)端，與P2.2對(duì)接。V0為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地電源時(shí)對(duì)比度最高（通過一個(gè)10K的電位器調(diào)整對(duì)比度）。 D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)端，與P0口對(duì)接。圖3.13 LCD顯示模塊電路3.2.5 越境提示模塊本設(shè)計(jì)預(yù)留I/O口較多，可用于不同功能的設(shè)計(jì)，如，GPS全球定位、前進(jìn)方向鎖定等。

34、本設(shè)計(jì)加入前進(jìn)方向鎖定功能（越境提示），其用途在于戶外實(shí)用指南針時(shí)，能夠定位鎖定前進(jìn)方向，對(duì)當(dāng)下前進(jìn)方向與設(shè)定方向進(jìn)行比較，出現(xiàn)一定偏差（本系統(tǒng)采用±10°）時(shí)，通過蜂鳴器及顯示屏提醒。該功能模塊主要由兩大部分組成：一、按鍵輸入，共計(jì)2個(gè)按鍵，分別作為模式轉(zhuǎn)換按鈕及方向設(shè)置按鈕。二、蜂鳴器輸出，用于提示前進(jìn)方向超過設(shè)定范圍。本模塊主要使用元件為蜂鳴器。蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、報(bào)警器、電子玩具、汽車電子設(shè)備、電話機(jī)、定時(shí)器等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。圖3.14 蜂鳴器（右端為正、左端為負(fù)）蜂鳴器的驅(qū)動(dòng)需要較大的電流，

35、本系統(tǒng)使用的51單片機(jī)STC89C52的I/O口高電平時(shí)，電流不足驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，故需要用到三極管進(jìn)行信號(hào)放大，進(jìn)而正常驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。其設(shè)計(jì)電路如下圖3.15。圖3.15 功能拓展模塊電路3.3系統(tǒng)總電路第四章 電子指南針系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)主程序根據(jù)硬件設(shè)計(jì)要求，控制主程序流程如圖4.1所示。系統(tǒng)開始運(yùn)作后，單片機(jī)上電進(jìn)行程序的初始化操作，對(duì)輸入設(shè)備（HMC5883L）及輸出設(shè)備（LCD1602）進(jìn)行數(shù)據(jù)初始化。初始化完成后，啟動(dòng)磁場(chǎng)檢測(cè)模塊，并開始讀取數(shù)據(jù)，通過主芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，計(jì)算出當(dāng)前方位的角度并發(fā)送角度到LCD1602顯示，然后判別工作模式，分別對(duì)不同工作模式，執(zhí)行對(duì)應(yīng)動(dòng)作。模式一，計(jì)

36、算后輸出身處方位方向；模式二，實(shí)時(shí)讀取身處角度與設(shè)定范圍的是否出現(xiàn)偏差，并發(fā)送警告信號(hào)。最后實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)“指南針”的功能。開始初始化發(fā)送讀取信號(hào)角度換算發(fā)送顯示信號(hào)判別模式設(shè)置前進(jìn)角度計(jì)算角度范圍發(fā)送警號(hào)變量發(fā)送顯示信號(hào)讀取角度數(shù)據(jù)計(jì)算角度方位發(fā)送顯示信號(hào)模式二模式一圖4.1 主程序流程圖4.2信號(hào)采集程序信號(hào)采集模塊由HMC5883L負(fù)責(zé)，模塊通過初始化后，進(jìn)入待命狀態(tài)，當(dāng)獲取讀取信號(hào)后，調(diào)用HMC5883_SendByte(SlaveAddress)（發(fā)送設(shè)備地址+寫信號(hào)）以及HMC5883_SendByte(0x03)（發(fā)送存儲(chǔ)單元地址，從0x32開始）兩個(gè)函數(shù)，開始對(duì)磁阻所采集的信號(hào)對(duì)應(yīng)

37、的地址進(jìn)行采集并存儲(chǔ)到BUF上，進(jìn)而發(fā)送到主控芯片上。具體流程及核心程序如下： HMC5883_SendByte(SlaveAddress); /發(fā)送設(shè)備地址+寫信號(hào) HMC5883_SendByte(0x03); /發(fā)送存儲(chǔ)單元地址，從0x32開始HMC5883_Start(); /起始信號(hào) HMC5883_SendByte(SlaveAddress+1); /發(fā)送設(shè)備地址+讀信號(hào) for (i=0; i<6; i+) /連續(xù)讀取6個(gè)地址數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)中BUF BUFi = HMC5883_RecvByte(); /BUF0存儲(chǔ)0x32地址中的數(shù)據(jù) if (i = 5) HMC5883_S

38、endACK(1); /最后一個(gè)數(shù)據(jù)需要回NOACK else HMC5883_SendACK(0); /回應(yīng)ACK HMC5883_Stop(); /停止信號(hào)等待讀取信號(hào)發(fā)送地址與讀信號(hào)存儲(chǔ)地址數(shù)據(jù)至BUF開始初始化讀取地址數(shù)據(jù)圖4.2 信號(hào)采集流程圖4.3信號(hào)顯示程序信號(hào)顯示程序由LCD1602負(fù)責(zé)，模塊通過初始化后，進(jìn)入待命狀態(tài)，當(dāng)獲取顯示信號(hào)后，根據(jù)內(nèi)設(shè)驅(qū)動(dòng)程序開始對(duì)主控芯片所發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行判別，進(jìn)而顯示我們需要的數(shù)據(jù)到屏幕上。顯示屏驅(qū)動(dòng)及核心程序，如下：void WriteCommandLCM(uchar CMD,uchar Attribc)if(Attribc) WaitForEn

39、able();LCM_RS=0;LCM_RW=0;_nop_();DataPort=CMD;_nop_();LCM_EN=1;_nop_();_nop_();LCM_EN=0;void WriteDataLCM(uchar dataW)WaitForEnable();LCM_RS=1;LCM_RW=0;_nop_();DataPort=dataW;_nop_();LCM_EN=1;_nop_();_nop_();LCM_EN=0;void DisplayOneChar(uchar X,uchar Y,uchar DData)Y&=1;X&=15;if(Y)X|=0x40;X|=

40、0x80;WriteCommandLCM(X,0);WriteDataLCM(DData);開始初始化等待顯示信號(hào)辨別顯示命令顯示數(shù)據(jù)圖4.3 數(shù)據(jù)顯示流程圖4.4越境提示程序越境提示模塊，主要用于判別前進(jìn)方向是否在設(shè)定范圍之內(nèi)。本功能的運(yùn)作，設(shè)計(jì)3個(gè)變量，2個(gè)控制量（工作模式選取及設(shè)置前進(jìn)范圍），1個(gè)輸出量（蜂鳴器驅(qū)動(dòng)信號(hào)）。該功能主要由主控芯片完成。系統(tǒng)在獲取設(shè)定值后，將在LCD1602上顯示，并將對(duì)目前身處角度與設(shè)定值對(duì)比，當(dāng)超出設(shè)定值±10°時(shí)，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，作出警告，并在屏幕右下方提示！。開始初始化等待工作信號(hào)設(shè)置判斷角度發(fā)送顯示信號(hào)是否超范圍警告變量置低驅(qū)動(dòng)蜂鳴電

41、路發(fā)送顯示信號(hào)警告變量置高發(fā)送顯示信號(hào)是否圖4.3 功能拓展（前進(jìn)方向鎖定）流程圖第五章 數(shù)據(jù)測(cè)試與結(jié)果分析本設(shè)計(jì)為測(cè)量方位工具，為驗(yàn)證本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的測(cè)量精度，在設(shè)計(jì)調(diào)試完成后，對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)行了精度測(cè)試。具體方法為：使用另一指南針測(cè)得角度作為參照值。記錄如下數(shù)據(jù)：表5.1 測(cè)量數(shù)據(jù)表測(cè)量角度參照角度誤差測(cè)量角度參照角度誤差0.400.4179.9180-0.130.2300.2210.12100.160.7600.7240.72400.790.8900.8270.62700.6119.2120-0.8300.33000.3150.51500.5330.83300.8通過以上數(shù)據(jù)記錄，我們可以獲得，

42、本設(shè)計(jì)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)用中，仍會(huì)出現(xiàn)測(cè)量角度誤差，但是誤差數(shù)據(jù)明顯較小，計(jì)算得：平均誤差為0.5，最大誤差為0.8，故本系統(tǒng)測(cè)量精度在1°內(nèi)。誤差的存在主要因?yàn)楸鞠到y(tǒng)設(shè)計(jì)中未能成功設(shè)計(jì)抗干擾功能，系統(tǒng)工作中，因?yàn)榇抛柚苓叺钠骷诠ぷ鬟^程中難免產(chǎn)生一些磁場(chǎng)干擾，而誤差主要就是由此產(chǎn)生的。第六章 總結(jié)本課題采用STC89C52單片機(jī)對(duì)電子指南針的設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行整體統(tǒng)籌，基于電子指南針的實(shí)際應(yīng)用，本系統(tǒng)并不存在過多的控制功能以及人機(jī)對(duì)話功能，本系統(tǒng)順利完成測(cè)量角度功能，在使用者正面北方時(shí)，系統(tǒng)角度顯示為0并能夠本顯示身處方位，如0度對(duì)應(yīng)“north”，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的特點(diǎn)有：1. 整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔,

43、模塊精簡(jiǎn)，本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)不考慮電源系統(tǒng)的情況下，使用的模塊僅有3塊，HMC5883L的磁場(chǎng)信號(hào)采集、STC89C52的數(shù)據(jù)處理、LCD1602的信息顯示。這使得電子指南針能在戶外使用，達(dá)到本次設(shè)計(jì)目的的要求。2. 功能完善，測(cè)量準(zhǔn)確度高，本次系統(tǒng)所采用的磁阻為HMC118X系列磁阻傳感器，具有較高水平的測(cè)量精度并自帶有自動(dòng)消磁、偏差校準(zhǔn)等功能，提高精確度的同時(shí)，也大幅度減少設(shè)計(jì)系統(tǒng)的外圍電路與整體體積。3. 系統(tǒng)開放性強(qiáng)，信號(hào)采集模塊因使用IIC協(xié)議的緣故，只使用STC89C52的2個(gè)I/O口與顯示系統(tǒng)7個(gè)數(shù)據(jù)I/O與3個(gè)功能I/O，使得系統(tǒng)有較充足的I/O用于功能的拓展，使用者可根據(jù)自身使用需要加入功能（如，GPS，時(shí)間顯示等）。4. 功能拓展實(shí)用性強(qiáng)，本系統(tǒng)所拓展的功能為前進(jìn)方向鎖定功能。能夠?yàn)槭褂谜呤褂脮r(shí)，提供大大的便捷性，減少舊時(shí)指南針在使用時(shí)，不能兼顧前進(jìn)