最新電子指南針設計

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

2、（包括做調(diào)研的背景，研究條件、應用環(huán)境等）作為我國四大發(fā)明之一的指南針，古稱“司南”。它代表著我國勞動人民在長期生活實踐中對物體磁性認識的結果，更象征著我國勞動人民的智慧。由于生產(chǎn)勞動，人們發(fā)現(xiàn)了磁礦石，并開始了對磁性質(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)過多方的實驗和研究，終于發(fā)明了可以實用的指南針1。指南針作為四大發(fā)明之一，無疑讓我們國人引以為傲，但隨社會的發(fā)展與進步，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，

3、否則會因轉動摩擦阻力過大，而難于旋轉，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，使得司南長期未得到廣泛應用。到近代，因工藝技術的發(fā)展，指南針體積逐漸減小，使得指南針的應用范圍更是越來越廣，軍事、生產(chǎn)、日常生活、地形測量等方面，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1關增建，指南針理論在中國歷史上的演變，自然科學史研究，, 24(2)，10-15，20052郭艷萍，電氣控制與PLC應用，人民郵電出版社，2010。3魏偉，胡瑋，王永清，51單片機C語言開發(fā)與應用技術，化學工業(yè)出版社，2010。4管志寧，地磁場

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的單片機的電子羅盤設計J，信息與電子工程，8(1)，12-14，2010。6江世明，基于Prouteus的單片機應用技術，電子工業(yè)出版社，2009。7蘭吉昌，51單片機應用設計百例，化學工業(yè)出版社，2009。8胡修林，楊奇，用磁場傳感器KMZ52設計的電子指南針，國外電子元器件，8(3)，44-46，2004。9 胡寧博，李劍，趙櫸云，基于HMC5883L的電子羅盤設計，傳感器世界，11(6)，35-38，2011。10余華芳，劉健，單片機與液晶顯示模塊的軟硬件接口技術，液晶與顯示，4(2)，125-129，2003。 指導

5、教師 何健 2016年 5 月 20 日指導教師評語 論文選題符合專業(yè)培養(yǎng)目標畢業(yè)論文，能夠達到綜合訓練目標，題目有難度，工作量較大。選題具有學術參考價值。 該生查閱文獻資料能力較強，能較為全面收集關于考試系統(tǒng)的資料，寫作過程中能綜合運用考試系統(tǒng)知識，全面分析考試系統(tǒng)問題，綜合運用知識能力較強。文章篇幅完全符合學院規(guī)定，內(nèi)容較為完整，層次結構安排科學，主要觀點突出，邏輯關系清楚，但缺乏個人見解。文題相符，論點突出，論述緊扣主題。 語言表達流暢，格式完全符合規(guī)范要求；參考了較為豐富的文獻資料，其時效性較強。建議成績：優(yōu) 良 中 及格 不及格 指導教師簽字 年 月 日最終評定成績：、優(yōu) 良 中 及

6、格 不及格院長簽章 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)的指南針所采用的是磁化指針和方位盤的組合方式，整個指南針系統(tǒng)從現(xiàn)實使用的角度上看，在指示靈敏度、便攜性上都存在著一定的不足。而本次的設計采用專用的磁場傳感器結合高速微控制器（MCU）的電子指南針能有效解決這些問題。本文所設計的系統(tǒng)，通過采用磁阻（GMR）傳感器采集某一方向磁場強度后，傳送至MCU控制器對其數(shù)據(jù)進行處理并判斷對應角度的結果，最后通過LCD顯示屏顯示出來。該系統(tǒng)通過實際測試，指南針模塊精度達到1°，能夠在LCD上顯示當前方位角度。關鍵詞: 電子指南針；單片機；磁場傳感器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設計內(nèi)容2第二章 電子指南針總體方案的設計32.1電子指南針的系統(tǒng)總體結構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3第三章 電子指南針的系統(tǒng)硬件設計53.1系統(tǒng)設計原理53.2模塊電路設計53.2.1電源設計53.2.2主控芯片電路設計73.2.3信號采集模塊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)軟件設計154.1系統(tǒng)主程序154.2信號采集程序164.3信號顯示程序174.4越境提示程序18第五章 數(shù)據(jù)測試與結果分析19第六章 總結20參考文獻22第一章 緒論1.1課題背景作為我國四大發(fā)明之一的指南針，古稱“司南”。它代表著我國勞動人民在長期生活實踐中對物體磁性認識的結果，更象征著我國勞動人民的智慧。由于生產(chǎn)勞動，人們發(fā)現(xiàn)了磁礦石，并開始了對磁性質(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)過多方的實驗和研究，終于發(fā)明了可以實用的指南針1。追溯指南針的始祖，它大約出現(xiàn)在戰(zhàn)國時期。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“地盤”，它是銅質(zhì)或涂漆木制盤，中央是平滑圓槽。當它靜止的時候，勺柄就會指向南方，故古人稱它為“司南”。司南，整個系統(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，無疑讓我們國人引以為傲，但隨社會的發(fā)展與進步，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，而難于旋轉，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、得司南長期未得到廣泛應用。到近代，因工藝技術的發(fā)展，指南針體積逐漸減小，使得指南針的應用范圍更是越來越廣，軍事、生產(chǎn)、日常生活、地形測量等方面，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指南針原理認識的不斷深入，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。但其基本構造是沒有改變的，都是屬于機械的指針式，其指示的機械結構基本上沒有改變，都是利用某種支撐使得磁針能夠受到地磁場的影響而自由的旋轉。由于機械的先天因素導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。由于國內(nèi)外電子技術的飛速發(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現(xiàn)機理有了質(zhì)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。電子指南針將替代舊的針式指南針或羅盤指南針，因為電子指南針全采用固態(tài)的元件，還可以簡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處理實現(xiàn)的。由于單片機具有體積小，控制功能靈活，造價低等優(yōu)點，因此，迎合當今時代對指南針的迫切應用需求，設計出基于單片機的電子指南針系統(tǒng)就具有很強的實用性。1.3課題的意義本次畢業(yè)設計選擇“基于單片機的電子指南針的設計”是為了更好地學習和研究51系列單片機電路系統(tǒng)設計

15、的相關知識，掌握基本應用電路設計的方法和技巧。如今,電子指南針已經(jīng)受到普及運用，其功能也越來越多。而本設計針對電子指南針的各個功能部件對電子指南針的關鍵部分做了詳細的研究。電子指南針系統(tǒng)是一個典型的單片機系統(tǒng)，了解其工作原理及其信號處理流程有利于研究更加復雜的嵌入式系統(tǒng)，特別是系統(tǒng)中來自國外的磁傳感器及其信號的采集芯片更是有利于研究磁場傳感器的實現(xiàn)機理，以便將此技術應用于其他領域。同時為能將課堂與書本中學習到的理論知識運用到實踐中，設計出以系統(tǒng)簡潔為目標的電子指南針系統(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；學會獨立設計電路，積累更多的設計經(jīng)驗

16、，并加強訓練焊接的能力和技巧，同時在實踐過程中鍛煉查閱、歸納和整理各種參考資料的能力，提高理論聯(lián)系實際的能力。通過親自設計課題來訓練我們大學生應用所學專業(yè)知識解決實際工程和實踐問題的技能，鞏固所學專業(yè)知識，拓寬知識面；激發(fā)我們大學生的創(chuàng)新意識，培養(yǎng)大學生實踐動手能力和綜合科研開發(fā)能力。1.4設計內(nèi)容本文設計是“基于單片機的電子指南針的設計”，系統(tǒng)以STC89C52單片機為控制核心，操縱磁場傳感器檢測所處環(huán)境的磁場。系統(tǒng)核心技術是由單片機通過HMC5883磁場傳感器（3軸羅盤）檢測環(huán)境中得磁場強度的數(shù)據(jù)對身處磁場進行判斷，與程序設定的數(shù)據(jù)進行角度換算，通過磁場變化來測量所處方向的偏差，實現(xiàn)對指南

17、針的判別方向功能，達到簡化電子指南針系統(tǒng)的目的。第二章 電子指南針總體方案的設計2.1電子指南針的系統(tǒng)總體結構本系統(tǒng)為電子指南針的控制設計。電子指南針系統(tǒng)由主控制器、按鍵、磁場傳感器、方位顯示等幾大模塊組成，由程序控制實現(xiàn)方位測量的磁場感應與角度換算。系統(tǒng)組成結構如圖2.1所示。BACKMCULCD顯示屏開關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)實現(xiàn)了對身處方位的方向的測量。系統(tǒng)可分為四個模塊：電源模塊、主控芯片模塊、信號采集模塊、數(shù)據(jù)輸出模塊。整個系統(tǒng)中前端的磁阻傳感器負責測量地磁場的大小并將磁場的變化轉化為微弱的電流的變化，專用的磁場測量芯片負責把磁阻傳感器變化的電流

18、（模擬量）轉換成微控制器可以識別的數(shù)字量然后通過芯片內(nèi)部的I2C總線上傳給微控制器。微控制器將表征當前磁場大小的數(shù)字量按照方位進行歸一化等處理后通過直觀的LCD進行方位顯示5。整個系統(tǒng)中只使用小部分I/O口，預留了部分I/O接口，使整個系統(tǒng)功能得到進一步的擴展（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計工作只是確定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)應用而設計的。它采用可編程序的存儲器，用來在其

19、內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術等操作指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程2。但其造價昂貴，大批量生產(chǎn)費用很高，不適用于本設計電子指南針。故不選用此方案。2.2.2 方案二：51系列單片機51系列單片機的優(yōu)點之一是它從內(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，它能進行位操作。它不僅能對片內(nèi)某些特殊功能寄存器的某位進行處理，如傳送、置位、清零、測試等，還能進行位的邏輯運算，其功能十分完備，使用起來得心應手。雖然其他種類的單片機也具有位處理功能，但能進行位邏輯運算的實屬少見。51系列在片內(nèi)RAM區(qū)間還特別開辟了一個雙重功能的

20、地址區(qū)間，十六個字節(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，因為一個較復雜的程序在運行過程中會遇到很多分支，因而需建立很多標志位，在運行過程中，需要對有關的標志位進行置位、清零或檢測，以確定程序的運行方向。而實施這一處理，只需用一條位操作指令即可。51系列的I/O腳的設置和使用也非常簡單，當引腳為低電平時，吸入電流可達20mA，具有一定的驅動能力。本次設計的電子指南針，出于實用角度，設計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，以便能夠在運用過程中實現(xiàn)便攜性。51系列單片機具有體積小、編程靈活、外設多樣、易于擴展

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

22、與真北模擬圖北半球中地球磁場向下指向北方，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，地球磁場的方向始終指向磁北。而我們要應用的，正是這磁場中平行于地球表面的分量4。在本設計的信號采集中，我們關鍵完成兩個步驟：1）確定地球磁場的水平分量；2）糾正磁偏角。在本設計中，我們采用磁阻傳感器來完成設計系統(tǒng)。磁羅盤通過測量地磁場水平方向分量確定磁北極方向并推算出其他方向。當羅盤水平放置時，傳感器坐標系的X、Y軸在水平面內(nèi)，X軸為前進方向，Y軸垂直于X軸向右，Z軸沿重力方向向下，從磁北方向順時針到X軸的夾角即為方位角。地球磁場分量見下圖3.2。圖3.2 X、Y、Z坐標中的地球磁場分量

23、3.2模塊電路設計3.2.1電源設計方案一：電源模塊是為整個電路系統(tǒng)提供能源和動力的重要保證。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4007二極管整流橋對正弦波進行全波整流。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)整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜6。該系列集成穩(wěn)壓IC型號中的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9V。而本設計所使用的7805即輸出電壓為正5V。圖3.5 7805引腳圖本機電源采用輸出+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動電源。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。驅動單相交流電機的電源是從220V電源線引入控制電機的電磁繼電器結點，以實現(xiàn)電機動作的控制。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：鑒于本設計電子指南針主要應用于戶外，故補充設計攜帶性較強的電源系統(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：本設計系統(tǒng)基于實際實用考慮，電子指南針工作不為24小時，故加入電源控制系統(tǒng)，使用開關串聯(lián)在5V電壓輸入與系統(tǒng)VCC線路中，在開關閉合時，系統(tǒng)正常工作并有發(fā)光二極管LED點亮提示。圖3.7 電源控制電路3.2.2主控芯片電路設計本設計使用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器的低電壓，高性能COMOS8的微處理器，俗稱單片機。該器件采用ATMEL搞密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。ST

26、C89C52單片機有4組8位的可編程I/O口，分別位P0、P1、P2、P3口，每個口為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可反復擦寫Flash ROM32個雙向I/O口256x8bit內(nèi)部RAM3個16位可編程定時/計數(shù)器中斷時鐘頻率0-24MHz2個串行中斷可編程UART串行通道2個外部中斷源共6個中斷源2個讀寫中斷口線3級加密位低功耗空閑和掉電模式軟件設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，時鐘晶振使用1

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

28、位則是利用RC微分電路產(chǎn)生的正脈沖來實現(xiàn)的。由于電平復位電路簡單易于實現(xiàn)且能滿足系統(tǒng)工作要求，本次設計采用按鍵電平復位電路。單片機的P0口用于LCD數(shù)據(jù)的輸出；P1.0,P1.1口為控制磁場采集模塊的SCL（IIC時鐘）、SDA（IIC數(shù)據(jù)）的控制信號；P2.0、P2.1、P2.2口作為LCD顯示屏的讀寫使能控制；P3口以及其余擱置，用于補充設計系統(tǒng)的功能拓展。3.2.3信號采集模塊磁場感應模塊，根據(jù)查閱書籍與網(wǎng)絡，目前應用最為廣泛的有KMZ52以及HMC5833L兩款磁感。根據(jù)對兩款模塊的學習，發(fā)現(xiàn)KMZ52實際應用外圍應用電路比較復雜，不利于本次設計目的，故放棄。信號采集模塊采用HMC58

29、83（三軸數(shù)字羅盤），能夠為整個設計系統(tǒng)節(jié)省體積，有效提高系統(tǒng)的便攜性8。霍尼韋爾HMC5883L是一種表面貼裝的高集成模塊，并帶有數(shù)字接口的弱磁場傳感器芯片，應用于低成本羅盤和磁場檢測領域。HMC5883L包括最先進的高分辨率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、自動消磁驅動器、偏差校準、能使羅盤精度控制在1°2°的12位模數(shù)轉換器，簡易的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磁阻（AMR）分別測得環(huán)境磁場X、Y、Z軸數(shù)據(jù)后，經(jīng)過多路復用器（MUX）及模擬信號處理（ANALOG模塊）進行AD轉換

30、，最后將數(shù)據(jù)較由CONTROL模塊結合OFF SET（補償電路）進行數(shù)據(jù)處理并最后使用IIC協(xié)議輸出測量數(shù)據(jù)9。HMC5883L采用霍尼韋爾各向異性磁阻（AMR）技術，具有在軸向高靈敏度的線性高精度的特點。傳感器帶有的對于正交軸低敏感行得固相結構能用于測量地球磁場的方向和大小，起測量范圍從毫高斯到8高斯。帶有16引腳，功能和特性均合適用于本次設計并有利于設計目的的達成。其引腳圖及功能如下表3.2。表3.2 HMC5883L引腳功能圖3.10 HMC5883L引腳圖及實物圖 信號采集模塊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-電橋驅動電路可以產(chǎn)生電流脈沖，使偏上的置位/復位電流帶產(chǎn)生磁場給傳感器去磁和極性翻轉。圖3.11 信號采集模塊HMC5883電路圖3.2.4 LCD顯示模塊LCD 液晶顯示器是Liquid Crystal Display 的簡稱。本次設計是用1602LCD，16*2，即可以顯示兩行，每行16個字符液晶模塊（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、符號等的點陣型液晶模塊它有若干個5X7或者5X11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可

32、以顯示一個字符。每位之間有一個點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，正因為如此所以他不能顯示圖形。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為讀寫信號線，高電平進行讀操作，低電平進行寫操作 6E(或EN)使能(enable)端714D0D78位雙向數(shù)據(jù)端15A腳

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

34、本設計加入前進方向鎖定功能（越境提示），其用途在于戶外實用指南針時，能夠定位鎖定前進方向，對當下前進方向與設定方向進行比較，出現(xiàn)一定偏差（本系統(tǒng)采用±10°）時，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2個按鍵，分別作為模式轉換按鈕及方向設置按鈕。二、蜂鳴器輸出，用于提示前進方向超過設定范圍。本模塊主要使用元件為蜂鳴器。蜂鳴器是一種一體化結構的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應用于計算機、打印機、復印機、報警器、電子玩具、汽車電子設備、電話機、定時器等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。圖3.14 蜂鳴器（右端為正、左端為負）蜂鳴器的驅動需要較大的電流，

35、本系統(tǒng)使用的51單片機STC89C52的I/O口高電平時，電流不足驅動蜂鳴器，故需要用到三極管進行信號放大，進而正常驅動蜂鳴器。其設計電路如下圖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)軟件設計4.1系統(tǒng)主程序根據(jù)硬件設計要求，控制主程序流程如圖4.1所示。系統(tǒng)開始運作后，單片機上電進行程序的初始化操作，對輸入設備（HMC5883L）及輸出設備（LCD1602）進行數(shù)據(jù)初始化。初始化完成后，啟動磁場檢測模塊，并開始讀取數(shù)據(jù)，通過主芯片進行數(shù)據(jù)計算，計算出當前方位的角度并發(fā)送角度到LCD1602顯示，然后判別工作模式，分別對不同工作模式，執(zhí)行對應動作。模式一，計

36、算后輸出身處方位方向；模式二，實時讀取身處角度與設定范圍的是否出現(xiàn)偏差，并發(fā)送警告信號。最后實現(xiàn)本系統(tǒng)“指南針”的功能。開始初始化發(fā)送讀取信號角度換算發(fā)送顯示信號判別模式設置前進角度計算角度范圍發(fā)送警號變量發(fā)送顯示信號讀取角度數(shù)據(jù)計算角度方位發(fā)送顯示信號模式二模式一圖4.1 主程序流程圖4.2信號采集程序信號采集模塊由HMC5883L負責，模塊通過初始化后，進入待命狀態(tài)，當獲取讀取信號后，調(diào)用HMC5883_SendByte(SlaveAddress)（發(fā)送設備地址+寫信號）以及HMC5883_SendByte(0x03)（發(fā)送存儲單元地址，從0x32開始）兩個函數(shù)，開始對磁阻所采集的信號對應

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

38、endACK(1); /最后一個數(shù)據(jù)需要回NOACK else HMC5883_SendACK(0); /回應ACK HMC5883_Stop(); /停止信號等待讀取信號發(fā)送地址與讀信號存儲地址數(shù)據(jù)至BUF開始初始化讀取地址數(shù)據(jù)圖4.2 信號采集流程圖4.3信號顯示程序信號顯示程序由LCD1602負責，模塊通過初始化后，進入待命狀態(tài)，當獲取顯示信號后，根據(jù)內(nèi)設驅動程序開始對主控芯片所發(fā)送的數(shù)據(jù)進行判別，進而顯示我們需要的數(shù)據(jù)到屏幕上。顯示屏驅動及核心程序，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，主要用于判別前進方向是否在設定范圍之內(nèi)。本功能的運作，設計3個變量，2個控制量（工作模式選取及設置前進范圍），1個輸出量（蜂鳴器驅動信號）。該功能主要由主控芯片完成。系統(tǒng)在獲取設定值后，將在LCD1602上顯示，并將對目前身處角度與設定值對比，當超出設定值±10°時，驅動蜂鳴器，作出警告，并在屏幕右下方提示！。開始初始化等待工作信號設置判斷角度發(fā)送顯示信號是否超范圍警告變量置低驅動蜂鳴電

41、路發(fā)送顯示信號警告變量置高發(fā)送顯示信號是否圖4.3 功能拓展（前進方向鎖定）流程圖第五章 數(shù)據(jù)測試與結果分析本設計為測量方位工具，為驗證本設計系統(tǒng)的測量精度，在設計調(diào)試完成后，對本設計進行了精度測試。具體方法為：使用另一指南針測得角度作為參照值。記錄如下數(shù)據(jù)：表5.1 測量數(shù)據(jù)表測量角度參照角度誤差測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、本設計系統(tǒng)在實際運用中，仍會出現(xiàn)測量角度誤差，但是誤差數(shù)據(jù)明顯較小，計算得：平均誤差為0.5，最大誤差為0.8，故本系統(tǒng)測量精度在1°內(nèi)。誤差的存在主要因為本系統(tǒng)設計中未能成功設計抗干擾功能，系統(tǒng)工作中，因為磁阻周邊的器件在工作過程中難免產(chǎn)生一些磁場干擾，而誤差主要就是由此產(chǎn)生的。第六章 總結本課題采用STC89C52單片機對電子指南針的設計系統(tǒng)進行整體統(tǒng)籌，基于電子指南針的實際應用，本系統(tǒng)并不存在過多的控制功能以及人機對話功能，本系統(tǒng)順利完成測量角度功能，在使用者正面北方時，系統(tǒng)角度顯示為0并能夠本顯示身處方位，如0度對應“north”，本設計系統(tǒng)的特點有：1. 整體系統(tǒng)結構簡潔,

43、模塊精簡，本次系統(tǒng)設計不考慮電源系統(tǒng)的情況下，使用的模塊僅有3塊，HMC5883L的磁場信號采集、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，達到本次設計目的的要求。2. 功能完善，測量準確度高，本次系統(tǒng)所采用的磁阻為HMC118X系列磁阻傳感器，具有較高水平的測量精度并自帶有自動消磁、偏差校準等功能，提高精確度的同時，也大幅度減少設計系統(tǒng)的外圍電路與整體體積。3. 系統(tǒng)開放性強，信號采集模塊因使用IIC協(xié)議的緣故，只使用STC89C52的2個I/O口與顯示系統(tǒng)7個數(shù)據(jù)I/O與3個功能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，時間顯示等）。4. 功能拓展實用性強，本系統(tǒng)所拓展的功能為前進方向鎖定功能。能夠為使用者使用時，提供大大的便捷性，減少舊時指南針在使用時，不能兼顧前進