電子指南針的設(shè)計(jì)與制作

湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)

目錄

1項(xiàng)目簡介.......................................................................................................................1

2電子指南針導(dǎo)航原理...................................................................................................2

2.1電子指南針原理................................................................................................2

2.2誤差校正方法....................................................................................................2

3電子指南針的結(jié)構(gòu).......................................................................................................4

3.1傳感器方案選擇................................................................................................4

3.2單片機(jī)方案選擇................................................................................................4

3.3總體方案框圖....................................................................................................6

4硬件電路設(shè)計(jì)...............................................................................................................7

4.1HMC5889l傳感器模塊.....................................................................................7

4.2LCD1602液晶屏模塊.......................................................................................9

5軟件設(shè)計(jì).....................................................................................................................13

5.1HMC5883L與單片機(jī)通信軟件設(shè)計(jì)..............................................................13

5.2LCD1602人機(jī)界面軟件設(shè)計(jì).........................................................................14

5.3系統(tǒng)總軟件設(shè)計(jì)..............................................................................................14

6系統(tǒng)調(diào)試.....................................................................................................................15

7設(shè)計(jì)小結(jié).....................................................................................................................16

附錄1元件清單............................................................................................................17

附錄2實(shí)物圖................................................................................................................17

附錄3原理圖................................................................................................................18

附錄4PCB圖.................................................................................................................19

附錄5程序代碼............................................................................................................20

參考資料.........................................................................................................................30

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電子指南針的設(shè)計(jì)與制作

1項(xiàng)目簡介

指南針，古代叫司南，主要組成部分是一根裝在軸上的磁針，磁針在天然

地磁場的作用下可以自由轉(zhuǎn)動并保持在磁子午線的切線方向上，磁針的北極指

向地理的南極，利用這一性能可以辨別方向。

常用于航海、大地測量、旅行及軍事等方面。物理上指示方向的指南針的

發(fā)明有三類部件，分別是司南、羅盤和磁針，均屬于中國的發(fā)明。據(jù)《古礦錄》

記載最早出現(xiàn)于戰(zhàn)國時(shí)期的磁山一帶。

指南針是中國古代勞動人民在長期的實(shí)踐中對磁石磁性認(rèn)識的結(jié)果。作為

中國古代四大發(fā)明之一，它的發(fā)明對人類的科學(xué)技術(shù)和文明的發(fā)展，起了無可

估量的作用。在中國古代，指南針起先應(yīng)用于祭祀、禮儀、軍事和占卜與看風(fēng)

水時(shí)確定方位。

隨著人們對指南針原理認(rèn)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(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。由于國內(nèi)外電子技術(shù)

的飛速發(fā)展，特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)而采用了磁場傳感器和專用處理器對磁場進(jìn)

行測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。

電子指南針內(nèi)部結(jié)構(gòu)固定，沒有移動部分，可以簡單地和其它電子系統(tǒng)接

口，因此可代替舊的磁指南針。并以精度高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)得到了廣泛運(yùn)用。

本設(shè)計(jì)采用各向異性磁阻(AMR)傳感器芯片HMC5883L。霍尼韋爾HMC5883L是一

種表面貼裝的高集成模塊，并帶有數(shù)字接口的弱磁傳感器芯片，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、自動消磁驅(qū)動器、偏差校準(zhǔn)、能使指南針精度控制在1°~2°的12

位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。簡易的I2C系列總線接口。HMC5883L采用霍各向異性磁阻(AMR)

技術(shù)，該技術(shù)領(lǐng)先于這些各向異性傳感器具有在軸向高靈敏度和線性高精度的

特點(diǎn)。傳感器具有的對正交軸的低靈敏度的固相結(jié)構(gòu)能用于測量地球磁場的方

向和大小，其測量范圍從負(fù)8高斯到8高斯(gauss)。

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2電子指南針導(dǎo)航原理

2.1電子指南針原理

下圖是地球某一點(diǎn)的地球磁場向量He的三維圖，其中x軸和y軸與地球表

面平行，x為前進(jìn)方向，y為水平面上垂直x的方向，He為地磁場強(qiáng)度，Hex、Hey

分別為He在x、y方向的水平分量，α為前進(jìn)方向與磁場北極的夾角，稱做方

位角；λ為磁偏角，可以通過查表得知。x軸與南極的實(shí)際夾角大小為（α+

λ）。從而只要得到方位角α的大小即可得知該水平面方位。由圖可知tanα=He

y/Hex,所以只要求出y、x軸上的磁場強(qiáng)度之比Hey／Hex，即可得到方位角α的

正切值。δ為磁傾角，He與水下面的夾角，可以用來校正水平面。磁場傳感器

可以分別測量Hex、Hey、Hez，并將其大小轉(zhuǎn)化為相應(yīng)強(qiáng)弱的電信號。但本系統(tǒng)

并只做了X和Y方向的測量。由于考慮到時(shí)間安排有限，Z方向暫時(shí)不做，但本

系統(tǒng)設(shè)計(jì)只要平拿平放并不影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖2.1傳感器模塊連線圖

2.2誤差校正方法

如圖2所示,x和y是指南針傳感器的兩個(gè)軸,Z軸和指南針傳感軸所確定

的平面相垂直。為了簡化描述,固定指南針的兩個(gè)傳感軸所確定的xy平面和

地球的表面相平行。進(jìn)一步簡化,在沒有傾角r的時(shí)候,y軸和南北方向重合

,x軸和東西方向重合。在沒有傾角T的情況下,磁場He的水平平面上

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只有y方向的分量,而且正確地指向北方。沿著南北軸的傾角(如以東西方

向?yàn)樾D(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)),磁場He的水平平面的分量將隨著磁場改變,但是仍

然指向北方。這時(shí)候傾斜誤差就為零。如果傾斜是沿著東西方向(如以南北

方向?yàn)樾D(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)),He的水平平面的分量會偏轉(zhuǎn)e角度。至于介于

南北和東西方向的傾角,誤差取決于傾角的東西方向的分量。

圖2.2傾斜誤差產(chǎn)生

其中T是傾角東西方向的分量,占是地球平面的傾角。方程表明地球平

面的傾角和指南針的傾角共同影響著傾斜誤差。當(dāng)傾角為90度的時(shí)候

,傾斜誤差最大。當(dāng)?shù)厍蚱矫娴膬A角較小的地方,傾斜誤差影響比較小,

可在or度以內(nèi)。但是在地球平面的傾角較大的地方,隨著指南針傾角角

度的增加,傾斜誤差會變得很大。

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3電子指南針的結(jié)構(gòu)

3.1傳感器方案選擇

HMC1052是一個(gè)雙軸線性磁傳感器，和其它HMC10XX系列傳感器一樣，每個(gè)

傳感器都有一個(gè)由磁阻薄膜合金組成的惠斯通橋。當(dāng)橋路加上供電電壓，傳感

器將磁場強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為電壓輸出，包括環(huán)境磁場和測量磁場。HMC1052包含兩個(gè)敏

感元件，它們的敏感軸互相垂直。敏感元件A和B，共存于單硅芯片中，完全正

交，且參數(shù)匹配。HMC1052的尺寸小，低工作電壓，而且消除了兩個(gè)敏感元件引

起的非正誤差。除了惠斯通電橋，HMC1052有兩個(gè)位于芯片上的磁耦合帶，偏置

帶和置位/復(fù)位帶。敏感元件A和B，都有這兩個(gè)帶。置位/復(fù)位帶，用于確保精

度。偏置帶，用于校正傳感器，或偏置任何不想要的磁場。在標(biāo)準(zhǔn)的10針外形

(MSOP)中,兩個(gè)敏感元件可以獨(dú)立上電，用于減少功耗。然而，卻不能使用偏置

帶。若需要偏置帶，可以用另一種封裝的HMC1052。

圖3.1傳感器模塊連線圖

3.2單片機(jī)方案選擇

STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)

的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼

容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路,2路PWM,8路

高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250K/S),針對電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場合。

1.增強(qiáng)型8051CPU，1T，單時(shí)鐘/機(jī)器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051；

2.工作電壓：STC12C5A60S2系列工作電壓：5.5V-3.3V（5V單片機(jī)）STC12LE

5A60S2系列工作電壓：3.6V-2.2V（3V單片機(jī)）；

3.工作頻率范圍：0-35MHz，相當(dāng)于普通8051的0～420MHz；

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4.用戶應(yīng)用程序空間8K/16K/20K/32K/40K/48K/52K/60K/62K

字節(jié)；

5.片上集成1280字節(jié)RAM；

6.通用I/O口（36/40/44個(gè)），復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口/弱上拉（普通8051

傳統(tǒng)I/O口），可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口/弱上拉，推挽/強(qiáng)上拉，僅為輸

入/高阻，開漏，每個(gè)I/O口驅(qū)動能力均可達(dá)到20mA，但整個(gè)芯片最大不要超過

55Ma；

7.ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程），無需專用編程器，無需專

用仿真器，可通過串口（P3.0/P3.1）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片；

8.有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM無內(nèi)部EEPROM)；

9.看門狗；

10.內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路（外部晶體12M以下時(shí)，復(fù)位腳可直接1K

電阻到地）；

11.外部掉電檢測電路:在P4.6口有一個(gè)低壓門檻比較器，5V單片機(jī)為1.3

2V，誤差為+/-5%,3.3V單片機(jī)為1.30V，誤差為+/-3%；

12.時(shí)鐘源：外部高精度晶體/時(shí)鐘，內(nèi)部R/C振蕩器(溫漂為+/-5%到+/-10%

以內(nèi))1用戶在下載用戶程序時(shí)，可選擇是使用內(nèi)部R/C振蕩器還是外部晶體/

時(shí)鐘，常溫下內(nèi)部R/C振蕩器頻率為：5.0V單片機(jī)為：11MHz～15.5MHz，3.3V

單片機(jī)為：8MHz～12MHz，精度要求不高時(shí)，可選擇使用內(nèi)部時(shí)鐘，但因?yàn)橛兄?/p>

造誤差和溫漂，以實(shí)際測試為準(zhǔn)；

13.共4個(gè)16位定時(shí)器兩個(gè)與傳統(tǒng)8051兼容的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,16位定

時(shí)器T0和T1，沒有定時(shí)器2，但有獨(dú)立波特率發(fā)生器做串行通訊的波特率

發(fā)生器再加上2路PCA模塊可再實(shí)現(xiàn)2個(gè)16位定時(shí)器；

14.2個(gè)時(shí)鐘輸出口，可由T0的溢出在P3.4/T0輸出時(shí)鐘，可由T1的溢出

在P3.5/T1輸出時(shí)鐘；

15.外部中斷I/O口7路,傳統(tǒng)的下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷,并新增支

持上升沿中斷的PCA模塊，PowerDown模式可由外部中斷喚醒，INT0/P3.2,INT

1/P3.3,T0/P3.4,T1/P3.5,RxD/P3.0,CCP0/P1.3(也可通過寄存器設(shè)置到P4.2)

,CCP1/P1.4(也可通過寄存器設(shè)置到P4.3)；

16.PWM(2路）/PCA（可編程計(jì)數(shù)器陣列,2路）：

——也可用來當(dāng)2路D/A使用

——也可用來再實(shí)現(xiàn)2個(gè)定時(shí)器

——也可用來再實(shí)現(xiàn)2個(gè)外部中斷(上升沿中斷/下降沿中斷均可分別或同

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時(shí)支持)；

17.A/D轉(zhuǎn)換,10位精度ADC，共8路，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)250K/S(每秒鐘25萬

次)18.通用全雙工異步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用

定時(shí)器或PCA軟件實(shí)現(xiàn)多串口；

19.STC12C5A60S2系列有雙串口，后綴有S2標(biāo)志的才有雙串口，RxD2/P1.2

(可通過寄存器設(shè)置到P4.2)，TxD2/P1.3(可通過寄存器設(shè)置到P4.3)；

20.工作溫度范圍：-40-+85℃(工業(yè)級)/0-75℃(商業(yè)級)21.封裝：PDIP-

40,LQFP-44,LQFP-48I/O口不夠時(shí)，可用2到3根普通I/O口線外接74HC164/

165/595（均可級聯(lián)）來擴(kuò)展I/O口,還可用A/D做按鍵掃描來節(jié)省I/O口，或

用雙CPU,三線通信，還多了串口。

3.3總體方案框圖

測量分析思路所得傳感器信號，經(jīng)過單片機(jī)數(shù)據(jù)預(yù)處理和算法補(bǔ)償后在上

傳到LCD1602A液晶屏上顯示。結(jié)合以上傳感器方案選擇及設(shè)計(jì)思路可得出以下

總體方案框圖。

圖3.2傳感器模塊連線圖

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4硬件電路設(shè)計(jì)

4.1HMC5889l傳感器模塊

4.1.1工作原理

霍尼韋爾HMC5883L磁阻傳感器電路是三軸傳感器并應(yīng)用特殊輔助電路來

測量磁場。通過施加供電電源，傳感器可以將量測軸方向上的任何入射磁場轉(zhuǎn)

變成一種差分電壓輸出。磁阻傳感器是由一個(gè)鎳鐵(坡莫合金)薄膜放置在硅片

上，并構(gòu)成一個(gè)帶式電阻元件。在磁場存在的情況下，橋式電阻元件的變化將

引起跨電橋輸出電壓的相應(yīng)變化。這些磁阻元件兩兩對齊，形成一個(gè)共同的感

應(yīng)軸(如引腳圖上的箭頭所示)，隨著磁場在感應(yīng)方向上不斷增強(qiáng)，電壓也會正

向增長。因?yàn)檩敵鲋慌c沿軸方向上的磁阻元件成比例，其他磁阻電橋也放置在

正交方向上，就能精密測量其他方向的磁場強(qiáng)度。

4.1.2電源管理

該器件可有兩種不同的供電模式。第一個(gè)是內(nèi)部運(yùn)作的VDD供電電源，第

二個(gè)是為IO接口供電的VDDIO電源，當(dāng)然VDDIO的電壓可以與VDD電源相近；

單電源模式，或在VDDIO電壓低于VDD的情況下，HMC5883L都能正常運(yùn)作并能

與其他裝置兼容。

圖4.1傳感器模塊連線圖

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4.1.3I2C接口

控制該裝置可以通過I2C總線來實(shí)現(xiàn)。該裝置將作為從機(jī)在一個(gè)主機(jī)(例如：

處理器)的控制下連接總線。該裝置必須符合I2C-BusSpecification（I2C-總

線技術(shù)規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)），作為一個(gè)I2C兼容裝置，該裝置包含一個(gè)7-bit串行地址，

并支持I2C協(xié)議。這一裝置可以支持標(biāo)準(zhǔn)和快速模式，分別為100kHz和

400kHz，但不支持高速模式(Hs)。還需要外接電阻才能支持這些標(biāo)準(zhǔn)和快速模

式。要求主機(jī)的活動（寄存器的讀取和寫入）優(yōu)先于內(nèi)部活動，例如：測量。

這一優(yōu)先次序的安排是為了不讓主機(jī)等待，同時(shí)I2C總線占用的時(shí)間比必需的

時(shí)間長。

4.1.4置位/復(fù)位帶驅(qū)動的H-橋式電路

ASIC包含大型開關(guān)FETs，可以傳輸大而短的脈沖到傳感器的置位/復(fù)位帶。

這一置位/復(fù)位帶在很大程度上是一種電阻性負(fù)載。并不需要外部去增加外部置

位/復(fù)位回路。每次測量時(shí)，ASIC會自動完成置位/復(fù)位。首先一次置位脈沖產(chǎn)

生后進(jìn)行測量，然后,一次復(fù)位脈沖產(chǎn)生后進(jìn)行測量，兩次測量的差值的一半將

會被放置在三軸上每根軸的數(shù)據(jù)輸出寄存器上。這樣，在所有測量中傳感器的

內(nèi)部偏差和溫度漂移差值就可以被移除/抵消了。

4.1.5寄存器訪問

下面表格列出了寄存器及其訪問。所有地址為8bits。

表4.1寄存器列表

地址名稱訪問

00配置寄存器A讀/寫

01配置寄存器B讀/寫

02模式寄存器讀/寫

03數(shù)據(jù)輸出XMSB寄存器讀

04數(shù)據(jù)輸出XLSB寄存器讀

05數(shù)據(jù)輸出ZMSB寄存器讀

06數(shù)據(jù)輸出ZLSB寄存器讀

07數(shù)據(jù)輸出YMSB寄存器讀

08數(shù)據(jù)輸出YLSB寄存器讀

09狀態(tài)寄存器讀

10識別寄存器A讀

11識別寄存器B讀

12識別寄存器C讀

這里介紹讀取和寫入此裝置的過程。該裝置使用地址指針來顯示該寄存器

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地點(diǎn)是被讀取或?qū)懭搿＿@些指針位置從主機(jī)發(fā)出到從機(jī)并成功獲得的7位地址

加1位讀/寫標(biāo)識符。為了盡量減少主機(jī)和裝置之間的通信，無主機(jī)干預(yù)下地址

指針自動更新。寄存器指示器被讀取后將自動的在目前被成功讀取的寄存器的

地址上加1。地址指針本身不能通過I2C總線被讀取。任何試圖去讀取不存在的

地址返回為0s，任何去寫不存在的地址或者是未定義的bit寫入定義的地址都

將會被該裝置予以忽略。為將地址指針移到隨機(jī)存儲器位置，首先發(fā)出一個(gè)“寫”

到寄存器地址，在指令后不帶數(shù)據(jù)位。例如，要讓地址指針指向寄存器10，發(fā)

出的指令為0x3C0x0A。其與單片機(jī)的連線圖如下圖所示。

圖4.2傳感器模塊連線圖

4.2LCD1602液晶屏模塊

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(diǎn)陣型液晶模塊它有若干個(gè)5×7或者5×11等點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字

符位都可以顯示一個(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。1602LCD是指顯

示的內(nèi)容為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）。其引腳圖和引腳說明如下：

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圖4.3傳感器模塊連線圖

第1腳：VSS為電源地。

第2腳：VDD接5V電源正極。

第3腳：V0為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對比度最弱，接地電

源時(shí)對比度最高（對比度過高時(shí)會產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過一個(gè)10K的

電位器調(diào)整對比度）。

第4腳：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。

第5腳：RW為讀寫信號線，高電平(1)時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平(0)時(shí)進(jìn)行寫

操作。

第6腳：E(或EN)端為使能(enable)端。

第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)端。

第15～16腳：空腳或背燈電源。15腳背光正極，16腳背光負(fù)極。

LCD1602內(nèi)置了DDRAM（顯示數(shù)據(jù)存儲RAM）、CGROM（字符存儲ROM）和CGR

AM（用戶自定義RAM）。DDRAM就是顯示數(shù)據(jù)RAM，用來寄存待顯示的字符代碼。

共80個(gè)字節(jié)，其地址和屏幕的對應(yīng)關(guān)系如下表：

圖4.4傳感器模塊連線圖

1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器（CGROM)已經(jīng)存儲了160個(gè)不同的點(diǎn)

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陣字符圖形，如附錄C所示，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、

常用的符號、和日文假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼，也就是說想要

在LCD1602屏幕的第一行第一列顯示一個(gè)“A”字,就要向DDRAM的00H地址寫

入“A”的代碼就行了,比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H），

顯示時(shí)模塊把地址41H中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“A”。

其基本操作時(shí)序：

讀狀態(tài)輸入：RS=L，RW=H，E=H輸出：DB0～DB7=狀態(tài)字

寫指令輸入：RS=L，RW=L，E=下降沿脈沖，DB0～DB7=指令碼輸出：無

讀數(shù)據(jù)輸入：RS=H，RW=H，E=H輸出：DB0～DB7=數(shù)據(jù)

寫數(shù)據(jù)輸入：RS=H，RW=L，E=下降沿脈沖，DB0～DB7=數(shù)據(jù)輸出：無

圖4.4讀操作時(shí)序

圖4.5

寫操作時(shí)序

數(shù)據(jù)指針設(shè)置：

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表4.2數(shù)據(jù)指針設(shè)置表

指令碼功能

80H+地址碼（0-27H，40H-67H）設(shè)置數(shù)據(jù)地址指針

在1602中我們就用前16個(gè)就行了,第二行也一樣用前16個(gè)地址。我們往D

DRAM里的00H地址處送一個(gè)數(shù)據(jù)，譬如0x31(數(shù)字1的代碼)并不能顯示1出來。

這是令初學(xué)者很容易出錯(cuò)的地方，原因就是如果你要想在DDRAM的00H地址處

顯示數(shù)據(jù)，則必須將00H加上80H，即0x80+0x00，若要在DDRAM的01H處顯示

數(shù)據(jù)，則必須將01H加上80H即0x80+0x01,依次類推。

在此，LCD1602用法及注意事項(xiàng)就簡單的介紹到這里，1062從CGROM表上

可以看到，表里面實(shí)際還有8個(gè)字節(jié)可用。如果我們要想顯示這8個(gè)用戶自定

義的字符，操作方法和顯示CGROM的一樣，先設(shè)置DDRAM位置，再向DDRAM寫

入字符碼，顯示是直接取CGRAM的數(shù)據(jù)。這里沒用用到在此不在贅述起原理方

法。下面是1602與單片機(jī)的連線圖。

圖4.6寫操作時(shí)序

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5軟件設(shè)計(jì)

5.1HMC5883L與單片機(jī)通信軟件設(shè)計(jì)

HMC5883L是一款集成IIC總線借口的數(shù)字傳感器，而STC12單片機(jī)沒有II

C接口，所以采用在單片機(jī)上模擬IIC通訊時(shí)序與HMC5883L進(jìn)行通信，而HMC5883

L可以采用單字節(jié)讀取和多字節(jié)讀取方式，在本設(shè)計(jì)中采用的是多字節(jié)讀取方式，

一次將XYZ的值讀到單片機(jī)內(nèi)，具體通信軟件設(shè)計(jì)思路如下：

圖5.1傳感器模塊連線圖

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5.2LCD1602人機(jī)界面軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用LCD1602作為顯示設(shè)備，顯示的信息包括當(dāng)前方位信息與與地

理南極的夾角信息（角度制）。我們從HMC5883L得出地磁方向在X與Y軸上的

磁場強(qiáng)度分量，采用atan2()這個(gè)函數(shù)得出其與地理北極之間的夾角（弧度），

再通過弧度到角度的轉(zhuǎn)換，得到角度值，最后加上180°，使其變?yōu)榕c南極之間

的夾角，而且所有值變?yōu)檎龜?shù)，方便處理。得到度數(shù)后，根據(jù)我們預(yù)先設(shè)定好

的角度范圍，判斷當(dāng)前所在哪個(gè)方位，并在LCD1602上顯示，然后將其乘以10

倍，變?yōu)檎麛?shù)，通過轉(zhuǎn)換，在LCD1602上顯示與南極夾角的值，具體設(shè)計(jì)思路

如下：

圖5.2傳感器模塊連線圖

5.3系統(tǒng)總軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的軟件設(shè)計(jì)總體思路是將HMC5883L得到的信息送至單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行

處理，再轉(zhuǎn)換為液晶顯示數(shù)據(jù)在LCD1602上進(jìn)行顯示，得到當(dāng)前的方位信息與

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角度信息，由于硬件模塊較少，所以很大部分工作放在了軟件上，STC12單片機(jī)

是一款1T單片機(jī)，晶振為22.1184MHZ，處理速度較快，在延時(shí)上不好把握，用

定時(shí)器又太浪費(fèi)資源，而本設(shè)計(jì)在一些模塊時(shí)序上對延時(shí)有一定要求，所以本

設(shè)計(jì)借用了別人驗(yàn)證好的一套運(yùn)用在STC12單片機(jī)上的延時(shí)函數(shù)集，確保系統(tǒng)

的正常運(yùn)行。思路上采用每讀完一次數(shù)據(jù)，就立即送至液晶顯示的實(shí)時(shí)方式。

具體流程圖如下：

圖5.3傳感器模塊連線圖

6系統(tǒng)調(diào)試

STC12LE系列低功耗單片機(jī)的正常電壓為3.3V，但LCD1602液晶的對比度

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電壓要高于5V才能看出顯示效果，最初采用3.3V供給整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)

液晶上無顯示，后來將系統(tǒng)電源調(diào)至5V，LCD1602就可以正常顯示了，而經(jīng)測

試，STC12LE單片機(jī)是可以在5V條件下進(jìn)行工作的。在方向的確定上，我們結(jié)

合手機(jī)上自帶的電子羅盤對設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)試，校準(zhǔn)HMC5883L模塊的方向，最后用

膠固定到PCB板上。

7設(shè)計(jì)小結(jié)

該電子指南針設(shè)計(jì)模塊簡單，可集成性好，測量偏差0.1°，可以用于航海、

山地探索的方向判定，而采用低功耗單片機(jī)增強(qiáng)了該設(shè)備的續(xù)航能力。但LCD160

2液晶為單色字符液晶，顯示能力有限，如果采用更高級的嵌入式處理器，擁有

足夠的速度和存儲器，可以采用TFT液晶等較好的顯示設(shè)備，將人機(jī)界面做得

更加完善。本設(shè)計(jì)中HMC5883L傳感器只用到了X與Y的值，即只能在系統(tǒng)水被

平放置時(shí)才能較為精確地測量，非常不方便，如果能結(jié)合加速度傳感器與HMC588

3L中Z軸的值做三維方向的判定，就可以讓系統(tǒng)在任意姿態(tài)下判斷當(dāng)前的位置

信息。

在設(shè)計(jì)中，模擬IIC通訊是非常重要的軟件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，軟件的優(yōu)化可以為

通信節(jié)省更多的資源和時(shí)間，我們采用了51單片機(jī)狀態(tài)寄存器的CY位作為通

信數(shù)據(jù)位進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，免去重新在RAM里定義數(shù)據(jù)變量，做到了一個(gè)資源優(yōu)

化。在液晶顯示中，上一次顯示的數(shù)據(jù)如果不能被下次顯示的數(shù)據(jù)覆蓋掉，就

要及時(shí)清除，而如果采用命令清屏，就會使屏幕閃爍很厲害，所以我們才用用

空格字符覆蓋的方式，及時(shí)清除上一次顯示的內(nèi)容，方便下次數(shù)據(jù)的顯示。在

以后的實(shí)踐中，應(yīng)當(dāng)注意這些軟件設(shè)計(jì)上的問題，讓系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定流暢。

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附錄1：元件清單

附錄2：實(shí)物圖

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附錄3原理圖

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附錄4PCB圖

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附錄5：程序代碼

#include<reg52.h>//調(diào)用單片機(jī)頭文件

#defineucharunsignedchar//無符號字符型宏定義變量范圍0~255

#defineuintunsignedint//無符號整型宏定義變量范圍0~65535

#include<math.h>//Keillibrary

#include<stdio.h>//Keillibrary

#include<INTRINS.H>

sbitrs=P1^0;//寄存器選擇信號H:數(shù)據(jù)寄存器L:指令寄存器

sbitrw=P1^1;//寄存器選擇信號H:數(shù)據(jù)寄存器L:指令寄存器

sbite=P1^2;//片選信號下降沿觸發(fā)

sbitSCL=P2^1;//IIC時(shí)鐘引腳定義

sbitSDA=P2^0;//IIC數(shù)據(jù)引腳定義

#defineSlaveAddress0x3C//定義器件在IIC總線中的從地

址

ucharBUF[8];//接收數(shù)據(jù)緩存區(qū)

ucharge,shi,bai,qian,wan;//顯示變量

intdis_data;//變量

/******************1ms延時(shí)函數(shù)*******************/

voiddelay_1ms(uintq)

{

uinti,j;

for(i=0;i<q;i++)

for(j=0;j<120;j++);

}

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/***********************延時(shí)函數(shù)************************/

voiddelay_uint(uintq)

{

while(q--);

}

/**************************************

延時(shí)5微秒(STC90C52RC@12M)

不同的工作環(huán)境,需要調(diào)整此函數(shù)，注意時(shí)鐘過快時(shí)需要修改

當(dāng)改用1T的MCU時(shí),請調(diào)整此延時(shí)函數(shù)

**************************************/

voidDelay5us()

{

_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();

_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();

_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();

_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();

_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();

_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();

_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();

_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();

}

/***********************lcd1602寫命令函數(shù)************************/

voidwrite_com(ucharcom)

{

e=0;

rs=0;

rw=0;

P0=com;

delay_uint(3);

e=1;

21

湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)

delay_uint(25);

e=0;

}

/***********************lcd1602寫數(shù)據(jù)函數(shù)************************/

voidwrite_data(uchardat)

{

e=0;

rs=1;

rw=0;

P0=dat;

delay_uint(3);

e=1;

delay_uint(25);

e=0;

}

/***********************lcd1602上顯示特定的字符*********************

***/

voidwrite_zifu(ucharhang,ucharadd,uchardate)

{

if(hang==1)

write_com(0x80+add);

else

write_com(0x80+0x40+add);

write_data(date);

}

/***********************lcd1602上顯示這字符函數(shù)*********************

***/

voidwrite_string(ucharhang,ucharadd,uchar*p)

{

if(hang==1)

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write_com(0x80+add);

else

write_com(0x80+0x40+add);

while(1)

{

if(*p=='\0')break;

write_data(*p);

p++;

}

}

/***********************lcd1602初始化設(shè)置************************/

voidinit_1602()//lcd1602初始化設(shè)置

{

write_com(0x38);//

write_com(0x0c);

write_com(0x06);

write_string(1,0,"zhinanzhen");

write_string(2,0,"");

write_zifu(2,11,0xdf);//顯示度

}

/***********************lcd1602上顯示兩位十進(jìn)制數(shù)*******************

*****/

voidwrite_jiaodu(ucharhang,ucharadd,uintdate)

{

if(hang==1)

write_com(0x80+add);

else

write_com(0x80+0x40+add);

write_data(0x30+date/1000%10);

write_data(0x30+date/100%10);

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湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)

write_data(0x30+date/10%10);

write_data('.');

write_data(0x30+date%10);

}

/**************************************

起始信號

**************************************/

voidHMC5883_Start()

{

SDA=1;//拉高數(shù)據(jù)線

Delay5us();//延時(shí)

SDA=0;//產(chǎn)生下降沿

Delay5us();//延時(shí)

SCL=0;//拉低時(shí)鐘線

}

/**************************************

停止信號

**************************************/

voidHMC5883_Stop()

{

SDA=0;//拉低數(shù)據(jù)線

SCL=1;//拉高時(shí)鐘線

Delay5us();//延時(shí)

SDA=1;//產(chǎn)生上升沿

Delay5us();//延時(shí)

}

/**************************************

發(fā)送應(yīng)答信號

入口參數(shù):ack(0:ACK1:NAK)

**************************************/

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湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)

voidHMC5883_SendACK(bitack)

{

SDA=ack;//寫應(yīng)答信號

SCL=1;//拉高時(shí)鐘線

Delay5us();//延時(shí)

SCL=0;//拉低時(shí)鐘線

Delay5us();//延時(shí)

}

/**************************************

接收應(yīng)答信號

**************************************/

bitHMC5883_RecvACK()

{

SCL=1;//拉高時(shí)鐘線

Delay5us();//延時(shí)

CY=SDA;//讀應(yīng)答信號

SCL=0;//拉低時(shí)鐘線

Delay5us();//延時(shí)

returnCY;

}

/**************************************

向IIC總線發(fā)送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)

**************************************/

voidHMC5883_SendByte(uchardat)

{

uchari;

for(i=0;i<8;i++)//8位計(jì)數(shù)器

{

dat<<=1;//移出數(shù)據(jù)的最高位

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湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)

CY=SDA;//送數(shù)據(jù)口

SCL=0;//拉高時(shí)鐘線

Delay5us();//延時(shí)

SCL=1;//拉低時(shí)鐘線

Delay5us();//延時(shí)

}

HMC5883_RecvACK();

}

/**************************************

從IIC總線接收一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)

**************************************/

ucharHMC5883_RecvByte()

{

uchari;

uchardat=0;

SDA=1;//使能內(nèi)部上拉,準(zhǔn)備讀取數(shù)據(jù),

for(i=0;i<8;i++)//8位計(jì)數(shù)器

{

dat<<=1;

SCL=1;//拉高時(shí)鐘線

Delay5us();//延時(shí)

dat|=SDA;//讀數(shù)據(jù)

SCL=0;//拉低時(shí)鐘線

Delay5us();//延時(shí)

}

returndat;

}

//***************************************************

voidSingle_Write_HMC5883(ucharREG_Address,ucharREG_data)

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湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)

{

HMC5883_SendByte(SlaveAddress);//發(fā)送設(shè)備地址+寫信號

HMC5883_SendByte(REG_Address);//內(nèi)部寄存器地址

HMC5883_SendByte(REG_data);//內(nèi)部寄存器數(shù)據(jù)

}

//******************************************************

//

//連續(xù)讀出HMC5883內(nèi)部角度數(shù)據(jù)，地址范圍0x3