数字罗盘开放性实验综述

1、开放实验报告题 目 基于单片机的数字罗盘设计和制作专 业班 级学 号学生姓名 指导教师 基于单片机的数字罗盘设计和制作一、数字罗盘概述1、数字罗盘的特点及应用数字罗盘，在现代技术条件中电子罗盘作为导航仪器或姿态传感器已被广泛 应用。数字罗盘与传统指针式和平衡架结构罗盘相比能耗低、体积小、重量轻、 精度高、可微型化，其输出信号通过处理可以实现数码显示， 不仅可以用来指向， 其数字信号可直接送到自动舵，控制船舶的操纵。目前，广为使用的是三轴捷联 磁阻式数字磁罗盘，这种罗盘具有抗摇动和抗振性、航向精度较高、对干扰场有 电子补偿、可以集成到控制回路中进行数据链接等优点，因而广泛应用于航空、 航天、机器

2、人、航海、车辆自主导航等领域。典型的数字罗盘具有以下特点：（1）三轴磁阻效应传感器测量平面地磁场，双轴倾角补偿。（2）高速高精度A/D转换。（3）内置温度补偿，最大限度减少倾斜角和指向角的温度漂移。（4）内置微处理器计算传感器与磁北夹角。（5）具有简单有效的用户标校指令。（6）具有指向零点修正功能。（7）外壳结构防水，无磁。电子罗盘的原理是测量地球磁场，如果在使用的环境中有除了有地球以外的磁场且这些磁场无法有效的屏蔽时，那么电子罗盘的使用就有很大的问题，这时只能考虑使用陀螺来测定航向了。2、设计任务及要求本次设计利用51单片机开发板及电子指南针模块实现一数字罗盘的设计。要求掌握电子指南针模块及

3、其方位角度测量的工作原理，设计LCD显示电路及指南针模块的接口电路。在 LCD显示器上实现方位角度的实时显示。用电 子器件制作一个指南针，可以实现指引方向的作用。有一定的抗干扰能力，可以 实现蜂鸣提示的功能。二、电路设计原理及单元模块1、设计原理目前电子罗盘按照有无倾角补偿可以分为平面电子罗盘和三维电子罗盘，也可以按照传感器的不同分为磁阻效应传感器、霍尔效应传感器和磁通门传感器。利用磁性材料的磁阻效应制成磁性效应传感器。磁性材料的易磁化轴、形状和磁 化磁场的方向影响着其磁化方向。 图1.1显示出，当电流流通磁性材料时，其电 阻阻值大小由材料流通电流的方向与磁化方向的夹角0决定。把磁场 M加在磁

4、性材料上，之前磁化方向开始转动。如果磁化方向转向与电流的方向垂直，0角增大，电阻阻值将减小；如果平行，即0角减小，电阻阻值将增大，电流方向 与电阻值的关系为，这就是磁阻效应2。磁阻式传感器具有低功耗，抗干扰，温度稳定性好，而且电路很容易搭建。 灵敏度和线性度比较好。其性能及稳定性容易被迟滞误差和零点温度漂移所影 响，地磁场强度比较小，外界非磁场容易对磁阻式电子罗盘产生干扰。电子罗盘发展相当迅速，在需要导航的系统的各行各业。并且有着非常大的应用前景3。1 tTiFe!图1.1磁阻效应原理2、设计方案整个系统由89S52单片机，HMC5883L磁阻传感器，LCM12864组成。系 统启动后，单片机

5、先对液晶进行操作，使其显示出欢迎界面，然后利用I2C协议 对HMC5883L进行操作，连续读取其X轴，丫轴，Z轴的数据，通过公式运算， 算出现在方位与正南之间的夹角，通过对夹角进行数据处理，最终展现给人们的 是精确到小数点后一位的角度数据和始终指向正南的图形化界面。设计思路是把HMC5883测得的数据传送至单片机上，处理后再将其位置信息显示在 LCM12864上面，使用的集成的指南针模块，所以硬件电路较少，集中精力放在 软件上面来实现。3、单元模块（一）主控制器STC89C52介绍STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。S

6、TC89C52使用经典的MCS-51内核，兼容 标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，高性能8位单片机AT89S52是一个 低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k Bytes的可反复擦写1000次的Flash 只读程序存储器，做了很多的改进使得芯片具有传统 51单片机不具备的功能。 在单芯片上，拥有系统可编程 Flash,使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系 统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能：8k字节Flash, 512字节RAM，32位I/O 口线，看门狗定时器，内置 4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一

7、个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外 STC89C52可降 至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止 工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。如图1.2是单片机的最小系统VCC1011C415P1.0(T2)VCC P1.1(T2EX)P0.0 P1.2P0.1P1.3P0.2 P1.4P0.3 P1.5P0.4P1.6P0.5P1.7P0.6 RESETP0.7 (R

8、XD)P3.0EA/vpp(TXD)P3.1ALE/PROGP3.2(INT0)PSENP3.3(INT1)P2.7 P3.4(T0)P2.6P3.5(T1)P2.5P3.6(WR)P2.4P3.7(RD)P2.31 XTAL0P2.2XTAL1P2.1VSSP2.0U3191920VCC522uF图1.2单片机的最小系统STC89C52（二）磁阻传感器HMC5883L介绍霍尼韦尔HMC5883L是一种表面贴装的高集成模块，并带有数字接口的弱磁传感器芯片，应用于低成本罗盘和磁场检测领域。HMC5883L包括最先进的高分辨率HMC118X系列磁阻传感器，并附带霍尼韦尔专利的集成电路包括放 大器、

9、自动消磁驱动器、偏差校准、能使罗盘精度控制在1 2的12位模数转换器简易的I2C系列总线接口。HMC5883L是采用无铅表面封装技术，带有16引脚，尺寸为3.0X3.0X0.9mm。 HMC5883L的所应用领域有手机、笔记本电 脑、消费类电子、汽车导航系统和个人导航系统。霍尼韦尔HMC5883L磁阻传感器电路是三轴传感器并应用特殊辅助电路来 测量磁场。通过施加供电电源，传感器可以将量测轴方向上的任何入射磁场转变 成一种差分电压输出。磁阻传感器是由一个镍铁 （坡莫合金）薄膜放置在硅片上， 并构成一个带式电阻元件。在磁场存在的情况下，桥式电阻元件的变化将引起跨 电桥输出电压的相应变化。这些磁阻元

10、件两两对齐，形成一个共同的感应轴（如引脚图上的箭头所示），随着磁场在感应方向上不断增强，电压也会正向增长。 因为输出只与沿轴方向上的磁阻元件成比例， 其他磁阻电桥也放置在正交方向 0 上，就能精密测量其他方向的磁场强度。模块电路图见图1.3。3.WSCL1qti a9SDA3,3 V2vnnriiWEiv103HCetNC VDDIO SETC GND Cl GNDII3.3V斗1233Vs孚! ur6ur14GHD15SETP8lie SET?16GND10KHMC5883L V)QKEE1TP DO47uVinVt3.3图1.3模块电路（三）显示模块的设计显示模块1602字符型LCD通常有

11、14条引脚线或16条引脚线的LCD，多 出来的2条线是背光电源线。它可以显示两行，每行16个字符，采用单+5V电源供电，外围电路配置简单，价格便宜，具有很高的性价比。1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了 160个不同的点阵字符图形，这些字 符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字 符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”勺代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”管 脚功能如表1.4所示：表1.4 LCD1602引脚功能引脚符号功能说明1vss一般接地2VDD接电源（+5

12、V）3V0液晶显示器对比度调整端。4RSRS为寄存器选择。5R/WR/W为读写信号线。6EE（或EN）端为使能（enable端，下降沿使能。7DB0底4位二态、双向数据总线0位（最低位）8DB1底4位二态、双向数据总线1位9DB2底4位二态、双向数据总线2位10DB3底4位二态、双向数据总线3位11DB4咼4位二态、双向数据总线4位12DB5咼4位二态、双向数据总线5位13DB6咼4位二态、双向数据总线6位14DB7咼4位二态、双向数据总线7位（最咼位）（四）LCD1602主要管脚介绍V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比 度最高，对比度过高时会产生鬼影使用时可以通

13、过一个10K的电位器调整对比度。RS为寄存器选择端，高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器。 R/ W为读写信号线端，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址；当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。E为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块 执行命令。将L1602的RS端和P2.0, R/W端和P2.1, E端和P2.2相连，当RS=0时， 对LCD1602写入指令；当RS=1时，对LCD1602写入数据。当R/W端接高电 平时芯片处于读数据状态，反之处于写数据状态，E端为使能信号端。当 R/W为高电平,E端也为高电平，

14、RS为低电平时，液晶显示屏显示需要显示的示数。 图1.5为1602液晶显示屏与单片机的硬件连接图。TO1120vcc,P1.0(T2)VCC,P1.1 (T2EX)P0.0,P1.2P0.1,P1.3P0.2,P1.4P0.3P1.5P0.4P1.6P0.5,P1.7P0.6,RESETP0.7(RXD)P3.0EA/VPP(TXD)P3.1ALE/PROGP3.2(INT0)PSEN.P3.3(INT1)P2.7.P3.4 仃0)P2.6.P3.5 仃1)P2.5.P3.6(WR)P2.4P3.7(RD)P2.3I XTAL0P2.21 XTAL1P2.1VSSP2.0ST8C9C52394

15、0vccJ1VCC1 2 r456 一7 一8 -910TT1213141516.vss VDD V0 RS RW E DB0 DB1.DB2 .DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 E1 E2LCD1602图1.5 LCD液晶与单片机硬件连线图三、安装与调试1、电路的安装将51单片机最小系统的 VCC, P1A0, P1A1, GND和HMC5883L模块的VDD, I2C_CLK , I2C_DATA ，VSS用杜邦线连接起来。2、电路的调试单片机烧写程序成功后，上电，首先看1602液晶的背光灯有没有亮起来，其 次看上面有没有显示数据，如果有数据，可以尝试将HMC5883L模块换个方向，

16、 查看数据是否有变化，最后与真的罗盘进行比对，查看数据的正确性。经调试可知：STC12LE系列低功耗单片机的正常电压为 3.3V，但LCD1602 液晶的对比度电压要高于5V才能看出显示效果，最初采用 3.3V供给整个系统 的时候，发现液晶上无显示，后来将系统电源调至 5V，LCD1602就可以正常显 示了，而经测试，STC12LE单片机是可以在5V条件下进行工作的。具体流程图如下：是（结束）四、结论与心得在本次开放性实验中，对学习有了新的认识，以前注重理论的比较多，真正 自己动手做的时候比较少，所以在设计的过程中，遇到了很多的困难。但是还是 在老师和同学的帮助以及自己的不懈努力下成功地完成了

17、。通过对该课题的研究，提高对课外知识的学习能力，增强知识的应用能力，提高解决实际问题的能 力，培养自我创新意识。积累实践经验，为以后的发展打下基础，也为以后我们 自己在这方面的发展打下基础，并能够在这方面培养自己的兴趣。在设计中我们必须首先熟悉和掌握单片机的结构及工作原理，单片机的接口技术及相关外围芯片的外特性，控制方法。以单片机核心的电路设计的基本方法 和技术。单片机不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到 一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价 格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机了解计算 机原理与结构的最佳选择。开

18、放性实验能培养学生综合运用所学知识，提高发现，提出，分析和解决实际问 题的能力，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。通过这次，从理论到 实践都使我学到了很多东西，它不仅可以巩固了以前所学过的知识， 而且学到了 很多在书本上所没有学到过的知识。同时也明白了理论与实践相结合的重要性， 只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来， 从理论 中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的 能力。通过一段时间的设计与调试，其能在大部分场合下测量出模块设定的正方向 与地理磁场所成的夹角，并在 LCD1602液晶显示器上实时显示。本文设计的数字罗盘尺寸小，成

19、本低，性能稳定，在导航领域上有远大的应用前景。随着控 制技术的发展，传感器的精度测量将有很大的提高。虽然该系统完全满足了本课 程设计的各项要求，但是在两周的仔细专研后发现还有一些有待提高的地方，只是限于时间精力有限，未能在本文实现。该系统在应用过程中原则上是需要水平 放置，实验证明，在非水平状态下，精度会明显的下降。还有不能在强磁场或者 是靠近磁场的场合使用，若是换成三轴的立体传感器应该能实现任何方位的精确测量。 地磁场在任何地方任何时间都不相同， 然而本系统中给出的系统磁补偿 是一个固定值，如果能加上一个更加精确的磁场传感器的话， 应该能实现动态磁 补偿，实现更精确的导航定位。我相信，在未来

20、的许多领域，必将大规模，大批量的使用数字罗盘。本次数字罗盘系统包含了磁场传感器、微控制器、显示部件、输入部件和实 时时钟等部分，微控制器通过对磁场传感器配套的 ASIC进行读取获得当前方向 地磁场的强度，通过一定的运算后由直观的液晶界面显示出来， 并可通过微控制 器的串口和独立按键进行数据的交互。在整个设计系统中充分掌握各模块电路的工作原理，对硬件电路进行设计，并使用C语言编写全部的驱动程序。该指南针系统用于方位指示实测精度可以达到 1、功耗小、显示直观、携带方便， 可作为出行、旅游、导航的必备之物，具有较高的经济适用价值。因为个人在知识面和能力方面还有限，再加上条件的限制，电子指南针的采样精

21、度和抗干扰 能力等各项技术指标的提高、 在完成基本功能的基础上， 一步降低系统功耗等。诸多功能的完善还需要进一步的研究和开发，此外 F需要努力提高软件的效率、硬件系统的稳定性、进Z4 - Mi-trVi BiCSIobalBjHMC5UU3_lniltti nnl urlp -Cr_h tti nclude ttin匚丄Udo Include ihsp _H,a ekterii oniyiiif d char P 1 DfiTifi ; typrdcF unsi gnrd ch.ir unth.ir tupedef unsigned lot uint ”山記龍液品弓1卿定义专Slt CS-P9

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