数字式电子罗盘毕业设计

1、毕业设计说明书数字式电子罗盘设计学生姓名： 孔垂礼 学号： 1105044263 学 院： 计算机与控制工程 专 业： 电气工程及其自动化 指导教师： 龙达峰 2015 年 06 月中北大学2015届毕业设计说明书数字式电子罗盘设计摘要窗体顶端数字式电子罗盘具有很多优点，例如：体积比较小、启动非常迅速、功率损耗较低、制造成本低廉等,当今社会测控技术对测向传感器提出了非常高的要求;为了提高数字罗盘的测量精度,特意设计了一种基于HMC5883L三轴磁阻传感器1的数字电子罗盘;在分析相关类似产品的基础上,特别强调对电源、器件选型、信号调理电路、软件设计等方面进行了分析研究,设计出了数字罗盘并且研制了

2、试验的样机;为验证设计效果,在双轴陀螺测试转台上进行了测试,试验结果初步验证了该设计方案的可行性;论文的研究工作可以为研究和改良数字式磁罗盘的测量准确度提供可靠的资料. 窗体底端关键词： 地磁场，数字罗盘，HMC5883L三轴磁阻传感器，重力加速度计2Here is the translation of your chinese papers titleAbstractDigital electronic compass, has small volume, quick start, low power consumption, and low cost, the modern measure

3、ment and control technology puts forward higher requirements on sensor of direction finding; In order to improve the precision of the digital compass, we design a HMC5883L triaxial magnetic resistance sensor based digital electronic compass; On the basis of the analysis of related products, focuses

4、on the power supply, device selection, signal conditioning circuit and software design are analyzed in aspects of research, design the digital compass and test prototype was developed; To verify the design effect, on the two-axis gyro testing table was tested, experimental results verify the feasibi

5、lity of the design scheme of; Thesis research work could be used to research and provide reference for improving the measuring accuracy of digital magnetic compass.Key words : Earths magnetic field, digital compass, HMC5883L three-axis magnetic resistance sensor, the gravity accelerometer3中北大学2015届毕

6、业设计说明书目录摘要.2Abstract.3目 录.I1.前言.12.总体方案.32.1传感器的方案论证与选择.32.2单片机方案的选择.72.3总体方案设计思想以及框图.73.硬件电路设计.83.1单片机最小系统.93.2 HMC5883L传感器模块.93.3 ADXL202模块.133.4 LCD1602液晶屏模块.144.软件设计.174.1 HMC5883L与单片机通信软件设计.164.2 LCD1602人机界面软件设计.174.3系统总统软件设计.195.系统调试.216.结论.217.总结与体会.21致谢.24参考文献.25附录A:电子指南针整机电路图和实物图.26附录B:1602

7、液晶模块字符存储器.28附录C:电子指南针程序部分源代码.29I1.前言磁罗盘俗称指南针，它是一种简单的用来指示判别方位的东西,也是一种重要的导航仪器，指南针可应用在许多场合中。司南是古代的四大发明之一，即指南针的前身。它是由一根装在轴上而且可以自由旋转的磁化了的针构成的。在地磁场作用下磁针总能平行保持在磁子午线的切线方向上。磁针的南极指向地理的南极，通过这种现象及其性质就可以用它来辨别方向。常用于航海、大地测量、车载导航等方面。随着科技的发展指南针原理不断的被世人所了解，先前笨重的“司南”也逐渐发展成为现在的轻巧便捷的指南针。但是，它最基本的原理构造是没有改变的，都还是比较粗糙精度不高的机械

8、指南针，另外，指示的机械结构基本上也没有改变，之所以能自由的旋转都是利用某种支撑使得磁针能够受到地磁场的影响。机械有很多不可避免的先天因素不但影响指针式指南针的便捷便携性、灵敏度、精确度等而且还影响其使用寿命。现如今我们国家和外国在电力电子技术领域发展都非常迅猛，尤其是很多特需芯片和一些专用传感器都有了质的改变，磁传感器就是一大特例，它的发展使指南针的基本实现机理有了更高水平的发展，老式机械结构将逐步退化，目前对磁场的测量处理和指示方向都改用轻巧便捷的磁传感器和专用传感器，这就是当前应用较为广泛的电子式指南针。电子指南针有固定的内部结构，没有活动部分，对于和其它电子系统接口连接非常简单，不但可

9、代替旧的磁指南针。而且精确度非常高、稳定性特别好、应用也非常广泛。本设计采用各向异性磁阻(AMR)传感器芯片HMC5883L，它是由Honeywell公司生产的。霍尼韦尔HMC5883L是一种有数字接口的弱磁传感器芯片，表面非直插式的高度集成模块，HMC5883L分辨率极高，HMC118X系列磁阻传感器就是其中最先进的传感器，并附带霍尼韦尔专利的集成电路包括放大器、自动消磁驱动器、偏差校准、能使指南针精度控制在12的12位模数转换器，其I2C系列总线接口也很简单。HMC5883L采用的各向异性磁阻(AMR)技术比其他各向异性传感器技术更先进、更有市场，特别是在轴向高灵敏度和线性高精度比较突出。

10、传感器之所以能够用来测量地球磁场的方向以及大小是因为它具有正交轴的低灵敏度的固相结构，其测量范围从-5高斯（gauss）到 +5 高斯（gauss），霍尼韦尔的磁传感器是一款在各方面性能都是最好的传感器，在低磁场传感器行业中享有盛誉，本文介绍了数字电子罗盘工作原理及电路硬件及软件的设计，同时也做了一些能够抵抗干扰信号的设计以及数据采集处理的方式方法。1.1课题研究的背景及意义早在我国战国时期我们的祖先就发现一种可以指示方向的磁石，后来人们就把磁矿石刻成像勺子一样的东西用来指示方向司南，用于行军打仗。随着时代的变化科技的发展，出现了各种各样的半导体材料，将各部分功能综合、整合的技术也在日益成熟，

11、电子罗盘技术也得到迅速的发展，五花八门的电子罗盘在我们的生活当中也显而易见，尤其是在导航方面扮演着重要角色。同时电子罗盘也广泛的应用在水平孔洞的测量、垂直孔洞的测量、水下探测、建筑物定位、设备维护、仿真系统、教育培训、虚拟现实等方面。我们国家在数字电子罗盘方面的研究起步比较晚，国内无论是生产罗盘部件还是销售电子罗盘的厂家一般都是作为中介或者代售国外产品，国内九十年代末才开始电子罗盘的研究。1.2国内外研究现状我们国家有很多研究和生产电子罗盘的公司，Honeywell(霍尼韦尔）公司是最为著名的公司之一，其生产的代表作是磁阻式电子罗盘，另外KVH公司生产的磁通门电子罗盘也是比较出名的。我们国家在

12、数字式电子罗盘的研究起步比较晚，基本上还没有形成一个完整的体系，很多厂商都是代收国外品牌。美国目前已经研制开发出地面和空中定位精度达30m、水下定位精度优于500m的地磁导航系统，他们制造的飞航导弹和巡航专用的鱼雷命中率都有很大的提高。另外，美已经开始用地磁感应信息来研究导弹和核武器实验，并利用E22无人机在空中进行地磁数据测量。国内在地磁导航的研究就比较落后，虽然说已经开始研究，但是主要还集中在模拟实验和仿真阶段，据了解，某某集团三院将所测得的地磁强度数据用平均绝对差法进行了多种多样的匹配运算，其分辨率能达到50m，另外，某大学的几个教授在这方面的研究也取得了很大的进步，他们利用地磁导航校正

13、惯性导航的仿真实验取得了较高的精度。其它国内的大部分研究都还在停滞不前，不是仿造就是抄袭，制作电子罗盘仍停留在利用Honeywell公司的磁阻传感器上，对其产生的误差进行智能补偿也要参考大量的外文数据。因此电子磁罗盘在我们国家内部发展空间还是很大的。 1.3本文内容概述 电子罗盘主要有三种，其一是利用磁通门传感器制作的，其二是磁阻式传感器，其三利用霍尔元件。磁通门传感器能够提供低成本、低损耗的探测方法，它由一磁芯环绕着的线圈构成，这种磁芯配备有励磁电路，但是它们整体外形体积比较大、容易破碎、等待的时间比较长。然而霍尔效应磁传感器就有许多优点，例如：它的体积比较小，重量非常轻，功功率损耗较小，价

14、格也不贵，连接单片机的接口电路也简单易懂，综合评价特别适用于强度很大磁场的测量。但是，它也有众多缺点，它不够灵敏、产生的噪声较大、温度性能不好等。虽然有些方面也能用霍尔元件经过聚磁措施或者其他手段制造出的器材来测量地磁，但这样测出的数据偏差比较大，精度不高。磁阻传感器就具备较完美的特点，他已经做成了标准的集成芯片，并且其衍生物也成了一系列完整的体系。而用磁阻传感器做成的电子罗盘就避开了磁通门罗盘的不足，具有体积很小、重量轻巧、精确度高、稳定性性强、应答速度快等优点，以后的电子罗盘就朝着这个方向发展了。本文采用霍尼韦尔 HMC5883L 三轴磁阻传感器作为地磁测量的核心元件展开设计，HMC588

15、3L是通过高度整合、集成的芯片并把它贴装在电路板上的模块，并带有能够检测很弱很弱的磁场的数字接口，在弱磁环境中就可以大显身手了，用其支撑的电子罗盘不但成本低而且和应用领域广泛。HMC118X 系列磁阻传感器是HMC5883L 最先进的高分辨率磁阻传感器，该系列传感器自身就带有运放电路、自己能快速消除磁场干扰、自主补偿、自助驱动等，能够把精确度准确的控制在12的范围内。该系列还带有12位模拟信号转换成数字信号的元器件和简易的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

16、、汽车导航系统和个人导航系统1。 2.总体方案设计现如今电力电子技术的发展非常迅猛，对于电子罗盘或者数字罗盘的改进也存在这样那样的方案，每种方案都有它的优点也有不足，故此我们要根据自己的实际要求来选择相应的设施进行设计。2.1 传感器方案论证与选择方案一:采用HMC1052双轴磁阻传感器HMCI052是一个双轴线性磁传感器2，和其它HMC10XX系列传感器一样，每个传感器具有由惠斯登电桥合金的一个磁阻膜。当电桥连同电源电压，传感器的磁场强度转换成电压输出，包括环境磁场和测量磁场。HMC1052包括两个光敏元件，相互垂直的灵敏轴。敏感元件A和B，在两个硅芯片共同存在，而且是完全正交的，并且所述参

17、数匹配。 HMC1052小尺寸，低工作电压，还有消除非正交误差引起的两个敏感元件。除了HMCI0522芯片和磁耦合，惠斯通电桥还带有斜带和置位/复位带。敏感元件A和B也有两条带。设置/复位，这样既保证了准确性。偏置带纠正偏差传感器或任何被抵消不需要的磁场。在HMC1052传感器元件中，他的两个敏感元件可以独立工作，功率损耗减少了很多。然而，偏置带却不能用来实现这一功能。如果一定要用偏置带也行，但要通过另外一种组装方式。图2.1 HMC1052传感器引脚图 方案二:采用KMZ52磁场感应传感器KMZ52是一种磁阻传感器，它是由Philips公司生产的3，其测量磁场是利用坡莫合金薄片的磁阻效应原理

18、制作成的高灵敏度磁阻传感器。在两个正交的磁场强度甲板上的磁阻传感器，完成补偿线圈和线圈设置/复位线圈。补偿线圈的电流测量输出的结果是一个封闭的反馈环，从而使传感器的灵敏度不受地域限制。这些磁阻传感器主要应用于导航，通用地磁测量和交通检测。磁阻传感器沉积在高渗透性的铝表面的坡莫合金一定厚度，在接下来的两个翻转线圈和外部磁场的作用下，电子改变移动的方向，从而使磁阻被改变。同时KMZ52斑马条型电阻器45放置起来，这使得在正、负磁力更好对称性。由于加入KMZ52反转的磁场的曲线与普通磁电阻是不同的，更线性的。磁阻传感器KMZ52核心部分是一个惠斯通电桥，是四臂磁敏元件构成的磁阻桥臂。长薄膜坡莫合金的

19、磁传感元件在外部磁场的影响下，磁电阻的变化引起的输出电压。图2.2 KMZ52传感器引脚图方案三:使用霍尼韦尔HMC5883L三轴磁阻传感模块霍尔 HMC5883L 是一种高度整合、集成的贴在PCB板上的芯片模块，其自带的微弱磁场感应数字接口比较简单，应用在很多弱磁场检测的领域。HMC5883L分辨率极高，HMC118X系列磁阻传感器就是其中最先进的传感器，并附带霍尼韦尔专利的集成电路包括放大器、自动消磁驱动器、偏差校准、能使指南针精度控制在12的12位模数转换器，其I2C系列总线接口也很简单。HMC5883L采用的各向异性磁阻(AMR)技术比其他各向异性传感器技术更先进、更有市场，特别是在轴

20、向高灵敏度和线性高精度比较突出。HMC5883L所用的封装技术是运用一种不含有毒金属铅的方式，本身带有16 只脚，尺寸也很小，仅为3*3*0.9mm。HMC5883L 的所应用领域遍布各行各业，例如：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。HMC5883L采用霍尼韦尔各向异性磁阻(AMR)技术，这种技术是世界上非常先进的。这些各向异性传感器在测量地球磁场时很灵敏也很可靠。传感器之所以能用于测量地球磁场的方向和大小是因为它具有的对正交轴的低灵敏度的固相结构，其测量范围也非常精确，从-5毫高斯到+5毫高斯(gauss)。在低磁场传感器行业中霍尔传感器可以说享有盛誉，其灵敏度和可靠

21、性不言而喻。图2.3 HMC5883L传感器引脚图在查阅相关资料和文献后，对各种传感器都进行一系列对比，总结了它们的优缺点，HMC5883L三轴磁阻传感器不需要外接ASIC，都被封装在一起了，而内部安装了12位模拟信号和数字信号转换器、防干扰的AMR传感器，不仅能够测量较为精确的地磁范围，而且还内置驱动器，不需要另外再装驱动，其优越性不言而喻。三轴磁阻传感器在测量弱磁环境或者电子罗盘行业中各方面的性能都是非常合适的。故此，我通过再三对比选择了第三个方案来设计电子罗盘。表2.1 HMC5883L引脚配置引脚名称 描述13SCL串行时钟-I2C总线主/从时钟C总线主/从时钟C总线主/从2VDD电源

22、（2.16V-3.6V)3NC无连接4S1连接VDDIO5NC无连接6NC无连接7NC无连接8SETP置位/复位带正-S/R电容(C2)连接9GND电源接地10C1存储电容器(C1)连接11GND电源接地12SETCS/R电容器(C2)连接-驱动端13VDDIOIO电源供应（1.7V-VDD)14NC无连接15DRDY数据准备，中断引脚。内部被拉高。选项为连接，当数据位于输出寄存器上时会在低电位上停250sec16SDA串行数据-I2C总线主/从数据2.2 单片机的选型单片机的选择方案有以下三种：（1） 采用MSP430F149作为单片机的主要控制芯片，这种单片机功能及其各方面是非常强大的，它

23、是由TI公司生产并且利用在导航方面。此单片机具有性能高、功率损耗低16位响应超速等特点，在它的内部安置了12位模拟信号数字信号转换器。但是也有些不足之处，它的制作价格有些昂贵，其次，单片机芯片是贴片式封装的，不利与电路板的焊接，需要用专门的PCB板，这就加大了做实物的难度和制作的时间 （2）STC12C5A60S2是通过改版增强的，它是新一代51系列单片机的主要控制芯片。这种芯片内部安装有模拟、数字信号转换装置，还有连接单片机的SPI总线接口，而且价格也比较合适。（3）采用传统的STC89C52单片机作为主控芯片。这是一种很常见的主控芯片，我们都知道此芯片价格低廉、无需繁琐的操作、功率损耗减少

24、了很多，也比较经济实惠。综合上述方案，不论从芯片的性能方面还是和价格的高低方面我选择了传统的STC89C52综作为本系统的主控芯片。2.3 整体方案设计和构想框图下图为安装后罗盘平面三个方向的磁场强度为H X、H Y、H Z , 而地球表面三个方向的磁场强度为H x、Hy、Hz , 考虑罗盘坐标系与地球坐标系的关系, 做出如下图示意图, N S 表示地球南北极轴线,N S 表示磁南北极轴线, 磁南北极与地球南北极两轴线在地球平面中, 其夹角B称为磁偏角。表示俯仰角, 表示翻滚角, angle 为前进方向和当地磁子午线的夹角。电子罗盘就是根据测得的 HX、H Y、H Z , ,求得angle,进

25、一步求得航向角4。Hx=HXcos+HY sinsin-HZ sincos;Hy=HX cos+HZ sin两轴加速计测得的重力加速度为GX、GY已知当地的重力加速度值为g，可得：=arcsin(Gx/g) （1）=arcsin(GY/g) （2）angle=arctan(Hx /Hy) (3)=angle+B (4)图2.4 测量原理分析图通过以上测量分析思路所得传感器信号，经过单片机数据预处理和算法补偿后在上传到LCD1602液晶屏上显示。结合以上各方案选择及设计思路可得出以下总体方案框图。图2.5 总体方案设计框图3.硬件电路设计对于设计全面没有瑕疵的电子产品来说最首要的问题无非是整个电

26、路的供电系统，就好比万丈高楼平地起，地基是最重要的，同理，电子设计也一样需要一个供电的基础平台，这样它才能有效平稳的运行。电子设备一般可用蓄电池或者干电池来供电，除此之外还可以用市场的220V通过一系列的逆变、滤波、稳压等措施来共给直流电5，本次设计为了降低难度采用干电池供电。3.1 单片机最小系统想要单片机组成的系统能够有效地工作起来，就需要在单片机外部接上很多能驱使它工作的电路，最简单、最容易的电路有：时钟电路、复位电路6。单片机最小系统如下图3.1所示。时钟电路：本系统时钟电路比较简单,用一个12M的晶振作为振荡器，在其两端并联两个22pF的瓷片式电容，这样就构成了单片机的内部振荡电路，

27、通过自激将它发出来的脉冲信号送到其内部就是一个完整的时钟电路复位电路：复位电路用来确定单片机开始工作和结束工作的状态，完成单片机的启动过程。目前书本上介绍的有上电自动复位和手动按键复位。本系统采用上电复位结合按键复位。电路如下图所示。图3.1 单片机最小系统3.2 HMC5883L传感器模块3.2.1 工作原理地球磁感应强度为5060uT,相当于沿着地球中心的一个磁棒，我们都知道地球的南北极和地磁的南北极是相反的，但又不完全相反重合，地磁（磁棒）和地理北极之间大约有11.5的夹角磁偏角。无论如何，地球磁场场的水平分量永远指向磁的北极，这一原理是所有的罗盘的制作基础。所有罗盘都是测量地球磁场的北

28、方向，其他方向就可以推算出来。地球磁场的北方向和实际的北方向有差别，而这种差别的大小在地球上的不同地点也是不同的，所以必须知道罗盘所在的大致位置，才能计算出如何补偿地磁和真是北方向的差别，已显示出真实的北方向7。 磁北的方向就是地磁场在水平面上分量的方向。假设电子罗盘处于水平面上要确定其相对于磁北的航向角。由磁阻传感器可以直接得出地磁产的水平分量Hx、Hy，因此相对于磁北的航向角=arctan（Hx/Hy）。正切函数的周期为180，为保证数据的有效性，航体航向角转换到相对于磁北0360的范围内。可将上式分解，得到相对于磁北极的360范围内（顺时针方向）的航向角，加上当地磁偏角就可以算出与真北的

29、航向角。为了能够得出一个准确的测量值，我们必须将测出来的结果加上或者减去地磁南北极与地理南北极的磁偏角，这样算出来的就是前进方向和得地理北极的夹角，也就是真正的北方向角A。当所在地区磁偏角已知时，真北方位角为：A=+。3.2.2 电源管理据资料显示HMC5883L模块有两种供电方式。第一个是在它的芯片内部有一个VDD供电电源，第二个是为外部接口（IO接口）供给电源的VDDIO电源，按理说来VDDIO的电压一般是和VDD电源不相等的，但相近也没有什么影响；无论是只有一个电源还是VDDIO 电压不高于VDD 电压的情况下，HMC5883L都能正常运行并且完成一系列功能指令并能与其他装置相互兼容。图

30、3.2 HMC5883L模块内部结构 3.2.3 IC接口控制该装置可以通过IC总线来完成。这种装置是通过分为主机和从机，从机是由主机控制的，在主机的控制下才能与总线相连。该种装置一定要符合I2C-总线技术规格标准，否则不能正常工作，一个完整的I2C 装置应该具备该有的标准功能，该装置具有一个7-bit串行地址，并支持I2C 协议。这一装置有三种模式是：标准模式|、快速模式、和高速模式，但是这里不支持高数模式，另外，支持模式和快速模式必须要在外部街上电阻才能运行。标准模式可以达到100千赫兹，快速模式可以达到400千赫兹。寄存器读取数据和写入数据要比内部的运行提前，就拿测量这个例子来说吧，这样

31、一来主机就不需要花费很长时间来等待，本来要花费的时间就比IC总线所占用的时间短。3.2.4 置位/复位桥式电路ASIC这种为专门电路而设计的集成电路包含大型场效应管开关FETS，这种开关能够传输很大而而且比较短的脉冲信号到传感器的置位/复位带。这一置位/复位带不需要再另外增加其他的置位/复位电路，因为这种置位复位带是一种很大电阻性的负载。每当在数据测量的时候，ASIC这种专门的电路会自主完成置位复位，在第一次奶冲测量后，接着第二次脉冲测量，置位复位就这样完成一个回路过程，第一次测量值和第二次测量值之差的一半会把它放置在X、Y、Z轴上的数据寄存器上。这样，我们就能克服很多问题，例如：传感器内部的

32、偏差和温度漂移之差就能够抵消很多很多。3.2.5 寄存器访问寄存器及其访问在下面的表格里面已经给出。全部地址都为8 bits。表3.1 寄存器列表地址名称访问00配置寄存器 A读/写01配置寄存器 B读/写02模式寄存器读/写03 数据输出 X MSB 寄存器读04 数据输出 X LSB 寄存器读05 数据输出 Z MSB寄存器读06 数据输出 Z LSB 寄存器读07 数据输出 Y MSB 寄存器读08 数据输出 Y LSB 寄存器读09状态寄存器 读10识别寄存器 A读11识别寄存器 B读12识别寄存器 C读这里介绍读取和写入此装置的过程。该装置读取数据或者写入数据是通过使用地址指针来显示

33、该寄存器地点来完成的。这些指针位置从主机发出到从机并成功获得的7位地址加1 位读/写标识符。为了尽可能降低主机和装置之间的相互通信，没有主机控制的地址指针会自助更新。寄存器的地址会加上1当指示器被读取后。原本地址指针本身是不能通过I2C总线来读取的。只要读取不存在的地址，系统都会自动返回0s，他也不会随便写入不存在的地址或者是没有定义的位，这些该装置都会自动忽略。为将地址指针移到随机存储器位置，首先发出一个“写”到寄存器地址，在指令后不带数据位。例如，要让地址指针指向寄存器10，发出的指令为0x3C 0x0A。其与单片机的连线图如下图所示。图3.3 HMC5883L集成芯片传感器模块连线图3.

34、3 ADXL202加速度计ADXL202是一种测量重力的加速度传感器，它具有很多优点，例如：制造成本低廉、功率损耗低、功能完善等，它的测量范围也非常精确，其范围为+2g。ADXL202功能很强大，它不仅能够用来测量动态的加速度，而且还能够用来测量静态的加速度，例如：倾斜加速度（动态加速度）和重力加速度（静态加速度）。ADXL202输出的信号为数字信号，并不需要经过AD数字信号转换器转换，可以将输出的数字信号直接连接到单片机I2C端口，另外它输出的数字信号脉冲宽度占空比与两根传感器分别感受到的重力加速度成正比。双轴加速度计输出的信号有一定的周期，一般情况下输出周期为0.5ms至10ms之间，如果

35、需要调节它的输出周期的话可以在他的外部接上电阻RSET调节。如果我们要用到模拟信号输出，则需要接在Xfilt和Yfilt管脚上，这两个端口数出的就为模拟信号，或者可以使用对脉宽占空比输出信号滤波后的信号。ADXL202还有一个可以设置的带宽，他们分别是Cx引脚和Cy引脚，在这两个引脚上可以设置其带宽，可在0.01Hz5kHz的范围内设定。其典型噪声值为500g/(Hz)1/2,60Hz带宽时的分辨率为5mg工作原理：ADXL202是基于一个完整的单芯片双轴加速度测量系统。这是一个多晶硅表面微电机传感器和信号控制环路来执行开环加速度测量结构的操作。为每个轴，我将输出的模拟信号到环路脉冲的输出数字

36、信号的占空因数。这些数字信号，将直接连接到微处理器。 ADXL202可用于测量正和负加速度为2克最大测量范围。 ADXL202还能够测量静态加速度，并可以用于斜率测量。弹性部件被支承，并且提供加速阻力的必要平衡，使用在多晶硅和硅表面微机械传感器的多晶硅结构。结构连接到中央板制成的运动对象可变电容测量偏转由单独的固定板。 另外，由方波的固定板的分别的控制阶段。幅度加速度，同时考虑到由加速度可变电容器中的功率平衡的变化后的加速度成比例的方波输出。相位解调技术用于提取的信息，确定所述加速度的方向。ADXL202外接电路如下：图3.4 ADXL202外接电路图3.3 LCD1602液晶屏模块1602液

37、晶是一种用来专门显示各种字母或者数字、符号的点阵液晶，其中包含了很多57或者511的点阵模块，其中一个字符显示占用一个点阵字符。在这些点阵中间每位之间都有一个点距起到字符与字符的间隔作用，所以1602液晶是不能用来显示图片的。1602LCD是指显示的内容为162,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）8。其引脚图和引脚说明如下：图3.5 LCD1602液晶显示屏引脚图 1号脚：接地。 2号脚：VCC接正极5V电源。 3号脚：V0为液晶显示器分辨率调整端口，当该端口接到5V电源的时候分辨率最低， 几乎看不清楚所显示的字符，当接到5V负极的时候分辨率最高，这时候比较刺眼，使用的时

38、候为了方便观察调整显示屏分辨率可以外接一个10K的电位器来调节分辨率。 4号脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。 5号脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。 6号脚：E(或EN)端为使能(enable)端。 714号脚：D0D7为接8位双向数据。 1516号脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。LCD1602内部有显示数据的存储RAM、存储字符的字符存储ROM，另外还有用户自行定义的RAM。DDRAM就是显示数据RAM，用来暂时寄存下一步即将显示的字符代码。总共有80个字节，其地址和屏幕的对应关系如下表：

39、图3.6 RAM地址映射图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，如附录C所示，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，也就是说想要在LCD1602屏幕的第一行第一列显示一个“A”字,就要向DDRAM的00H地址写入“A”的代码9就行了,比如大写的英文字母“A”的代码是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”。其基本的操作时序：读状态输入：RS=L，RW=H，E=H 输出：DB0DB7=状态字写指令输入：RS=L，RW=L，E=下

40、降沿脉冲，DB0DB7=指令码输出：无读数据输入：RS=H，RW=H，E=H 输出：DB0DB7=数据写数据输入：RS=H，RW=L，E=下降沿脉冲，DB0DB7=数据 输出：无图3.7 读操作时序图3.8写操作时序数据指针设置：表3.2 数据指针设置表指令码功能80H+地址码（0-27H，40H-67H）用来设置数据地址指针在1602中我们就用前16个就行了,第二行也一样用前16个地址。我们往DDRAM里的00H地址处送一个数据，譬如0x31(数字1的代码)并不能显示1出来。这是令初学者很容易出错的地方，原因就是如果你要想在DDRAM的00H地址处显示数据，则必须将00H加上80H，即0x8

41、0+0x00，若要在DDRAM的01H处显示数据，则必须将01H加上80H即0x80+0x01,依次类推。在此，LCD1602用法及注意事项就简单的介绍到这里，1602从CGROM表上可以看到，表里面实际还有8个字节可用。如果我们要想显示这8个用户自定义的字符，操作方法和显示CGROM的一样，先设置DDRAM位置，再向DDRAM写入字符码，显示是直接取CGRAM的数据。这里没用用到在此不在赘述起原理方法。下面是1602与单片机的连线图。图3.9 LCD1602模块连线图4.软件设计4.1 HMC5883L与单片机通信软件设计HMC5883L传感器模块是一款集成IIC总线借口的数字传感器，然而S

42、TC89C52单片机上没有IIC接口，所以我们就用模拟的方式就行通信，在STC89C52单片机上模拟IIC通讯时序，再将通讯时许与HMC5883L进行通信，HMC5883L有两种读取字节的方式，其一单字节读取，其二读字节读取，在这里我用多字节的方式进行试验，一次性将测量到的X、Y、Z的值读到单片机里面，设计构思如下图： 开 始 IIC Start写信号 发送设备地址 发送读取单元地址 IIC Start 读信号 连续读取磁场数据读完？IIC Stop信号是否图4.1 HMC5883L模块与单片机通信软件流程图4.2 LCD1602人机界面软件设计本设计采用LCD1602作为显示设备，显示的信息

43、包括当前方位信息与与地理南极的夹角信息（角度制）。我们从HMC5883L得出地磁方向在X与Y轴上的磁场强度分量，采用atan2( )这个函数得出其与地理北极之间的夹角（弧度），再通过弧度到角度的转换，得到角度值，最后加上180，使其变为与南极之间的夹角，而且所有值变为正数，方便处理。得到度数后，根据我们预先设定好的角度范围，判断当前所在哪个方位，并在LCD1602上显示，然后将其乘以10倍，变为整数，通过转换，在LCD1602上显示与南极夹角的值，具体设计思路如下： 开始 处理传感器信息 判断、显示方位 转换为液晶显示数据 显示夹角 结束图4.2 LCD1602人机界面软件流程图4.3 系统总

44、体软件设计本文的设计思路就是将三轴磁阻传感器采集到的数据经过I2C总线接口与单片机进行通信，单片机将处理好的数据返回到显示屏上，这样我们就能够看到此时的方位角了。该设计由于HMC5883L集成电路模块自带有AD模拟数字信号转换装置所以就不需要另外安装AD芯片，省去了很大一部分工作。由于改电路模块比较少，所以很多后续工作都放在软件上，STC89C52单片机处理速度较快，其晶振为12MHZ,但是延时电路不好控制，其中定时器很大程度浪费了一定的资源，电子罗盘设计对于其中的一些模块在延时方面有一定的要求，经过查阅相关文献资料，我采用了别人已经运用在STC单片机上的延时函数集，确保了函数的正常工作，当系

45、统每次采集完数据之后，就立马送到1602液晶显示屏上相识出来，具体框图如下： 开始初始各模块 显示角度信息转换为液晶显示数据判断、显示方位获取传感器数据数据处理 图4.3 系统总体软图4.3 系统总体软件流程图第 54 页 共 42 页5.系统调试经测试，在条件下进行工作下。在方向的确定上，我们结合手机上自带的电子罗盘对设计进行调试，校准HMC5883L模块的方向。图5.1 液晶显示图6.结论该电子指南针设计模块简单，集成性比较好，测量误差能达到0.1，能够用在航海、地质勘探、汽车导航等方面。但LCD1602液晶为单色字符液晶，显示能力有限，如果采用更高级的嵌入式处理器，拥有足够的速度和存储器

46、，可以采用TFT液晶等较好的显示设备，将人机界面做得更加完善。本次设计中运用到了HMC5883L传感器和ADXL202重力加速度计，由于ADXL202不需要外接AD模块，直接接到单片机上，另外HMC5883L集成模块已经有了内部的模拟数字信号转换和运放电路，故本次设计就不需要外界AD模块，系统能在任意姿态下测出此时的航向角。在设计中，模拟IIC通讯是非常重要的软件设计环节，软件的优化可以为通信节省更多的资源和时间，我们采用了51单片机状态寄存器的CY位作为通信数据位进行数据交换，免去重新在RAM里定义数据变量，做到了一个资源优化。在液晶显示中，上一次显示的数据如果不能被下次显示的数据覆盖掉，就

47、要及时清除，而如果采用命令清屏，就会使屏幕闪烁很厉害，所以我们才用用空格字符覆盖的方式，及时清除上一次显示的内容，方便下次数据的显示。在以后的实践中，应当注意这些软件设计上的问题，让系统运行更加稳定流畅。7.总结与体会在历时一个月多月的不懈努力后，顺利完成了本次电子设计的任务，通过这次设计的锻炼，让我我充分认识了自己的动手能力，实践能力，从另一方面来讲经也是对我以后工作能力的培养和考察。当今社会是一个科技高度发展的社会，单片机应用越来越广泛，这就更加让我对学习单片机更有兴趣。本次设计本身就比较简单，在整个设计过程中每一步都自己亲手制作，在此过程中也曾遇到过很多问题，继而就会想办法去如何解决它，以此同时不仅学到了很多东西，还大大提升了自己自主解决问题的能力。这次设计实验的重难点就在于程序的编写，要给单片机写入程序并保证各模块能够按预期的目标运作是非常困难的，必须