电子指南针设计.doc

1、本科生毕业论文(设计) 电子指南针设计院系名称姓名学号专业指导教师 年 4 月 17 日摘要早期的指南针采用了磁化指针和方位盘的组合方式，整个指南针从便携性、指示灵敏度上都有一定不足，极易受到外界因素的干扰。本系统采用专用的磁场传感器结合高速微控制器（MCU）的电子指南针能有效解决这些问题。 系统采用了磁阻（GMR）传感器采集某一方向磁场强度后通过MCU控制器对其进行处理并显示上传，通过对电子指南针硬件电路和软件程序的分析，阐述了电子指南针基本的工作原理及实现。实际测试指南针模块精度达到1，能够在LCD上显示当前方位并能通过键盘控制实现磁场校准，磁偏角补偿，重新设定等功能。 关键词电子指南针；

2、磁阻传感器；单片机；液晶 AbstractSince the early use of a magnetic compass and direction-pointer of the composition, the entire compass from scratch, on the instructions of a certain sensitivity of the defect. Using a dedicated high-speed magnetic sensors with microcontroller (MCU) electronic compass can effect

3、ively solve these problems. The system is designed by the reluctance (GMR) sensors collecting a certain direction through the magnetic field strength after the MCU Controller its judgement will be dealt with the results, through the LCD screen display and can be sent to the MCUs top serial Machine.

4、The actual test compass module can reach 1 , in the LCD display on the current position and through the keyboard control can realize functions like the magnetic field calibration, Magnetic declination, Reset etc. Key words: electronic compass; GMR; MCU; LCD 目录1引言- 4 -2课题背景- 5 -3系统总体框图- 7 -4硬件部分- 8 -

5、4.1系统控制模块- 8 -4.2 液晶显示电路- 10 -4.3 按键输入电路- 11 -4.4指南针模块串口- 12 -4.5实时时钟模块- 12 -5软件部分- 14 -5.1 主监控程序- 14 -5.2指南针驱动模块- 14 -5.3键盘驱动- 15 -6总结- 16 -参考文献- 17 -致谢- 18 -附录- 19 -1引言 指南针是用以判别方位的一种简单仪器，又称指北针。指南针的前身是中国古代四大发明之一的司南。主要组成部分是一根装在轴上可以自由转动的磁针。磁针在地磁场作用下能保持在磁子午线的切线方向上。磁针的北极指向地理的北极，利用这一性能可以辨别方向。中国是世界上公认发明指

6、南针的国家。指南针的发明是我国汉族劳动人民在长期的实践中对物体磁性认识的结果。由于生产劳动，人们接触了磁铁矿，开始了对磁性质的了解。人们首先发现了磁石吸引铁的性质，后来又发现了磁石的指向性。经过多方面的实验和研究，终于发明了实用的指南针。2课题背景指南针是用以判别方位的一种简单仪器，又称指北针。指南针的前身是中国古代四大发明之一的司南。主要组成部分是一根装在轴上可以自由转动的磁针。磁针在地磁场作用下能保持在磁子午线的切线方向上。磁针的北极指向地理的北极，利用这一性能可以辨别方向。 中国是世界上公认发明指南针的国家。指南针的发明是我国汉族劳动人民在长期的实践中对物体磁性认识的结果。由于生产劳动，

7、人们接触了磁铁矿，开始了对磁性质的了解。人们首先发现了磁石吸引铁的性质，后来又发现了磁石的指向性。经过多方面的实验和研究，终于发明了实用的指南针。最早的指南针是用天然磁体做成的，据古书记载，远在春秋战国时期，由于正处在奴隶制社会向封建社会过渡的大变革时期，生产力有了很大的发展，特别是农业生产更是兴盛发达，因而促使了采矿业、冶炼业的发展。在长期的生产实践中，人们从铁矿石中认识了磁石。它是用天然磁石制成的。样子象一把汤勺，圆底，可以放在平滑的“地盘”上并保持平衡，且可以自由旋转。当它静止的时候，勺柄就会指向南方。古人称它为“司南”。 司南由青铜盘和天然磁体制成的磁勺组成，青铜盘上刻有二十四向，置磁

8、勺于盘中心圆面上，静止时，勺尾指向为南。 但司南也有许多缺陷，天然磁体不易找到，在加工时容易因打击、受热而失磁。所以司南的磁性比较弱，而且它与地盘接触处要非常光滑，否则会因转动摩擦阻力过大，而难于旋转，无法达到预期的指南效果。而且司南有一定的体积和重量，携带很不方便，使得司南长期未得到广泛应用。 随着人们对指南针原理认识的不断深入，指南针也由先前笨重的“司南”发展到现在的便携式的指南针。但其基本构造是没有改变的，都是属于机械的指针式，其指示的机械结构基本上没有改变，都是利用某种支撑使得磁针能够受到地磁场的影响而自由的旋转。由于机械的先天因素导致了指针式指南针在便携性、灵敏度、精度以及使用寿命上

9、都有一定的限制。由于国内外电子技术的飞速发展，特别是在磁传感器和专用芯片（ASIC）上的发展使能指南针的基本实现机理有了质的改变，不再是机械结构而采用了磁场传感器和专用处理器对磁场进行测量和处理后指示方向，这就是当前应用较为广泛的电子式指南针。电子指南针全部采用固态元件，可以用简单的方法与其它电子系统进行连接，完成新产品的开发。电子指南针具有体积小、精度高、稳定性好等特点，因为它的这些优异性，在工业、军事、生活等领域都有着广泛的应用，并且它可以替代旧式的针式指南针或罗盘式指南针。 本课题针对电子指南针的各个功能部件对电子指南针的关键部分做了详细的研究。采用单片机做为系统的核心控制芯片，而单片机

10、的接口是数字信号的，想要它能够处理地球的磁场状况，必须要把磁场信号转化成电信号（电压或电流），然后经过模数转换，把模拟的电信号转化成单片机可以处理的数字信号。把所得的数字信息通过主控制器进行处理，然后用人机界面表现出来，供我们来读取和应用。子指南针系统是一个单片机系统，了解其工作原理及其信号处理流程有利于研究复杂的嵌入式系统，特别是系统中采用进口的磁传感器及其相关信号的采集芯片更是有利于研究磁场传感器的实现机理，以便将其更加广泛的应用。指南针是一个重要的导航工具，甚至在GPS中也会用到。随着电子技术的飞速发展，特别是在磁传感器和专用芯片上的发展使指南针的基本实现机理有了质的改变，不再是机械结构

11、而采用了磁场传感器和专用处理器对磁场进行测量和处理后指示方向，这就是当前应用较为广泛的电子式指南针。电子指南针替代旧的指针式指南针或罗盘指南针，因为电子指南针全采用固态的原件，还可以简单地和其他电子系统接口。电子指南针系统中磁场传感器的磁阻（MR）技术是最佳的解决方法，和现在很多电子指南针还在使用的磁通量传感器相比较，MR技术不需要绕线圈而且可以用集成电路（IC）生产过程生产，是一个更值得使用的解决方案。3系统总体框图本系统电子指南针的系统主要由前端磁阻传感器、磁场测量专用转换芯片、单片控制器、辅助扩展电路、键盘、显示模块以及系统电源几个部分组成1 ，系统结构如图所示。4硬件部分4.1系统控制

12、模块本次设计中采用了高速51内核MCU，具体型号为STC89C52和高速51内核MCU，具体型号为DS89C450两种单片机做对比，实验证明，型号为DS89C450比较理想。理由如下：高速51内核MCU，具体型号为STC89C52，高速8051架构，每个机器周期一个时钟，最高频率33MHz，单周期指令30ns，双数据指针，支持四种页面存储器访问模式。其控制器内部结构支持片内8KB闪存，在应用编程，可通过串口实现在系统编程。四路8位并行I/O端口，三个定时器，512字节暂存RAM。支持电源管理模式，可编程的时钟分频器，自动的硬件和软件退出低功耗。外设特性：两路全双工串口、可编程看门狗定时器、五级

13、中断优先级、电源失效复位。高速51内核MCU，具体型号为DS89C450，高速8051架构，每个机器周期一个时钟，最高频率33MHz，单周期指令30ns，双数据指针，支持四种页面存储器访问模式。片内64KB闪存，在应用编程，可通过串口实现在系统编程，MOVX可访问的1KB SRAM。与8051系列端口兼容，四路双向，8位I/O端口，三个16位定时器，256字节暂存RAM。支持电源管理模式，可编程的时钟分频器，自动的硬件和软件退出低功耗。外设特性：两路全双工串口、可编程看门狗定时器、13个中断源、五级中断优先级、电源失效复位、电源失效早期预警中断和可降低EMI3。与51单片机相比,DS89C45

14、0还具有一些增强的功能。DS89C450的P2口的某些位可以配置成特殊功能来使用，像P20，P21，P22可以配置成SPI总线接口，SPI接口可以配置成主模式，配置方法可参照表端口增强功能SS（从模式选择输入）接高电平P20MOSI（主模式数据输出从模式数据输入）P21MISO（主模式数据输入从模式数据输出）P22SCK（主时钟输出从时钟输入）由表可知，主/从模式的选取是直接通过接高电平来决定，低电平为从模式，高电平为主模式。在本设计中选择主模式，P2口的0到2口作为SPI接口使用，与前端的磁场强度采集模块相连。液晶模块的接口主要接在P0口各P2口上，P0口用来传输数据和地址，P2口用来控制液

15、晶模块的工作情况。按键键盘和实时时钟模块的接口主要接在P1上，实时时钟模块采用了IIC总线接口，接到P1口的1和2脚。1脚用来传输时钟信号，2脚用来传输数据信号。P1口剩下的3到8脚供按键键盘输入使用。整个系统的控制部分主要完成对指南针模块数据的读取和处理并将数据的处理结果通过控制人机界面显示出来，同时监控键盘的输入以便完成系统功能设定等操作。DS89C450微控制器内部自带2个通用串行口直接引出即可用，由于系统需要和上位机（本系统中为PC机）进行数据通信，接口电平需要转换使其满足RS-232标准4控制部分电路如图所示，其中包含了微控制器、LCD接口电路、端口上拉电阻、系统时钟电路和指南针模块接口电路。整个微控制系统中采用了无源晶振的形式发生MCU所需要的时钟信号。具体电路如图所示。时钟电路中的两个电容用作补偿，使得晶振更容易起振，频率更加稳定。系统的复位采用了上电复的形式，上电过程中微控制器复位引脚保证10ms以上的高电平就能可靠的将