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基于51系列单片机的电子罗盘设计总结报告.docx

发布时间：2022-06-15 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.42M 资料格式：docx 举报 版权申诉
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    目录
    一、摘要
    二、课题任务
    三、背景知识
    3.1 罗盘的发展历史和课题背景
    3.2 磁阻效应式电子罗盘原理
    四 模块方案的选择
    4.1方案一：PLC控制
    4.2方案二:使用霍尼韦尔HMC5883L各向异性磁阻传感电路
    4.3方案三：51系列单片机
    五、系统总体方案设计
    六、硬件系统模块设计与实现
    6.1单片机模块
    6.2磁阻传感器模块
    6.3显示器模块
    七、软件系统模块的设计与实现
    7.1 HMC5883L与单片机通信软件设计
    7.2 LCD12864人机界面软件设计
    八、 实验总结
    参考文献
    附 录
    电路图：
    实物图：
    完整程序
    1. 相关函数定义及硬件驱动程序：
    2. 头文件，相关函数声明及硬件端口定义：
    3.主程序（指南针指针图形、方向、角度的显示）:
    中国**大学 基于 51 系列单片机的电子指南针设计总结报告 电子综合设计 小组成员： 孙 * 冯 * 陈 * * *
    目录 一、 摘要 二、 课题任务 三、 背景知识 3.1 罗盘的发展历史和课题背景 3.2 磁阻效应式电子罗盘原理 四、模块方案的选择 4.1 方案一 4.2 方案二 4.3 方案三 五、系统总体方案设计 六、硬件系统模块设计与实现 6.1 单片机模块 6.2 罗盘模块 6.3 显示模块 七、软件系统模块设计与实现(包括系统调试、数据处理) 八、实验总结 九、参考文献 十、附录
    一、摘要 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。电子指南针系统是一个典型的单片机系统，了 解其工作原理及其信号处理流程有利于研究更加复杂的嵌入式系统，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。 二、课题任务 以指南针为设计目标,设计出膏精度的电子指南针. 要求如下：  精确地显示所指的方向，显示精度为 0.1  可以测量到的方向信息形象地显示在 LCD12864 液晶屏上  可以通过按键对电子指南针进行实际的操作  给出设计思路、系统框图、电路、作品照片和完整程序 三、背景知识 3.1 罗盘的发展历史和课题背景 通常的导航仪器主要有两种：陀螺罗经和磁罗盘。对地磁场测量方向的仪器 叫做磁罗盘。我国发明指南针就是一个简易的磁罗盘，对整个人类社会发展做出 巨大贡献。在公元 50 年左右，磁石已经被运用到导航航啦，并且研制出了司南。 在公元 960-1127 年时候，支撑是的指南针——指南龟被研制出来。到 20 世纪 初，随着工业的发展，罗盘制造工艺也得到了飞速的发展，材料的选择和机械制 造使得罗盘的性能有了显著地提高。尤其是是机械式磁罗盘，现在某些情况下依 然使用机械式磁罗盘 [1]。到了 20 世纪出，陀螺罗盘的问世，对罗盘又是一场革 命。罗盘感应这地球的自转，磁性物质对其没有影响。使得陀螺罗盘的标度盘非
    常稳定，读取数据更加精确。当代 GPS 虽然有广泛的应用，但是信号经常被物体 所遮挡，使其精度大打折扣。有效性也大大降低。数字电子罗盘系统则将填补这 一个不足，采用地磁场的工作原理，无论何时何地磁场的水平分量永远指向地磁 北极，对 GPS 信号进行有效补偿。 随着科技发展和道路建设完善，汽车会给人们生活极大方便，汽车将会普及 在我们生活中。电子罗盘定向系统将会出现每一辆汽车里；届时很多人会开自己 的车旅游，回家，谈生意等等，当置于一个陌生的环境中，导航定向对于行车安 全非常重要。所以，迫切需要研究出一种低功耗，便于携带，内置磁场感应器， 系统稳定，并且能完成精确定向的微系统，而本课题设计就是研究出一个数字电 子罗盘，专门解决这个问题而产生的。 本设计系统基于单片机开发平台，选取磁阻传感器作为敏感元件，采用两轴 设计和补偿设计方案，使用超低功耗控制器 51 单片机作为传感器数据计算方向 的小型低功耗电子罗盘系统。 3.2 磁阻效应式电子罗盘原理 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 θ决定。把磁场 M 加 在磁性材料上，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， θ 角增大，电阻阻值将减小；如果平行，即 θ 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]。
    图 1.1 磁阻效应原理 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]。 四 模块方案的选择 4.1 方案一：PLC 控制 采用可编程逻辑系统 PLC 控制。PLC 是一种数字式运算操作的电子系统，集成度高，工 作稳定可靠，且外围接口多，编程方便，用户在硬件方面的设计工作只是确定 PLC 的硬件配 置和 I/O 的外部接线即可，是专为工业环境下的系统应用而设计的。它采用可编程序的存储 器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术等操作指令，并通过数 字式、模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程[2]。但其造价昂贵，大批量生产 费用很高，不适用于本设计电子指南针。故不选用此方案。 4.2 方案二:使用霍尼韦尔 HMC5883L 各向异性磁阻传感电路 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、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 3.0×3.0×0.9mm。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。HMC5883L 采用霍尼韦尔各向异 性磁阻(AMR)技术，该技术领先于其他磁传感器技术。这些各向异性传感器具有在轴向高灵 敏度和线性高精度的特点.传感器具有的对正交轴的低灵敏度的固相结构能用于测量地球磁 场的方向和大小，其测量范围从毫高斯到 8 高斯(gauss)。霍尼韦尔的磁传感器在低磁场传 感器行业中是灵敏度最高和可靠性最好的传感器。
    图 4.2 HMC5883L 传感器引脚图 通过对比各传感器特点我们了解到它们的优缺点，HMC5883L 三轴磁阻传感器和 ASIC 都 被封装在一起了，不需要外接 ASIC，而 12-bit ADC 与低干扰 AMR 传感器，能在±8 高斯的 磁场中实现 2 毫高斯的分辨率，且内置驱动器，显得更为优越。霍尼韦尔的磁传感器在低磁 场传感器行业中是灵敏度最高和可靠性最好的传感器。综上我们选择传感器方案三，使用霍 尼韦尔 HMC5883L 各向异性磁阻传感电路。 4.3 方案三：51 系列单片机 51 系列单片机的优点之一是它从内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统，称作 位处理器，或布尔处理器，它能进行位操作。它不仅能对片内某些特殊功能寄存器的某位进 行处理，如传送、置位、清零、测试等，还能进行位的逻辑运算，其功能十分完备，使用起 来得心应手。虽然其他种类的单片机也具有位处理功能，但能进行位逻辑运算的实属少见。 51 系列在片内 RAM 区间还特别开辟了一个双重功能的地址区间，十六个字节，单元地址 20H～ 2FH，它既可作字节处理，也可作位处理，使用极为灵活。这一功能无疑给使用者提供了极 大的方便，因为一个较复杂的程序在运行过程中会遇到很多分支，因而需建立很多标志位， 在运行过程中，需要对有关的标志位进行置位、清零或检测，以确定程序的运行方向。而实 施这一处理，只需用一条位操作指令即可。51 系列的 I/O 脚的设置和使用也非常简单，当 引脚为低电平时，吸入电流可达 20mA，具有一定的驱动能力。 BACK 本次设计的电子指南针，出于实用角度，设计目的在于要求体积小，并且功能完备，因
    此要求控制器体积小，以便能够在运用过程中实现便携性。51 系列单片机具有体积小、编 程灵活、外设多样、易于扩展等优点，可以实现多种控制功能，广泛地应用于各种电路控制 系统中。由于 51 系列单片机技术成熟，加上其多功能，低功耗等特点，能满足不同系统的 应用需要。相比之下，51 系列单片机最大的优点就是生产成本低，市售价格便宜，操作简 单，适用于小型电路产品开发，方便大批量生产以其为核心的设备，且都能满足电路系统的 要求[3]。 综上所述，本次设计采用 51 系列的 STC89C52 单片机作为主控芯片。 五、系统总体方案设计 数字电子罗盘 3 大模块分别是：传感器模块、数据采集模块和 MCU 模块。需 要硬件有： 磁阻传感器、 双轴加速度传感器、AD 转换器以及单片机的磁阻式 电子罗盘。硬件总体框图如下： 图中磁阻传感器、 双轴加速度传感器、AD 转换器为一块 HMC5883L 模块 六、硬件系统模块设计与实现 6.1 单片机模块 STC89C52 为系统控制器。兼容 MCS51 指令系统，8kB 可反复擦写(大于 1000 次）Flash ROM；32 个双向 I/O 口；256x8bit 内部 RAM；3 个 16 位可编程定时/ 计数器中断；时钟频率 0-24MHz；2 个串行中断，可编程 UART 串行通道；2 个
    外部中断源，共 8 个中断源；2 个读写中断口线，3 级加密位；低功耗空闲和掉 电模式，软件设置睡眠和唤醒功能；单片机处理数据能力强，编程自由，方便， 可用实现算法和逻辑方面的控制[7]，并且由于其低功耗、尺寸小、性能稳定、 价格便宜，使其在各个领域应用广泛 6.2 磁阻传感器模块 磁阻式传感器是本系统信号采集的关键部件，因此传感器的选择变的尤为重 要。目前的电子罗盘传感器主要分为磁通门、磁阻式和霍尔元件三种。 磁阻传感器的电子罗盘抗噪声好，温度稳定性好、尺寸小、精度高、可靠性强、 响应速度快等优点，是未来电子罗盘的发展方向。为了更好地选择传感器，我去 了解磁罗盘的现状及其未来发展方向；弄懂磁阻效应，磁阻传感器的工作原理和 输出信号特征。 这里我根据需求，采用 HMC5883 作为本系统的传感器。HMC5883 是霍尼韦尔公 司推出的三轴数字罗盘传感器 ，专门为带有一个数字接口的低场磁传感器而设 计，应用于诸如低成本罗盘和测磁学领域。HMC5883L 采用霍尼韦尔各向异性磁 阻(AMR)技术，该技术的优点是其他磁传感器技术所无法企及。这些各向 异性传 感器具有在轴向高灵敏度和线性高精度的特点.传感器带有的对于正交轴低敏感 行的固相结构能用于 测量地球磁场的方向和大小，其测量范围从毫高斯到 8 高 斯(gauss)。 6.3 显示器模块 采用LCD液晶显示屏作为系统的输出显示。LCD液晶显示主要特点有显示质量 高、功率小、数字式接口等。由处理器处理数据后在液晶屏显示行驶方向。LCD 有低压，低功耗等优点，所以应用非常广在控制系统中的硬件配置。 带中文字库的 128X64-0402B 每屏可显示 4 行 8 列共 32 个 16×16 点阵的汉 字，每个显示 RAM 可显示 1 个中文字符或 2 个 16×8 点阵全高 ASCII 码字符，即 每屏最多可实现 32 个中文字符或 64 个 ASCII 码字符的显示。带中文字库的 128X64-0402B 内部提供 128×2 字节的字符显示 RAM 缓冲区（DDRAM）。字符显 示是通过将字符显示编码写入该字符显示 RAM 实现的。根据写入内容的不同，可 分别在液晶屏上显示 CGROM（中文字库）、HCGROM（ASCII 码字库）及 CGRAM（自 定义字形）的内容。三种不同字符/字型的选择编码范围为：0000～0006H（其代 码分别是 0000、0002、0004、0006 共 4 个）显示自定义字型，02H～7FH 显示半 宽 ASCII 码字符，A1A0H～F7FFH 显示 8192 种 GB2312 中文字库字形。字符显示
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