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基于单片机的电子指南针设计(毕业论文).doc

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1引言
2 系统总体方案设计
2.2 信号采集处理的原理
3 硬件电路设计
3.1 主控电路
3.2 串口通信电路
3.3 指南针模块和接口电路
3.5 液晶显示电路
4 软件设计
4.1 主监控程序
4.2 实时时钟驱动
4.3 人机界面驱动
4.3.1 液晶模块驱动
4.3.2 键盘驱动
4.4指南针模块驱动
5 测试结果
6 总结
参考文献
致 谢
学科分类号 0806 本科生毕业设计报告书 题目(中文): 基于单片机的电子指南针设计 (英文): The Design of Electronic Compass Based on MCU 学生姓名: 学 系 专 号: 0810404019 别: 物理与信息工程系 业: 通信工程 指导教师: 起止日期: 2011 年 12 月-2012 年 5 月 2012 年 5 月 18 日 怀化学院本科毕业设计报告书诚信声明
作者郑重声明:所呈交的本科毕业设计,是在指导老师 的指导下,独立进行研究所取得的成果,成果不存在知识产 权争议。除文中已经注明引用的内容外,报告书中不含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的成果。对毕业设计做出 重要贡献的个人和集体均已在文中以明确的方式标明。本声 明的法律结果由作者承担。 本科毕业设计报告书作者签名: 年 月 日 目 录
摘要………………………………………………………………………………… Ⅰ 关键词……………………………………………………………………………… Ⅰ Abstract…………………………………………………………………………… Ⅰ Key words……………………………………………………………………………Ⅰ 1 引言……………………………………………………………………………… 1 2 系统总体方案设计……………………………………………………………… 3 2.1 系统总体框图……………………………………………………………… 3 2.2 信号采集处理的原理……………………………………………………… 4 3 硬件电路设计…………………………………………………………………… 7 3.1 主控电路…………………………………………………………………… 7 3.2 串口通信电路……………………………………………………………… 10 3.3 指南针模块和接口电路…………………………………………………… 11 3.4 实时时钟电路……………………………………………………………… 14 3.5 液晶显示电路……………………………………………………………… 15 3.6 按键输入电路……………………………………………………………… 16 4 软件设计………………………………………………………………………… 17 4.1 主监控程序………………………………………………………………… 17 4.2 实时时钟驱动……………………………………………………………… 14 4.3 人机界面驱动……………………………………………………………… 19 4.3.1 液晶模块驱到………………………………………………………… 19 4.3.2 键盘驱动……………………………………………………………… 19 4.4 指南针模块驱动…………………………………………………………… 19 5 测试结果……………………………………………………………………… 20 6 总结…………………………………………………………………………… 21 参考文献…………………………………………………………………………… 22 致 附 谢…………………………………………………………………………… 23 录……………………………………………………………………………
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基于单片机的电子指南针设计 摘 要 指南针是我国的四大发明之一,早期的指南针采用了磁化指针和方位盘的组 合方式,这样的指南针携带起来很不方便,且指示灵敏度上有一定不足,准确性 很差。本文通过对电子指南针基本工作原理的研究分析,采用磁阻(GMR)传感 器采集某一方向磁场强度,然后通过 MCU 控制器对其进行处理并显示上传,达到 了显示当前所指方向的目的。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,并能通过键盘控制上传数据到上位机。这样的指南针精度更高, 更智能,在大大提高了精度的同时,也降低了成本和设计难度。 电子指南针;磁阻传感器;单片机;液晶显示器 关键词 The Design of Electronic Compass Based on MCU Abstract One of the China's four great inventions is a compass, early compass pointer and orientation using magnetic disk combination, it is not convenient to carry such a compass. and instructions to have insufficient sensitivity and accuracy is poor. This article through to the electronic compass basic on working principle of research and analysis, using magnetic resistance (GMR) sensors to collect a certain direction magnetic field intensity, and then through the MCU controller for the treatment and display the upload to display the current pointed direction of purpose. The actual test compass module, up to 1 ° accuracy, it can be displayed on LCD and the current position, and through the keyboard control upload data to the PC. Such a compass not only higher accuracy, more intelligent, greatly improving the accuracy, but also reduce the cost and difficulty of design. Electronic Compass; GMR; MCU; LCD Key words Ⅰ
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。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 1
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 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。 2
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。 2 系统总体方案设计 2.1 系统总体框图 本系统采用磁阻(GMR)传感器采集磁场强度,然后把磁场强度 转换成数字量,单片机再对这些数字量进行处理,最后将处理得到的 结果进行显示。 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 2.1 所示。 3
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