電子指南針設(shè)計(jì)報(bào)告正文

1、目錄1.前言12.總體方案設(shè)計(jì)22.1 傳感器方案論證與選擇22.2 單片機(jī)方案選擇42.3 總體方案設(shè)計(jì)思想及框圖63.硬件電路設(shè)計(jì)83.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)83.2 串口電路93.3 hmc5883l傳感器模塊103.4 lcd1602液晶屏模塊124.軟件設(shè)計(jì)174.1 hmc5883l與單片機(jī)通信軟件設(shè)計(jì)174.2 lcd1602人機(jī)界面軟件設(shè)計(jì)184.3 系統(tǒng)總統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)185.系統(tǒng)調(diào)試186.結(jié)論207.總結(jié)與體會(huì)19致謝20參考文獻(xiàn)21附錄a:電子指南針整機(jī)電路圖和實(shí)物圖22附錄b:1602液晶模塊字符存儲(chǔ)器23附錄c:電子指南針程序源代碼241.前言指南針是用以判別方位的一種簡(jiǎn)單

2、儀器,是一種重要的導(dǎo)航工具，可應(yīng)用在多種場(chǎng)合中。指南針的前身是中國(guó)古代四大發(fā)明之一的司南。主要組成部分是一根裝在軸上可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)的磁針。磁針在地磁場(chǎng)作用下能保持在磁子午線的切線方向上。磁針的北極指向地理的北極，利用這一性能可以辨別方向。常用于航海、大地測(cè)量等方面。隨著人們對(duì)指南針原理認(rèn)識(shí)的不斷深入，指南針也由先前笨重的“司南”發(fā)展到現(xiàn)在的便攜式的指南針。但其基本構(gòu)造是沒有改變的，都是屬于機(jī)械的指針式，其指示的機(jī)械結(jié)構(gòu)基本上沒有改變，都是利用某種支撐使得磁針能夠受到地磁場(chǎng)的影響而自由的旋轉(zhuǎn)。由于機(jī)械的先天因素導(dǎo)致了指針式指南針在便攜性、靈敏度、精度以及使用壽命上都有一定的限制。由于國(guó)內(nèi)外電子技術(shù)

3、的飛速發(fā)展，特別是在磁傳感器和專用芯片上的發(fā)展使能指南針的基本實(shí)現(xiàn)機(jī)理有了質(zhì)的改變，不再是機(jī)械結(jié)構(gòu)而采用了磁場(chǎng)傳感器和專用處理器對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量和處理后指示方向，這就是當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的電子式指南針。電子指南針內(nèi)部結(jié)構(gòu)固定，沒有移動(dòng)部分，可以簡(jiǎn)單地和其它電子系統(tǒng)接口，因此可代替舊的磁指南針。并以精度高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)得到了廣泛運(yùn)用。本設(shè)計(jì)采用honeywell公司的各向異性磁阻(amr)傳感器芯片hmc5883l?；裟犴f爾hmc5883l是一種表面貼裝的高集成模塊，并帶有數(shù)字接口的弱磁傳感器芯片，hmc5883l包括最先進(jìn)的高分辨率hmc118x系列磁阻傳感器，并附帶霍尼韋爾專利的集成電路包括放

4、大器、自動(dòng)消磁驅(qū)動(dòng)器、偏差校準(zhǔn)、能使指南針精度控制在1°2°的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。簡(jiǎn)易的i2c系列總線接口。hmc5883l采用霍各向異性磁阻(amr)技術(shù)，該技術(shù)領(lǐng)先于這些各向異性傳感器具有在軸向高靈敏度和線性高精度的特點(diǎn)。傳感器具有的對(duì)正交軸的低靈敏度的固相結(jié)構(gòu)能用于測(cè)量地球磁場(chǎng)的方向和大小，其測(cè)量范圍從負(fù)8高斯到 8 高斯(gauss)。本文介紹了電子指南針的工作原理及電路硬件及軟件的設(shè)計(jì)，同時(shí)給出了其抗干擾設(shè)計(jì)以及信號(hào)和數(shù)據(jù)的處理方法。2.總體方案設(shè)計(jì)如今電子技術(shù)發(fā)展飛速，電子指南針的設(shè)計(jì)也存在著多種方案選擇，每種方案各有所長(zhǎng)，因此我們要根據(jù)自己的實(shí)際情況選擇相應(yīng)的硬

5、什設(shè)備進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。2.1 傳感器方案論證與選擇方案一:利用兩軸磁傳感器hmc1052hmc1052是一個(gè)雙軸線性磁傳感器，和其它hmc10xx系列傳感器一樣，每個(gè)傳感器都有一個(gè)由磁阻薄膜合金組成的惠斯通橋。當(dāng)橋路加上供電電壓，傳感器將磁場(chǎng)強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為電壓輸出，包括環(huán)境磁場(chǎng)和測(cè)量磁場(chǎng)。hmc1052包含兩個(gè)敏感元件，它們的敏感軸互相垂直。敏感元件a和b，共存于單硅芯片中，完全正交，且參數(shù)匹配。hmc1052的尺寸小，低工作電壓，而且消除了兩個(gè)敏感元件引起的非正誤差。除了惠斯通電橋，hmc1052有兩個(gè)位于芯片上的磁耦合帶，偏置帶和置位/復(fù)位帶。敏感元件a和b，都有這兩個(gè)帶。置位/復(fù)位帶，用于確保

6、精度。偏置帶，用于校正傳感器，或偏置任何不想要的磁場(chǎng)。在標(biāo)準(zhǔn)的10針外形(msop)中,兩個(gè)敏感元件可以獨(dú)立上電，用于減少功耗。然而，卻不能使用偏置帶。若需要偏置帶，可以用另一種封裝的hmc1052。圖2.1 hmc1052傳感器引腳圖方案二:采用philips公司生產(chǎn)的kmz52感應(yīng)磁場(chǎng)傳感器kmz52是philips公司生產(chǎn)的一種磁阻傳感器，是利用坡莫合金薄片的磁阻效應(yīng)測(cè)量磁場(chǎng)的高靈敏度磁阻傳感器。該磁阻傳感器內(nèi)置兩個(gè)正交磁敏電阻橋、完整的補(bǔ)償線圈和設(shè)置/復(fù)位線圈。補(bǔ)償線圈的輸出與當(dāng)前測(cè)量結(jié)果形成閉環(huán)反饋，使傳感器的靈敏度不受地域限制。這種磁阻傳感器主要應(yīng)用于導(dǎo)航、通用地磁測(cè)量和交通檢測(cè)。

7、該磁阻傳感器在金屬鋁的表面沉積了一定厚度的高磁導(dǎo)率的坡莫合金，在翻轉(zhuǎn)線圈和外界磁場(chǎng)兩個(gè)力的作用下，電子改變運(yùn)動(dòng)方向，使得磁敏電阻的阻值發(fā)生變化。同時(shí)kmz52的斑馬條電阻成45°放置，這使得電子在正反向磁場(chǎng)力作用下有較好的對(duì)稱性。由于加入了翻轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，kmz52的變化曲線與普通的磁敏電阻不同，更加線性化。kmz52磁阻傳感器的核心部分是惠斯通電橋，是由4個(gè)磁敏感元件組成的磁阻橋臂。磁敏感元件由長(zhǎng)而薄的坡莫合金薄膜制成。在外加磁場(chǎng)的作用下，磁阻的變化引起輸出電壓的變化。圖2.2 kmz52傳感器引腳圖方案三:使用霍尼韋爾hmc5883l各向異性磁阻傳感電路霍尼韋爾 hmc5883l 是一

8、種表面貼裝的高集成模塊，并帶有數(shù)字接口的弱磁傳感器芯片，應(yīng)用于低成本羅盤和磁場(chǎng)檢測(cè)領(lǐng)域。hmc5883l 包括最先進(jìn)的高分辨率hmc118x系列磁阻傳感器，并附帶霍尼韋爾專利的集成電路包括放大器、自動(dòng)消磁驅(qū)動(dòng)器、偏差校準(zhǔn)、能使羅盤精度控制在1°2°的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。簡(jiǎn)易的i2c 系列總線接口。hmc5883l 是采用無鉛表面封裝技術(shù)，帶有16 引腳，尺寸為3.0×3.0×0.9mm。hmc5883l 的所應(yīng)用領(lǐng)域有手機(jī)、筆記本電腦、消費(fèi)類電子、汽車導(dǎo)航系統(tǒng)和個(gè)人導(dǎo)航系統(tǒng)。hmc5883l采用霍尼韋爾各向異性磁阻(amr)技術(shù)，該技術(shù)領(lǐng)先于其他磁傳感器技

9、術(shù)。這些各向異性傳感器具有在軸向高靈敏度和線性高精度的特點(diǎn).傳感器具有的對(duì)正交軸的低靈敏度的固相結(jié)構(gòu)能用于測(cè)量地球磁場(chǎng)的方向和大小，其測(cè)量范圍從毫高斯到8高斯(gauss)。霍尼韋爾的磁傳感器在低磁場(chǎng)傳感器行業(yè)中是靈敏度最高和可靠性最好的傳感器。圖2.3 hmc5883l傳感器引腳圖通過對(duì)比各傳感器特點(diǎn)我們了解到它們的優(yōu)缺點(diǎn)，hmc5883l三軸磁阻傳感器和asic都被封裝在一起了，不需要外接asic，而12-bit adc與低干擾amr傳感器，能在±8高斯的磁場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)2毫高斯的分辨率，且內(nèi)置驅(qū)動(dòng)器，顯得更為優(yōu)越?；裟犴f爾的磁傳感器在低磁場(chǎng)傳感器行業(yè)中是靈敏度最高和可靠性最好的傳感器

10、。綜上我們選擇傳感器方案三，使用霍尼韋爾hmc5883l各向異性磁阻傳感電路。2.2 單片機(jī)方案選擇stc12c5a60s2/ad/pwm系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1t)的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12倍。內(nèi)部集成max810專用復(fù)位電路,2路pwm,8路高速10位a/d轉(zhuǎn)換(250k/s),針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。1.增強(qiáng)型8051 cpu，1t，單時(shí)鐘/機(jī)器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051；2.工作電壓：stc12c5a60s2系列工作電壓：5.5v-3.3v（5v單片機(jī)）stc12le5a60

11、s2系列工作電壓：3.6v-2.2v（3v單片機(jī)）；3.工作頻率范圍：0-35mhz，相當(dāng)于普通8051的0420mhz；4.用戶應(yīng)用程序空間8k /16k / 20k / 32k / 40k / 48k / 52k / 60k / 62k字節(jié)；5.片上集成1280字節(jié)ram；6.通用i/o口（36/40/44個(gè)），復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口/弱上拉（普通8051傳統(tǒng)i/o口），可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口/弱上拉，推挽/強(qiáng)上拉，僅為輸入/高阻，開漏，每個(gè)i/o口驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)到20ma，但整個(gè)芯片最大不要超過55ma；7. isp（在系統(tǒng)可編程）/iap（在應(yīng)用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器

12、，可通過串口（p3.0/p3.1）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片；8.有eeprom功能(stc12c5a62s2/ad/pwm無內(nèi)部eeprom)；9.看門狗；10.內(nèi)部集成max810專用復(fù)位電路（外部晶體12m以下時(shí)，復(fù)位腳可直接1k電阻到地）；11.外部掉電檢測(cè)電路:在p4.6口有一個(gè)低壓門檻比較器，5v單片機(jī)為1.32v，誤差為+/-5%,3.3v單片機(jī)為1.30v，誤差為+/-3%；12.時(shí)鐘源：外部高精度晶體/時(shí)鐘，內(nèi)部r/c振蕩器(溫漂為+/-5%到+/-10%以內(nèi)) 1用戶在下載用戶程序時(shí)，可選擇是使用內(nèi)部r/c振蕩器還是外部晶體/時(shí)鐘，常溫下內(nèi)部r/c振蕩器頻率為：5.

13、0v單片機(jī)為：11mhz15.5mhz，3.3v單片機(jī)為：8mhz12mhz，精度要求不高時(shí)，可選擇使用內(nèi)部時(shí)鐘，但因?yàn)橛兄圃煺`差和溫漂，以實(shí)際測(cè)試為準(zhǔn)；13.共4個(gè)16位定時(shí)器 兩個(gè)與傳統(tǒng)8051兼容的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,16位定時(shí)器t0和t1，沒有定時(shí)器2，但有獨(dú)立波特率發(fā)生器 做串行通訊的波特率發(fā)生器 再加上2路pca模塊可再實(shí)現(xiàn)2個(gè)16位定時(shí)器；14. 2個(gè)時(shí)鐘輸出口，可由t0的溢出在p3.4/t0輸出時(shí)鐘，可由t1的溢出在p3.5/t1輸出時(shí)鐘；15.外部中斷i/o口7路,傳統(tǒng)的下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷,并新增支持上升沿中斷的pca模塊， power down模式可由外部中斷喚醒，in

14、t0/p3.2,int1/p3.3,t0/p3.4, t1/p3.5, rxd/p3.0,ccp0/p1.3(也可通過寄存器設(shè)置到p4.2 ), ccp1/p1.4 (也可通過寄存器設(shè)置到p4.3)；16. pwm(2路）/pca（可編程計(jì)數(shù)器陣列,2路）：也可用來當(dāng)2路d/a使用也可用來再實(shí)現(xiàn)2個(gè)定時(shí)器也可用來再實(shí)現(xiàn)2個(gè)外部中斷(上升沿中斷/下降沿中斷均可分別或同時(shí)支持)；17.a/d轉(zhuǎn)換, 10位精度adc，共8路，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)250k/s(每秒鐘25萬次)18.通用全雙工異步串行口(uart)，由于stc12系列是高速的8051，可再用定時(shí)器或pca軟件實(shí)現(xiàn)多串口；19. stc12c5

15、a60s2系列有雙串口，后綴有s2標(biāo)志的才有雙串口，rxd2/p1.2(可通過寄存器設(shè)置到p4.2)，txd2/p1.3(可通過寄存器設(shè)置到p4.3)；20.工作溫度范圍：-40 - +85(工業(yè)級(jí)) / 0 - 75(商業(yè)級(jí))21.封裝：pdip-40,lqfp-44,lqfp-48 i/o口不夠時(shí)，可用2到3根普通i/o口線外接 74hc164/165/595（均可級(jí)聯(lián)）來擴(kuò)展i/o口,還可用a/d做按鍵掃描來節(jié)省i/o口，或用雙cpu,三線通信，還多了串口。2.3 總體方案設(shè)計(jì)思想及框圖下圖是地球某一點(diǎn)的地球磁場(chǎng)向量he的三維圖，其中x軸和y軸與地球表面平行，x為前進(jìn)方向，y為水平面上垂

16、直x的方向，he為地磁場(chǎng)強(qiáng)度，hex、hey分別為he在x、y方向的水平分量，為前進(jìn)方向與磁場(chǎng)北極的夾角，稱做方位角；為磁偏角，可以通過查表得知。x軸與南極的實(shí)際夾角大小為（+）。從而只要得到方位角的大小即可得知該水平面方位。由圖可知tan=hey/hex,所以只要求出y、x軸上的磁場(chǎng)強(qiáng)度之比heyhex，即可得到方位角的正切值。為磁傾角，he與水下面的夾角，可以用來校正水平面。磁場(chǎng)傳感器可以分別測(cè)量hex、hey、hez，并將其大小轉(zhuǎn)化為相應(yīng)強(qiáng)弱的電信號(hào)。但本系統(tǒng)并只做了x和y方向的測(cè)量。由于考慮到時(shí)間安排有限，z方向暫時(shí)不做，但本系統(tǒng)設(shè)計(jì)只要平拿平放并不影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。圖2.4 測(cè)量

17、原理分析圖通過以上測(cè)量分析思路所得傳感器信號(hào)，經(jīng)過單片機(jī)數(shù)據(jù)預(yù)處理和算法補(bǔ)償后在上傳到lcd1602a液晶屏上顯示。結(jié)合以上各方案選擇及設(shè)計(jì)思路可得出以下總體方案框圖。單片機(jī)最小系統(tǒng)hmc5883l(磁阻傳感器+asic)i2c電源lcd液晶顯示器圖2.5 總體方案設(shè)計(jì)框圖3.硬件電路設(shè)計(jì)對(duì)于一個(gè)完整的電子設(shè)計(jì)來講，首要問題就是為整個(gè)系統(tǒng)提供電源供電模塊，電源電路的穩(wěn)定可靠是系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的前提和基礎(chǔ)。電子設(shè)備除用電池供電外，還采用市電（交流電網(wǎng)）供電。通過變壓、整流、濾波和穩(wěn)壓后，得到穩(wěn)定的直流電。本次系統(tǒng)采用干電池供電，在此不在贅述此穩(wěn)壓電源電路原理。3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)要使單片機(jī)工作起來

18、，最基本的電路的構(gòu)成由單片機(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路等組成。單片機(jī)最小系統(tǒng)如下圖3.1所示。時(shí)鐘電路：本系統(tǒng)采用單片機(jī)內(nèi)部方式產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，用于外接一個(gè)12mhz石英晶體振蕩器和2個(gè)30pf微調(diào)電容，構(gòu)成穩(wěn)定的的自激振蕩器，其發(fā)出的脈沖直接送入內(nèi)部的時(shí)鐘電路。復(fù)位電路：確定單片機(jī)工作的起始狀態(tài)，完成單片機(jī)的啟動(dòng)過程。單片機(jī)系統(tǒng)的復(fù)位方式有上電自動(dòng)復(fù)位和手動(dòng)按鍵復(fù)位。本設(shè)計(jì)采用手動(dòng)按鍵復(fù)位，該復(fù)位方式同樣具有上電自動(dòng)復(fù)位功能。電路如下圖所示。圖3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)3.2 串口電路串口電路為單片提供與pc機(jī)連接端口，為單片機(jī)提供下載程序到單片機(jī)程序存儲(chǔ)器中。串口原理圖如圖3-2所示。串口也稱串行通信

19、接口，rs-232是目前最常用的一種串行通訊接口，由于其形狀和針腳數(shù)量的原因，其接頭又被稱為db9接頭。rs-232針腳定義: 2 rxd receive data 接收數(shù)據(jù) 、3 txd transmit data 發(fā)送數(shù)據(jù) 、5 gnd system ground 系統(tǒng)接地，一般就用到這幾個(gè)引腳max232芯片是專門為電腦的rs-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片,使用+5v單電源供電。max23內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本可分三個(gè)部分：第一部分是電荷泵電路：由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構(gòu)成，功能是產(chǎn)生+12v和-12v兩個(gè)電源，提供給rs-232串口電平的需要。第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道：由7、

20、8、9、10、11、12、13、14腳構(gòu)成兩個(gè)數(shù)據(jù)通道，其中13腳（r1in）、12腳（r1out）、11腳（t1in）、14腳（t1out）為第一數(shù)據(jù)通圖3.2 串口原理圖道，其中13腳（r1in）、12腳（r1out）、11腳（t1in）、14腳（t1out）為第一數(shù)據(jù)通道，8腳（r2in）、9腳（r2out）、10腳（t2in）、7腳（t2out）為第二數(shù)據(jù)通道。ttl/cmos數(shù)據(jù)從t1in、t2in輸入轉(zhuǎn)換成rs-232數(shù)據(jù)從t1out、t2out送到電腦dp9插頭；dp9插頭的rs-232數(shù)據(jù)從r1in、r2in輸入轉(zhuǎn)換成ttl/cmos數(shù)據(jù)后從r1out、r2out輸出第三部分是

21、供電：15腳dng、16腳vcc（+5v）。3.3 hmc5883l傳感器模塊1工作原理霍尼韋爾hmc5883l磁阻傳感器電路是三軸傳感器并應(yīng)用特殊輔助電路來測(cè)量磁場(chǎng)。通過施加供電電源，傳感器可以將量測(cè)軸方向上的任何入射磁場(chǎng)轉(zhuǎn)變成一種差分電壓輸出。磁阻傳感器是由一個(gè)鎳鐵(坡莫合金)薄膜放置在硅片上，并構(gòu)成一個(gè)帶式電阻元件。在磁場(chǎng)存在的情況下，橋式電阻元件的變化將引起跨電橋輸出電壓的相應(yīng)變化。這些磁阻元件兩兩對(duì)齊，形成一個(gè)共同的感應(yīng)軸(如引腳圖上的箭頭所示)，隨著磁場(chǎng)在感應(yīng)方向上不斷增強(qiáng)，電壓也會(huì)正向增長(zhǎng)。因?yàn)檩敵鲋慌c沿軸方向上的磁阻元件成比例，其他磁阻電橋也放置在正交方向上，就能精密測(cè)量其他方

22、向的磁場(chǎng)強(qiáng)度。2電源管理該器件可有兩種不同的供電模式。第一個(gè)是內(nèi)部運(yùn)作的vdd供電電源，第二個(gè)是為io接口供電的vddio電源，當(dāng)然vddio的電壓可以與vdd電源相近；單電源模式，或在vddio 電壓低于vdd 的情況下，hmc5883l都能正常運(yùn)作并能與其他裝置兼容。圖3.3 hmc5883l內(nèi)部示意圖3i²c接口控制該裝置可以通過i²c總線來實(shí)現(xiàn)。該裝置將作為從機(jī)在一個(gè)主機(jī)(例如：處理器)的控制下連接總線。該裝置必須符合i2c-bus specification（i2c-總線技術(shù)規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)），作為一個(gè)i2c 兼容裝置，該裝置包含一個(gè)7-bit串行地址，并支持i2c 協(xié)議

23、。這一裝置可以支持標(biāo)準(zhǔn)和快速模式，分別為100khz和400khz，但不支持高速模式(hs)。還需要外接電阻才能支持這些標(biāo)準(zhǔn)和快速模式。要求主機(jī)的活動(dòng)（寄存器的讀取和寫入）優(yōu)先于內(nèi)部活動(dòng)，例如：測(cè)量。這一優(yōu)先次序的安排是為了不讓主機(jī)等待，同時(shí)i²c總線占用的時(shí)間比必需的時(shí)間長(zhǎng)。4置位/復(fù)位帶驅(qū)動(dòng)的h-橋式電路asic包含大型開關(guān)fets，可以傳輸大而短的脈沖到傳感器的置位/復(fù)位帶。這一置位/復(fù)位帶在很大程度上是一種電阻性負(fù)載。并不需要外部去增加外部置位/復(fù)位回路。每次測(cè)量時(shí)，asic會(huì)自動(dòng)完成置位/復(fù)位。首先一次置位脈沖產(chǎn)生后進(jìn)行測(cè)量，然后,一次復(fù)位脈沖產(chǎn)生后進(jìn)行測(cè)量，兩次測(cè)量的差值

24、的一半將會(huì)被放置在三軸上每根軸的數(shù)據(jù)輸出寄存器上。這樣，在所有測(cè)量中傳感器的內(nèi)部偏差和溫度漂移差值就可以被移除/抵消了。5寄存器訪問下面表格列出了寄存器及其訪問。所有地址為8 bits。表3.1 寄存器列表地址名稱訪問00配置寄存器 a讀/寫01配置寄存器 b讀/寫02模式寄存器讀/寫03數(shù)據(jù)輸出 x msb 寄存器讀04數(shù)據(jù)輸出 x lsb 寄存器讀05數(shù)據(jù)輸出 z msb寄存器讀06數(shù)據(jù)輸出 z lsb 寄存器讀07數(shù)據(jù)輸出 y msb 寄存器讀08數(shù)據(jù)輸出 y lsb 寄存器讀09狀態(tài)寄存器讀10識(shí)別寄存器 a讀11識(shí)別寄存器 b讀12識(shí)別寄存器 c讀這里介紹讀取和寫入此裝置的過程。該裝

25、置使用地址指針來顯示該寄存器地點(diǎn)是被讀取或?qū)懭?。這些指針位置從主機(jī)發(fā)出到從機(jī)并成功獲得的7位地址加1 位讀/寫標(biāo)識(shí)符。為了盡量減少主機(jī)和裝置之間的通信，無主機(jī)干預(yù)下地址指針自動(dòng)更新。寄存器指示器被讀取后將自動(dòng)的在目前被成功讀取的寄存器的地址上加1。地址指針本身不能通過i2c總線被讀取。任何試圖去讀取不存在的地址返回為0s，任何去寫不存在的地址或者是未定義的bit寫入定義的地址都將會(huì)被該裝置予以忽略。為將地址指針移到隨機(jī)存儲(chǔ)器位置，首先發(fā)出一個(gè)“寫”到寄存器地址，在指令后不帶數(shù)據(jù)位。例如，要讓地址指針指向寄存器10，發(fā)出的指令為0x3c 0x0a。其與單片機(jī)的連線圖如下圖所示。圖3.3 傳感器模

26、塊連線圖3.4 lcd1602液晶屏模塊1602液晶也叫1602字符型液晶它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊它有若干個(gè)5×7或者5×11等點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符。每位之間有一個(gè)點(diǎn)距的間隔每行之間也有間隔起到了字符間距和行間距的作用，正因?yàn)槿绱怂运荒茱@示圖形。1602lcd是指顯示的內(nèi)容為16×2,即可以顯示兩行，每行16個(gè)字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。其引腳圖和引腳說明如下：圖3.4 lcd1602引腳圖第1腳：vss為電源地。第2腳：vdd接5v電源正極。第3腳：v0為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最

27、弱，接地電源時(shí)對(duì)比度最高（對(duì)比度過高時(shí)會(huì) 產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過一個(gè)10k的電位器調(diào)整對(duì)比度）。第4腳：rs為寄存器選擇，高電平1時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時(shí)選擇指令寄存器。第5腳：rw為讀寫信號(hào)線，高電平(1)時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平(0)時(shí)進(jìn)行寫操作。 第6腳：e(或en)端為使能(enable)端。第714腳：d0d7為8位雙向數(shù)據(jù)端。第1516腳：空腳或背燈電源。15腳背光正極，16腳背光負(fù)極。lcd1602內(nèi)置了ddram（顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)ram）、cgrom（字符存儲(chǔ)rom）和cgram（用戶自定義ram）。ddram就是顯示數(shù)據(jù)ram，用來寄存待顯示的字符代碼。共80個(gè)字節(jié)，其地址

28、和屏幕的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表： 圖3.5 ram地址映射圖1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器（cgrom)已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，如附錄c所示，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號(hào)、和日文假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼，也就是說想要在lcd1602屏幕的第一行第一列顯示一個(gè)“a”字,就要向ddram的00h地址寫入“a”的代碼就行了,比如大寫的英文字母“a”的代碼是01000001b（41h），顯示時(shí)模塊把地址41h中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“a”。其基本操作時(shí)序： 讀狀態(tài)輸入：rs=l，rw=h，e=h輸出：db0db7=狀態(tài)字寫指令輸入：rs

29、=l，rw=l，e=下降沿脈沖，db0db7=指令碼輸出：無讀數(shù)據(jù)輸入：rs=h，rw=h，e=h輸出：db0db7=數(shù)據(jù)寫數(shù)據(jù)輸入：rs=h，rw=l，e=下降沿脈沖，db0db7=數(shù)據(jù)輸出：無圖3.6 讀操作時(shí)序圖3.7 寫操作時(shí)序數(shù)據(jù)指針設(shè)置：表3.2 數(shù)據(jù)指針設(shè)置表指令碼功能80h+地址碼（0-27h，40h-67h）設(shè)置數(shù)據(jù)地址指針在1602中我們就用前16個(gè)就行了,第二行也一樣用前16個(gè)地址。我們往ddram里的00h地址處送一個(gè)數(shù)據(jù)，譬如0x31(數(shù)字1的代碼)并不能顯示1出來。這是令初學(xué)者很容易出錯(cuò)的地方，原因就是如果你要想在ddram的00h地址處顯示數(shù)據(jù)，則必須將00h加上

30、80h，即0x80+0x00，若要在ddram的01h處顯示數(shù)據(jù)，則必須將01h加上80h即0x80+0x01,依次類推。在此，lcd1602用法及注意事項(xiàng)就簡(jiǎn)單的介紹到這里，1062從cgrom表上可以看到，表里面實(shí)際還有8個(gè)字節(jié)可用。如果我們要想顯示這8個(gè)用戶自定義的字符，操作方法和顯示cgrom的一樣，先設(shè)置ddram位置，再向ddram寫入字符碼，顯示是直接取cgram的數(shù)據(jù)。這里沒用用到在此不在贅述起原理方法。下面是1602與單片機(jī)的連線圖。圖3-8 lcd1602模塊連線圖4.軟件設(shè)計(jì)4.1 hmc5883l與單片機(jī)通信軟件設(shè)計(jì)hmc5883l是一款集成iic總線借口的數(shù)字傳感器，

31、而stc12單片機(jī)沒有iic接口，所以采用在單片機(jī)上模擬iic通訊時(shí)序與hmc5883l進(jìn)行通信，而hmc5883l可以采用單字節(jié)讀取和多字節(jié)讀取方式，在本設(shè)計(jì)中采用的是多字節(jié)讀取方式，一次將xyz的值讀到單片機(jī)內(nèi)，具體通信軟件設(shè)計(jì)思路如下：開 始iic start寫信號(hào)發(fā)送設(shè)備地址發(fā)送讀取單元地址iic start 讀信號(hào)連續(xù)讀取磁場(chǎng)數(shù)據(jù)讀完？iic stop信號(hào)是否圖4.1 hmc5883l模塊與單片機(jī)通信軟件流程圖4.2 lcd1602人機(jī)界面軟件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用lcd1602作為顯示設(shè)備，顯示的信息包括當(dāng)前方位信息與與地理南極的夾角信息（角度制）。我們從hmc5883l得出地磁方向在x與

32、y軸上的磁場(chǎng)強(qiáng)度分量，采用atan2( )這個(gè)函數(shù)得出其與地理北極之間的夾角（弧度），再通過弧度到角度的轉(zhuǎn)換，得到角度值，最后加上180°，使其變?yōu)榕c南極之間的夾角，而且所有值變?yōu)檎龜?shù)，方便處理。得到度數(shù)后，根據(jù)我們預(yù)先設(shè)定好的角度范圍，判斷當(dāng)前所在哪個(gè)方位，并在lcd1602上顯示，然后將其乘以10倍，變?yōu)檎麛?shù)，通過轉(zhuǎn)換，在lcd1602上顯示與南極夾角的值，具體設(shè)計(jì)思路如下：開始處理傳感器信息判斷、顯示方位轉(zhuǎn)換為液晶顯示數(shù)據(jù)顯示夾角結(jié)束圖4.2 lcd1602人機(jī)界面軟件流程圖4.3 系統(tǒng)總統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的軟件設(shè)計(jì)總體思路是將hmc5883l得到的信息送至單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行處理，再轉(zhuǎn)

33、換為液晶顯示數(shù)據(jù)在lcd1602上進(jìn)行顯示，得到當(dāng)前的方位信息與角度信息，由于硬件模塊較少，所以很大部分工作放在了軟件上，stc12單片機(jī)是一款1t單片機(jī)，晶振為22.1184mhz，處理速度較快，在延時(shí)上不好把握，用定時(shí)器又太浪費(fèi)資源，而本設(shè)計(jì)在一些模塊時(shí)序上對(duì)延時(shí)有一定要求，所以本設(shè)計(jì)借用了別人驗(yàn)證好的一套運(yùn)用在stc12單片機(jī)上的延時(shí)函數(shù)集，確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。思路上采用每讀完一次數(shù)據(jù)，就立即送至液晶顯示的實(shí)時(shí)方式。具體流程圖如下：開始初始各模塊獲取傳感器數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理判斷、顯示方位轉(zhuǎn)換為液晶顯示數(shù)據(jù)顯示角度信息圖4.3 系統(tǒng)總體軟件流程圖5.系統(tǒng)調(diào)試stc12le系列低功耗單片機(jī)的正常電

34、壓為3.3v，但lcd1602液晶的對(duì)比度電壓要高于5v才能看出顯示效果，最初采用3.3v供給整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)液晶上無顯示，后來將系統(tǒng)電源調(diào)至5v，lcd1602就可以正常顯示了，而經(jīng)測(cè)試，stc12le單片機(jī)是可以在5v條件下進(jìn)行工作的。在方向的確定上，我們結(jié)合手機(jī)上自帶的電子羅盤對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)試，校準(zhǔn)hmc5883l模塊的方向，最后用膠固定到pcb板上。圖5.1 液晶顯示圖圖5.2 整體硬件調(diào)試圖6.結(jié)論該電子指南針設(shè)計(jì)模塊簡(jiǎn)單，可集成性好，測(cè)量偏差0.1°，可以用于航海、山地探索的方向判定，而采用低功耗單片機(jī)增強(qiáng)了該設(shè)備的續(xù)航能力。但lcd1602液晶為單色字符液晶，顯示能力

35、有限，如果采用更高級(jí)的嵌入式處理器，擁有足夠的速度和存儲(chǔ)器，可以采用tft液晶等較好的顯示設(shè)備，將人機(jī)界面做得更加完善。本設(shè)計(jì)中hmc5883l傳感器只用到了x與y的值，即只能在系統(tǒng)水被平放置時(shí)才能較為精確地測(cè)量，非常不方便，如果能結(jié)合加速度傳感器與hmc5883l中z軸的值做三維方向的判定，就可以讓系統(tǒng)在任意姿態(tài)下判斷當(dāng)前的位置信息。在設(shè)計(jì)中，模擬iic通訊是非常重要的軟件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，軟件的優(yōu)化可以為通信節(jié)省更多的資源和時(shí)間，我們采用了51單片機(jī)狀態(tài)寄存器的cy位作為通信數(shù)據(jù)位進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，免去重新在ram里定義數(shù)據(jù)變量，做到了一個(gè)資源優(yōu)化。在液晶顯示中，上一次顯示的數(shù)據(jù)如果不能被下次顯示的數(shù)

36、據(jù)覆蓋掉，就要及時(shí)清除，而如果采用命令清屏，就會(huì)使屏幕閃爍很厲害，所以我們才用用空格字符覆蓋的方式，及時(shí)清除上一次顯示的內(nèi)容，方便下次數(shù)據(jù)的顯示。在以后的實(shí)踐中，應(yīng)當(dāng)注意這些軟件設(shè)計(jì)上的問題，讓系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定流暢。7.總結(jié)與體會(huì)在經(jīng)過幾周的不懈努力中，終于完成了本次智能化電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)。通過本設(shè)計(jì)鍛煉了我們的實(shí)踐能力，也是對(duì)以后我們實(shí)際工作能力的訓(xùn)練和考察過程?，F(xiàn)在是一個(gè)高科技的時(shí)代，單片機(jī)的應(yīng)用無處不在，這更堅(jiān)定了我要學(xué)好單片機(jī)的決心。本設(shè)計(jì)本身就比較簡(jiǎn)單，整個(gè)設(shè)計(jì)的過程中每一步都是大家親自做過的，在經(jīng)過遇到問題，思索問題到解決問題的過程中，收獲是最多的。本設(shè)計(jì)重點(diǎn)在程序代碼上，通過上

37、網(wǎng)查資料對(duì)每一個(gè)模塊元器件的用法一一了解清楚，最后通過對(duì)個(gè)元器件工作原理以及指令控制命令最整個(gè)設(shè)計(jì)程序進(jìn)行編寫。在設(shè)計(jì)程序時(shí)，不能妄想一次就將整個(gè)程序設(shè)計(jì)好，反復(fù)修改、不斷改進(jìn)是程序設(shè)計(jì)的必經(jīng)之路，要養(yǎng)成注釋程序的好習(xí)慣，一個(gè)程序的完美與否不僅僅是實(shí)現(xiàn)功能，而應(yīng)該讓人一看就能明白你的思路，這樣也為交流提供了方便，為以后編程打下基礎(chǔ)。由本次課程設(shè)計(jì)從挑選課設(shè)題目，查閱資料，到研究出總體設(shè)計(jì)，詳細(xì)設(shè)計(jì)，再到最后的編程上機(jī)調(diào)試，修改程序，完善程序，收獲頗多。鍛煉了發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和通過查看相關(guān)資料來解決問題的能力以及團(tuán)隊(duì)合作能力。使自己擴(kuò)大了知識(shí)面，提高了知識(shí)水平，借助仿真軟件，不僅可以把課堂中所

38、學(xué)到的知識(shí)，直接加以運(yùn)用，而且還可以把各個(gè)分離的知識(shí)組合為一個(gè)整體，真正做到理論聯(lián)系實(shí)際的重要性。使自己在專業(yè)知識(shí)和動(dòng)手能力上有了很大的提高。另外通過本次設(shè)計(jì)，使我認(rèn)識(shí)到自己對(duì)單片機(jī)c語言應(yīng)用編程能力有很大的欠缺，需要在以后的學(xué)習(xí)中進(jìn)一步提高。此次智能化電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)是學(xué)生大學(xué)學(xué)習(xí)階段的一個(gè)重要的學(xué)習(xí)實(shí)踐環(huán)節(jié)，它既能增強(qiáng)學(xué)生對(duì)所學(xué)課程內(nèi)容的理解和綜合，也能培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用及設(shè)計(jì)能力，同時(shí)，還可以拓寬課程內(nèi)容和培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)。感謝學(xué)校給我們安排課程設(shè)計(jì)，大大地加深了我們對(duì)理論知識(shí)的理解，同時(shí)有意識(shí)的培養(yǎng)了我們的創(chuàng)新思想。致謝本小組的智能化電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)是在我們的導(dǎo)師王老師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的

39、。他嚴(yán)肅的科研態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風(fēng)，深深地感染和激勵(lì)著我們。從課題的選擇到項(xiàng)目的最終完成，王老師都始終給予我們細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持。在此謹(jǐn)向王老師致以誠(chéng)摯的謝意和崇高的敬意。在此，我們還要感謝幫助我們答疑解惑的同學(xué)們，正是由于你們的幫助和支持，我們才能克服一個(gè)一個(gè)的困難和疑惑，直至設(shè)計(jì)的順利完成。另外，我們還要感謝學(xué)校能安排這次課程設(shè)計(jì)，為我們學(xué)習(xí)相關(guān)專業(yè)提供了良好的實(shí)踐平臺(tái)。參考文獻(xiàn)1 邵婷婷，馬建倉.電子羅盤的傾斜及羅差補(bǔ)償算法研究 j.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，20072 honeywell.hmc5883三軸磁阻傳感器中文規(guī)格說明書3 sunman.lcd1602液晶屏中文規(guī)

40、格說明書4 華成英.電子技術(shù)m.北京.中央廣播電視大學(xué)出版社，20065 周國(guó)運(yùn).單片機(jī)原理及應(yīng)用（c語言版）.北京：中國(guó)水利水電出版社，20096 譚浩強(qiáng).c程序設(shè)計(jì).北京：清華大學(xué)出版社，2004附錄a:電子指南針整機(jī)電路圖和實(shí)物圖圖a-1 系統(tǒng)整機(jī)電路原理圖圖a-2 實(shí)物圖附錄b:1602液晶模塊字符存儲(chǔ)器附錄c:電子指南針程序源代碼主程序hmc5883l_test.c:/*/ hmc5883 /*#include "stc.h"#include "delay.h"#include <math.h> #include <stdio

41、.h> #include <intrins.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define dataport p0/lcd1602數(shù)據(jù)端口sbitscl=p10; /iic時(shí)鐘sbitsda=p11; /iic數(shù)據(jù)sbit lcm_rs=p20; /lcd1602讀寫ramsbit lcm_rw=p21; /lcd1602讀寫sbit lcm_en=p22; /lcd1602使能 #defineslaveaddress 0x3c /定義器件在iic總線中的從地址typedef unsigned cha

42、r byte;typedef unsigned short word;byte buf8; /接收數(shù)據(jù)緩存區(qū) uchar ge,shi,bai,qian; /顯示變量int dis_data; /變量void delay(unsigned int k);void initlcd();void init_hmc5883(void); /初始化5883void writedatalcm(uchar dataw);void writecommandlcm(uchar cmd,uchar attribc);void displayonechar(uchar x,uchar y,uchar ddata)

43、;void conversion(uint temp_data);void single_write_hmc5883(uchar reg_address,uchar reg_data); /單個(gè)寫入數(shù)據(jù)uchar single_read_hmc5883(uchar reg_address); /單個(gè)讀取內(nèi)部寄存器數(shù)據(jù)void multiple_read_hmc5883(); /連續(xù)的讀取內(nèi)部寄存器數(shù)據(jù)/模擬iic使用函數(shù)void hmc5883_start();void hmc5883_stop();void hmc5883_sendack(bit ack);bit hmc5883_recva

44、ck();void hmc5883_sendbyte(byte dat);byte hmc5883_recvbyte();void hmc5883_readpage();void hmc5883_writepage();/-void clear_char();/*void conversion(uint temp_data) qian=temp_data/1000+0x30 ; temp_data=temp_data%1000; /取余運(yùn)算 bai=temp_data/100+0x30 ; temp_data=temp_data%100; /取余運(yùn)算 shi=temp_data/10+0x30

45、 ; temp_data=temp_data%10; /取余運(yùn)算 ge=temp_data+0x30; void waitforenable(void)/忙檢查 dataport=0xff;lcm_rs=0;lcm_rw=1;delay1us();lcm_en=1;delay1us();delay1us();while(dataport&0x80);lcm_en=0;void writecommandlcm(uchar cmd,uchar attribc)/寫命令if(attribc)waitforenable();lcm_rs=0;lcm_rw=0;delay1us();datapo

46、rt=cmd;delay1us();lcm_en=1;delay1us();delay1us();lcm_en=0;void writedatalcm(uchar dataw)/寫數(shù)據(jù)waitforenable();lcm_rs=1;lcm_rw=0;delay1us();dataport=dataw;delay1us();lcm_en=1;delay1us();delay1us();lcm_en=0;void initlcd()/液晶初始化writecommandlcm(0x38,1);writecommandlcm(0x08,1);writecommandlcm(0x01,1);/清零wr

47、itecommandlcm(0x06,1);writecommandlcm(0x0c,1);/*/void displayonechar(uchar x,uchar y,uchar ddata)/顯示字符y&=1;x&=15;if(y)x|=0x40;x|=0x80;writecommandlcm(x,0);writedatalcm(ddata);/*起始信號(hào)*/void hmc5883_start() sda = 1; /拉高數(shù)據(jù)線 scl = 1; /拉高時(shí)鐘線 delay5us(); /延時(shí) sda = 0; /產(chǎn)生下降沿 delay5us(); /延時(shí) scl = 0;

48、 /拉低時(shí)鐘線/*停止信號(hào)*/void hmc5883_stop() sda = 0; /拉低數(shù)據(jù)線 scl = 1; /拉高時(shí)鐘線 delay5us(); /延時(shí) sda = 1; /產(chǎn)生上升沿 delay5us(); /延時(shí)/*發(fā)送應(yīng)答信號(hào)入口參數(shù):ack (0:ack 1:nak)*/void hmc5883_sendack(bit ack) sda = ack; /寫應(yīng)答信號(hào) scl = 1; /拉高時(shí)鐘線 delay5us(); /延時(shí) scl = 0; /拉低時(shí)鐘線 delay5us(); /延時(shí)/*接收應(yīng)答信號(hào)*/bit hmc5883_recvack() scl = 1; /拉

49、高時(shí)鐘線 delay5us(); /延時(shí) cy = sda; /讀應(yīng)答信號(hào) scl = 0; /拉低時(shí)鐘線 delay5us(); /延時(shí) return cy;/*向iic總線發(fā)送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)*/void hmc5883_sendbyte(byte dat) byte i; for (i=0; i<8; i+) /8位計(jì)數(shù)器 dat <<= 1; /移出數(shù)據(jù)的最高位 sda = cy; /送數(shù)據(jù)口 scl = 1; /拉高時(shí)鐘線 delay5us(); /延時(shí) scl = 0; /拉低時(shí)鐘線 delay5us(); /延時(shí) hmc5883_recvack();/*從iic總線接收一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)*/byte hmc5883_recvbyte() byte i;