數(shù)字式電子羅盤畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書數(shù)字式電子羅盤設(shè)計(jì)學(xué)生姓名： 孔垂禮 學(xué)號： 1105044263 學(xué) 院： 計(jì)算機(jī)與控制工程 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 指導(dǎo)教師： 龍達(dá)峰 2015 年 06 月中北大學(xué)2015屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書數(shù)字式電子羅盤設(shè)計(jì)摘要窗體頂端數(shù)字式電子羅盤具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如：體積比較小、啟動非常迅速、功率損耗較低、制造成本低廉等,當(dāng)今社會測控技術(shù)對測向傳感器提出了非常高的要求;為了提高數(shù)字羅盤的測量精度,特意設(shè)計(jì)了一種基于HMC5883L三軸磁阻傳感器1的數(shù)字電子羅盤;在分析相關(guān)類似產(chǎn)品的基礎(chǔ)上,特別強(qiáng)調(diào)對電源、器件選型、信號調(diào)理電路、軟件設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了分析研究,設(shè)計(jì)出了數(shù)字羅盤并且研制了

2、試驗(yàn)的樣機(jī);為驗(yàn)證設(shè)計(jì)效果,在雙軸陀螺測試轉(zhuǎn)臺上進(jìn)行了測試,試驗(yàn)結(jié)果初步驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案的可行性;論文的研究工作可以為研究和改良數(shù)字式磁羅盤的測量準(zhǔn)確度提供可靠的資料. 窗體底端關(guān)鍵詞： 地磁場，數(shù)字羅盤，HMC5883L三軸磁阻傳感器，重力加速度計(jì)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中北大學(xué)2015屆畢

6、業(yè)設(shè)計(jì)說明書目錄摘要.2Abstract.3目 錄.I1.前言.12.總體方案.32.1傳感器的方案論證與選擇.32.2單片機(jī)方案的選擇.72.3總體方案設(shè)計(jì)思想以及框圖.73.硬件電路設(shè)計(jì).83.1單片機(jī)最小系統(tǒng).93.2 HMC5883L傳感器模塊.93.3 ADXL202模塊.133.4 LCD1602液晶屏模塊.144.軟件設(shè)計(jì).174.1 HMC5883L與單片機(jī)通信軟件設(shè)計(jì).164.2 LCD1602人機(jī)界面軟件設(shè)計(jì).174.3系統(tǒng)總統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).195.系統(tǒng)調(diào)試.216.結(jié)論.217.總結(jié)與體會.21致謝.24參考文獻(xiàn).25附錄A:電子指南針整機(jī)電路圖和實(shí)物圖.26附錄B:1602

7、液晶模塊字符存儲器.28附錄C:電子指南針程序部分源代碼.29I1.前言磁羅盤俗稱指南針，它是一種簡單的用來指示判別方位的東西,也是一種重要的導(dǎo)航儀器，指南針可應(yīng)用在許多場合中。司南是古代的四大發(fā)明之一，即指南針的前身。它是由一根裝在軸上而且可以自由旋轉(zhuǎn)的磁化了的針構(gòu)成的。在地磁場作用下磁針總能平行保持在磁子午線的切線方向上。磁針的南極指向地理的南極，通過這種現(xiàn)象及其性質(zhì)就可以用它來辨別方向。常用于航海、大地測量、車載導(dǎo)航等方面。隨著科技的發(fā)展指南針原理不斷的被世人所了解，先前笨重的“司南”也逐漸發(fā)展成為現(xiàn)在的輕巧便捷的指南針。但是，它最基本的原理構(gòu)造是沒有改變的，都還是比較粗糙精度不高的機(jī)械

8、指南針，另外，指示的機(jī)械結(jié)構(gòu)基本上也沒有改變，之所以能自由的旋轉(zhuǎn)都是利用某種支撐使得磁針能夠受到地磁場的影響。機(jī)械有很多不可避免的先天因素不但影響指針式指南針的便捷便攜性、靈敏度、精確度等而且還影響其使用壽命?，F(xiàn)如今我們國家和外國在電力電子技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展都非常迅猛，尤其是很多特需芯片和一些專用傳感器都有了質(zhì)的改變，磁傳感器就是一大特例，它的發(fā)展使指南針的基本實(shí)現(xiàn)機(jī)理有了更高水平的發(fā)展，老式機(jī)械結(jié)構(gòu)將逐步退化，目前對磁場的測量處理和指示方向都改用輕巧便捷的磁傳感器和專用傳感器，這就是當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的電子式指南針。電子指南針有固定的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，沒有活動部分，對于和其它電子系統(tǒng)接口連接非常簡單，不但可

9、代替舊的磁指南針。而且精確度非常高、穩(wěn)定性特別好、應(yīng)用也非常廣泛。本設(shè)計(jì)采用各向異性磁阻(AMR)傳感器芯片HMC5883L，它是由Honeywell公司生產(chǎn)的?；裟犴f爾HMC5883L是一種有數(shù)字接口的弱磁傳感器芯片，表面非直插式的高度集成模塊，HMC5883L分辨率極高，HMC118X系列磁阻傳感器就是其中最先進(jìn)的傳感器，并附帶霍尼韋爾專利的集成電路包括放大器、自動消磁驅(qū)動器、偏差校準(zhǔn)、能使指南針精度控制在12的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其I2C系列總線接口也很簡單。HMC5883L采用的各向異性磁阻(AMR)技術(shù)比其他各向異性傳感器技術(shù)更先進(jìn)、更有市場，特別是在軸向高靈敏度和線性高精度比較突出。

10、傳感器之所以能夠用來測量地球磁場的方向以及大小是因?yàn)樗哂姓惠S的低靈敏度的固相結(jié)構(gòu)，其測量范圍從-5高斯（gauss）到 +5 高斯（gauss），霍尼韋爾的磁傳感器是一款在各方面性能都是最好的傳感器，在低磁場傳感器行業(yè)中享有盛譽(yù)，本文介紹了數(shù)字電子羅盤工作原理及電路硬件及軟件的設(shè)計(jì)，同時也做了一些能夠抵抗干擾信號的設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)采集處理的方式方法。1.1課題研究的背景及意義早在我國戰(zhàn)國時期我們的祖先就發(fā)現(xiàn)一種可以指示方向的磁石，后來人們就把磁礦石刻成像勺子一樣的東西用來指示方向司南，用于行軍打仗。隨著時代的變化科技的發(fā)展，出現(xiàn)了各種各樣的半導(dǎo)體材料，將各部分功能綜合、整合的技術(shù)也在日益成熟，

11、電子羅盤技術(shù)也得到迅速的發(fā)展，五花八門的電子羅盤在我們的生活當(dāng)中也顯而易見，尤其是在導(dǎo)航方面扮演著重要角色。同時電子羅盤也廣泛的應(yīng)用在水平孔洞的測量、垂直孔洞的測量、水下探測、建筑物定位、設(shè)備維護(hù)、仿真系統(tǒng)、教育培訓(xùn)、虛擬現(xiàn)實(shí)等方面。我們國家在數(shù)字電子羅盤方面的研究起步比較晚，國內(nèi)無論是生產(chǎn)羅盤部件還是銷售電子羅盤的廠家一般都是作為中介或者代售國外產(chǎn)品，國內(nèi)九十年代末才開始電子羅盤的研究。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀我們國家有很多研究和生產(chǎn)電子羅盤的公司，Honeywell(霍尼韋爾）公司是最為著名的公司之一，其生產(chǎn)的代表作是磁阻式電子羅盤，另外KVH公司生產(chǎn)的磁通門電子羅盤也是比較出名的。我們國家在

12、數(shù)字式電子羅盤的研究起步比較晚，基本上還沒有形成一個完整的體系，很多廠商都是代收國外品牌。美國目前已經(jīng)研制開發(fā)出地面和空中定位精度達(dá)30m、水下定位精度優(yōu)于500m的地磁導(dǎo)航系統(tǒng)，他們制造的飛航導(dǎo)彈和巡航專用的魚雷命中率都有很大的提高。另外，美已經(jīng)開始用地磁感應(yīng)信息來研究導(dǎo)彈和核武器實(shí)驗(yàn)，并利用E22無人機(jī)在空中進(jìn)行地磁數(shù)據(jù)測量。國內(nèi)在地磁導(dǎo)航的研究就比較落后，雖然說已經(jīng)開始研究，但是主要還集中在模擬實(shí)驗(yàn)和仿真階段，據(jù)了解，某某集團(tuán)三院將所測得的地磁強(qiáng)度數(shù)據(jù)用平均絕對差法進(jìn)行了多種多樣的匹配運(yùn)算，其分辨率能達(dá)到50m，另外，某大學(xué)的幾個教授在這方面的研究也取得了很大的進(jìn)步，他們利用地磁導(dǎo)航校正

13、慣性導(dǎo)航的仿真實(shí)驗(yàn)取得了較高的精度。其它國內(nèi)的大部分研究都還在停滯不前，不是仿造就是抄襲，制作電子羅盤仍停留在利用Honeywell公司的磁阻傳感器上，對其產(chǎn)生的誤差進(jìn)行智能補(bǔ)償也要參考大量的外文數(shù)據(jù)。因此電子磁羅盤在我們國家內(nèi)部發(fā)展空間還是很大的。 1.3本文內(nèi)容概述 電子羅盤主要有三種，其一是利用磁通門傳感器制作的，其二是磁阻式傳感器，其三利用霍爾元件。磁通門傳感器能夠提供低成本、低損耗的探測方法，它由一磁芯環(huán)繞著的線圈構(gòu)成，這種磁芯配備有勵磁電路，但是它們整體外形體積比較大、容易破碎、等待的時間比較長。然而霍爾效應(yīng)磁傳感器就有許多優(yōu)點(diǎn)，例如：它的體積比較小，重量非常輕，功功率損耗較小，價

14、格也不貴，連接單片機(jī)的接口電路也簡單易懂，綜合評價特別適用于強(qiáng)度很大磁場的測量。但是，它也有眾多缺點(diǎn)，它不夠靈敏、產(chǎn)生的噪聲較大、溫度性能不好等。雖然有些方面也能用霍爾元件經(jīng)過聚磁措施或者其他手段制造出的器材來測量地磁，但這樣測出的數(shù)據(jù)偏差比較大，精度不高。磁阻傳感器就具備較完美的特點(diǎn)，他已經(jīng)做成了標(biāo)準(zhǔn)的集成芯片，并且其衍生物也成了一系列完整的體系。而用磁阻傳感器做成的電子羅盤就避開了磁通門羅盤的不足，具有體積很小、重量輕巧、精確度高、穩(wěn)定性性強(qiáng)、應(yīng)答速度快等優(yōu)點(diǎn)，以后的電子羅盤就朝著這個方向發(fā)展了。本文采用霍尼韋爾 HMC5883L 三軸磁阻傳感器作為地磁測量的核心元件展開設(shè)計(jì)，HMC588

15、3L是通過高度整合、集成的芯片并把它貼裝在電路板上的模塊，并帶有能夠檢測很弱很弱的磁場的數(shù)字接口，在弱磁環(huán)境中就可以大顯身手了，用其支撐的電子羅盤不但成本低而且和應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。HMC118X 系列磁阻傳感器是HMC5883L 最先進(jìn)的高分辨率磁阻傳感器，該系列傳感器自身就帶有運(yùn)放電路、自己能快速消除磁場干擾、自主補(bǔ)償、自助驅(qū)動等，能夠把精確度準(zhǔn)確的控制在12的范圍內(nèi)。該系列還帶有12位模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的元器件和簡易的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3.0X3.0X0.9mm。HMC5883L 的所應(yīng)用領(lǐng)域有手機(jī)、筆記本電腦、消費(fèi)類電子

16、、汽車導(dǎo)航系統(tǒng)和個人導(dǎo)航系統(tǒng)1。 2.總體方案設(shè)計(jì)現(xiàn)如今電力電子技術(shù)的發(fā)展非常迅猛，對于電子羅盤或者數(shù)字羅盤的改進(jìn)也存在這樣那樣的方案，每種方案都有它的優(yōu)點(diǎn)也有不足，故此我們要根據(jù)自己的實(shí)際要求來選擇相應(yīng)的設(shè)施進(jìn)行設(shè)計(jì)。2.1 傳感器方案論證與選擇方案一:采用HMC1052雙軸磁阻傳感器HMCI052是一個雙軸線性磁傳感器2，和其它HMC10XX系列傳感器一樣，每個傳感器具有由惠斯登電橋合金的一個磁阻膜。當(dāng)電橋連同電源電壓，傳感器的磁場強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成電壓輸出，包括環(huán)境磁場和測量磁場。HMC1052包括兩個光敏元件，相互垂直的靈敏軸。敏感元件A和B，在兩個硅芯片共同存在，而且是完全正交的，并且所述參

17、數(shù)匹配。 HMC1052小尺寸，低工作電壓，還有消除非正交誤差引起的兩個敏感元件。除了HMCI0522芯片和磁耦合，惠斯通電橋還帶有斜帶和置位/復(fù)位帶。敏感元件A和B也有兩條帶。設(shè)置/復(fù)位，這樣既保證了準(zhǔn)確性。偏置帶糾正偏差傳感器或任何被抵消不需要的磁場。在HMC1052傳感器元件中，他的兩個敏感元件可以獨(dú)立工作，功率損耗減少了很多。然而，偏置帶卻不能用來實(shí)現(xiàn)這一功能。如果一定要用偏置帶也行，但要通過另外一種組裝方式。圖2.1 HMC1052傳感器引腳圖 方案二:采用KMZ52磁場感應(yīng)傳感器KMZ52是一種磁阻傳感器，它是由Philips公司生產(chǎn)的3，其測量磁場是利用坡莫合金薄片的磁阻效應(yīng)原理

18、制作成的高靈敏度磁阻傳感器。在兩個正交的磁場強(qiáng)度甲板上的磁阻傳感器，完成補(bǔ)償線圈和線圈設(shè)置/復(fù)位線圈。補(bǔ)償線圈的電流測量輸出的結(jié)果是一個封閉的反饋環(huán)，從而使傳感器的靈敏度不受地域限制。這些磁阻傳感器主要應(yīng)用于導(dǎo)航，通用地磁測量和交通檢測。磁阻傳感器沉積在高滲透性的鋁表面的坡莫合金一定厚度，在接下來的兩個翻轉(zhuǎn)線圈和外部磁場的作用下，電子改變移動的方向，從而使磁阻被改變。同時KMZ52斑馬條型電阻器45放置起來，這使得在正、負(fù)磁力更好對稱性。由于加入KMZ52反轉(zhuǎn)的磁場的曲線與普通磁電阻是不同的，更線性的。磁阻傳感器KMZ52核心部分是一個惠斯通電橋，是四臂磁敏元件構(gòu)成的磁阻橋臂。長薄膜坡莫合金的

19、磁傳感元件在外部磁場的影響下，磁電阻的變化引起的輸出電壓。圖2.2 KMZ52傳感器引腳圖方案三:使用霍尼韋爾HMC5883L三軸磁阻傳感模塊霍爾 HMC5883L 是一種高度整合、集成的貼在PCB板上的芯片模塊，其自帶的微弱磁場感應(yīng)數(shù)字接口比較簡單，應(yīng)用在很多弱磁場檢測的領(lǐng)域。HMC5883L分辨率極高，HMC118X系列磁阻傳感器就是其中最先進(jìn)的傳感器，并附帶霍尼韋爾專利的集成電路包括放大器、自動消磁驅(qū)動器、偏差校準(zhǔn)、能使指南針精度控制在12的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其I2C系列總線接口也很簡單。HMC5883L采用的各向異性磁阻(AMR)技術(shù)比其他各向異性傳感器技術(shù)更先進(jìn)、更有市場，特別是在軸

20、向高靈敏度和線性高精度比較突出。HMC5883L所用的封裝技術(shù)是運(yùn)用一種不含有毒金屬鉛的方式，本身帶有16 只腳，尺寸也很小，僅為3*3*0.9mm。HMC5883L 的所應(yīng)用領(lǐng)域遍布各行各業(yè)，例如：手機(jī)、筆記本電腦、消費(fèi)類電子、汽車導(dǎo)航系統(tǒng)和個人導(dǎo)航系統(tǒng)。HMC5883L采用霍尼韋爾各向異性磁阻(AMR)技術(shù)，這種技術(shù)是世界上非常先進(jìn)的。這些各向異性傳感器在測量地球磁場時很靈敏也很可靠。傳感器之所以能用于測量地球磁場的方向和大小是因?yàn)樗哂械膶φ惠S的低靈敏度的固相結(jié)構(gòu)，其測量范圍也非常精確，從-5毫高斯到+5毫高斯(gauss)。在低磁場傳感器行業(yè)中霍爾傳感器可以說享有盛譽(yù)，其靈敏度和可靠

21、性不言而喻。圖2.3 HMC5883L傳感器引腳圖在查閱相關(guān)資料和文獻(xiàn)后，對各種傳感器都進(jìn)行一系列對比，總結(jié)了它們的優(yōu)缺點(diǎn)，HMC5883L三軸磁阻傳感器不需要外接ASIC，都被封裝在一起了，而內(nèi)部安裝了12位模擬信號和數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器、防干擾的AMR傳感器，不僅能夠測量較為精確的地磁范圍，而且還內(nèi)置驅(qū)動器，不需要另外再裝驅(qū)動，其優(yōu)越性不言而喻。三軸磁阻傳感器在測量弱磁環(huán)境或者電子羅盤行業(yè)中各方面的性能都是非常合適的。故此，我通過再三對比選擇了第三個方案來設(shè)計(jì)電子羅盤。表2.1 HMC5883L引腳配置引腳名稱 描述13SCL串行時鐘-I2C總線主/從時鐘C總線主/從時鐘C總線主/從2VDD電源

22、（2.16V-3.6V)3NC無連接4S1連接VDDIO5NC無連接6NC無連接7NC無連接8SETP置位/復(fù)位帶正-S/R電容(C2)連接9GND電源接地10C1存儲電容器(C1)連接11GND電源接地12SETCS/R電容器(C2)連接-驅(qū)動端13VDDIOIO電源供應(yīng)（1.7V-VDD)14NC無連接15DRDY數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，中斷引腳。內(nèi)部被拉高。選項(xiàng)為連接，當(dāng)數(shù)據(jù)位于輸出寄存器上時會在低電位上停250sec16SDA串行數(shù)據(jù)-I2C總線主/從數(shù)據(jù)2.2 單片機(jī)的選型單片機(jī)的選擇方案有以下三種：（1） 采用MSP430F149作為單片機(jī)的主要控制芯片，這種單片機(jī)功能及其各方面是非常強(qiáng)大的，它

23、是由TI公司生產(chǎn)并且利用在導(dǎo)航方面。此單片機(jī)具有性能高、功率損耗低16位響應(yīng)超速等特點(diǎn)，在它的內(nèi)部安置了12位模擬信號數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器。但是也有些不足之處，它的制作價格有些昂貴，其次，單片機(jī)芯片是貼片式封裝的，不利與電路板的焊接，需要用專門的PCB板，這就加大了做實(shí)物的難度和制作的時間 （2）STC12C5A60S2是通過改版增強(qiáng)的，它是新一代51系列單片機(jī)的主要控制芯片。這種芯片內(nèi)部安裝有模擬、數(shù)字信號轉(zhuǎn)換裝置，還有連接單片機(jī)的SPI總線接口，而且價格也比較合適。（3）采用傳統(tǒng)的STC89C52單片機(jī)作為主控芯片。這是一種很常見的主控芯片，我們都知道此芯片價格低廉、無需繁瑣的操作、功率損耗減少

24、了很多，也比較經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。綜合上述方案，不論從芯片的性能方面還是和價格的高低方面我選擇了傳統(tǒng)的STC89C52綜作為本系統(tǒng)的主控芯片。2.3 整體方案設(shè)計(jì)和構(gòu)想框圖下圖為安裝后羅盤平面三個方向的磁場強(qiáng)度為H X、H Y、H Z , 而地球表面三個方向的磁場強(qiáng)度為H x、Hy、Hz , 考慮羅盤坐標(biāo)系與地球坐標(biāo)系的關(guān)系, 做出如下圖示意圖, N S 表示地球南北極軸線,N S 表示磁南北極軸線, 磁南北極與地球南北極兩軸線在地球平面中, 其夾角B稱為磁偏角。表示俯仰角, 表示翻滾角, angle 為前進(jìn)方向和當(dāng)?shù)卮抛游缇€的夾角。電子羅盤就是根據(jù)測得的 HX、H Y、H Z , ,求得angle,進(jìn)

25、一步求得航向角4。Hx=HXcos+HY sinsin-HZ sincos;Hy=HX cos+HZ sin兩軸加速計(jì)測得的重力加速度為GX、GY已知當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣戎禐間，可得：=arcsin(Gx/g) （1）=arcsin(GY/g) （2）angle=arctan(Hx /Hy) (3)=angle+B (4)圖2.4 測量原理分析圖通過以上測量分析思路所得傳感器信號，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LCD1602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。圖2.5 總體方案設(shè)計(jì)框圖3.硬件電路設(shè)計(jì)對于設(shè)計(jì)全面沒有瑕疵的電子產(chǎn)品來說最首要的問題無非是整個電

26、路的供電系統(tǒng)，就好比萬丈高樓平地起，地基是最重要的，同理，電子設(shè)計(jì)也一樣需要一個供電的基礎(chǔ)平臺，這樣它才能有效平穩(wěn)的運(yùn)行。電子設(shè)備一般可用蓄電池或者干電池來供電，除此之外還可以用市場的220V通過一系列的逆變、濾波、穩(wěn)壓等措施來共給直流電5，本次設(shè)計(jì)為了降低難度采用干電池供電。3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)想要單片機(jī)組成的系統(tǒng)能夠有效地工作起來，就需要在單片機(jī)外部接上很多能驅(qū)使它工作的電路，最簡單、最容易的電路有：時鐘電路、復(fù)位電路6。單片機(jī)最小系統(tǒng)如下圖3.1所示。時鐘電路：本系統(tǒng)時鐘電路比較簡單,用一個12M的晶振作為振蕩器，在其兩端并聯(lián)兩個22pF的瓷片式電容，這樣就構(gòu)成了單片機(jī)的內(nèi)部振蕩電路，

27、通過自激將它發(fā)出來的脈沖信號送到其內(nèi)部就是一個完整的時鐘電路復(fù)位電路：復(fù)位電路用來確定單片機(jī)開始工作和結(jié)束工作的狀態(tài)，完成單片機(jī)的啟動過程。目前書本上介紹的有上電自動復(fù)位和手動按鍵復(fù)位。本系統(tǒng)采用上電復(fù)位結(jié)合按鍵復(fù)位。電路如下圖所示。圖3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)3.2 HMC5883L傳感器模塊3.2.1 工作原理地球磁感應(yīng)強(qiáng)度為5060uT,相當(dāng)于沿著地球中心的一個磁棒，我們都知道地球的南北極和地磁的南北極是相反的，但又不完全相反重合，地磁（磁棒）和地理北極之間大約有11.5的夾角磁偏角。無論如何，地球磁場場的水平分量永遠(yuǎn)指向磁的北極，這一原理是所有的羅盤的制作基礎(chǔ)。所有羅盤都是測量地球磁場的北

28、方向，其他方向就可以推算出來。地球磁場的北方向和實(shí)際的北方向有差別，而這種差別的大小在地球上的不同地點(diǎn)也是不同的，所以必須知道羅盤所在的大致位置，才能計(jì)算出如何補(bǔ)償?shù)卮藕驼媸潜狈较虻牟顒e，已顯示出真實(shí)的北方向7。 磁北的方向就是地磁場在水平面上分量的方向。假設(shè)電子羅盤處于水平面上要確定其相對于磁北的航向角。由磁阻傳感器可以直接得出地磁產(chǎn)的水平分量Hx、Hy，因此相對于磁北的航向角=arctan（Hx/Hy）。正切函數(shù)的周期為180，為保證數(shù)據(jù)的有效性，航體航向角轉(zhuǎn)換到相對于磁北0360的范圍內(nèi)?？蓪⑸鲜椒纸?，得到相對于磁北極的360范圍內(nèi)（順時針方向）的航向角，加上當(dāng)?shù)卮牌蔷涂梢运愠雠c真北的

29、航向角。為了能夠得出一個準(zhǔn)確的測量值，我們必須將測出來的結(jié)果加上或者減去地磁南北極與地理南北極的磁偏角，這樣算出來的就是前進(jìn)方向和得地理北極的夾角，也就是真正的北方向角A。當(dāng)所在地區(qū)磁偏角已知時，真北方位角為：A=+。3.2.2 電源管理據(jù)資料顯示HMC5883L模塊有兩種供電方式。第一個是在它的芯片內(nèi)部有一個VDD供電電源，第二個是為外部接口（IO接口）供給電源的VDDIO電源，按理說來VDDIO的電壓一般是和VDD電源不相等的，但相近也沒有什么影響；無論是只有一個電源還是VDDIO 電壓不高于VDD 電壓的情況下，HMC5883L都能正常運(yùn)行并且完成一系列功能指令并能與其他裝置相互兼容。圖

30、3.2 HMC5883L模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu) 3.2.3 IC接口控制該裝置可以通過IC總線來完成。這種裝置是通過分為主機(jī)和從機(jī)，從機(jī)是由主機(jī)控制的，在主機(jī)的控制下才能與總線相連。該種裝置一定要符合I2C-總線技術(shù)規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，否則不能正常工作，一個完整的I2C 裝置應(yīng)該具備該有的標(biāo)準(zhǔn)功能，該裝置具有一個7-bit串行地址，并支持I2C 協(xié)議。這一裝置有三種模式是：標(biāo)準(zhǔn)模式|、快速模式、和高速模式，但是這里不支持高數(shù)模式，另外，支持模式和快速模式必須要在外部街上電阻才能運(yùn)行。標(biāo)準(zhǔn)模式可以達(dá)到100千赫茲，快速模式可以達(dá)到400千赫茲。寄存器讀取數(shù)據(jù)和寫入數(shù)據(jù)要比內(nèi)部的運(yùn)行提前，就拿測量這個例子來說吧，這樣

31、一來主機(jī)就不需要花費(fèi)很長時間來等待，本來要花費(fèi)的時間就比IC總線所占用的時間短。3.2.4 置位/復(fù)位橋式電路ASIC這種為專門電路而設(shè)計(jì)的集成電路包含大型場效應(yīng)管開關(guān)FETS，這種開關(guān)能夠傳輸很大而而且比較短的脈沖信號到傳感器的置位/復(fù)位帶。這一置位/復(fù)位帶不需要再另外增加其他的置位/復(fù)位電路，因?yàn)檫@種置位復(fù)位帶是一種很大電阻性的負(fù)載。每當(dāng)在數(shù)據(jù)測量的時候，ASIC這種專門的電路會自主完成置位復(fù)位，在第一次奶沖測量后，接著第二次脈沖測量，置位復(fù)位就這樣完成一個回路過程，第一次測量值和第二次測量值之差的一半會把它放置在X、Y、Z軸上的數(shù)據(jù)寄存器上。這樣，我們就能克服很多問題，例如：傳感器內(nèi)部的

32、偏差和溫度漂移之差就能夠抵消很多很多。3.2.5 寄存器訪問寄存器及其訪問在下面的表格里面已經(jīng)給出。全部地址都為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識別寄存器 A讀11識別寄存器 B讀12識別寄存器 C讀這里介紹讀取和寫入此裝置的過程。該裝置讀取數(shù)據(jù)或者寫入數(shù)據(jù)是通過使用地址指針來顯示

33、該寄存器地點(diǎn)來完成的。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)識符。為了盡可能降低主機(jī)和裝置之間的相互通信，沒有主機(jī)控制的地址指針會自助更新。寄存器的地址會加上1當(dāng)指示器被讀取后。原本地址指針本身是不能通過I2C總線來讀取的。只要讀取不存在的地址，系統(tǒng)都會自動返回0s，他也不會隨便寫入不存在的地址或者是沒有定義的位，這些該裝置都會自動忽略。為將地址指針移到隨機(jī)存儲器位置，首先發(fā)出一個“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 HMC5883L集成芯片傳感器模塊連線圖3.

34、3 ADXL202加速度計(jì)ADXL202是一種測量重力的加速度傳感器，它具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如：制造成本低廉、功率損耗低、功能完善等，它的測量范圍也非常精確，其范圍為+2g。ADXL202功能很強(qiáng)大，它不僅能夠用來測量動態(tài)的加速度，而且還能夠用來測量靜態(tài)的加速度，例如：傾斜加速度（動態(tài)加速度）和重力加速度（靜態(tài)加速度）。ADXL202輸出的信號為數(shù)字信號，并不需要經(jīng)過AD數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，可以將輸出的數(shù)字信號直接連接到單片機(jī)I2C端口，另外它輸出的數(shù)字信號脈沖寬度占空比與兩根傳感器分別感受到的重力加速度成正比。雙軸加速度計(jì)輸出的信號有一定的周期，一般情況下輸出周期為0.5ms至10ms之間，如果

35、需要調(diào)節(jié)它的輸出周期的話可以在他的外部接上電阻RSET調(diào)節(jié)。如果我們要用到模擬信號輸出，則需要接在Xfilt和Yfilt管腳上，這兩個端口數(shù)出的就為模擬信號，或者可以使用對脈寬占空比輸出信號濾波后的信號。ADXL202還有一個可以設(shè)置的帶寬，他們分別是Cx引腳和Cy引腳，在這兩個引腳上可以設(shè)置其帶寬，可在0.01Hz5kHz的范圍內(nèi)設(shè)定。其典型噪聲值為500g/(Hz)1/2,60Hz帶寬時的分辨率為5mg工作原理：ADXL202是基于一個完整的單芯片雙軸加速度測量系統(tǒng)。這是一個多晶硅表面微電機(jī)傳感器和信號控制環(huán)路來執(zhí)行開環(huán)加速度測量結(jié)構(gòu)的操作。為每個軸，我將輸出的模擬信號到環(huán)路脈沖的輸出數(shù)字

36、信號的占空因數(shù)。這些數(shù)字信號，將直接連接到微處理器。 ADXL202可用于測量正和負(fù)加速度為2克最大測量范圍。 ADXL202還能夠測量靜態(tài)加速度，并可以用于斜率測量。彈性部件被支承，并且提供加速阻力的必要平衡，使用在多晶硅和硅表面微機(jī)械傳感器的多晶硅結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)連接到中央板制成的運(yùn)動對象可變電容測量偏轉(zhuǎn)由單獨(dú)的固定板。 另外，由方波的固定板的分別的控制階段。幅度加速度，同時考慮到由加速度可變電容器中的功率平衡的變化后的加速度成比例的方波輸出。相位解調(diào)技術(shù)用于提取的信息，確定所述加速度的方向。ADXL202外接電路如下：圖3.4 ADXL202外接電路圖3.3 LCD1602液晶屏模塊1602液

37、晶是一種用來專門顯示各種字母或者數(shù)字、符號的點(diǎn)陣液晶，其中包含了很多57或者511的點(diǎn)陣模塊，其中一個字符顯示占用一個點(diǎn)陣字符。在這些點(diǎn)陣中間每位之間都有一個點(diǎn)距起到字符與字符的間隔作用，所以1602液晶是不能用來顯示圖片的。1602LCD是指顯示的內(nèi)容為162,即可以顯示兩行，每行16個字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）8。其引腳圖和引腳說明如下：圖3.5 LCD1602液晶顯示屏引腳圖 1號腳：接地。 2號腳：VCC接正極5V電源。 3號腳：V0為液晶顯示器分辨率調(diào)整端口，當(dāng)該端口接到5V電源的時候分辨率最低， 幾乎看不清楚所顯示的字符，當(dāng)接到5V負(fù)極的時候分辨率最高，這時候比較刺眼，使用的時

38、候?yàn)榱朔奖阌^察調(diào)整顯示屏分辨率可以外接一個10K的電位器來調(diào)節(jié)分辨率。 4號腳：RS為寄存器選擇，高電平1時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時選擇指令寄存器。 5號腳：RW為讀寫信號線，高電平(1)時進(jìn)行讀操作，低電平(0)時進(jìn)行寫操作。 6號腳：E(或EN)端為使能(enable)端。 714號腳：D0D7為接8位雙向數(shù)據(jù)。 1516號腳：空腳或背燈電源。15腳背光正極，16腳背光負(fù)極。LCD1602內(nèi)部有顯示數(shù)據(jù)的存儲RAM、存儲字符的字符存儲ROM，另外還有用戶自行定義的RAM。DDRAM就是顯示數(shù)據(jù)RAM，用來暫時寄存下一步即將顯示的字符代碼。總共有80個字節(jié)，其地址和屏幕的對應(yīng)關(guān)系如下表：

39、圖3.6 RAM地址映射圖1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器（CGROM)已經(jīng)存儲了160個不同的點(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、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，也就是說想要在LCD1602屏幕的第一行第一列顯示一個“A”字,就要向DDRAM的00H地址寫入“A”的代碼9就行了,比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H），顯示時模塊把地址41H中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“A”。其基本的操作時序：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=L，RW=L，E=下

40、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3.7 讀操作時序圖3.8寫操作時序數(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）用來設(shè)置數(shù)據(jù)地址指針在1602中我們就用前16個就行了,第二行也一樣用前16個地址。我們往DDRAM里的00H地址處送一個數(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80H，即0x8

41、0+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)就簡單的介紹到這里，1602從CGROM表上可以看到，表里面實(shí)際還有8個字節(jié)可用。如果我們要想顯示這8個用戶自定義的字符，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3.9 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傳感器模塊是一款集成IIC總線借口的數(shù)字傳感器，然而S

42、TC89C52單片機(jī)上沒有IIC接口，所以我們就用模擬的方式就行通信，在STC89C52單片機(jī)上模擬IIC通訊時序，再將通訊時許與HMC5883L進(jìn)行通信，HMC5883L有兩種讀取字節(jié)的方式，其一單字節(jié)讀取，其二讀字節(jié)讀取，在這里我用多字節(jié)的方式進(jìn)行試驗(yàn)，一次性將測量到的X、Y、Z的值讀到單片機(jī)里面，設(shè)計(jì)構(gòu)思如下圖： 開 始 IIC Start寫信號 發(fā)送設(shè)備地址 發(fā)送讀取單元地址 IIC Start 讀信號 連續(xù)讀取磁場數(shù)據(jù)讀完？IIC Stop信號是否圖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

43、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Y軸上的磁場強(qiáng)度分量，采用atan2( )這個函數(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

44、體軟件設(shè)計(jì)本文的設(shè)計(jì)思路就是將三軸磁阻傳感器采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過I2C總線接口與單片機(jī)進(jìn)行通信，單片機(jī)將處理好的數(shù)據(jù)返回到顯示屏上，這樣我們就能夠看到此時的方位角了。該設(shè)計(jì)由于HMC5883L集成電路模塊自帶有AD模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換裝置所以就不需要另外安裝AD芯片，省去了很大一部分工作。由于改電路模塊比較少，所以很多后續(xù)工作都放在軟件上，STC89C52單片機(jī)處理速度較快，其晶振為12MHZ,但是延時電路不好控制，其中定時器很大程度浪費(fèi)了一定的資源，電子羅盤設(shè)計(jì)對于其中的一些模塊在延時方面有一定的要求，經(jīng)過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，我采用了別人已經(jīng)運(yùn)用在STC單片機(jī)上的延時函數(shù)集，確保了函數(shù)的正常工作，當(dāng)系

45、統(tǒng)每次采集完數(shù)據(jù)之后，就立馬送到1602液晶顯示屏上相識出來，具體框圖如下： 開始初始各模塊 顯示角度信息轉(zhuǎn)換為液晶顯示數(shù)據(jù)判斷、顯示方位獲取傳感器數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理 圖4.3 系統(tǒng)總體軟圖4.3 系統(tǒng)總體軟件流程圖第 54 頁 共 42 頁5.系統(tǒng)調(diào)試經(jīng)測試，在條件下進(jìn)行工作下。在方向的確定上，我們結(jié)合手機(jī)上自帶的電子羅盤對設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)試，校準(zhǔn)HMC5883L模塊的方向。圖5.1 液晶顯示圖6.結(jié)論該電子指南針設(shè)計(jì)模塊簡單，集成性比較好，測量誤差能達(dá)到0.1，能夠用在航海、地質(zhì)勘探、汽車導(dǎo)航等方面。但LCD1602液晶為單色字符液晶，顯示能力有限，如果采用更高級的嵌入式處理器，擁有足夠的速度和存儲器

46、，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。本次設(shè)計(jì)中運(yùn)用到了HMC5883L傳感器和ADXL202重力加速度計(jì)，由于ADXL202不需要外接AD模塊，直接接到單片機(jī)上，另外HMC5883L集成模塊已經(jīng)有了內(nèi)部的模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換和運(yùn)放電路，故本次設(shè)計(jì)就不需要外界AD模塊，系統(tǒng)能在任意姿態(tài)下測出此時的航向角。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)據(jù)覆蓋掉，就

47、要及時清除，而如果采用命令清屏，就會使屏幕閃爍很厲害，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)與體會在歷時一個月多月的不懈努力后，順利完成了本次電子設(shè)計(jì)的任務(wù)，通過這次設(shè)計(jì)的鍛煉，讓我我充分認(rèn)識了自己的動手能力，實(shí)踐能力，從另一方面來講經(jīng)也是對我以后工作能力的培養(yǎng)和考察。當(dāng)今社會是一個科技高度發(fā)展的社會，單片機(jī)應(yīng)用越來越廣泛，這就更加讓我對學(xué)習(xí)單片機(jī)更有興趣。本次設(shè)計(jì)本身就比較簡單，在整個設(shè)計(jì)過程中每一步都自己親手制作，在此過程中也曾遇到過很多問題，繼而就會想辦法去如何解決它，以此同時不僅學(xué)到了很多東西，還大大提升了自己自主解決問題的能力。這次設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的重難點(diǎn)就在于程序的編寫，要給單片機(jī)寫入程序并保證各模塊能夠按預(yù)期的目標(biāo)運(yùn)作是非常困難的，必須