數(shù)字羅盤開放性實驗

1、 開放實驗報告題 目 基于單片機(jī)的數(shù)字羅盤設(shè)計和制作 專 業(yè) 班 級 學(xué) 號 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 基于單片機(jī)的數(shù)字羅盤設(shè)計和制作一、數(shù)字羅盤概述1、數(shù)字羅盤的特點及應(yīng)用數(shù)字羅盤，在現(xiàn)代技術(shù)條件中電子羅盤作為導(dǎo)航儀器或姿態(tài)傳感器已被廣泛應(yīng)用。數(shù)字羅盤與傳統(tǒng)指針式和平衡架結(jié)構(gòu)羅盤相比能耗低、體積小、重量輕、精度高、可微型化，其輸出信號通過處理可以實現(xiàn)數(shù)碼顯示，不僅可以用來指向，其數(shù)字信號可直接送到自動舵，控制船舶的操縱。目前，廣為使用的是三軸捷聯(lián)磁阻式數(shù)字磁羅盤，這種羅盤具有抗搖動和抗振性、航向精度較高、對干擾場有電子補償、可以集成到控制回路中進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈接等優(yōu)點，因而廣泛應(yīng)用于航空、航天、機(jī)器人、

2、航海、車輛自主導(dǎo)航等領(lǐng)域。典型的數(shù)字羅盤具有以下特點:（1） 三軸磁阻效應(yīng)傳感器測量平面地磁場，雙軸傾角補償。（2） 高速高精度A/D轉(zhuǎn)換。（3） 內(nèi)置溫度補償，最大限度減少傾斜角和指向角的溫度漂移。（4） 內(nèi)置微處理器計算傳感器與磁北夾角。（5） 具有簡單有效的用戶標(biāo)校指令。（6） 具有指向零點修正功能。（7） 外殼結(jié)構(gòu)防水，無磁。電子羅盤的原理是測量地球磁場，如果在使用的環(huán)境中有除了有地球以外的磁場且這些磁場無法有效的屏蔽時，那么電子羅盤的使用就有很大的問題，這時只能考慮使用陀螺來測定航向了。2、設(shè)計任務(wù)及要求本次設(shè)計利用51單片機(jī)開發(fā)板及電子指南針模塊實現(xiàn)一數(shù)字羅盤的設(shè)計。要求掌握電子指

3、南針模塊及其方位角度測量的工作原理，設(shè)計LCD顯示電路及指南針模塊的接口電路。在LCD顯示器上實現(xiàn)方位角度的實時顯示。用電子器件制作一個指南針，可以實現(xiàn)指引方向的作用。有一定的抗干擾能力，可以實現(xiàn)蜂鳴提示的功能。二、電路設(shè)計原理及單元模塊1、設(shè)計原理目前電子羅盤按照有無傾角補償可以分為平面電子羅盤和三維電子羅盤，也可以按照傳感器的不同分為磁阻效應(yīng)傳感器、霍爾效應(yīng)傳感器和磁通門傳感器。 利用磁性材料的磁阻效應(yīng)制成磁性效應(yīng)傳感器。磁性材料的易磁化軸、形狀和磁化磁場的方向影響著其磁化方向。圖 1.1顯示出，當(dāng)電流流通磁性材料時，其電阻阻值大小由材料流通電流的方向與磁化方向的夾角 決定。把磁場 M加在

4、磁性材料上，之前磁化方向開始轉(zhuǎn)動。如果磁化方向轉(zhuǎn)向與電流的方向垂直， 角增大，電阻阻值將減??；如果平行，即角減小，電阻阻值將增大，電流方向與電阻值的關(guān)系為 ，這就是磁阻效應(yīng)2。磁阻式傳感器具有低功耗，抗干擾，溫度穩(wěn)定性好，而且電路很容易搭建。靈敏度和線性度比較好。其性能及穩(wěn)定性容易被遲滯誤差和零點溫度漂移所影響，地磁場強(qiáng)度比較小，外界非磁場容易對磁阻式電子羅盤產(chǎn)生干擾。電子羅盤發(fā)展相當(dāng)迅速，在需要導(dǎo)航的系統(tǒng)的各行各業(yè)。并且有著非常大的應(yīng)用前景3。 圖1.1磁阻效應(yīng)原理2、設(shè)計方案整個系統(tǒng)由89S52單片機(jī)，HMC5883L磁阻傳感器，LCM12864組成。系統(tǒng)啟動后，單片機(jī)先對液晶進(jìn)行操作，使

5、其顯示出歡迎界面，然后利用I2C協(xié)議對HMC5883L進(jìn)行操作，連續(xù)讀取其X軸，Y軸，Z軸的數(shù)據(jù)，通過公式運算，算出現(xiàn)在方位與正南之間的夾角，通過對夾角進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終展現(xiàn)給人們的是精確到小數(shù)點后一位的角度數(shù)據(jù)和始終指向正南的圖形化界面。設(shè)計思路是把HMC5883測得的數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)上，處理后再將其位置信息顯示在LCM12864上面，使用的集成的指南針模塊，所以硬件電路較少，集中精力放在軟件上面來實現(xiàn)。3、單元模塊（一）主控制器STC89C52介紹STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。STC89C52使用經(jīng)典的M

6、CS-51內(nèi)核，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，高性能8位單片機(jī)AT89S52 是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k Bytes的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，做了很多的改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能。在單芯片上，擁有系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時器，內(nèi)置4KB EEPROM，MAX810復(fù)位電路，3個16 位定時器/計數(shù)器，4個外部中斷，一個7向量4級中斷結(jié)構(gòu)（兼容傳統(tǒng)5

7、1的5向量2級中斷結(jié)構(gòu)），全雙工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。最高運作頻率35MHz，6T/12T可選。如圖1.2是單片機(jī)的最小系統(tǒng)。 圖1.2 單片機(jī)的最小系統(tǒng)（二）磁阻傳感器HMC5883L介紹霍尼韋爾 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，應(yīng)用于低成本羅盤和磁場檢測領(lǐng)域。HMC5883L 包括最先進(jìn)的高分辨率HMC11

8、8X 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、自動消磁驅(qū)動器、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、消費類電子、汽車導(dǎo)航系統(tǒng)和個人導(dǎo)航系統(tǒng)?；裟犴f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量磁場。通過施加供電電源，傳感器可以將量測軸方向上的任何入射磁場轉(zhuǎn)變成一種差分電壓輸出。磁阻傳感器是由一個鎳鐵(坡莫合金)薄膜放置在硅片上，并構(gòu)成一個帶式電阻元件

9、。在磁場存在的情況下，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齊，形成一個共同的感應(yīng)軸(如引腳圖上的箭頭所示)，隨著磁場在感應(yīng)方向上不斷增強(qiáng)，電壓也會正向增長。因為輸出只與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0上，就能精密測量其他方向的磁場強(qiáng)度。模塊電路圖見圖1.3。圖1.3模塊電路（三）顯示模塊的設(shè)計顯示模塊1602字符型LCD通常有14條引腳線或16條引腳線的LCD，多出來的2條線是背光電源線。它可以顯示兩行，每行16個字符，采用單+5V電源供電，外圍電路配置簡單，價格便宜，具有很高的性價比。1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器（CGROM)

10、已經(jīng)存儲了160個不同的點陣字符圖形，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，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中的點陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“A”。 管腳功能如表1.4所示：表1.4 LCD1602引腳功能引腳符號功能說明1VSS一般接地2VDD接電源（+5V）3V0液晶顯示器對比度調(diào)整端。4RSRS為寄存器選擇。5R/WR/W為讀寫信號線。6EE(或EN)端為使能(enable)端，下降沿使能。7DB0底4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 0位（最低位）8DB1底4位三態(tài)、 雙向數(shù)

11、據(jù)總線 1位9DB2底4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 2位10DB3底4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 3位11DB4高4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 4位12DB5高4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 5位13DB6高4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 6位14DB7高4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 7位（最高位）（四）LCD1602主要管腳介紹V0為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生鬼影使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度。RS為寄存器選擇端，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器，低電平時選擇指令寄存器。RW為讀寫信號線端，高電平時進(jìn)行讀操作，低電平時進(jìn)行寫操作。當(dāng)RS和RW共同為低電平時可

12、以寫入指令或者顯示地址；當(dāng)RS為高電平RW 為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。E為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。將L1602的RS端和P2.0，R/W端和P2.1, E 端和P2.2相連，當(dāng)RS=0時，對LCD1602寫入指令；當(dāng)RS=1時，對LCD1602寫入數(shù)據(jù)。當(dāng)R/W端接高電平時芯片處于讀數(shù)據(jù)狀態(tài)，反之處于寫數(shù)據(jù)狀態(tài)，E端為使能信號端。當(dāng)R/W為高電平,E端也為高電平，RS為低電平時，液晶顯示屏顯示需要顯示的示數(shù)。圖1.5為1602液晶顯示屏與單片機(jī)的硬件連接圖。 圖1.5 LCD液晶與單片機(jī)硬件連線圖三、安裝與調(diào)試1、電路的安裝將51單片機(jī)最小系統(tǒng)的VCC, P10,

13、 P11, GND 和HMC5883L模塊的VDD, I2C_CLK , I2C_DATA ，VSS用杜邦線連接起來。2、電路的調(diào)試單片機(jī)燒寫程序成功后,上電，首先看1602液晶的背光燈有沒有亮起來，其次看上面有沒有顯示數(shù)據(jù)，如果有數(shù)據(jù)，可以嘗試將HMC5883L模塊換個方向，查看數(shù)據(jù)是否有變化，最后與真的羅盤進(jìn)行比對，查看數(shù)據(jù)的正確性。經(jīng)調(diào)試可知：STC12LE系列低功耗單片機(jī)的正常電壓為3.3V，但LCD1602液晶的對比度電壓要高于5V才能看出顯示效果，最初采用3.3V供給整個系統(tǒng)的時候，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)測試，STC12LE單

14、片機(jī)是可以在5V條件下進(jìn)行工作的。具體流程圖如下： 四、結(jié)論與心得在本次開放性實驗中，對學(xué)習(xí)有了新的認(rèn)識，以前注重理論的比較多，真正自己動手做的時候比較少，所以在設(shè)計的過程中，遇到了很多的困難。但是還是在老師和同學(xué)的幫助以及自己的不懈努力下成功地完成了。 通過對該課題的研究，提高對課外知識的學(xué)習(xí)能力，增強(qiáng)知識的應(yīng)用能力，提高解決實際問題的能力，培養(yǎng)自我創(chuàng)新意識。積累實踐經(jīng)驗，為以后的發(fā)展打下基礎(chǔ)，也為以后我們自己在這方面的發(fā)展打下基礎(chǔ)，并能夠在這方面培養(yǎng)自己的興趣。在設(shè)計中我們必須首先熟悉和掌握單片機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理，單片機(jī)的接口技術(shù)及相關(guān)外圍芯片的外特性，控制方法。以單片機(jī)核心的電路設(shè)計的基

15、本方法和技術(shù)。單片機(jī)不是完成某一個邏輯功能的芯片,而是把一個計算機(jī)系統(tǒng)集成到一個芯片上。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。同時，學(xué)習(xí)使用單片機(jī)了解計算機(jī)原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。 開放性實驗?zāi)芘囵B(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識,提高發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實際問題的能力,是對學(xué)生實際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程。通過這次，從理論到實踐都使我學(xué)到了很多東西，它不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識。同時也明白了理論與實踐相結(jié)合的重要性，只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)

16、論，才能真正為社會服務(wù)，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。通過一段時間的設(shè)計與調(diào)試，其能在大部分場合下測量出模塊設(shè)定的正方向與地理磁場所成的夾角，并在LCD1602液晶顯示器上實時顯示。 本文設(shè)計的數(shù)字羅盤尺寸小，成本低，性能穩(wěn)定，在導(dǎo)航領(lǐng)域上有遠(yuǎn)大的應(yīng)用前景。隨著控制技術(shù)的發(fā)展，傳感器的精度測量將有很大的提高。雖然該系統(tǒng)完全滿足了本課程設(shè)計的各項要求，但是在兩周的仔細(xì)專研后發(fā)現(xiàn)還有一些有待提高的地方，只是限于時間精力有限，未能在本文實現(xiàn)。該系統(tǒng)在應(yīng)用過程中原則上是需要水平放置，實驗證明，在非水平狀態(tài)下，精度會明顯的下降。還有不能在強(qiáng)磁場或者是靠近磁場的場合使用，若是換成三軸的立體傳

17、感器應(yīng)該能實現(xiàn)任何方位的精確測量。 地磁場在任何地方任何時間都不相同，然而本系統(tǒng)中給出的系統(tǒng)磁補償是一個固定值，如果能加上一個更加精確的磁場傳感器的話，應(yīng)該能實現(xiàn)動態(tài)磁補償，實現(xiàn)更精確的導(dǎo)航定位。 我相信，在未來的許多領(lǐng)域，必將大規(guī)模，大批量的使用數(shù)字羅盤。本次數(shù)字羅盤系統(tǒng)包含了磁場傳感器、微控制器、顯示部件、輸入部件和實時時鐘等部分，微控制器通過對磁場傳感器配套的ASIC進(jìn)行讀取獲得當(dāng)前方向地磁場的強(qiáng)度，通過一定的運算后由直觀的液晶界面顯示出來，并可通過微控制器的串口和獨立按鍵進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互。 在整個設(shè)計系統(tǒng)中充分掌握各模塊電路的工作原理，對硬件電路進(jìn)行設(shè)計，并使用C語言編寫全部的驅(qū)動程序。

18、該指南針系統(tǒng)用于方位指示實測精度可以達(dá)到1°、功耗小、顯示直觀、攜帶方便，可作為出行、旅游、導(dǎo)航的必備之物，具有較高的經(jīng)濟(jì)適用價值。 因為個人在知識面和能力方面還有限，再加上條件的限制，電子指南針的采樣精度和抗干擾能力等各項技術(shù)指標(biāo)的提高、諸多功能的完善還需要進(jìn)一步的研究和開發(fā)，此外在完成基本功能的基礎(chǔ)上，還需要努力提高軟件的效率、硬件系統(tǒng)的穩(wěn)定性、進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗等。五、參考文獻(xiàn)1 催嵐波船舶通信與導(dǎo)航M.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社,2007：35-37 2 高光天傳感器與信號調(diào)理器件應(yīng)用技術(shù)M北京：科學(xué)出版社2002.7：168-170 3 TAMARA BRATLAND ROBERT BICKING 和 BHARAT B. PANT.為什么選擇磁性傳感器.4 孫希延，紀(jì)元法，施滸立卡爾曼濾實現(xiàn)車載GPS/DR