1、论文题目 ：电子指南针的设计与实现专业：电子信息工程学生： 签名： 指 导 教 师 ： 签名： 摘 要指南针是中国古代四大发明之一，是古老中国贡献给世界的宝贵智慧之一，由此传入西欧，进而开启了发现新大陆，环球旅行的波澜壮阔的史诗，但是古老的指南针具有不稳定，精度低，不易携带的缺点。随着集成电路工艺的改进和发展，人们利用磁场的变化影响电感电路的原理制作出了磁阻传感器，利用磁阻传感器，人们制作出了电子指南针，使得指南针的发展进入了一个崭新的时代。本文利用 Honeywell 公司生产的磁阻传感器 HMC5883L 通过采集某一方向的磁场强度并将输出的数据上传到 51 单片机，单片机进行数据处理后把
2、它直观的显示到 LCM12864 液晶显示屏上面。指南针精度达到小数点后一位，同时人们可以根据指针的位置判断出自己所在的方位。【关键词】磁阻传感器 51 单片机 LCM12864【论文类型】设计Title:Major:Name: Signature: Supervisor: Signature: Abstract 【Key words】 （小四号 Times New Roman）【Type of Thesis】 （小四号 Times New Roman）绪论指南针是一种重要的导航工具，可应用在多种场合中。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
3、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。常用于航海、大地测量、旅行及军事等方面。随着电子技术的发展，电子指南针的优势渐渐体现出来，电子指南针内部结构固定，没有移动部分，可以简单地和其它电子系统接口，因此可代替旧的磁指南针。并以精度高、稳定性好等特点得到了广泛运用。通过采集某一方向磁场强度，传至 mcu 对其进行处理并输出到液晶屏上显示。通过采用磁阻传感器采集地球上磁场的强度，并通过 51 单片机处理后显示在液晶显示屏上，有利于研究国外先进传感器工作机理，为以后做更精密的系统打下基础。指南针的始祖大约出现在战国时期。它是用天然磁石制成的。
4、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。后来随着人们认识的深入，指南针越来越精巧，但其基本原理还是依靠某种支撑机械式的工作，易受到外界因素的制约影响工作，随着电子技术的不断进步，人们做出了磁阻传感器，应用在导航仪，手机等电子设备中，电子指南针内部结构固定，没有移动部分，可以简单地和其它电子系统接口，因此可代替旧的磁指南针。并以精度高、稳定性好等特点得到了广泛运用,使指南针的发展有了质的发展。目 录1 系统基本方案选择.1.1 单片机的选择.1.2 磁阻传感器的选择.1.3 液晶显示的选择.1.4 多种方案的比较.2 主要元器
5、件的基本功能介绍.2.1 主控制器 STC89S52 介绍.2.2 磁阻传感器 HMC5883L 介绍.2.2.1 I2C 通信协议.2.2.2 连续测量模式.2.2.3 数据处理.2.3 12864 液晶显示器介绍.3 功能框图.3.1 单片机外围电路.3.2 磁阻传感器外围电路.4 程序流程图.5 设计思路.6 总结与致谢.参考文献.附录. 1 系统基本方案选择1.1 单片机的选择51 系列单片机源于 Intel 公司的 MCS-51 系列，在 Intle 公司将 MCS-51 系列单片机实行技术开放政策之后，诸如 Atmel,STC,Dallas,华邦，LG，Siemens 等都以 MC
6、S-51中的基础结构 8051 为基准推出各种型号的兼容型单片机统称为 51 系列单片机。1.1.1 AVR 系列简介AVR 单片机是 Atmel 公司推出的较为新颖的单片机，特点是高性能，高速度，低功耗，取消了机器周期，以时钟周期为指令周期，实行流水作业。大部分指令为单周期指令，而单周期的指令既可以执行本指令功能，同时完成下一条指令的读取，时钟频率用4-8MHz,故最短指令执行时间为 250-125ms。主要类型有以下三种：AT90s2313（简装型） ，AT90S8515,AT90S8535(带 A/D 转换)。在 51 系列中，所有的逻辑运算都必须在 A 中进行，而 AVR 却可以在任意
7、两个寄存器中进行，省去了在 A 中的反复，这些都比 51 系列强。1.1.2 PIC 系列简介PIC 单片机系列是美国微芯公司(Microship)的产品，是当前市场份额增长最快的单片机之一。CPU 采用 RISC 结构，分别有 33,35,38 条指令（视单片机的级别而定） ，属精简指令集。而 51 系列有 111 条指令，AVR 有 118 条指令，都比前者复杂。采用Harvard 双总线结构，运行速度快，属于指令流水线结构，在一个周期完成执行指令和从程序存储器取出下一条指令。具有低工作电压，低功耗，驱动能力强等特点。在编程过程中，少不了要与专用寄存器打交道，得反复选择对应的存储体，给编程
8、带来了一定的麻烦。1.1.3 51 系列应用最为广泛的八位单片机当属 Intel 的 51 系列，由于产品硬件结构合理，指令系统规范，世界有许多著名芯片公司购买了 51 系列芯片的核心专利技术，并在其基础上进行性能上的扩充，使得芯片得到进一步的完善，形成了一个庞大的体系。51 系列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，统称为位处理器，或布尔处理器它的处理对象不是字或字节而是位。它不光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。在一个较复杂的程序在运行工程中会遇到许多的分支，因而需要建立许多标志位，在运行过程中，需
9、对有关标志位进行置位，清零，或者检测，以确定程序的运行方向。而实施这一处理（包括前面所有的位功能） ，只需用一条位操作指令即可。51 系列的另一个优点是乘法和除法指令，八位除以八位的除法指令，商为八位，而八位乘八位的乘法指令，其值为十六位，精度可以满足大多数的要求，用的较多。考虑到大学所开课程，曾系统的学习过 51 单片机原理，以及其成本低，所设计的电子指南针处理速率的要求，所以选择 51 单片机来做主控制器。在市场上选择了主流的 STC 公司的 89S52 来做开发。1.2 磁阻传感器的选择1.2.1 Honeywell 三轴磁阻传感器 HMC5883L，见图 1-1。图 1-1特点(1)数
10、字量输出：I2C 数字量输出接口，设计使用非常方便。(2)尺寸小: 3x3x0.9mm LCC 封装，适合大规模量产使用。(3)适用于消费类电子设备应用中通用双线串行数据接口(4)符合 RoHS 标准(5)可获得罗盘航向、硬磁、软磁以及制自动校准库(6)精度高：12度，内置12位 A/D,OFFSET, SET/RESET 电路，不会出现磁饱和现象，不会有累加误差。(7)支持自动校准程序，简化使用步骤，终端产品使用非常方便，有相应软件及算法支持。(8)最大输出频率可达160Hz(9)内置自测试电路，方便量产测试，无需增加额外昂贵的测试设备。(10)带有设置/复位和偏置驱动器用于消磁、自测和偏移
11、补偿。(11)功耗低：供电电压1.8V, 功耗睡眠模式-2.5微安 测量模式-0.1mA。(12)价格在7到10元之间。1.2.2 Honeywell 磁阻传感器HMC1501，见图1-2图1-2特点(1)永磁产生材料不需稀土磁钢,只要用铝镍钴或陶瓷型磁钢，价格便宜。(2)具有宽角度量程（45） ，0.07的最小分辨率。(3)8mm 的有效线性区，多个器件时可以增加区间。(4)绝对灵敏，不用于增量“编码”器件，HMC1501可以精确走位，无需遍索引。(5)非接触，无磨损，不会因转动机械传感器磨损而降低讯号。(6)小包装，8脚表面 贴装，尺寸541.2mm，可以在 小于6mm 的空间工作。(7)
12、大讯号输出：在5伏电源时有120mV 的满量 程输出。(8)价格在30元左右1.2.3 Honeywell HMC1001/1002 单、双轴磁阻传感器，见图1-3图1-3特点(1)磁场范围高至 6高斯(地磁场=0.5高斯)(2)封装尺寸小(3)设计成单轴和双轴可组合在一起工作从而提供3轴(xyz)传感(4)单轴传感器封装在8针 SIP 或8针 SOIC, 或陶瓷8针 DIP 内(5)双轴传感器封装在16针或20针 SOIC 封装内(6)这类小型装置相比于机械磁通门大大降低了装配成本并提高了可靠性和耐用性(7)价格便宜,这类传感器经专门设计对于大批量的 OEM 应用价格合适,市场价格100到5
13、00元。1.2.4 QHS103双极锁存磁传感器，见图1-4。图 1-4特点（1）高灵敏度、高速、低功耗、高精度应用而开发的双极锁存磁传感器，集成了 TMR 和 CMOS 技术。（2）采用高精度推挽半桥 TMR 磁传感器和 CMOS 集成电路，包括 TMR 电压发生器，比较器，施密特触发器和 CMOS 输出电路，能将变化的磁场信号转化为数字电压 x 信号输出。（3）通过内部电压稳压器来提供温度补偿电源，并允许宽的工作电压范围。QHS103 低电压工作、消耗电流低、响应频率高，微安级的电流消耗成为众多低功耗应用的理想选择。（4）市场价格 50 元左右。考虑到所选择的单片机为 51 系列，课程设计
14、所要求的精度及成本问题，所以选择了 Honeywell 公司的 HMC5883L 磁阻传感器来做课程设计。1.3 液晶显示的选择1.3.1 LCD1602LCD1602 工业字符型 液晶，能够显示 16*2 即32 个字符。即 16 列两行。 是一种专门用来显示字母，数字，符号等的点阵型 液晶。由若干个 5*7 或者5*11 等点阵字符位组成，每个字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点阵的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以不能很好的显示图形（用自定义 CGRAM，显示效果也不好） 。见图 1-5图 1-51.3.2 1286412864 是 128*64 点阵液晶模块的点阵数简称，业界约定俗成的简称。其可以良好的显示自定义的图形，字符。操作简单，应用广泛。见图 1-6。图 1-6因为本课程设计要用图形界面来直观的显示指南针，并且要做欢迎界面来增加指南针的美观和实用性，所以综合考虑用带字库的 12864 来做显示。1.4 多种方案的比较1.4.1 采用 DS89C450+PNI11096+SEN-R65传感器组合的设计方案。
