1、 题 目 基于单片机的电子指南针设计 学生姓名 王 婷 婷 学号 1113024103 所在学院 物 理 与 电 信 工 程 学 院 专业班级 通 信 工 程 专 业 1103 班 指导教师 郑 争 兵 完成地点 物 理 与 电 信 工 程 学 院 实 验 室 2015 年 6 月 3 日毕 业 论 文 设 计 任 务 书 院(系) 物理与电信工程学院 专业班级 通信 1103 班 学生姓名 王婷婷 一、毕业论文设计题目 基于单片机的电子指南针设计 二、毕业论文设计工作自 2015 年 1 月 10 日 起至 2015 年 6 月 10 日止三、毕业论文设计进行地点: 物理与电信工程学院实验室
2、 四、毕业论文设计的内容要求：指南针是一种重要的导航工具，可应用在多种场合中。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。本课题具体要求如下： 1. 熟悉指南针的工作原理； 2. 选择合适的电磁感应器进行系统设计，完成显示功能； 3. 能够利用电池对系统供电，系统集成，完成功能调试。 成果形式：实验样机一套。 毕业设计进度安排: 1.103.20：查阅资料（参考文献不少于 10 篇），进行方案论证，完成开题报告。完成不少 于 3000 字的外文翻译； 3.204.30：设计硬件电路，编写相关软件、完成电路
3、仿真及样机调试； 5.15.20：完善系统调试，撰写论文，准备毕业设计验收等工作； 5.21-6.10：整理资料，修改论文，准备毕业答辩。 指 导 教 师 系 (教 研 室 ) 通信 教 研 室 系(教研室) 主任签名 批 准 日 期 接 受 论 文 (设 计 )任 务 开 始 执 行 日 期 学 生 签 名 基于单片机的电子指南针设计王婷婷（陕西理工学院物理与电信工程学院通信 1103 班，陕西 汉中 723003）指导教师：郑争兵摘 要 指南针是用以判别方位的一种简单仪器,是一种重要的导航工具，可应用在多种场合中。当人们置于一个陌生的环境中，导航定向非常重要，随着手机的普及，其内置指南针已
4、被人们广泛应用，但是一旦出现手机无电以及信号不强时无法定位。针对这一问题，因此开发一款基于单片机的低成本便于携带的电子指南针系统，以满足人们的精确定向。此次设计的原理是通过 STC89C52 单片机处理异性磁阻(AMR)传感器芯片 HMC5883L 得到的信息数据，最终在 LCD1602 液晶上显示数据，得到当前的角度信息与方位信息。这样的指南针在大大提高了精度的同时也精度更高，更智能，降低了成本和设计难度.关 键 词 电子指南针；单片机；异性磁阻；液晶显示；Design of electronic compass based on MCUWang Tingting(Grade11,Class
5、3,Major of Communication Engineering，School of Physics and telecommunication Engineering of Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723003,China)Tutor:Zheng ZhengbingAbstract：Compass is a simple instrument for judging azimuth. It is an important navigation tool and can be used in many situations.
6、 When people placed in a strange environment, navigation and orientation is very important, with the popularity of mobile phones, the internal compass has been widely used by people, but once the phone has no power and the signal is not strong, cannot be located. To solve this problem, develop a mic
7、rocontroller based low-cost portable electronic compass system to meet peoples accurate orientation. Overall train of thought of the design is anisotropic magnetoresistance (AMR) sensor chip hmc5883l obtained information data processing by STC89C52 microcontroller. Finally in the LCD1602 LCD display
8、 data, get the angle information and the location information. Such a compass can greatly improve the accuracy of the same time, higher accuracy, more intelligent, reduce the cost and design difficulty.Key words：Electronic compass；MCU ；Anisotropic magnetoresistance；liquid crystal display；目 录目 录 .I1
9、绪论 .11.1 课题背景 .11.2 课题研究现状和前景 .31.3 设计的目的和任务 .32 系统方案选择和论证 .42.1 设计要求 .42.2 方案选择和论证 .42.2.1 传感器方案论证与选择 .42.2.2 单片机的选择说明 .52.2.3 显示模块的选择说明 .52.2.3 电源选择说明 .62.3 最佳主体方案 .63 硬件设计及实现 .83.1 单片机外围电路设计 .83.2 HMC5883L 传感器模块 .103.3 LCD1602 液晶屏模块 .124 软件设计 .164.1 系统总体软件设计 .164.2 HMC5883L 与单片机通信软件设计 .164.3 LCD1
10、602 人机界面软件设计 .185 系统调试 .205.1 软件仿真调试 .205.2 硬件电路调试 .20总结 .22致谢 .23参考文献 .24附录 A 英文文献原文 .25附录 B 英文文献译文 .27附录 C 源程序 .29附录 D 元器件清单 .39附录 E 整体电路图 .40附录 F 实物图 .41陕西理工学院毕业设计第 0 页 共 41 页1 绪论1.1 课题背景指南针又称指北针，重要组成部分是一根装在轴上的磁针，磁针在自然地磁场的作用下可以自由转动并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。经常使用于导航、大地测量。旅行和军事方面。物理上指
11、出方向的指南针的缔造由三部曲组成：司南、磁针和罗盘。他们全部属于华夏的发明。指南针是古代人在长时间的实践中对物体磁性了解的成果。作为中国古代的四大发明，它的发明有着不可估量的作用在发展人类科学技术和文明。在古代华夏，指南针初先应用于祭奠、礼节、军事和占卜与看风水时定位方向。11 世纪末，中国的船舶开始使用指南针导航。北宋萍州可谈：“舟师识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦观指南针。”指南针应用在帆海上，是全天候的导航用具，填补了天文导航、地文导航之不及，首创了航海史的新纪元。同时，帆海活动也进一步增进了指南针的成长。先秦时期的汉族劳动人民已经很好累积了对磁现象的认识，在探索铁矿的时候，经常碰到磁铁
12、矿，就是我们说的磁石（成分是四氧化三铁化学式 Fe3O4，又名磁铁、氧化铁黑、吸铁石，为拥有磁性的玄色晶体，故又称为磁性氧化铁）。管子中记录了几篇文章：“山上又磁石者，其下有金铜。”山海经中也有类似的记载。磁石的吸铁特征很早被人发觉，吕氏春秋九卷精晓篇就出现：“慈招铁，或引之也。”古人称“磁”为“慈”。古人把磁石吸引铁比喻成一位慈爱的母亲对子女的吸引。并以为：“石是铁的母亲，但石有不慈与慈两种，慈详的石头能让他的儿女喜欢，不慈的石头就不可以。” 汉以前古人把磁石写成“慈石”，是慈爱石头的表达。到了西汉时期，有一个名叫栾大的术士，他使用磁石的特征做了两个棋子，经过调换两个棋子极性的彼此位置，一会
13、两个棋子相互吸引，一会相互排斥。栾大叫“斗棋”。他把这个特殊的东西献给皇帝，并当场示范。皇帝很惊讶，高兴，出人意料的封栾大为“五利大将军”。李约瑟的看法，他在这篇文章中国对航海罗盘研制的贡献中有精确的论述。他从古今注、管氏地理指蒙、九天玄女青囊海角经等书的记载中推测出如下结论：“磁石指向性转移到它吸过的铁块的发现在中国大约在一世纪到六世纪。在十一世纪之前的某个时候发现，不仅可以产生在磁铁上摩擦磁化的现象；而且还可以用烧红的铁片，经过居里点(CuriePoint)，冷却或淬火而得到磁化，操作时，铁片保持南北方向。古代的中国人将罗盘导航和军事活动，也用于风水，后来被欧洲人的后裔，在欧洲的航海活动和
14、地理发现中发挥着不可替代的重要作用。在航海技术发明中，指南针也是最重要的单项发明，由此传入西欧，继而打开了挖掘新大陆，环球旅行的汹涌澎湃的史诗，这类用以鉴别方位的简扑仪器，是极其重要的导航工具，可应用在不同的场合中。最早的指南针能够追溯到华夏古代四大发明司南，即最早的磁性指向器是司南。“司南”在战国时期开始（公元前 475 年-公元前 221 年），在唐代终止（618-公元 907 年）。因为司南古义不断演化，使它与一系列的古代发明结下了不解之缘。记录司南最早文献是鬼谷子，此中写道：“郑人之取玉也，必载司南之车，为其不惑也。”从鬼谷子中的记录中能够看出，郑人去“取玉”，务必会带上司南，就是为了
15、防止方向的丢失。在提到司南的文件中，王充的记叙是最重要的，他确切的指出：“司南之杓，投之于地，其柢指南。”(是应篇)其中的“杓”是指勺子。具备这种“指南”性能的司南，应是磁性指向器。但是，这里的“地”是指古代械盘中的“地盘”。械盘是秦汉时期发明的，用于游戏或占卜。在“地盘”周围的 24 个方向，中间刻有北斗七星的标志符号。指南针的缔造应该是在一个非常持久漫长的过程中，慢慢进行改良创新的成果，而时期不同，也会以不同的方式呈现。唐代堪舆家的活动相当活跃，并开始强调方向的选择，寻找比磁勺更方便的指向器成了当务之急。于是指南铁鱼或者蝌蚪形铁质指向器及水浮磁针应运而生。活动于唐开元年间（713741 年
16、）的山西堪舆家丘延瀚，被后世堪舆家推崇为堪舆术三针（正针、缝针和中针）中最早出现的正针法的创始人。明代雅好科技的宁献王朱权则在其神机秘籍中说：“针法古无陕西理工学院毕业设计第 1 页 共 41 页所传，自昔玄真始制。”玄真是唐代浙江金华道教张志和（约 730约 810 年），他的道号叫玄真子，所著玄真子十二卷，残存三卷。从这残卷中知道他颇好物理，但未找到与指南针或针法直接有关的记载。然而，这个道号不禁使人联想到旧题晋崔豹所作的古今注中把蝌蚪称为“玄针”。其文曰：“虾蟇子，曰蝌蚪，一曰玄针，一曰玄鱼，形圆而尾大，尾脱即脚生。”十世纪时马缟著作的中华古今注中有相似的记录。这项记载似乎把磁针与指南鱼
17、的发明和应用从形状和性能上联系到了一起。磁针问世后，先后用于堪舆和航海。为了使用方便，读数容易，加上磁偏角的发现，对指南针的使用技巧提出了更高的要求，方家首先将磁针与分度盘相配合，创制了新一代指南针罗盘。不过有些场合，碗中的水浮磁针仍在使用，故沈括梦溪笔谈卷二十四称“水浮多荡摇”。江苏、河北和辽宁旅大曾出土元代的不带刻度的指南针专用针碗。当航船还在使用浮针加针碗时，堪舆罗盘却远远地跑到了前面。我国的磁针和罗盘前后经过陆水两路西传，曾给人类的文化文明的历程带来巨大的影响。以前史学界认为磁针在水中的水罗盘与指南针一脉相承，是中国的发明，但旱罗盘是欧洲所发明，16 世纪才经由日本船传入中国。而今临川
18、罗盘证明：旱罗盘的发明权也属于中国。伴随人们对指南针原理了解的不断明了和深刻，人们不断创新将指南针由粗苯的“司南”发展到如今便携式指南针。但根本架构一直没有发生改动，均属于机械式指针，而且都是使用一种支柱让磁针可以遭到地磁场影响而自由转动。由于该机械指针的内在因素，指南针在其使用寿命上、产品的便携性、准确性以及灵敏度都存在一定的局限。随着集成电路技术的发展和改进，人们因此使用磁场的变化会影响电感电路的道理制成了磁阻传感器，人们于是利用磁阻传感器，制作了电子指南针，这使得指南针的发展进入了一个全新的时代。随着磁传感器和特殊芯片的急速发展，使指南针的基本完成机理产生了巨大的转变，应经摆脱了以前的刻
19、板结构而选用了特殊处理器与磁场传感器对磁场测量和处理指示方向，另外，电子指南针在性能上加倍人性化，因为是采用功能性模块，于是能够特别便利的扩展很多功能，比如在原本的电子指南针的性能基础上还可以添加集成数字时钟等功能，方便适用,这就是应用较为普遍的电子指南针。现代人创造了各类电子指南针，例如苹果手机中即有这个软件的存在，电子罗盘也叫数字罗盘，是利用地磁场来定北极的一种方法，应用到手机上，其实便是电子指南针，电子罗盘一般采用磁通量传感器和磁通门制造。虽然 GPS 已广泛应用在导航，定位，测速和定位，但是信号往往存在地形特征，导致大大的降低了精度，甚至不能被使用。特别是在高楼密集的城区和植被茂盛的林
20、区，GPS 信号的可利用性仅为 60%。在静态的情况下，GPS 不能提供方位信息。为了弥补这个问题，不妨选用组合导航的方式。电子罗盘的设计就是来满足这类用户的需求。它能够对 GPS 信号进行有用的补充，保障导航定位讯息 100%有效，尽管是在 GPS 信号失锁后也可以正常工作，很好地做到了“丢星不丢向”。电子罗盘能够分为平面罗盘和三维罗盘。平面电子罗盘规定人们在行使时必须坚持让罗盘水平放置，不然当罗盘发生歪斜时，也会给出此刻航向的变化但是实际上的航向并无变化。尽管平面电子罗盘对行使时要求很严格，但是如果可以保障罗盘的附载体始终可以水平的话，平面罗盘还是一种不错的选择。三维电子罗盘取消了平面电子
21、罗盘在实际应用中的严厉局限，由于三维电子罗盘在里面添加了倾角传感器，若是罗盘产生歪斜时能够对罗盘加以倾斜性补偿，如此即便是罗盘产生倾斜，航向的测试数据仍然会没有误差。偶尔要求降低温度漂移，罗盘也能够内置温度补偿，最大努力缩小倾斜角与指向角的温度漂移。电子指南针构造固定，里面无挪动部份，能够与别的电子系统简单的接口，于是可代替之前的磁指南针。并以稳定性好、精度高等特点得到了广泛应用。本设计选用的各向异性磁阻(AMR)传感器芯片 HMC5883L 是由 Honeywell 公司生产的。HMC5883L 弱磁传感器芯片具有数字接口，并且外观贴有高集成模块，HMC5883L 弱磁传感器芯片包含高分辨率
22、的 HMC118X 系列磁阻传感器，并拥有霍尼韦尔专利的集成电路包含放大器、自动消磁驱动器、偏差校准、可以使指南针精度限制在 12的 12 位模数转换器。简易的 IIC 系列总线接口。各向异性磁阻(AMR)技术是 HMC5883L 芯片选用的技术为，该技术具有在轴向高灵敏度和线性高精度的特点。这种传感器具备低灵敏度在正交轴上的陕西理工学院毕业设计第 2 页 共 41 页固相构造可以很好用在对地球磁场的方向和大小的测量，负 8 高斯到 8 高斯是它所具有的测量范围。本次设计的电子指南针具有非常好的实用性、灵巧性和领先性。它的使用使我们的日常生活变的更加方便。1.2 课题研究现状和前景与其他工具相
23、比，地磁导航起步晚。美国 E2systems 公司在 1960 年左右研究了基于地磁异常场等值线匹配的 Magnetic ContourMatching 体系, 经过十多年对数据的测量后，系统进行了离线实验。早在上世纪 80 年代地磁导航系统的研究就在瑞典隆德大学实验室进行证明，实验中将地磁图和磁场强度的测量数据进行比较，确定船的位置。而且按照已知的两个磁传感器的输出时差的间隔,计算出船只行驶的速率。美国当前已研发出水下定位精确度高于 500 米，天空和大地定位精确度高 30 米的地磁导航系统,并着手计划用于提高巡航鱼雷和飞航导弹的命中率。除此之外,美国已经着手在导弹实践领域使用地磁信息,并高
24、空地磁数据的测量方面使用 E22 飞机进行。利用大量的地面试验，NASA God2dard空间中心与相关学院对水下地磁导航进行了研究,我国地磁导航的研究主要集中在研究和仿真,航天科工集团三院科学家充分利用均分绝对差法精确的的对地磁强度数据进行运算,分辨率现在可以到 50 米；我国使用地磁导航厘正惯性导航的仿真试验获得了很好的精度。钻研电子指南针制导技术的底子是地磁场模型与地磁图,它们是确定地磁导航技术是不是可实现的要素。由于 GPS 导航定位存在很大不稳定性，而地磁大小和方向随地点、时间而异, 磁场水平上的分量一直都是指向磁北，这是制作电子指南针的基本原理，因此电子指南针可以很好的稳定的精确定
25、向，在我国电子指南针系统的市场需求日趋明显，规模逐渐扩大。其主要发展趋势概括如下:(1)制定行业规范与产业标准(2)专业分工和产业化(3)与 GPS 技术结合，提高系统性能，实现定位一体化。1.3 设计的目的和任务1、设计目的：（1）熟悉指南针的工作原理；（2）采取合适的电磁感应器进行系统设计；（3）总结设计，完成设计论文 1 篇；2、设计任务：（1）具有显示功能，显示方位和角度；（2）电池供电，系统集成；（3）数据显示设计与实现，将数据用 LCD1602 进行显示。陕西理工学院毕业设计第 3 页 共 41 页2 系统方案选择和论证2.1 设计要求电子指南针构造固定，里面无挪动部份，能够与别的
26、电子系统简单的接口，于是可代替之前的磁指南针。并以稳定性好、精度高等特点得到了广泛应用。要求选择合适的电磁感应器进行系统设计，完成显示功能，能够利用电池对系统供电，系统集成，完成功能调试。2.2 方案选择和论证当前电子技术迅速发展，因此电子指南针的设计存在着很多的方案，不同方案各有优缺点，我们需要分析方案并且根据实际情况选择硬什设备进行电路设计。 2.2.1 传感器方案论证与选择方案一:利用两轴磁传感器 HMC1052与别的 HMC10XX 系列传感器相同，HMC1052 是一种双轴线性磁传感器，由磁阻薄膜合金组成的惠斯通桥是每一个传感器都有的。测量磁场和环境磁场在桥路加上供电电压时，HMC1
27、052 传感器就会将磁场强度转换为电压输出。HMC1052 包括两个敏感轴相互垂直的敏感元件，敏感元件 A 和 B 在单硅芯片中共存，参数匹配和完整正交，体积小，低工作电压，两个敏感元件产生的非正误差消除完全。除惠斯通电桥，HMC1052 有两个磁耦合带在芯片上，偏置带和置位/复位带。置位/复位带是敏感元件 A 和 B 都具有的，以此保证精度。校正传感器是通过偏置带进行校正，也可以偏置所有不需要的磁场。在 10 针形状中,两个敏感元件都能单独上电，这样能够利于削减功耗。不过，却不能利用偏置带。若使用偏置带，不妨用其他封装类型的 HMC1052。HMC1052 传感器引脚图如图 2.1 所示：图
28、 2.1 HMC1052 传感器引脚图方案二:采用 Philips 公司生产的 KMZ52 感应磁场传感器一种可以使用坡莫合金薄片所具有的磁阻效应磁场磁场的高灵敏度磁阻传感器由 Philips 公司生产，这种传感器就是 KMZ52。完整的补偿线圈和设置/复位线圈、两个正交磁敏电阻桥在这种磁阻传感器中内置。抵偿线圈的输出能够与目前测试成绩构成闭环反馈，所以可以让传感器灵敏度不会受到地域的限制。在导航、通用地磁测量与交通检测上，这种磁阻传感器有很大的作用。有厚度的高磁导率的坡莫合金在这种磁阻传感器金属铝的表面积累下来，在翻转线圈和外界磁场两个力的作用下，电子改变运动方向，使得磁敏电阻的阻值发生变化
29、。电子在正反向磁场力作用下有较好的对称性是通过 KMZ52 的斑马条电阻成 45放置实现的。因为添加了旋转磁场，KMZ52 的变换曲线与通常的磁敏电阻不一样，加倍线性化。由 4 个磁敏感元件构成的磁阻桥臂叫惠斯通电桥，KMZ52 磁阻传感器的核心部分，长而薄的坡莫合金薄膜制造成了磁敏感元件。当存在外加磁场时，磁阻的变化引发输出电压的变化。KMZ52 传感器引脚图如图 2.2 所示：1234567891 0BAG N D ( B )O U T + ( B )G N D 2 ( A )O U T + ( A )V B R I D G EO U T - ( A )G N D 1 ( A )S / R _O U T _ ( B )S / R +
