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1、 目 录摘要：10 前言11系统基本方案选择21.1单片机的选择21.2磁阻传感器的选择32 主要元器件介绍52.1 主控制器STC89C52介绍52.2 磁阻传感器HMC5883L介绍62.3 1602LCD液晶显示器93 程序流程图114 设计思路115 部主要程序126实物演示157 结论178 参考文献17 / 基于单片机的电子指南针设计（大学物理与电子学院， ，475004）摘要：早期的指南针采用了磁化指针和方位盘的组合方式，整个指南针从便携性、指示灵敏度上都有一定不足，极易受到外界因素的干扰。本系统采用专用的磁场传感器结合高速微控制器的电子指南针能有效解决这些问题。系统采用了磁阻传
2、感器采集某一方向磁场强度后通过控制器对其进行处理并显示上传，通过对电子指南针硬件电路和软件程序的分析，阐述了电子指南针基本的工作原理及实现。实际测试指南针模块精度达到1，能够在LCD上显示当前方位。关键词： 指南针;磁阻传感器;液晶显示屏0 前言 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、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，电子指南针部结构固定，没有移动
3、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。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
4、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。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MCS-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。1.1.1AVR系列简介AVR单片机是Atmel公司推出
5、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)2。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
6、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，给编程带来了一定的麻烦3。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，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
7、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
8、，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89C52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HMC5883L4。如图1.1。 图1.1 HMC5883L实物图特点：(1)数字量输出：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
9、动校准库。(6)精度高：12度，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)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、自测和偏移补偿。(11)功耗低：供电电压1.8V, 功耗睡眠模式-2.5mA 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，如图1.2。图1.2 HMC1501实物图特点：(1)永磁产生材
10、料不需稀土磁钢,只要用铝镍钴或瓷型磁钢，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) 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。如图1.3。图1.3 HMC1501实物图特点：(1) 磁场围高至
11、 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, 或瓷8针DIP。(5) 双轴传感器封装在16针或20针SOIC封装。(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100-500元。考虑到所选择的单片机为51系列，课程设计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。2 主要元器件介绍2.1 主控制器STC89C5
12、2介绍 STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51核，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，高性能8位单片机AT89C52 是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片含8k Bytes的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/
13、O 口线，看门狗定时器，置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。2.2 磁阻传感器HMC5883L介绍 霍尼韦尔 HMC5883L 是一种表面贴装的高集成模块，并带有数字接口的弱磁传
14、感器芯片，应用于低成本罗盘和磁场检测领域。HMC5883L 包括最先进的高分辨率HMC118X 系列磁阻传感器，并附带霍尼韦尔专利的集成电路包括放大器、自动消磁驱动器、偏差校准、能使罗盘精度控制在12的12 位模数转换器.简易的I2C 系列总线接口。HMC5883L 是采用无铅表面封装技术，带有16 引脚，尺寸为3.0*3.0*0.9mm。HMC5883L 的所应用领域有手机、笔记本电脑、消费类电子、汽车导航系统和个人导航系统。霍尼韦尔HMC5883L磁阻传感器电路是三轴传感器并应用特殊辅助电路来测量磁场。通过施加供电电源，传感器可以将量测轴方向上的任何入射磁场转变成一种差分电压输出。磁阻传感
15、器是由一个镍铁(坡莫合金)薄膜放置在硅片上，并构成一个带式电阻元件。在磁场存在的情况下，桥式电阻元件的变化将引起跨电桥输出电压的相应变化。这些磁阻元件两两对齐，形成一个共同的感应轴(如图2.1所示)，随着磁场在感应方向上不断增强，电压也会正向增长。因为输出只与沿轴方向上的磁阻元件成比例，其他磁阻电桥也放置在正交方向0上，就能精密测量其他方向的磁场强度。箭头标明磁场方向，该磁场在正常测量模式下产生正向输出可读。2.2.1 I2C通信HMC5883LL 通过两线I2C 总线系统作为一个从机装置进行通信。HMC5883LL 使用是一个I2C 协议所定义的简化后的通信接口协议，通过这一文件，。数据传输速率是标准模式100kbps 或400kbps 速率，如I2C 总线规格中所规定。总线位格式是一个8 位数据/地址传送和1 位应答位。格式的数据字节（有效载荷）应区分HMC5883L 从机上的大小写的ASCII 字符或二进制数据，以及返回的二进制数据。负二进制值将是以二进制的补码形式。默认（出厂） HMC5883LL 7 位从机
