1、本科毕业论文（20 届）基于单片机的电子罗盘设计所在学院专业班级 电子信息工程学生姓名指导教师完成日期目 录摘 要 .1Abstract .2前 言 .3第一章 绪 论 .41.1 开发背景 .41.2 关于国内外同类系统的分析 .4第二章 系统的总体方案与设计 .62.1 基本要求 .62.2 硬件系统设计方案 .62.3 软件系统设计方案 .8第三章 系统硬件设计 .103.1 单片机系统设计 .103.2 传感器模块设计 .113.3 显示屏的选取 .123.4 模块的组成 .13第四章 系统软件设计 .144.1 系统软件总体流程 .144.2 软件程序 .14第五章 系统的调试与分析
2、 .195.1 硬件系统调试 .195.2 软件系统调试 .195.3 坏境模拟及系统调试 .195.4 调试故障及原因分析 .195.5 测试结果及分析 .20附件： .24部分源程序： .24参考文献致谢1摘 要随着世界发展的快速进步，人在高楼林立的世界中需要一种简便的导航工具，现在的电子罗盘能集成于手机或者电子手表中而不给人增加够多的其他负担。本文介绍了如何运用简单的电子元件（AT89C51 单片机，HMC5833L 磁传感器，显示器 ）制作一个电子罗盘，具备基本的指南功能。本设计的设计思路就是利用磁阻传感器对地磁的感应得到的信号，导入单片机中，经过单片机里的算法我们把得到的信号转换成显
3、示信号，并在显示屏 LCD1602 中显示出来，显示的内容为南方与 X 轴的夹角。由于我们使用了 HMC5883L 的芯片，所以我们的硬件部分就相对简单了，功能的实现在于我们在软件上下的功夫，我们既要设置振荡的时钟，也要研究算法。该制作简单方便，可集成与手机或手边等电子用品之中利于生活。关键词：电子罗盘，HMC5883L，AT89C512AbstractWith the rapid progress of development in the world, people in tall buildings in the world need a simple navigation tools,
4、 and now can be integrated electronic compass to a cell phone or electronic watch without giving other burdens increased more than enough.This article describes how to use a simple electronic components (AT89C51 microcontroller, HMC5833L magnetic sensors, monitors) make an electronic compass, a guid
5、e with basic functionality. This design idea is to use the design of the magnetoresistive sensor signal obtained by the geomagnetism sensor, introduced into the microcontroller through the microcontroller in the algorithm we obtain signals into display signals, and show up in the display LCD1602, th
6、e content displayed is the angle between the South and the X-axis. Because we use a HMC5883L chips, so our hardware part is relatively simple to achieve functionality that our effort in the software up and down, we need to set the clock oscillation, but also research algorithms. The production is si
7、mple and convenient, can be integrated with a cell phone or other electronic items being hand in favor of life.Keywords: Electronic compass，HMC5883L，AT89C513前 言罗盘早在中国古代就已经被发明出来，这是古老的中国留给世界伟大的智慧遗产，由此传入欧洲，进而为在大航海时代发现新大陆做了铺垫，在大海一望无际的汪洋中给人指明了方向，开启了环球旅行的波澜壮阔的史诗，古老的罗盘很不稳定，而且精度低，不方便携带。在现代电子科技发展的今天，集成电路的飞速发
8、展，人们利用对地磁敏感的磁阻传感器制作出了电子罗盘，使得罗盘的发展跨越了一个新的篇章。本设计是利用 Honeywell 公司生产的 HMC5883 磁阻传感器来制作的，通过磁阻传感器的对地磁强度的感应形成的电子信号传给了 AT89C51 单片机，单片机进行数据处理后把它显示到LCD1602 液晶显示屏上面。电子罗盘精度达到小数点后一位，同时人们可以根据显示的 X 轴与南方的夹角判断出自己的方位。4第一章 绪 论1.1 开发背景罗盘是一种重要的导航工具，在现代人们的生产生活中起到了不可或缺的作用。罗盘的前身是指南针。主要组成部分是由一根指向南方的磁针与必要的基座。地球磁场的作用下磁针可保持在磁子
9、午线的切线方向。针指向地理北极北极，因此可以引导人们的方向。在生活中可以用于野外勘探，航海，以及有极高的军事价值。随着电子技术的发展，电子罗盘的优势逐步体现，固定电子罗盘的内部结构，可以使它与其他一些电子所共存，因此可以代替旧的老式罗盘。并具有高的精度，稳定性好，已被广泛使用。通过收集的磁场强度在一定的方向上不同状态的电子信号，通过单片机对输出进行处理并显示在液晶屏幕上。通过使用磁阻传感器捕捉到地球上的磁场强度，并通过处理了后显示在液晶屏上，有利于学习的先进传感器的工作机制，打好基础，为将来做更复杂的系统。指南针始祖大约出现在战国时期。它是由一个磁石。看起来像一个勺子，在古代指南针被称为司南，
10、圆形，可放置在光滑“草皮” ，并保持平衡，并能自由转动。当它静止时，勺柄将指向南方。后来随着人们对罗盘的深刻认识，制作的罗盘也更复杂，但基本原理依旧要依靠一些机械对地磁感应，很容易受到外界因素的影响，从而使得到的结果不够精确，随着现代电子技术的飞速发展，人们能够利用磁阻传感器来判断自己所处的位子，使导航领域的发展更加系统化，在移动电话等电子设备中，人们通常会用一块小小的集成芯片来实现电子罗盘的内部结构，能与许多电子元件所共存，因此可以代替旧的磁罗盘，并具有高的精度，稳定性好，已被广泛使用，以使罗盘的定性的发展而发展。1.2 关于国内外同类系统的分析在国外有许多家公司都在研究和生产电子罗盘，尤其
11、是 Honeywell 公司的磁阻式电子罗盘和 KVH 公司生产的磁通门电子罗盘最为人所知。 在我国国内对电子罗盘的研究和发展起步还是比较晚的，一些国内的电子生产商基本都是以代理国外的品牌为主，自我的研究还不够深入细致。在九十年代末我国才真正开始对电子罗盘的研究。电子技术的发展是要有一定时间积累的。大连海事大学关政军教授利用磁阻传感器研制了水平状态下的磁罗经；西北工业大学刘诗斌教授在他的博士学位论文中把磁通门技术应用于无人机中并研5制了原理样机，能够智能的对实际中出现的误差进行补偿；可以说在我国电子罗盘的发展空间还是很大的。6第二章 系统的总体方案与设计2.1 基本要求此种方案整个系统由 AT
12、89C51 单片机，磁阻传感器 HMC5883L，显示屏 LCD1602组成。系统启动后，单片机先对显示屏 LCD1602 进行操作，显示屏进入初始状态，然后对 HMC5883L 进行操作，51 单片机连续读取其 X 轴，Y 轴，Z 轴的数据，通过公式运算，算出 X 轴与正南之间的夹角，通过对夹角进行数据处理，最终展现给人们的是精确到小数点后一位的角度数据。设计思路是把磁阻传感器 HMC5883 测得的地磁数据传送至AT89C51 单片机上，数据通过公式计算后再将其位置信息显示在 LCD1602 上面，使用的集成的磁阻传感器模块，我们避免的了放大电路以及 A/D 转化等复杂的硬件，可以集中精力
13、在软件的实现上下功夫。这个方案所用的硬件不多，而且成本较低，可实现程度高，所以最终选择了这个方案作为了最终设计。2.2 硬件系统设计方案2.2.1 硬件电路组成及工作原理硬件电路组要由磁阻传感器，A/D 转化器，电源电路，信号放大器， 51 单片机及其LCD1602 组成，实现效果如图 2-1 电子罗盘的工作原理。图 2-1 电子罗盘工作原理其工作原理是：电磁信号被磁阻传感器感应通过信号放大并在 A/D 转化成数字信号，信号通过 51 单片机内的处理在显示屏上显示出 X 轴与南的夹角度数。2.2.2 硬件的选取地磁磁阻传感器信号放大器A/D转化器51单片机显示屏72.2.3 单片机的选取51
14、系列单片机最早是由 Intel 公司设计的的 MCS-51 系列，后来在 Intle 公司将 MCS-51 系列单片机实行技术向大家开放之后，Atmel,STC,Dallas,华邦，LG，Siemens 等公司都在 MCS-51 中推出各种型号的兼容型单片机统称为 51 系列单片机，这些兼容型单片机都是以 8051 为基础的。在我们的生活中 51 单片机运用的最为广泛，它是由 Intel 公司研发的，它因它合理的结构和严谨的指令格式而被广泛认可，当今世界由 51 单片机延伸出来系列形成了以个体系，广泛的研究和开发也使得这一系列功能更加优化。51 系列优点之一是它的位处理器，由于 51 单片机的
15、研发比较完善，从内部来说有一套完整的软硬件按位处理系统，位处理器它的处理对象就是位。它能对片内某些特殊功能寄存器的某位进行处理，如置位，传送，测试，清零等，还能进行位的逻辑运算，可谓是功能强大，所以可以运用的十分广泛。像一些清零，置位，或者是检测等作用，只需要一个位处理就可以解决以上可能出现的问题。乘法和除法指令是 51 单片机的另外一个优点，8 除以 8 除法指令，八乘八乘法指令，十六值，这样可以满足大多数的精度要求。考虑到开放的大学课程，一旦系统研究 51 单片机原理，以及它的成本低，电子罗盘处理速度的要求设计，所以我选择了来做主 51 MCU 控制器。在市场上选择做主流 STC89S52
16、 开发公司。 2.2.4 磁阻传感器的选择2.2.4.1 Honeywell 三轴磁阻传感器 HMC5883L 特点：(1)数字量输出：输出数字量不需要进行 A/D 转化。(2)尺寸小: 3x3x0.9mm LCC 封装。(3)双线串行数据接口适用于大多的消费型电子产品(4)符合 RoHS 标准(5)罗盘航向、硬磁、软磁以及制自动校准库都是可以自动获得的(6)精度高：1 2 度，内置 12 位 A/D,OFFSET, SET/RESET 电路，误差较小。(7)自动校准程序能实现，简化步骤，方便终端产品的使用，有相应软件及算法支持。(8)最大输出频率可达 160Hz8(9)有自己的自检电路，可以
17、实行自检，无需外部添加。(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-2.5 微安 测量模式-0.1mA。(12)价格在 7 到 10 元之间。2.2.4.2 Honeywell 磁阻传感器 HMC1501(1)价格较为便宜(2)量程角度较宽（45） ，最小分辨率位 0.07。(3)8mm 的有效线性区，多个器件时可以增加区间。绝对灵敏，不用于增量“编码”器件，HMC1501 走位精确，无需遍索引。机体在无触碰的情况下损耗较小。小包装，8 脚表面贴装，尺寸 541.2mm，可以在小于 6mm 的空间工作。大讯号输出：在 5 伏
18、电源时有 120mV 的满量程输出。价格在 30 元左右2.2.4.3 Honeywell HMC1001/1002 单、双轴磁阻传感器（1）磁场范围高至 6 高斯(地磁场=0.5 高斯) 。（2）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。（3）单轴传感器封装在 8 针 SIP 或 8 针 SOIC, 或陶瓷 8 针 DIP 内。（4）双轴传感器封装在 16 针或 20 针 SOIC 封装内。（5）节约了成本又大大提高了实用性和可靠性。2.3 软件系统设计方案本设计的放大电路与 A/D 转化以及信号采集都是由硬件电路来完成的所以只需要 51单片机对信号的处理与 LCD 显示，方案框图如图 2-2 所示。
