基于单片机的电子指南针设计.docx
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基于单片机的电子指南针设计
基于单片机的电子指南针设计
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
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:
1.10─3.20：
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；
3.20─4.30：
设计硬件电路，编写相关软件、完成电路仿真及样机调试；
5.1─5.20：
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；
DesignofelectroniccompassbasedonMCU
WangTingting
（Grade11,Class3,MajorofCommunicationEngineering，SchoolofPhysicsand
telecommunicationEngineeringofShaanxiUniversityofTechnology,Hanzhong723003,China）
Tutor:
ZhengZhengbing
Abstract：
Compassisasimpleinstrumentforjudgingazimuth.Itisanimportantnavigationtoolandcanbeusedinmanysituations..Whenpeopleplacedinastrangeenvironment,navigationandorientationisveryimportant,withthepopularityofmobilephones,theinternalcompasshasbeenwidelyusedbypeople,butoncethephonehasnopowerandthesignalisnotstrong,cannotbelocated.Tosolvethisproblem,developamicrocontrollerbasedlow-costportableelectroniccompasssystemtomeetpeople'saccurateorientation.Overalltrainofthoughtofthedesignisanisotropicmagnetoresistance（AMR）sensorchiphmc5883lobtainedinformationdataprocessingbySTC89C52microcontroller.FinallyintheLCD1602LCDdisplaydata,gettheangleinformationandthelocationinformation.Suchacompasscangreatlyimprovetheaccuracyofthesametime,higheraccuracy,moreintelligent,reducethecostanddesigndifficulty.
Keywords：
Electroniccompass；MCU；Anisotropicmagnetoresistance；liquidcrystaldisplay；
目录I
1绪论1
1.1课题背景1
1.2课题研究现状和前景3
1.3设计的目的和任务3
2系统方案选择和论证4
2.1设计要求4
2.2方案选择和论证4
2.2.1传感器方案论证与选择4
2.2.2单片机的选择说明5
2.2.3显示模块的选择说明5
2.2.3电源选择说明6
2.3最佳主体方案6
3硬件设计及实现8
3.1单片机外围电路设计8
3.2HMC5883L传感器模块10
3.3LCD1602液晶屏模块12
4软件设计16
4.1系统总体软件设计16
4.2HMC5883L与单片机通信软件设计16
4.3LCD1602人机界面软件设计18
5系统调试20
5.1软件仿真调试20
5.2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
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（713—741年）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1~2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MagneticContourMatching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，NASAGod2dard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。
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，HMC1052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2.1HMC1052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。
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：
图2.2KMZ52传感器引脚图
方案三:
使用霍尼韦尔HMC5883L各向异性磁阻传感电路
带有数字接口、包含最新的高分辨率HMC118X系列磁阻传感器的霍尼韦尔HMC5883L弱磁传感器芯片，而且表面贴装有高集成模块，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、能使指南针精度控制在1~2的12位模数转换器。
简易的I2C系列总线接口。
HMC5883L芯片选用无铅表面封装技能，一共16个引脚，尺寸是3.0×3.0×0.9mm。
HMC5883L可以应用在消费类电子、汽车导航系统与个人导航系统。
HMC5883L芯片选用各向异性磁阻（AMR）技能，该技能具有在轴向高灵敏度和线性高精度的特点。
这种传感器范围从负8高斯到8高斯，拥有的对正交轴的低灵敏度的固相构造可以很好的测量测量地球磁场的方向和大小。
低磁场传感器行业中最灵敏、最可靠传感器就是霍尼韦尔的磁传感器。
HMC5883L传感器引脚图如图2.3所示：
图2.3HMC5883L传感器引脚图
通过对各传感的比较，HMC5883L三轴磁阻传感器和ASIC都被封装在一起了，不用外接ASIC，加上12-bitADC与低干预AMR传感器，内置驱动器，可以在8高斯的磁场中达到2毫高斯的分辨率，更加优胜。
综上我们采用方案三，利用霍尼韦尔HMC5883L各向异性磁阻传感电路。
2.2.2单片机的选择说明
AT系列和STC系列单片机的选择：
AT89C系列的单片机存在不能进行在线编程的缺点。
AT89S和STC系列都可以ISP在线编程，AT系列采用并口编程方法，STC系列是通过串口在线编程。
因此STC的编程方式更为容易也较普遍，正因为如此，我选择STC系列。
51和52系列的选择：
51系列有4k存储空间，而52系列有8k存储空间，容量比51大。
根据以上分析，本次毕业设计采用STC89C52芯片，STC89C52是一款功耗低，高性能的8位CMOS微控制器，具有8K可编程Flash存储器，方便下载程序，性价比高，能较好的适应本实验要求。
2.2.3显示模块的选择说明
方案一:
采用LED数码管显示。
LED数码管具有接口电路简单，亮度大，价格适中等优点，但缺点就是只能显示简单字母和数字，而设计中要求显示角度、字母、数字等多个信息，使用数码管会使得硬件电路设计繁琐，而且连线复杂，再加上单片机接口欠缺，不够使用，因此不采用此方案。
方案二:
采用LCD1602液晶屏显示。
LCD1602使用非常普遍，在生活中很多地方都能见到LCD1602液晶显示屏，例如计算器，遥控器，家用电器等，它主要用来显示数字，字母，专用字符和图形，拥有显示成果高、功耗低、体积小等长处，除此之外，LCD1602选用数字式接口，和单片机之间的连线简单，故采用LCD1602来显示方向和度数。
2.2.3电源选择说明
电源作为电子系统的重要组成部分，缺少电源所以电器设备均不能正常工作，因此说电源问题非常重要。
在电压为5V的情况下，LCD1602液晶和51单片机都可以正常工作，可以想到指南针通常在室外使用，需要能够时间长，对电源的要求比较高，而实际生活中很难找到5V电源，所以这是第一个要
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