电子指南针设计报告(正文)

目录1.前言................................................................12.总体方案设计..........................................................22.1传感器方案论证与选择..............................................22.2单片机方案选择....................................................42.3总体方案设计思想及框图............................................63.硬件电路设计..........................................................83.1单片机最小系统....................................................83.2串口电路..........................................................93.3HMC5883L传感器模块..............................................103.4LCD1602液晶屏模块...............................................124.软件设计.............................................................174.1HMC5883L与单片机通信软件设计....................................174.2LCD1602人机界面软件设计.........................................184.3系统总统软件设计.................................................185.系统调试.............................................................186.结论.................................................................207.总结与体会...........................................................19致谢...................................................................20参考文献...............................................................21附录A:电子指南针整机电路图和实物图...................................22附录B:1602液晶模块字符存储器........................................23附录C:电子指南针程序源代码...........................................24第1页1.前言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。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、大地测量等方面。随着人们对指南针原理认识的不断深入，指南针也由先前笨重的“司南”发展到现在的便携式的指南针。但其基本构造是没有改变的，都是属于机械的指针式，其指示的机械结构基本上没有改变，都是利用某种支撑使得磁针能够受到地磁场的影响而自由的旋转。由于机械的先天因素导致了指针式指南针在便携性、灵敏度、精度以及使用寿命上都有一定的限制。由于国内外电子技术的飞速发展，特别是在磁传感器和专用芯片上的发展使能指南针的基本实现机理有了质的改变，不再是机械结构而采用了磁场传感器和专用处理器对磁场进行测量和处理后指示方向，这就是当前应用较为广泛的电子式指南针。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。本设计采用Honeywell公司的各向异性磁阻(AMR)传感器芯片HMC5883L。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感器芯片，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采用霍各向异性磁阻(AMR)技术，该技术领先于这些各向异性传感器具有在轴向高灵敏度和线性高精度的特点。传感器具有的对正交轴的低灵敏度的固相结构能用于测量地球磁场的方向和大小，其测量范围从负8高斯到8高斯(gauss)。本文介绍了电子指南针的工作原理及电路硬件及软件的设计，同时给出了其抗干扰设计以及信号和数据的处理方法。第2页2.总体方案设计如今电子技术发展飞速，电子指南针的设计也存在着多种方案选择，每种方案各有所长，因此我们要根据自己的实际情况选择相应的硬什设备进行电路设计。2.1传感器方案论证与选择方案一:利用两轴磁传感器HMC1052HMC1052是一个双轴线性磁传感器，和其它HMC10XX系列传感器一样，每个传感器都有一个由磁阻薄膜合金组成的惠斯通桥。当桥路加上供电电压，传感器将磁场强度转化为电压输出，包括环境磁场和测量磁场。HMC1052包含两个敏感元件，它们的敏感轴互相垂直。敏感元件A和B，共存于单硅芯片中，完全正交，且参数匹配。HMC1052的尺寸小，低工作电压，而且消除了两个敏感元件引起的非正误差。除了惠斯通电桥，HMC1052有两个位于芯片上的磁耦合带，偏置带和置位/复位带。敏感元件A和B，都有这两个带。置位/复位带，用于确保精度。偏置带，用于校正传感器，或偏置任何不想要的磁场。在标准的10针外形(MSOP)中,两个敏感元件可以独立上电，用于减少功耗。然而，却不能使用偏置带。若需要偏置带，可以用另一种封装的HMC1052。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KMZ52是Philips公司生产的一种磁阻传感器，是利用坡莫合金薄片的磁阻效应测量磁场的高灵敏度磁阻传感器。该磁阻传感器内置两个正交磁敏电阻桥、完整的补偿线圈和设置/复位线圈。补偿线圈的输出与当前测量结果形成闭环反馈，使传感器的灵敏度不受地域限制。这种磁阻传感器主要应用于导航、通用地磁测量和交通检测。该磁阻第3页传感器在金属铝的表面沉积了一定厚度的高磁导率的坡莫合金，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。同时KMZ52的斑马条电阻成45°放置，这使得电子在正反向磁场力作用下有较好的对称性。由于加入了翻转磁场，KMZ52的变化曲线与普通的磁敏电阻不同，更加线性化。KMZ52磁阻传感器的核心部分是惠斯通电桥，是由4个磁敏感元件组成的磁阻桥臂。磁敏感元件由长而薄的坡莫合金薄膜制成。在外加磁场的作用下，磁阻的变化引起输出电压的变化。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1°~2°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。HMC5883L采用霍尼韦尔各向异性磁阻(AMR)技术，该技术领先于其他磁传感器技术。这些各向异性传感器具有在轴向高灵敏度和线性高精度的特点.传感器具有的对正交轴的低灵敏度的固相结构能用于测量地球磁场的方向和大小，其测量范围从毫高斯到8高斯(gauss)。霍尼韦尔的磁传感器在低磁场传感器行业中是灵敏度最高和可靠性最好的传感器。第4页图2.3HMC5883L传感器引脚图通过对比各传感器特点我们了解到它们的优缺点，HMC5883L三轴磁阻传感器和ASIC都被封装在一起了，不需要外接ASIC，而12-bitADC与低干扰AMR传感器，能在±8高斯的磁场中实现2毫高斯的分辨率，且内置驱动器，显得更为优越。霍尼韦尔的磁传感器在低磁场传感器行业中是灵敏度最高和可靠性最好的传感器。综上我们选择传感器方案三，使用霍尼韦尔HMC5883L各向异性磁阻传感电路。2.2单片机方案选择STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S),针对电机控制，强干扰场合。1.增强型8051CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051；2.工作电压：STC12C5A60S2系列工作电压：5.5V-3.3V（5V单片机）STC12LE5A60S2系列工作电压：3.6V-2.2V（3V单片机）；3.工作频率范围：0-35MHz，相当于普通8051的0～420MHz；4.用户应用程序空间8K/16K/20K/32K/40K/48K/52K/60K/62K字节；5.片上集成1280字节RAM；6.通用I/O口（36/40/44个），复位后为：准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口），可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏，每第5页个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过55Ma；7.ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片；8.有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM无内部EEPROM)；9.看门狗；10.内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地）；11.外部掉电检测电路:在P4.6口有一个低压门槛比较器，5V单片机为1.32V，误差为+/-5%,3.3V单片机为1.30V，误差为+/-3%；12.时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器(温漂为+/-5%到+/-10%以内)1用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟，常温下内部R/C振荡器频率为：5.0V单片机为：11MHz～15.5MHz，3.3V单片机为：8MHz～12MHz，精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准；13.共4个16位定时器两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器；14.2个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟；15.外部中断I/O口7路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的PCA模块，PowerDown模式可由外部中断唤醒，INT0/P3.2,INT1/P3.3,T0/P3.