数字罗盘的设计

目录

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1 总体方案设计 (2)

1.1 电子罗盘测量基本原理 (2)

1.2 课题分析 (2)

1.3 系统方案论证 (3)

1.3.1 数据采集模块 (3)

1.3.2主机控制模块 (3)

1.3.3 结果显示模块 (4)

2 硬件电路设计 (5)

2.1 单片机系统 (5)

2.2按键电路 (6)

2.3 GY—26模块电路2.3 GY—26模块电路 (6)

2.4液晶显示模块电路 (7)

3 软件设计 (8)

3.1主程序设计 (8)

3.2 GY-26模块程序设计 (9)

4 调试分析 (10)

4.1硬件调试 (10)

4.2 软件调试 (11)

参考文献 (11)

课设体会 (13)

附录1 电路原理图 (14)

附录2 程序清单 (15)

数字罗盘的设计

王某某沈阳航空航天大学自动化学院

摘要：本文设计了一种基于单片机控制的精确定向数字罗盘系统。使用GY—26罗盘模块作为传感器，并详细介绍了其测向原理。系统采用8位STC89C52单片机作为主控芯片，LCD1602液晶显示作为主输出设备，外加几个按键进行人机交互式操作。设定以正北方向为0 º的一周。单片机获取传感器信息，经过分析后通过液晶屏显示模块箭头所指的正前方与地理北极的夹角，角度以顺时针方向累加，实现0—360以0.1度的精度显示。由按键控制模块进行校准或者是恢复出厂设置，由程序设定磁补偿角度的大小。该系统低功耗体积小，反应时间短，抗干扰能力强，便于携带，适用于各种应用场合。

关键词：STC89C52单片机；GY—26模块；LCD1602液晶显示；磁补偿

0前言

现在应用最为广泛的导航仪器主要有两种：陀螺仪和磁罗盘。能对地磁场测量偏离角度的仪器叫做磁罗盘。我国古代的四大发明之一指南针就是一个简易的磁罗盘，它对整个人类社会发展做出了巨大贡献，直到现在依然具有深远的意义。到 20 世纪初，随着工业的发展，罗盘制造工艺也得到了飞速的发展，材料的选择和机械制造使得罗盘的性能有了显著地提高。尤其是是机械式磁罗盘，现在某些情况下依然使用机械式磁罗盘。到了20世纪末，陀螺罗盘的问世，对于罗盘导航又是一场革命。罗盘感应着地球的自转，磁性物质对其几乎没有影响。使得陀螺罗盘的标度盘非常稳定，读取数据更加精确。当代GPS虽然有广泛的应用，但是信号经常被物体所遮挡，使其精度大打折扣。有效性也大大降低。据有关资料统计，在高楼林立城区和植被茂密的林区，GPS信号的有效性仅为60%。并且在静止的情况下，GPS也无法给出航向信息。因此迫切需要研究出一种低功耗，便于携带，内置磁场感应器，系统稳定，并且能完成精确定向的微系统，而本课题设计就是研究出一个数字电子罗盘，采用地磁场的工作原理，由于地磁大小和方向随地点不同而不同,无论何时何地磁场的水平分量都严格的指向地磁北极，所以环境适应性好，可以对GPS 信号进行有效补偿，保证导航定向信息100%有效，即使是在GPS信号失锁后也能正常工作，做到“丢星不丢向”。

本设计系统基于单片机开发平台，选取GY-26型号的平面数字罗盘模块，使用以51为内核的超低功耗控制器STC89C52RC单片机作为控制系统，设计出低功耗数字罗盘系统，实现角度实时显示的软硬件设计方法。

未来科技发展更加快速，相对磁场技术也会越来成熟，电子罗盘系统将朝着先进性、经济性、实用性、功能型的成熟完善的系统而发展！

总体方案设计

1.1 电子罗盘测量基本原理

磁场是一种看不见，而又摸不着的特殊物质，它具有波粒的辐射特性。磁体周围存在磁场，磁体间的相互作用就是以磁场作为媒介的。电流、运动电荷、磁体或变化电场周围空间存在的一种特殊形态的物质。由于磁体的磁性来源于电流，电流是电荷的运动，因而概括地说，磁场是由运动电荷或电场的变化而产生的。

而地球本身及其周围空间存在着磁场，其主要部分是一个偶极场．地心磁偶极子轴线与地球表面的2个交点叫地磁极，地磁的南(北)极实际上是地心磁偶极子的北(南)极。地磁极与地理极相近但不重合，二者夹角约为11．5 º。地磁场的强度为0.5 至0.6 高斯，其大小和方向随地点(甚至随时间)而异, 无论何地磁场的水平分量永远指向磁北，这是所有电子罗盘的制作基础。通过测量物体相对于地磁北的方位实现定向。早期利用地磁北定向的是机械式指南针，随着数字技术的发展和磁传感器研制水平的提高，电子罗盘获得了较快发展。

本次设计所用的电子罗盘通过磁传感器中两个相互垂直轴同时感应地球磁场的磁分量，从而得出方位角度。

图1 地球磁场分布图

1.2 课题分析

本次设计利用51单片机开发板及电子指南针模块实现一数字罗盘的设计。要求掌握电子指南针模块及其方位角度测量的工作原理，设计LCD显示电路及指南针模块的接口电路。在LCD显示器上实现方位角度的实时显示。另外，需要添加必要数量的按键进行人机交互操作。

1.3 系统方案论证

1.3.1 数据采集模块

传感器是本系统信号采集的关键部件，因此传感器的选择变的尤为重要。目前的电子罗盘传感器主要分为磁通门、磁阻式和霍尔元件三种。

磁通门传感器是由一套环绕磁芯的线圈组成，该磁芯配有励磁电路，能够提供低成本的磁场探测方法，但它们体积偏大、易碎、响应时间慢。霍尔效应磁传感器的优点是体积小，重量轻，功耗小，价格便宜，接口电路简单，特别适用于强磁场的测量。但是，它又有灵敏度低、噪声大、温度性能差等缺点。虽然有些高灵敏度或采取了聚磁措施霍尔器件也能用于测量地磁场，但一般都是用于要求不高的场合。磁阻传感器现在已经可以做成标准的集成芯片，并且产品也形成了系列。而使用磁阻传感器的电子罗盘克服了磁通门罗盘的不足，具有体积小、重量轻、精度高、可靠性强、响应速度快等优点，是未来电子罗盘的发展方向。所以选择磁阻传感器。

方案一：GY-26是一款低成本平面数字罗盘模块。输入电压低，功耗小，体积小。具有高性价比串口及IIC输出格式。其工作原理是通过磁传感器中两个相互垂直轴同时感应地球磁场的磁分量，从而得出方位角度，此罗盘以RS232协议，及IIC协议与其他设备通信。该产品精度高，稳定性高。并切具有重新标定的功能，能够在任意位置得到准确的方位角，其输出的波特率是9600bps,有连续输出与询问输出两种方式，具有磁偏角补偿功能，可适应不同的工作环境。

方案二：HMC5883磁阻传感器。HMC5883是霍尼韦尔公司推出的三轴数字罗盘传感器，专门为带有一个数字接口的低场磁传感器而设计，应用于诸如低成本罗盘和测磁学领域。采用三轴磁阻传感器进行地球磁场矢量测量，双轴加速传感器可以传感地球重力场中测量载体的姿态，然后通过姿态坐标变换将磁阻传感器沿载体坐标的测量信号变换到地平坐标系。其输出为3路的差分模拟电压值，差分值大约为几毫伏，信号经过调理电路把信号进行放大，再由模数转换器进行放大和模数转换。

方案三：霍尼韦尔HMR3300。霍尼韦尔HMR3300拥有三轴磁场测量，两轴加速度传感器进行倾斜角补偿，通过中央处理器实时解算航向，可以在任何方向上提供精确的航向信息，具有补偿硬磁干扰，铁磁物体干扰和离散磁场的功能，输出校准后的高精度测量值，使得在极其恶劣的环境下也能提供准确的航向数据。另外其具有体积小、工作电压范围大，多种输出方式，功耗低，高性价比等特点，可以将其安装固定在多种方向和位置。

根据设计要求，低成本，功耗小，体积小，控制起来比较简单的平面数字罗盘GY-26更适合，所以选择方案一。

1.3.2主机控制模块

现在的控制系统非常多，通常根据我们的实际需要，选择控制系统。控制器是设计