基于单片机的电子指南针设计

目录

摘要： (1)

0 前言 (1)

1系统基本方案选择 (2)

1.1单片机的选择 (2)

1.2磁阻传感器的选择 (3)

2 主要元器件介绍 (5)

2.1 主控制器STC89C52介绍 (5)

2.2 磁阻传感器HMC5883L介绍 (6)

2.3 1602LCD液晶显示器 (9)

3 程序流程图 (11)

4 设计思路 (12)

5 内部主要程序 (12)

6实物演示 (15)

7 结论 (16)

8 参考文献 (17)

基于单片机的电子指南针设计

（河南大学物理与电子学院，河南开封，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、大地测量、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。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,使指南针的发展有了质的发

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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]。

1.1.1A VR系列简介

AVR单片机是Atmel公司推出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，指令系统规范，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内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。它不光能对片内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

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河南大学物理与电子学院开放实验室设计报告

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，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HMC5883L[4]。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中通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、软磁以及制自动校准库。

(6)精度高：1－2度，内置12位A/D,OFFSET, SET/RESET 电路，不会出现磁

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