数字罗盘开放性实验

基于单片机的数字罗盘设计和制作

一、数字罗盘概述

1、数字罗盘的特点及应用

数字罗盘，在现代技术条件中电子罗盘作为导航仪器或姿态传感器已被广泛应用。数字罗盘与传统指针式和平衡架结构罗盘相比能耗低、体积小、重量轻、精度高、可微型化，其输出信号通过处理可以实现数码显示，不仅可以用来指向，其数字信号可直接送到自动舵，控制船舶的操纵。目前，广为使用的是三轴捷联磁阻式数字磁罗盘，这种罗盘具有抗摇动和抗振性、航向精度较高、对干扰场有电子补偿、可以集成到控制回路中进行数据链接等优点，因而广泛应用于航空、航天、机器人、航海、车辆自主导航等领域。

典型的数字罗盘具有以下特点:

（1）三轴磁阻效应传感器测量平面地磁场，双轴倾角补偿。

（2）高速高精度A/D转换。

（3）内置温度补偿，最大限度减少倾斜角和指向角的温度漂移。

（4）内置微处理器计算传感器与磁北夹角。

（5）具有简单有效的用户标校指令。

（6）具有指向零点修正功能。

（7）外壳结构防水，无磁。电子罗盘的原理是测量地球磁场，如果在使用的环境中有除了有地球以外的磁场且这些磁场无法有效的屏蔽时，那么电子罗盘的使用就有很大的问题，这时只能考虑使用来测定航向了。

2、设计任务及要求

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。用电子器件制作一个指南针，可以实现指引方向的作用。有一定的抗干扰能力，可以实现蜂鸣提示的功能。

二、电路设计原理及单元模块

1、设计原理

目前电子罗盘按照有无倾角补偿可以分为平面电子罗盘和三维电子罗盘，也可以按照传感器的不同分为磁阻效应传感器、霍尔效应传感器和磁通门传感器。

利用磁性材料的磁阻效应制成磁性效应传感器。磁性材料的易磁化轴、形状和磁化磁场的方向影响着其磁化方向。图显示出，当电流流通磁性材料时，其电阻阻值大小由材料流通电流的方向与磁化方向的夹角θ决定。把磁场M加在磁性材料上，之前磁化方向开始转动。如果磁化方向转向与电流的方向垂直，θ角增大，电阻阻值将减小；如果平行，即θ角减小，电阻阻值将增大，电流方向与电阻值的关系为，这就是磁阻效应[2]。

磁阻式传感器具有低功耗，抗干扰，温度稳定性好，而且电路很容易搭建。灵敏度和线性度比较好。其性能及稳定性容易被迟滞误差和零点温度漂移所影响，地磁场强度比较小，外界非磁场容易对磁阻式电子罗盘产生干扰。电子罗盘发展相当迅速，在需要导航的系统的各行各业。并且有着非常大的应用前景[3]。

图磁阻效应原理

2、设计方案

整个系统由89S52单片机，HMC5883L磁阻传感器，LCM12864组成。系统启动后，单片机先对液晶进行操作，使其显示出欢迎界面，然后利用I2C协议对HMC5883L进行操作，连续读取其X轴，Y轴，Z轴的数据，通过公式运算，算出现在方位与正南之间的夹角，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和始终指向正南的图形化界面。设计思路是把HMC5883测得的数据传送至单片机上，处理后再将其位置信息显示在LCM12864上面，使用的集成的指南针模块，所以硬件电路较少，集中精力放在软件上面来实现。

3、单元模块

（一）主控制器STC89C52介绍

STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有

8K 在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，高性能8位单片机AT89S52 是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k Bytes的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，，做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。如图是单片机的最小系统。

图单片机的最小系统

（二）磁阻传感器HMC5883L介绍

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。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。

霍尼韦尔HMC5883L磁阻传感器电路是三轴传感器并应用特殊辅助电路来测量磁场。通过施加供电电源，传感器可以将量测轴方向上的任何入射磁场转变成一种差分电压输出。磁阻传感器是由一个镍铁(坡莫合金)薄膜放置在硅片上，并构成一个带式电阻元件。在磁场存在的情况下，桥式电阻元件的变化将引起跨电桥输出电压的相应变化。这些磁阻元件两两对齐，形成一个共同的感应轴(如引脚图上的箭头所示)，随着磁场在感应方向上不断增强，电压也会正向增长。因为输出只与沿轴方向上的磁阻元件成比例，其他磁阻电桥也放置在正交方向0上，就能精密测量其他方向的磁场强度。模块电路图见图。

图模块电路

（三）显示模块的设计

显示模块1602字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线。它可以显示两行，每行16个字符，采用单+5V电源供电，外围电路配置简单，价格便宜，具有很高的性价比。1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。管脚功能如表所示：

引脚符号功能说明

1VSS一般接地

2VDD接电源（+5V）