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学科分类号0806本科生毕业设计报告书题目（中文）：基于单片机的电子指南针设计（英文）：TheDesignofElectronicCompassBasedonMCU学生姓名：学号：0810404019系别：物理与信息工程系专业：通信工程指导教师：起止日期：2011年12月－2012年5月2012年5月18日怀化学院本科毕业设计报告书诚信声明作者郑重声明：所呈交的本科毕业设计，是在指导老师的指导下，独立进行研究所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外，报告书中不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的成果。对毕业设计做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确的方式标明。本声明的法律结果由作者承担。本科毕业设计报告书作者签名：年月日目录摘要…………………………………………………………………………………Ⅰ关键词………………………………………………………………………………ⅠAbstract……………………………………………………………………………ⅠKeywords……………………………………………………………………………Ⅰ1引言………………………………………………………………………………12系统总体方案设计………………………………………………………………32.1系统总体框图………………………………………………………………32.2信号采集处理的原理………………………………………………………43硬件电路设计……………………………………………………………………73.1主控电路……………………………………………………………………73.2串口通信电路………………………………………………………………103.3指南针模块和接口电路……………………………………………………113.4实时时钟电路………………………………………………………………143.5液晶显示电路………………………………………………………………153.6按键输入电路………………………………………………………………164软件设计…………………………………………………………………………174.1主监控程序…………………………………………………………………174.2实时时钟驱动………………………………………………………………144.3人机界面驱动………………………………………………………………194.3.1液晶模块驱到…………………………………………………………194.3.2键盘驱动………………………………………………………………194.4指南针模块驱动……………………………………………………………195测试结果………………………………………………………………………206总结……………………………………………………………………………21参考文献……………………………………………………………………………22致谢……………………………………………………………………………23附录……………………………………………………………………………244Ⅰ基于单片机的电子指南针设计摘要指南针是我国的四大发明之一，早期的指南针采用了磁化指针和方位盘的组合方式，这样的指南针携带起来很不方便，且指示灵敏度上有一定不足，准确性很差。本文通过对电子指南针基本工作原理的研究分析，采用磁阻（GMR）传感器采集某一方向磁场强度，然后通过MCU控制器对其进行处理并显示上传，达到了显示当前所指方向的目的。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，并能通过键盘控制上传数据到上位机。这样的指南针精度更高，更智能，在大大提高了精度的同时，也降低了成本和设计难度。关键词电子指南针；磁阻传感器；单片机；液晶显示器TheDesignofElectronicCompassBasedonMCUAbstractOneoftheChina'sfourgreatinventionsisacompass,earlycompasspointerandorientationusingmagneticdiskcombination,itisnotconvenienttocarrysuchacompass.andinstructionstohaveinsufficientsensitivityandaccuracyispoor.Thisarticlethroughtotheelectroniccompassbasiconworkingprincipleofresearchandanalysis,usingmagneticresistance(GMR)sensorstocollectacertaindirectionmagneticfieldintensity,andthenthroughtheMCUcontrollerforthetreatmentanddisplaytheuploadtodisplaythecurrentpointeddirectionofpurpose.Theactualtestcompassmodule,upto1°accuracy,itcanbedisplayedonLCDandthecurrentposition,andthroughthekeyboardcontroluploaddatatothePC.Suchacompassnotonlyhigheraccuracy,moreintelligent,greatlyimprovingtheaccuracy,butalsoreducethecostanddifficultyofdesign.KeywordsElectronicCompass;GMR;MCU;LCD11引言指南针是用以判别方位的一种简单仪器，又称指北针。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。中国是世界上公认发明指南针的国家。指南针的发明是我国汉族劳动人民在长期的实践中对物体磁性认识的结果。由于生产劳动，人们接触了磁铁矿，开始了对磁性质的了解。人们首先发现了磁石吸引铁的性质，后来又发现了磁石的指向性。经过多方面的实验和研究，终于发明了实用的指南针。最早的指南针是用天然磁体做成的，据古书记载，远在春秋战国时期，由于正处在奴隶制社会向封建社会过渡的大变革时期，生产力有了很大的发展，特别是农业生产更是兴盛发达，因而促使了采矿业、冶炼业的发展。在长期的生产实践中，人们从铁矿石中认识了磁石。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。古人称它为“司南”。司南由青铜盘和天然磁体制成的磁勺组成，青铜盘上刻有二十四向，置磁勺于盘中心圆面上，静止时，勺尾指向为南。但司南也有许多缺陷，天然磁体不易找到，在加工时容易因打击、受热而失磁。所以司南的磁性比较弱，而且它与地盘接触处要非常光滑，否则会因转动摩擦阻力过大，而难于旋转，无法达到预期的指南2效果。而且司南有一定的体积和重量，携带很不方便，使得司南长期未得到广泛应用。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（ASIC）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。电子指南针全部采用固态元件，可以用简单的方法与其它电子系统进行连接，完成新产品的开发。电子指南针具有体积小、精度高、稳定性好等特点，因为它的这些优异性，在工业、军事、生活等领域都有着广泛的应用，并且它可以替代旧式的针式指南针或罗盘式指南针。本课题针对电子指南针的各个功能部件对电子指南针的关键部分做了详细的研究。采用单片机做为系统的核心控制芯片，而单片机的接口是数字信号的，想要它能够处理地球的磁场状况，必须要把磁场信号转化成电信号（电压或电流），然后经过模数转换，把模拟的电信号转化成单片机可以处理的数字信号。把所得的数字信息通过主控制器进行处理，然后用人机界面表现出来，供我们来读取和应用。3电子指南针系统是一个典型的单片机系统，了解其工作原理及其信号处理流程有利于研究更加复杂的嵌入式系统，特别是系统中采用进口的磁传感器及其相关信号的采集芯片更是有利于研究磁场传感器的实现机理，以便将其更加广泛的应用。2系统总体方案设计2.1系统总体框图本系统采用磁阻（GMR）传感器采集磁场强度，然后把磁场强度转换成数字量，单片机再对这些数字量进行处理，最后将处理得到的结果进行显示。电子指南针的系统主要由前端磁阻传感器、磁场测量专用转换芯片、单片控制器、辅助扩展电路、键盘、显示模块以及系统电源几个部分组成[1]，系统结构如图2.1所示。4整个系统中前端的磁阻传感器负责测量地磁场的大小并将磁场的变化转化为微弱的电流的变化，专用的磁场测量芯片负责把磁阻传感器变化的电流（模拟量）转换成微控制器可以识别的数字量，然后将该数字信号即采集到的数据通过SPI总线上传给微控制器。微控制器将表征当前磁场大小的数字量按照方位进行归一化等处理后通过直观的LCD进行方位显示，同时可以通过键盘控制微控制器进行相应的操作，如将转换后的数据通过串口的形式发送到上位机。整个系统中还包含了实时时钟等一些辅助电路，使整个系统功能得到进一步的扩展，这使得电子指南针更具备实用价值。电子指南针包含如下功能：精确地显示所指的方向。可以测量到的方向信息形象地显示在LCD液晶屏上。可以通过按键对电子指南针进行实际的操作。可将测量到的方向数据上传到PC上。可以显示实时时间，更便于应用。2.2信号采集处理的原理该部分主要完成对地磁场的测量、A/D转换以及对数据的封包。图2.2前端信号采集5整个前端的信号处理流程如图2.2所示。整个磁阻传感器是系统中最前端的信号测量器件，传统的磁场测量都是采用了电感线圈的形式，在所设计的系统中，由于需要测量的是非常微弱的地磁场，地球表面赤道上的磁场强度在0.29～0.40高斯之间，两极处的强度略大，地磁北极约0.61高斯，南极约0.68高斯。传统的普通电感线圈的形式在如此微弱的磁场环境下感应产生的电流是非常微弱的，不便于A/D采样，增加了测量的难度。基于普通电感线圈测量的不足，所设计的系统采用了磁阻传感器来测量地址磁场的强度。磁阻传感器是根据电场和磁场的原理，当在铁磁合金薄带的长度方向施加一个电流时，如果在垂直于电流的方向再施加磁场,铁磁性材料中就有磁阻的非均质现象出现，从而引起合金带自身的阻值变化。如图2.3所示。由图中我们可以看出当磁场变化时铁磁合金的电阻会跟着变化，如果此时的电流不变，那么铁磁合金两端的电压将发生变化，这样使用ADC就可以很方便的测量出当前对应的磁场大小。该传感器体积非常小，测量精度高，最小分辨率可达0.00015高图2.3磁阻传感器原理及其外形6斯，测量地磁场已经足够。通过磁阻效应可以把磁场的变化转换成对应变化的电流，通过A/D转换就可以得到对应的数字量。ADC这部分主要有专用的磁场测量芯片来完成。本次设计中使用了著名PNI公司的PNI11096磁场测量ASIC，该芯片能够同时对3轴磁场强度（既X,Y,Z轴）进行测量。这样可以使用Z轴来进行倾角校正，提高测量精度。在整个指南针模块程序的设计过程中最主要的也就是其数据的处理，直接关系到系统的精度。在还没有处理之前从PNI11096读取的数据真实的反应了水平面内地磁场的分布情况，均匀转动指南针模块得到的地磁场强度分布，在不同的方向上是不同的，经过归一化后，可以很好的将其归