二维高精度液晶显示电子指南针.docx
《二维高精度液晶显示电子指南针.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《二维高精度液晶显示电子指南针.docx（30页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
二维高精度液晶显示电子指南针
分类号：
TP271UDC：
D10621-408-（2008）2945-0
密级：
公开编号：
成都信息工程学院
学位论文
二维高精度液晶显示电子指南针
论文作者姓名：
申请学位专业：
电子科学与技术
申请学位类别：
工学学士
指导教师姓名（职称）：
论文提交日期：
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：
日 期：
指导教师签名：
日 期：
使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：
日 期：
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
日期：
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名：
日期：
年月日
导师签名：
日期：
年月日
二维高精度液晶显示电子指南针
摘要
由于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的缺陷。
采用专用的磁场传感器结合高速微控制器（MCU）的电子指南针能有效解决这些问题。
所设计的系统采用了磁阻（GMR）传感器采集某一方向磁场强度后通过MCU控制器对其进行判断后将处理的结果，通过LCD显示屏显示出来，并能够通过MCU的串口发送给上位机。
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有选择性的上传指南针处理得到的数据。
关键词：
指南针GMRMCULCD
Thedesignofelectroniccompass
Abstract
Sincetheearlyuseofamagneticcompassanddirection-pointerofthecomposition,theentirecompassfromscratch,ontheinstructionsofacertainsensitivityofthedefect.Usingadedicatedhigh-speedmagneticsensorswithmicrocontroller（MCU）electroniccompasscaneffectivelysolvetheseproblems.
Thesystemisdesignedbythereluctance（GMR）sensorscollectingacertaindirectionthroughthemagneticfieldstrengthaftertheMCUControlleritsjudgementwillbedealtwiththeresults,throughtheLCDscreendisplayandcanbesenttotheMCU'stopserialMachine.Theactualtestcompassmodulecanreach1°,intheLCDdisplayonthecurrentpositionofthekeyboardandthroughselectivecompassuploadthedataprocessing.
Keywords:
compass;GMR;MCU;LCD
目录
论文总页数：
23页
1引言1
1.1课题背景1
1.2国内外研究现状1
1.3本课题研究的意义1
2系统框图及原理1
3磁场信号采集和处理2
3.1磁阻传感器2
3.2磁场测量ASIC3
4系统硬件5
4.1系统控制器5
4.1.1控制器内部结构5
4.1.2控制器存储结构5
4.1.3控制器具体电路6
4.2系统扩展电路7
4.2.1通信电路7
4.2.2指南针模块接口电路8
4.2.3实时时钟电路9
4.2.4液晶显示电路10
4.2.5系统输入电路10
5系统软件12
5.1主监控程序12
5.2实时时钟驱动13
5.3人机界面驱动13
5.3.1液晶模块驱动14
5.3.2键盘驱动14
5.4指南针模块驱动14
结论16
参考文献17
致谢18
声明19
1引言
1.1课题背景
指南针的发明是我国劳动人民，在长期的实践中对物体磁性认识的结果。
由于生产劳动，人们接触了磁矿石，开始了对磁性质的了解。
人们首先发现了磁石引铁的性质。
后来又发现了磁石的指向性。
经过多方的实验和研究，终于发明了可以实用的指南针。
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。
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。
1.2国内外研究现状
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。
1.3本课题研究的意义
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。
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，特别是系统中来自国外的磁传感器及其信号的采集芯片更是有利于研究磁场传感器的实现机理，以便将此技术应用于其他领域。
2系统框图及原理
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、人机界面以及系统电源几个部分组成，系统结构框图如2.1所示。
图2.1系统框图
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通过芯片内部的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。
3磁场信号采集和处理
图3.1前端信号采集
该部分主要完成对地磁场的测量、A/D转换已经数据的封包。
整个前端的信号处理流程如图3.1所示。
3.1磁阻传感器
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，在本次设计任务中，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，两极处的强度也略大，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，本次设计采用了磁阻传感器来测量地磁场。
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3.2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。
本次设计使用了PNI公司磁场测量磁阻传感器SEN-R65，如图3.3所示。
该传感器体积非常小，测量精度高，最小分辨率可达0.00015高斯，对测量地磁场足够了。
3.2磁场测量ASIC
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。
进行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（既X,Y,Z轴）进行测量。
这样可以使用Z轴来进行倾角校正，极大的提高了测量精度。
在整个PNI11096信号除了电路中包含了3个主要的部分：
⑴前端信号处理：
由于地磁场非常的微弱，使用SEN-R65传感器转换后其信号也是非常的微弱。
那么需要在信号采集前端加入信号处理电路，这样使得A/D能够准确测量当前磁场大小，如3.4所示。
图3.4磁阻传感器的驱动
⑵A/D转换电路：
这部分电路主要完成对SEN-R65磁阻传感器输出的模拟信号量进行A/D转换。
⑶数据接口电路：
这部分组要完成对A/D转换后得到的数据进行格式封装，并在上位MCU的控制下进行数据传输。
整个PNI11096和传感器的连接电路如图3.5所示。
图3.5PNI11096芯片内部原理
该芯片内部集成了3轴传感器驱动电路，可以测量X，Y，Z三轴的磁场强度，Z轴的磁场强度可以用来校正水平面，使得X，Y轴的测量更为的精确。
整个指南针模块的电路如图所示。
图3.5指南针模块总电路图
4系统硬件
4.1系统控制器
4.1.1控制器内部结构
本次设计中采用了高速51内核MCU，具体型号为DS89C450，高速8051架构，每个机器周期一个时钟，最高频率33MHz，单周期指令30ns，双数据指针，支持四种页面存储器访问模式。
片内64KB闪存，在应用编程，可通过串口实现在系统编程，MOVX可访问的1KBSRAM。
与8051系列端口兼容，四路双向，8位I/O端口，三个16位定时器，256字节暂存RAM。
支持电源管理模式，可编程的时钟分频器，自动的硬件和软件退出低功耗。
外设特性：
两路全双工串口、可编程看门狗定时器、13个中断源、五级中断优先级、电源失效复位、电源失效早期预警中断和可降低EMI。
4.1.2控制器存储结构
传统的51系列芯片内部没有或仅有非常小的程序存储器，这就需要通过外部总线进行存储器的扩展，这样使得系统电路复杂且使系统的性能下降。
DS89C450内部含有很大的程序和数据存储器，其片内除了256字节RAM区，还提供片内1KB的SRAM和64KB的程序存储器。
这就有足够大的存储区域来存放代码和数据而不需要另外的扩展外部存储器，简化了系统电路。
图4.1系统存储分配
4.1.3控制器具体电路
在整个系统中控制部分主要完成最核心的数据处理和人机界面控制任务。
控制部分电路如图4.2所示。
图4.2系统控制电路
整个微控制系统中采用了无源晶振的形式发生MCU所需要的时钟信号。
具体电路如所示。
时钟电路中的两个电容用在补偿，使得晶振更容易起震，频率更加稳定。
图4.3系统时钟电路
4.2系统扩展电路
4.2.1通信电路
在本次设计任务中采用了串口作为系统与外界的通信接口，通信部分电路图4.4所示：
图4.4串口通信电路
由于单片机的TTL电平和RS-232协议的电平不同，需要MAX232进行电平的转换，在本次设计中还充分利用了串口的DTS信号作为单片机串口编程功能使能信号。
由于DS89C450提供在系统编程，可以很方便的通过串口对单片机内部的FLASH进行刷新。
由于DS89C450进入在系统编程需要几个条件：
⑴复位引脚电平为高；
⑵EA引脚为低电平；
⑶PSEN引脚为低电平。
整个通过串口DTS控制在系统编程电路如图4.5所示。
图4.5串口逻辑电路
4.2.2指南针模块接口电路
本次设计中采用了FAD_DCM_SPI指南针模块。
该模块采用的正是PNI11096和SEN-R65传感器组合的设计方案。
为了模块化，所以该模块把PNI11096芯片的输出信号经过处理后封装成特定的数据报文格式通过SPI总线形式对外提供，如图4.6所示。
图4.6指南针模块接口
经过模块封装的数据格式如下：
9
8
7
6
5
4
3
2
1
X
X
X
X
X
X
X
X
X
角度数据范围：
十六进制（0X00~0X167），转换成十进制为（0~359）。
SPI（SerialPeripheralInterface--串行外设接口）总线系统是一种同步串行外设接口，它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。
该接口一般使用4条线：
串行时钟线（SCK）、主机输入/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数据线MOST和低电平有效的从机选择线SS（有的SPI接口芯片带有中断信号线INT或INT、有的SPI接口芯片没有主机输出/从机输入数据线MOSI）。
由于SPI系统总线一共只需3～4位数据线和控制即可实现与具有SPI总线接口功能的各种I/O器件进行接口，而扩展并行总线则需要8根数据线、8～16位地址线、2～3位控制线，因此，采用SPI总线接口可以简化电路设计，节省很多常规电路中的接口器件和I/O口线，提高设计的可靠性。
SPI总线的时序如图4.7所示。
图4.7SPI总线时序
4.2.3实时时钟电路
本次设计中采用了PCF8583时钟芯片为系统提供实时时钟。
PCF8583是一款基于静态CMOSRAM的实时时钟芯片，该芯片采用了I2C总线接口。
整个PCF8583的操作都是基于其内建的CMOSRAM，通过对其不同地址的RAM的操作可以实现不同的功能。
其内部的256字节的RAM区域被分为了几个功能区以完成不同的操作。
由于本次使用的DS89C450内部没有I2C控制器，所以直接使用了芯片的I/O口模拟了I2C时序。
整个时钟部分的电路如图4.9所示。
图4.9控制器和PCF8583连接
PCF8583采用了I2C总线的形式与外界传输数据。
I2C（Inter－IntegratedCircuit）总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。
其时序结构如图4.8所示。
图4.8I2C总线时序
4.2.4液晶显示电路
本次设计采用了160*128点阵的单色液晶显示屏（LCD）作为系统的显示界面，具体的型号为PG160128，该LCM模块采用了T6963C控制芯片作为显示控制核心。
微控制器只需要对T6963C芯片进行操作便可以完成对LCD屏的相关操作，使用非常方便。
整个LCM的原理如图4.10所示。
图4.10160*128LCM原理
整个LCM中T6963C负责对LCD行列驱动芯片T6A40和T6A39进行控制。
微控制器只需要按照T6963给定的指令格式进行相应的操作即可。
T6963提供10种控制命令，其数据读写时序如图4.11所示。
图4.11T6963读写时序
4.2.5系统输入电路
本次设计中采用了5键输入实现系统的控制，如时间的调整和菜单的选择等。
由于本次设计中对微控制器的端口占用较少，5个输入键直接采用了连接到端口的形式,如图4.12所示。
图4.12键盘电路
以上是本设计课题中各个硬件部分的阐述，以下是整个系统的总电路。
图4.13系统总体电路图
系统的PCB图如图所示。
图4.13系统主电路板PCB图
图4.13指南针模块PCB图
5系统软件
5.1主监控程序
整个监控系统中各个模块间存在一定的先后顺序且程序模块数量较少，为了减少系统的程序量设计过程中系统的监控程序采用了传统的前后台方式。
整个监控程序主要由指南针模块驱动、液晶显示驱动、实时时钟驱动和串口驱动组成。
整个系统监控程序流程如图5.1所示。
图5.1系统监控程序流程
5.2实时时钟驱动
实时时钟为整个系统的运行提供实时数据。
本次设计采用的PCF8583实时时钟芯片采用的I2C接口，对它的所有操作直接通过对其内部线性的CMOSRAM区进行操作即可即对PCF8583的操作主要是通过I2C总线对其内部RAM进行读写。
整个驱动流程如所示。
图5.2PCF8583驱动流程
5.3人机界面驱动
5.3.1液晶模块驱动
液晶显示驱动处于系统的最后端，属于人机交互界面。
直观的液晶显示能够使得系统更容易操控。
本次设计采用了PG160*128点阵的LCM模块。
整个LCM驱动的构架图如5.3所示。
采用层次设计的驱动可以很好的移植到不同的处理器。
图5.3液晶模块驱动架构
5.3.2键盘驱动
本次设计中将按键电路中按键
、
、
、
、
分别与单片机的P13、P14、P15、P16、P17引脚进行连接，此按键是低电平有效，当有键按下时，与按键相连接的单片机引脚检测到这个信号，然后按照要求进行相应的处理后再输出。
五个按键的功能分别是上、下、左、右设置。
5.4指南针模块驱动
本次设计采用的是FAD_DCMP_SPI模块。
该模块采用SPI接口与MCU进行数据交换。
整个模块驱动包括了读取PNI11096数据、处理数据、封装数据和通过SPI时序发送数据几个部分。
程序的流程如图5.4所示。
图5.4指南针模块内部数据处理流程
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，如图5.5所示。
图5.5未处理时真实磁场强度分布
经过归一化后，可以很好的将其归一化为圆，这样可以提高测量精度。
如图5.6所示。
图5.6归一化后磁场强度分布
将磁场强度归一化后，直接对X,Y轴的强度进行计算就可以得到当前方向与正东方向的夹角。
如图5.7所示。
图5.7角度的计算
从图中可以看出夹角就是：
（5.1）
结论
所设计的系统中包含了磁场传感器、微控制器、显示部件、输入部件和实时时钟等部分，微控制器通过对磁场传感器配套的ASIC进行读取获得当前方向地磁场的强度，通过一定的运算后由直观的人机界面显示出来，并可通过微控制器的串口和上位机建立连接进行数据的传输。
本设计中的系统的传感器、控制和人机界面等部分，基本上是软件的设计。
尽管设计电子指南针写了大量的程序，但限于时间和篇幅，所以对其介绍较少。
经过三个多月的努力，我终于设计出了一个简易的电子指南针。
从年前的思索，到过年后回到学校的正式调研，查阅了很多相关的资料。
由于电子指南针方面的资料现在还很少，因此从查资料到实际动手做花费了很长的时间。
但这段时间却让我学习到了对某一领域如何从不了解到掌握其重要的方法、原理。
在整个研究开发过程中，我始终保持着认真、仔细的态度，将理论转化为实践，不断提高自己的硬件系统设计的软件设计的能力，看到自己的劳动有了成果，我感到很高兴。
然而，我所完成的仅仅是实验室阶段很小的一部分，电子指南针的各项技术指标的提高、诸多功能的完善还需要进一步的研究和开发。
此外在完成基本功能的基础上，还需要努力提高软件的效率、硬件系统的稳定性、降低功耗等，可以说，剩下的工作量是相当大的。
参考文献
[1]JeanJ．Labrosse[美].嵌入式实时操作系统uC/OS-II（第二版）[M].邵贝贝等译.北京:
北京航空航天大学出版社,2003.
[2]周航慈,吴光文.基于嵌入式实时操作系统的程序设计技术[M].北京:
北京航空航天大学出版社,2006.
[3]任哲.嵌入式实时操作系统uC/OS-II原理及应用[M].北京:
北京航空航天大学出版社，2006.
[4]MAXIM.MAX4187Datasheet[PDF].www.maxim-,2005.
[5]黄志伟编著.全国大学生电子设计竞赛系统设计[M].北京:
北京航空航天大学出版社,2006.
[6]常玉燕,吕光译.日本电子电路精选[M].北京:
电子工业出版社,1990.
[7]佐藤一朗[日].集成运算运算放大器电路设计实用手册[M].韩健青,译.北京:
北京航空航天大学出版社,1989.
[8]BonnieBaker[美].嵌入式系统中的模拟设计[M],李喻奎译.北京:
北京航空航天大学出版社.2006
致谢
在本论文完成之际，我首先要向我的指导老师候俊勇副教授表达我最诚挚的谢意！
我还要特别要向我的家人表示由衷的感谢，正是他们的无私奉献和鼎力支持，我才能顺利的完成我的学业。
向百忙之中抽出宝贵时间来评阅这篇论文的各位专家教授致以衷心的感谢！
作者简介
姓名：
李杨性别：
男
出生年月：
1986-03民族：
汉
E-mail:
liyangbbs@
声明
本论文的工作是2008年3月至2008年6月在成都信息工程学院光电技术系完成的。
文中除了特别加以标注地方外，不包含他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得成都信息工程学院或其他教学机构的学位或证书而使用过的材料。
关于学位论文使用权和研究成果知识产权的说明：
本人完全了解成都信息工程学院有关保管使用学位论文的规定，其中包括：
（1）学校有权保管并向有关部门递交学位论文的原件与复印件。
（2）学校可以采用影印、缩印或其他复制方式保存学位论文。
（3）学校可以学术交流为目的复制、赠送和交
升级会员 