二维高精度液晶显示电子指南针设计 精品推荐.docx

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信息工程学院

学位论文

二维高精度液晶显示电子指南针设计

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：

二维高精度液晶显示电子指南针设计

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。

本系统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。

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上显示当前方位并能通过键盘控制上传指南针处理得到的数据到上位机。

关键词：

电子指南针；GMR；MCU；LCD

ThedesignofTwo-dimensionalHigh-precision

LCDElectronicCompass

Abstract

Sincetheearlyuseofamagneticcompassanddirection-pointerofthecomposition,theentirecompassfromscratch,ontheinstructionsofacertainsensitivityofthedefect.Usingadedicatedhigh-speedmagneticsensorswithmicrocontroller（MCU）electroniccompasscaneffectivelysolvetheseproblems.

Thesystemisdesignedbythereluctance（GMR）sensorscollectingacertaindirectionthroughthemagneticfieldstrengthaftertheMCUControlleritsjudgementwillbedealtwiththeresults,throughtheLCDscreendisplayandcanbesenttotheMCU'stopserialMachine.Theactualtestcompassmodulecanreach1°,intheLCDdisplayonthecurrentpositionofthekeyboardandthroughselectivecompassuploadthedataprocessing.

Keywords:

Electroniccompass;GMR;MCU;LCD

目录

论文总页数：

18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3

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8

4.2.1通信电路8

4.2.2指南针模块接口电路9

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11

5系统软件13

5.1主监控程序13

5.2实时时钟驱动14

5.3人机界面驱动14

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15

结论16

参考文献16

致谢17

声明18

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，以便将其更加广泛的应用。

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，系统结构如图2.1所示。

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

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。

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。

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，测量地磁场已经足够。

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。

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PNI11096信号处理电路中包含了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放大和滤波整形电路，这样使得A/D能够准确测量当前磁场大小，如3.3所示。

⑵A/D转换电路：

这部分主要完成对SEN-R65磁阻传感器输出的模拟信号进行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3.4所示。

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。

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，通常的外部存储器的扩展方法有线选法和译码法两种。

两种方法都需要进行较大量的数据线和地址线的扩展，这样使得系统电路复杂且使系统的性能下降。

DS89C450内部含有较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，SRAM存储器可以用来保存系统中的常量，加速系统软件的执行效率，64KB的程序存可以满足一般工程对程序存储器的需求，这样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，简化了系统电路提高了系统的性能。

基于DS89C450微控制器内建的存储器结构如图4.1所示。

4.1.3控制器具体电路

整个系统的控制部分主要完成对指南针模块数据的读取和处理并将数据的处理结果通过控制人机界面显示出来，同时监控键盘的输入以便完成系统功能设定等操作。

整个系统中各个模块对微控制器的端口占用比较少，指南针模块的接口采用了SPI总线的形式。

LCM是系统中比较繁忙的器件之一，其接口采用了并口模式可以提高数据的传输速率，保证了液晶显示屏的及时刷新。

DS89C450微控制器内部自带2个通用串行口直接引出即可使用，由于系统需要和上位机（本系统中为PC机）进行数据通信，接口电平需要转换使其满足RS-232标准。

控制部分电路如图4.2所示，其中包含了微控制器、LCD接口电路、端口上拉电阻、系统时钟电路和指南针模块接口电路。

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作补偿，使得晶振更容易起振，频率更加稳定。

系统的复位采用了上电复的