基于ATS单片机的电子罗盘系统的设计与实现.doc

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浙江财经学院本科生毕业论文（设计）

此处为论文中文题目，要求居中填写

主标题不超过24个汉字；可加副标题（副标题前加破折号），副标题与主标题间空一行的位置

主标题：

黑体，小二，居中

副标题：

楷体_GB2312，四号，居中

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本科生毕业论文（设计）

题目：

基于AT89S52单片机的电子罗盘系统的

设计与实现

学生姓名******

学号0********0

指导教师******

二级学院信息学院

专业名称计算机科学与技术

班级0*计算机*班

20**年4月

I

声明及论文使用的授权

本人郑重声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下独立完成的。

除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果。

论文作者签名：

年月日

本人同意浙江财经学院有关保留使用学位论文的规定，即：

学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网公布全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。

论文作者签名：

年月日

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基于AT89S52单片机的电子罗盘系统的设计与实现

摘要：

随着汽车进入千家万户，但普通汽车不具备高端汽车内置的电子罗盘定向系统；而导航定向对于行车安全非常重要。

本文将介绍一种用于车载设备精确定向的电子罗盘系统。

首先介绍磁阻传感器测向原理，然后本系统采用三轴磁阻传感器HMC5883作为信号采集装置，实现自动定向的软硬件设计方法，接下来系统采用ATMEL的8位单片机AT89S52单片机为核心控制器，设定以正北为0º的一周。

单片机获取传感器信息，经过分析后通过液晶屏显示行驶方向，并实现了偏离固定方向区间行驶便产生报警的功能，同时分析了系统产生的误差。

关键词：

AT89S52单片机；HMC5883传感器；电子罗盘

electroniccompassorientationsystem basedon AT89S52

Abstract：

Nowadays,asautomobileisownedbynormalhouseholds,thenavigationsystemisaratherimportantpartforthetrafficsafety.However,anormalcardoesnothavethevehicleantennaautomaticorientationsystemasthehigh-endcar.Thisarticlewillintroduceamoreaccurateelectroniccompassorientationsystemwhichcanbeusedinnormalcars.FirstpartofthisarticleisabouttheapplicationofmagnetoresistivesensormeasurementprinciplewithheHMC58833-axismagnetoresistivesensorasasignalacquisitiondevice.Then,itadoptsATMEL8bitmicrocontrollerAT89S52MCUasthecorecontroller.Thiscontrollerissetto0digitsinnorth.Inthisway,thecontrollercanacquireandanalyzeinformationtoshowthedirectiononLCDscreenaswellasalertwhenthevehicleisoutofthedirection.Thisistoavoidsystemincidents.

Keywords：

AT89S52microcontroller;HMC5883sensor;electroniccompassorientationsystem

目录

1绪论 1

1.1 课题背景 1

1.2 国内外研究现状及发展趋势 1

1.3 本文主要研究内容和章节安排 2

2系统分析与设计 3

2.1 电子罗盘测向原理介绍 3

2.2 系统主控系统的选择 4

2.3 单片机比较和选型 5

2.4 传感器的选择 6

2.5 显示屏的选择 8

3 硬件系统模块设计与实现 9

3.1 传感器模块 9

3.2 控制器模块 9

3.3 报警控制模块 10

3.4 显示输出模块 11

3.5 按键模块 11

4 软件系统设计与实现 12

4.1 主程序设计 12

4.2 传感器模块程序 13

4.3 报警控制模块程序 17

5 总结与展望 22

致谢 24

1绪论

1.1课题背景

电子罗盘系统在交通运输、探险勘测等定向领域有广阔的应用前景。

尽管目前GPS在导航、定位、定向方面有着广泛的应用，但由于其信号常被地形、地物遮挡，导致精度大大降低，甚至不能使用。

据有关资料统计，在高楼林立城区和植被茂密的林区，GPS信号的有效性仅为60%。

并且在静止的情况下，GPS也无法给出航向信息。

而电子罗盘系统则弥补这一不足，它采用地磁场的工作原理，无论何时何地磁场的水平分量永远指向地磁北极，所以环境适应性好，可以对GPS信号进行有效补偿，保证导航定向信息100%有效，即使是在GPS信号失锁后也能正常工作，做到“丢星不丢向”[2]。

同时随着汽车进入千家万户，但普通汽车不具备高端汽车内置的电子罗盘定向系统；而越来越多的人会选择自驾出游，当置于一个陌生的环境中，导航定向对于行车安全非常重要。

因此，开发出一种能低成本低功耗运行、便于携带、而且能完成精确定向的微系统就变得迫切需要，而本设计就是为了解决这个问题而产生的。

本设计系统基于单片机开发平台，选取磁阻传感器作为敏感元件，采用两轴设计和补偿设计方案，使用超低功耗控制器51单片机作为传感器数据计算方向的小型低功耗电子罗盘系统。

1.2国内外研究现状及发展趋势

电子罗盘系统是一种重要的导航工具，能实时提供移动物体的航向和姿态。

在国内外都具有一定的适用性，无论在民用还是军用领域。

随着半导体工艺的进步和手机操作系统的发展，集成了越来越多传感器的智能手机变得功能强大，很多手机上都实现了电子罗盘的功能。

而基于电子罗盘的应用（如Android的Skymap）在各个软件平台上也流行起来。

相对于其他导航手段而言，电子罗盘系统导航起步得比较晚。

在20世纪60年代中期,美国的E2systems公司提出了基于地磁异常场等值线匹配的MAGCOM（MagneticContourMatching）系统。

70年代获得测量数据后，系统进行了离线实验。

20世纪80年代初,瑞典的Lund学院对船只的地磁导航进行了实验验证,实验中将地磁强度的测量数据与地磁图进行人工比对,确定船只的位置，同时根据距离已知的两个磁传感器的输出时差，确定船只的速度。

美国目前已开发出地面和空中定位精度优于30m、水下定位精度优于500m的地磁导航系统,并计划用于提高飞航导弹和巡航鱼雷的命中率。

另外,美国在导弹试验方面已开始应用地磁信息，并利用E22飞机进行高空地磁数据测量。

NASAGod2dard空间中心和有关大学对水下地磁导航进行了研究,并进行了大量的地面试验。

国内有关地磁导航的研究还主要集中在仿真和预研阶段。

航天科工集团三院的李素敏等人运用平均绝对差法对地面所测量的地磁强度数据进行了匹配运算，分辨率能达到50m；西北工业大学的晏登洋等人利用地磁导航校正惯性导航的仿真实验取得了较高的精度。

由于GPS导航定位的不稳定性，而地磁大小和方向随地点（甚至随时间）而异,无论何地磁场的水平分量永远指向磁北，这是所有电子罗盘的制作基础，所以电子罗盘可以用于稳定的精确的汽车导航定向[3]，电子罗盘系统的市场需求也在我国日趋明显，而且也初具规模。

其主要发展趋势概括如下：

（1）制定行业规范与产业标准

（2）专业分工和产业化

（3）与GPS技术结合，提高系统性能，实现定位一体化。

（4）以信息技术服务产业为牵动力，引发电子罗盘系统的新浪潮，应用于手机等新兴行业。

随着科技的进步，地磁技术的不断成熟，电子罗盘系统必定能在民用和军事上有更加长远的发展。

1.3本文主要研究内容和章节安排

本文主要是设计解决，如何在低成本条件下，高效、准确地确定行车方向，并且设定固定区间，偏离该区间就发出报警信号。

设计部分内容主要包括：

系统分析与设计，电子罗盘测向原理，对各种模块进行分析并选取；硬件系统模块设计与实现，搭建硬件设备；软件系统模块设计，程序流程原理介绍等。

2系统分析与设计

2

2.1电子罗盘测向原理介绍

磁场是一种看不见，而又摸不着的特殊物质，它具有波粒的辐射特性。

磁体周围存在磁场，磁体间的相互作用就是以磁场作为媒介的。

电流、运动电荷、磁体或变化电场周围空间存在的一种特殊形态的物质。

由于磁体的磁性来源于电流，电流是电荷的运动，因而概括地说，磁场是由运动电荷或电场的变化而产生的。

而地球本身及其周围空间存在着磁场，其主要部分是一个偶极场．地心磁偶极子轴线与地球表面的2个交点叫地磁极，地磁的南（北）极实际上是地心磁偶极子的北（南）极。

地磁极与地理极相近但不重合，二者夹角约为11．5º。

地磁场的强度为0.5至0.6高斯，其大小和方向随地点（甚至随时间）而异,无论何地磁场的水平分量永远指向磁北，这是所有电子罗盘的制作基础。

通过测量物体相对于地磁北的方位实现定向。

早期利用地磁北定向的是机械式指南针，随着数字技术的发展和磁传感器研制水平的提高，电子罗盘获得了较快发展。

电子罗盘通过测量地磁场矢量的3个分量，同时配合姿态角测量传感器测量自身的姿态，然后通过坐标变换计算出在大地坐标系下的方位，此大地坐标系以地磁北为参考，如果利用磁偏角进行修正，即可计算出以地理北为参考的方位[1]。

在电子罗盘导航定位中，Hx、Hy、Hz为地平坐标系下3个磁场强度，载体坐标系与水平坐标系两者关系如图2.1所示。

其中：

N～S表示地球南北极轴线；N′～S′表示磁南北极轴线；磁南北极与地球南北极两轴线的夹角称为磁偏角β；angle为载体前进方向和当地磁子午线的夹角[16]。

图2.1.罗盘系统任意姿态示意图

根据坐标投影关系以及测得的Hx，Hy，Hz，φ，θ，在没有罗差的情况下，折算到地球平面磁场强度Hx、Hy的计算公式为：

Hx=Hxcosφ+Hysinθsinφ-Hzcosθsinφ

（1）

Hy=Hycosθ+Hzsinθ

（2）

一旦求出Hx和Hy分量，就可计算罗盘系统前进方向与当地磁子午线的夹角angle：

angle=arctan（Hy／Hx）（3）

当考虑当地磁偏角时，航向角为：

α=angle+β