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数字式电子罗盘毕业设计

作者：高考题库网
来源：https://www.bjmy2z.cn/gaokao
2021-02-01 18:35
tags:

-

2021年2月1日发(作者：tan)








毕业设计说明书




数字式电子罗盘设计




学生姓名：



孔垂礼



学号：


1105044263



学



院：



计算机与控制工程



专



业：



电气工程及其自动化





指导教师：



龙达峰




2015


年


06


月








中北大学


2015

< br>届毕业设计说明书





数字式电子罗盘设计



摘要



数字式电子罗盘具有很多优点，


例如：


体积比较小、


启动非常迅速、< /p>


功率损耗较低、


制造成本低廉等


,


当今社会测控技术对测向传感器提出了非常高的要求


;


为了提高数字


罗盘的测量精度


,


特意设计了一种基于


HMC5883L


三轴磁阻传感器


[1]


的数字电子罗盘


;

在


分析相关类似产品的基础上


,


特 别强调对电源、器件选型、信号调理电路、软件设计等


方面进行了分析研究


,


设计出了数字罗盘并且研制了试验的样机


;


为验证设计效果


,


在双


轴陀螺测试转台上进行了测试


,


试验结果初步验证了该设计方 案的可行性


;


论文的研究


工作可以为研 究和改良数字式磁罗盘的测量准确度提供可靠的资料


.



关键词：



地磁场，数字罗盘，


HMC5883L


三轴磁阻传感器，重力加速度计





2




中北 大学


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届毕业设计说明书





Here is the


translation of your chinese paper’s title



Abstract


Digital electronic compass, has small volume, quick start, low power consumption, and


low cost, the modern measurement and control technology puts forward higher requirements


on sensor of direction finding; In order to improve the precision of the digital compass, we


design a HMC5883L triaxial magnetic resistance sensor based digital electronic compass; On


the basis of the analysis of related products, focuses on the power supply, device selection,


signal conditioning circuit and software design are analyzed in aspects of research, design the


digital compass and test prototype was developed; To verify the design effect, on the two-axis


gyro testing table was tested, experimental results verify the feasibility of the design scheme


of; Thesis research work could be used to research and provide reference for improving the


measuring accuracy of digital magnetic compass.



Key


words


:


Earth's


magnetic


field,


digital


compass,


HMC5883L


three-axis


magnetic


resistance


sensor,


the


gravity


accelerometer




3



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目录



摘要


....................................... .................................................. .................................................. ..2



Abstract................ .................................................. .................................................. ...................3



目



录


... .................................................. .................................................. ....................................


错


误


!


未


定


义


书


签


。



1.


前言


....... .................................................. .................................................. ...............................1



2.


总体方案


................. .................................................. .................................................. .............3



2.1


传感器的方案论证与选择


........................... .................................................. ......................3



2.2< /p>


单片机方案的选择


..................... .................................................. ........................................7


2.3


总体方案设计思想以及框图


................................................. ..............................................7



3.


硬件电路设计


.................................................. .................................................. ......................8



3.1< /p>


单片机最小系统


...................... .................................................. ...........................................9


3.2


HMC5883L


传感器模块


....................................... .................................................. .................9


3.3


ADXL2 02


模块


........................ .................................................. ..........................................13


3.4


LCD1602


液晶屏模块< /p>


........................................ .................................................. ...............1


4


4.

< br>软件设计


................................ .................................................. .............................................1


7


4.1 HMC5883L


与单片机通信软 件设计


.................................... ..............................................16



4.2


LCD1602


人机界面软件设计


........................... .................................................. ................17



4.3


系统总统软件设计


.......................... .................................................. ................................1


9


5.


系统调试


............... .................................................. .................................................. .............2


1



6 .


结论


......................... .................................................. .................................................. ...........2


1



7.< /p>


总结与体会


........................ .................................................. .................................................. 21


致谢


....................... .................................................. .................................................. ................24


参考文献


..... .................................................. .................................................. ..........................25


附录


A:



电 子指南针整机电路图和实物图


.......................... ................................................26


附录


B:



1 602


液晶模块字符存储器


................ .................................................. ...................28


附录


C:



电 子指南针程序部分源代码


............................ .................................................. ....29



I




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I




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1.


前



言




磁罗盘 俗称指南针，它是一种简单的用来指示判别方位的东西


,


也是一 种重要的导


航仪器，指南针可应用在许多场合中。司南是古代的四大发明之一，即指南针 的前身。


它是由一根装在轴上而且可以自由旋转的磁化了的针构成的。

< br>在地磁场作用下磁针总能


平行保持在磁子午线的切线方向上。磁针的南极指向地理 的南极，通过这种现象及其性


质就可以用它来辨别方向。常用于航海、大地测量、车载导 航等方面。



随着科技的发展指南针原理不断的被世人所了解， 先前笨重的“司南”也逐渐发展


成为现在的轻巧便捷的指南针。但是，它最基本的原理构 造是没有改变的，都还是比较


粗糙精度不高的机械指南针，另外，指示的机械结构基本上 也没有改变，之所以能自由


的旋转都是利用某种支撑使得磁针能够受到地磁场的影响。< /p>


机械有很多不可避免的先天


因素不但影响指针式指南针的便捷便携 性、灵敏度、精确度等而且还影响其使用寿命。



现如今我们国 家和外国在电力电子技术领域发展都非常迅猛，


尤其是很多特需芯片和一


些专用传感器都有了质的改变，磁传感器就是一大特例，它的发展使指南针的基本实现

< br>机理有了更高水平的发展，老式机械结构将逐步退化，目前对磁场的测量处理和指示方

向都改用轻巧便捷的磁传感器和专用传感器，这就是当前应用较为广泛的电子式指南


针。



电子指南针有固定的内部结构，没有活动部分，对于和其 它电子系统接口连接非常


简单，


不但可代替旧的磁指南针。


而且精确度非常高、


稳定性特别好、


应用也 非常广泛。


本设计采用各向异性磁阻


(AMR)


传感器芯片


HMC5883L


，它是由


Honeywell


公司生产的。


霍尼韦尔

< p>
HMC5883L


是一种有数字接口的弱磁传感器芯片，表面非直插式的高 度集成模


块，


HMC5883L


分辨率 极高，


HMC118X


系列磁阻传感器就是其中最先进的传感器 ，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、能使指南针 精度控


制在


1


°


~2


°的


12


位模数转换器，


其


I


2


C

< p>
系列总线接口也很简单。


HMC5883L


采用的 各向


异性磁阻


(AMR)


技术比其他各 向异性传感器技术更先进、更有市场，特别是在轴向高灵


敏度和线性高精度比较突出。< /p>


传感器之所以能够用来测量地球磁场的方向以及大小是因


为它具有 正交轴的低灵敏度的固相结构，其测量范围从


-5


高斯（


gauss


）到


+5

高斯


（


gauss


），霍尼韦尔的 磁传感器是一款在各方面性能都是最好的传感器，在低磁场传


感器行业中享有盛誉，本文 介绍了数字电子罗盘工作原理及电路硬件及软件的设计，同


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时也做了一些 能够抵抗干扰信号的设计以及数据采集处理的方式方法。



1.1


课题研究的背景及意义



早在我国战国时期我们的祖先就发现一种可以指示方向的磁石，


后来人 们就把磁矿


石刻成像勺子一样的东西用来指示方向——司南，用于行军打仗。随着时代的 变化科技


的发展，


出现了各种各样的半导体材料，


将各部分功能综合、


整合的技术也在日益成熟，


电子 罗盘技术也得到迅速的发展，五花八门的电子罗盘在我们的生活当中也显而易见，


尤其是 在导航方面扮演着重要角色。同时电子罗盘也广泛的应用在水平孔洞的测量、垂


直孔洞的 测量、水下探测、建筑物定位、设备维护、仿真系统、教育培训、虚拟现实等


方面。我们 国家在数字电子罗盘方面的研究起步比较晚，国内无论是生产罗盘部件还是


销售电子罗盘 的厂家一般都是作为中介或者代售国外产品，


国内九十年代末才开始电子


罗盘的研究。



1.2


国内外研究现状



我们国家有很多研究和生产电子罗盘的公司，


Honeywell(


霍尼韦尔）公司是最为著


名的公司之一，其生产的代表作是磁阻式电子罗 盘，另外


KVH


公司生产的磁通门电子罗


盘也是比较出名的。我们国家在数字式电子罗盘的研究起步比较晚，基本上还没有形成


一个完整的体系，很多厂商都是代收国外品牌。



美国目前已经 研制开发出地面和空中定位精度达


30m


、

水下定位精度优于


500m


的地


磁 导航系统，他们制造的飞航导弹和巡航专用的鱼雷命中率都有很大的提高。另外，美


已经 开始用地磁感应信息来研究导弹和核武器实验，


并利用


E22< /p>


无人机在空中进行地磁


数据测量。国内在地磁导航的研究就比较落 后，虽然说已经开始研究，但是主要还集中


在模拟实验和仿真阶段，据了解，某某集团三 院将所测得的地磁强度数据用平均绝对差


法进行了多种多样的匹配运算，其分辨率能达到


50m


，另外，某大学的几个教授在这方


面的研究也取得了很大的进步，


他们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。其它国内的大部分研究都还在停滞不前，不是仿造就是抄袭，制作电子罗盘仍< /p>


停留在利用


Honeywell


公司的磁 阻传感器上，


对其产生的误差进行智能补偿也要参考大


量的外文 数据。因此电子磁罗盘在我们国家内部发展空间还是很大的。



1.3


本文内容概述



第



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电子罗盘主要有三种，其一是利用磁通门传感器制作的，其二 是磁阻式传感器，


其三利用霍尔元件。磁通门传感器能够提供低成本、低损耗的探测方法 ，它由一磁芯环


绕着的线圈构成，


这种磁芯配备有励磁电路，< /p>


但是它们整体外形体积比较大、


容易破碎、


等待的时间比较长。然而霍尔效应磁传感器就有许多优点，例如：它的体积比较小，重


量非常轻，功功率损耗较小，价格也不贵，连接单片机的接口电路也简单易懂，综合评


价 特别适用于强度很大磁场的测量。但是，它也有众多缺点，它不够灵敏、产生的噪声


较大 、温度性能不好等。虽然有些方面也能用霍尔元件经过聚磁措施或者其他手段制造


出的器 材来测量地磁，但这样测出的数据偏差比较大，精度不高。磁阻传感器就具备较


完美的特 点，他已经做成了标准的集成芯片，并且其衍生物也成了一系列完整的体系。


而用磁阻传 感器做成的电子罗盘就避开了磁通门罗盘的不足，


具有体积很小、


重量轻巧、


精确度高、稳定性性强、应答速度快等优点，以后的电子罗盘就朝着这个方 向发展了。


本文采用霍尼韦尔


HMC5883L

< p>
三轴磁阻传感器作为地磁测量的核心元件展开设计，


HMC5883L


是通过高度整合、


集成的芯片并把它贴装在电路板上的模块，


并带有能够检测


很弱很弱的磁场的数字接口，在弱磁环境中就可以大显 身手了，用其支撑的电子罗盘不


但成本低而且和应用领域广泛。


HMC118X


系列磁阻传感器是


HMC5883L


最先进的高分辨


率磁阻传感器，该系列传感器自身就带有运放电路、自 己能快速消除磁场干扰、自主补


偿、


自助驱动等，


能够把精确度准确的控制在


1


°

~2


°的范围内。


该系列还带有


1 2


位模


拟信号转换成数字信号的元器件和简易的


I


2


C


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


3.0X3.0X0.9mm

。


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


[1]


。









2.


总体方案设计


< br>现如今电力电子技术的发展非常迅猛，


对于电子罗盘或者数字罗盘的改进也存在这


样那样的方案，每种方案都有它的优点也有不足，故此我们要根据自己的实际要求来选< /p>


择相应的设施进行设计。



2.1


传感器方案论证与选择



方案一


:


采用


HMC1052


双轴磁阻传感器



HMCI052


是 一个双轴线性磁传感器


[2]


，和其它


HMC10XX


系列传感器一样，每个传感


第

< br>


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器具有由惠斯 登电桥合金的一个磁阻膜。当电桥连同电源电压，传感器的磁场强度转换


成电压输出，包 括环境磁场和测量磁场。


HMC1052


包括两个光敏元件，相 互垂直的灵敏


轴。敏感元件


A


和


B


，


在两个硅芯片共同存在，而且是完全正交 的，并且所述参数匹配。



HMC1052

小尺寸，低工作电压，还有消除非正交误差引起的两个敏感元件。



除了


HMCI0522


芯片和磁耦合，惠斯通电桥还带 有斜带和置位


/


复位带。敏感元件


A< /p>


和


B


也有两条带。设置

< br>/


复位，这样既保证了准确性。偏置带纠正偏差传感器或任何被

< br>抵消不需要的磁场。




在


HMC1052


传感器元件中，他的两个敏感元件可以独立工作，功 率损耗减少了很


多。然而，偏置带却不能用来实现这一功能。如果一定要用偏置带也行， 但要通过另外


一种组装方式。










图


2.1 HMC1052


传感器引脚图




方案二


:


采用


KMZ52


磁场感应传感器



KMZ5 2


是一种磁阻传感器，它是由


Philips

< br>公司生产的


[3]


，其测量磁场是利用坡莫


合金薄片的磁阻效应原理制作成的高灵敏度磁阻传感器。


在两个正交的磁场强 度甲板上


的磁阻传感器，完成补偿线圈和线圈设置


/

< p>
复位线圈。补偿线圈的电流测量输出的结果


是一个封闭的反馈环，从而使传 感器的灵敏度不受地域限制。这些磁阻传感器主要应用


于导航，通用地磁测量和交通检测 。磁阻传感器沉积在高渗透性的铝表面的坡莫合金一


定厚度，在接下来的两个翻转线圈和 外部磁场的作用下，电子改变移动的方向，从而使


磁阻被改变。


同时


KMZ52


斑马条型电阻器


45< /p>


°放置起来，


这使得在正、


负磁力更好对 称


性。由于加入


KMZ52


反转的磁场 的曲线与普通磁电阻是不同的，更线性的。磁阻传感器


KMZ52


核心部分是一个惠斯通电桥，是四臂磁敏元件构成的磁阻桥臂。长薄膜坡莫合金


第



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的磁传感元件 在外部磁场的影响下，磁电阻的变化引起的输出电压。




图


2.2 KMZ52


传感器引脚图



方案三


:


使用霍尼韦尔


HMC5883L


三轴磁阻传感模块



霍尔


HMC5883L


是一种高度 整合、集成的贴在


PCB


板上的芯片模块，其自带的微弱


磁场感应数字接口比较简单，应用在很多弱磁场检测的领域。


HMC5 883L


分辨率极高，


HMC118X


系列磁阻传感器就是其中最先进的传感器，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、能使指南针精度控制在


1


°


~2


°的


12


位模数 转


换器，其


I


2


C


系列总线接口也很简单。


HMC5883L


采用的各向异性磁阻


(AMR)


技术比其他各


向异性传感器技术更先进、更有市场，特别是在轴向高灵敏度和线性高精度比较突出。

< p>
HMC5883L


所用的封装技术是运用一种不含有毒金属铅的方式，本身 带有


16


只脚，尺寸


也很小，仅为< /p>


3*3*0.9mm


。


HMC5883L


的所应用领域遍布各行各业，例如：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。


HMC5883L


采用霍 尼韦尔各向异性磁


阻


(AMR)


技术， 这种技术是世界上非常先进的。这些各向异性传感器在测量地球磁场时


很灵敏也很可靠。


传感器之所以能用于测量地球磁场的方向和大小是因为它具有的对正

交轴的低灵敏度的固相结构，其测量范围也非常精确，从


-5


毫高斯到


+5


毫高斯


(gauss)


。


在低磁场传感器行业中霍尔传感器可以说享有盛誉，其灵敏度 和可靠性不言而喻。



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图


2.3 HMC5883L


传感器引脚图



在查 阅相关资料和文献后，


对各种传感器都进行一系列对比，


总结了 它们的优缺点，


HMC5883L


三轴磁阻传感器不需要外接< /p>


ASIC


，都被封装在一起了，而内部安装了

12


位模拟


信号和数字信号转换器、防干扰的


AMR


传感器，不仅能够测量较为精确的地磁范围，而


且还内置驱动器，不需要另外再装驱动，其优越性不言而喻。三轴磁阻传感器在测量弱


磁环境或者电子罗盘行业中各方面的性能都是非常合适的。故此，我通过再三对比选择


了 第三个方案来设计电子罗盘。



表


2.1 HMC5883L


引脚配置



引脚



1


2


3


4


5


6


7


8


9


10


11


12


13


14


15


名称



SCL


VDD


NC


S1


NC


NC


NC


SETP


GND


C1


GND


SETC


VDDIO


NC


DRDY



描述



串行时钟


-


I


2


C


总线主


/


从时钟



电源（


2.16V-3.6V)


无连接



连接



VDDIO


无连接



无连接



无连接



置位


/


复位带正


-S/R


电容


(


C2)


连接



电源接地




存储电容器


(C1)


连接



电源接地




S/R


电容器


(

C2)


连接


-


驱动端



IO


电源供应（


1.7V-VDD)


无连接



数据准备，中断引脚。内部被 拉高。选


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16



2.2


单片机的选型




SDA


串行数据


-


I2


单片机的选择方案有以下三种：



（


1


）采用


M SP430F149


作为单片机的主要控制芯片，


这种单片机功 能及其各方面是


非常强大的，它是由


TI


公司生产并且利用在导航方面。此单片机具有性能高、功率损


耗低

16


位响应超速等特点，在它的内部安置了


12

< p>
位模拟信号数字信号转换器。但是也


有些不足之处，它的制作价格有些昂贵 ，其次，单片机芯片是贴片式封装的，不利与电


路板的焊接，需要用专门的


PCB


板，这就加大了做实物的难度和制作的时间




（


2


）


STC12C5A60S2


是通过改版增强的，


它是新一代


51


系列单片机的主要控制芯片。


这种芯片内部安装有模拟、数字信号转换装置，还有连接单片机的


SP I


总线接口，而且


价格也比较合适。



（


3


）采用传统的

STC89C52


单片机作为主控芯片。这是一种很常见的主控芯片，我

< p>
们都知道此芯片价格低廉、无需繁琐的操作、功率损耗减少了很多，也比较经济实惠。



综合上述方案，不论从芯片的性能方面还是和价格的高低方面我选择了传统 的


STC89C52


综作为本系统的主控芯片。



2.3


整体方案设计和构想框图



下图为安装后罗盘平面三个方向的磁场强度为


H


X


、


H


Y


、


H


Z



,


而地球表面三个方


向的磁场强度为


H x


、


H


y


、< /p>


H


z


,


考虑罗盘坐标系与地球坐标系的关系


,


做出如下图示


意图


,


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


北极两轴线在地球平面中


,


其夹 角


B


称为磁偏角。


￠表示俯仰角


,


θ表示翻滚角


,


angle


为前进方向和当地磁子午线的夹角。电子罗盘就是根据测得的


H


X


、


H


Y


、


H


Z



,


￠


,


θ< /p>


,


求得


angle,

进一步求得航向角


[4]


。



Hx=H


X


cos


β


+H


Y


sin

β


sin


γ


-H

< br>Z


sin


β


cos

< p>
γ


;


H


y


=H


X


cos


γ


+H


Z


sin


β



两轴加速计测得的重力加速度为


G


X


、


G


Y


已知当地的重力加速度值为


g


，可得：



β


=arcsin(Gx/g)


（


1


）



γ


=arcsin(G


Y

< br>/g)


（


2


）



angle=arctan(Hx /H


y


)


(3)


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α


=angle+B (4)




图


2.4


测量原理分析图



< br>通过以上测量分析思路所得传感器信号，


经过单片机数据预处理和算法补偿后在上


传到


LCD1602


液晶屏上显示。< /p>


结合以上各方案选择及设计思路可得出以下总体方案框图。





图


2.5


总体方案设计框图



3.


硬件电路设计


< br>对于设计全面没有瑕疵的电子产品来说最首要的问题无非是整个电路的供电系统，


就好比万丈高楼平地起，地基是最重要的，同理，电子设计也一样需要一个供电的基础


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平台，这样它 才能有效平稳的运行。电子设备一般可用蓄电池或者干电池来供电，除此


之外还可以用市 场的


220V


通过一系列的逆变、


滤波 、


稳压等措施来共给直流电


[5]


，< /p>


本次


设计为了降低难度采用干电池供电。



3.1


单片机最小系统


< p>
想要单片机组成的系统能够有效地工作起来，


就需要在单片机外部接上很多 能驱使


它工作的电路，最简单、最容易的电路有：时钟电路、复位电路

< br>[6]


。单片机最小系统如


下图


3.1


所示。



时钟电路：本系统时钟 电路比较简单


,


用一个


12M


的晶振作为振荡器，在其两端并


联两个


22pF


的瓷片式电容，这样就构成了单片机的内部振荡电路，通过自激将它发出


来的脉冲信号送到其内部就是一个完整的时钟电路



复 位电路：复位电路用来确定单片机开始工作和结束工作的状态，完成单片机的启


动过程。 目前书本上介绍的有上电自动复位和手动按键复位。本系统采用上电复位结合


按键复位。 电路如下图所示。




图


3.1


单片机最小系统




3.2 HMC5883L


传感器模块



3.2.1


工作原理



地球磁感应强度为


50~60uT,


相当于沿着地球中心的一个磁棒，我们都知道地球


的南北极和地磁的南北极是相反的，但 又不完全相反重合，地磁（磁棒）和地理北极之


间大约有


11. 5


°的夹角——磁偏角。无论如何，地球磁场场的水平分量永远指向磁的北


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极，这一原理是所有的罗盘的制作基础。所有罗盘都是测量地球磁场的北方向，其他方


向就可以推算出来。地球磁场的北方向和实际的北方向有差别，而这种差别的大小在地

< p>
球上的不同地点也是不同的，所以必须知道罗盘所在的大致位置，才能计算出如何补偿


地磁和真是北方向的差别，已显示出真实的北方向


[7]

。



磁北的方向就是地磁场在水平面上分量的方向。


假设电子罗盘处于水平面上要确定


其相对于磁北的航向角α。由磁阻 传感器可以直接得出地磁产的水平分量


H


x

、


H


y


，


，因此


相对于磁北的航向角β


=arctan

< br>（


H


x


/H

y


）。



正切函数的周期为


180


°，为保证数据的有效性，航体航向角α转换到相对于磁北


0


°


~360


°的 范围内。可将上式分解，得到相对于磁北极的


360


°范围内（ 顺时针方向）


的航向角，加上当地磁偏角就可以算出与真北的航向角。

< br>


?


0


?


?


?


180


?


?


H


arctan


（


x


?


180


?


）


?


?


H

y


?


?


?


90


?


?


?


?


?


H


arctan

（


x


?


180

?


）


?


H


y


?


270


?


?


?


?


?


H< /p>


y


?


0


，


H


x


0


H

< p>
y


?


0


，


H


x


?


0

H


y


?


0



H


y


?


0


为了能够得出一个准确的测量值，


我们必须将测出来的结果加上或者 减去地磁南北


极与地理南北极的磁偏角，这样算出来的就是前进方向和得地理北极的夹角 ，也就是真


正的北方向角


A


。当所在地 区磁偏角θ已知时，真北方位角为：


A=


α

+


θ。



3.2.2


电源管理



据资料显示


HMC5883L


模块有两种供电方式。第一个是在它的芯片内部有一个


VDD


供


电电源，第二个是为外部接口（


IO


接口）供给电源的——


VDDIO


电源，按理说来


VDDIO


的


电压一般是和


VDD


电源不相等的，但相近也没有什 么影响；无论是只有一个电源还是


VDDIO


电压不高于


VDD


电压的情况下，< /p>


HMC5883L


都能正常运行并且完成一系列功能指令


并能与其他装置相互兼容。



第



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图


3.2 HMC5883L


模块内部结构




3.2.3 I


?


C


接口



控制该装置可以通过


I


?


C


总线来完成。这种装置是通过分为主机和从机，从机是由

< br>主机控制的，在主机的控制下才能与总线相连。该种装置一定要符合


I

< p>
2


C-


总线技术规格


标准 ，否则不能正常工作，一个完整的


I


2


C


装置应该具备该有的标准功能，该装置具有


一个

< p>
7-bit


串行地址，并支持


I

< br>2


C


协议。这一装置有三种模式是：标准模式


|


、快速模式、


和高速模式，但是这里不支持高 数模式，另外，支持模式和快速模式必须要在外部街上


电阻才能运行。标准模式可以达到


100


千赫兹，快速模式可以达到


40 0


千赫兹。寄存器读


取数据和写入数据要比内部的运行提前，就 拿测量这个例子来说吧，这样一来主机就不


需要花费很长时间来等待，本来要花费的时间 就比


I


?


C


总 线所占用的时间短。



3.2.4


置 位


/


复位桥式电路


< br>ASIC


这种为专门电路而设计的集成电路包含大型场效应管开关


FETS


，


这种开关能够


传输 很大而而且比较短的脉冲信号到传感器的置位


/


复位带。


这一置位


/


复位带不需要再

< br>另外增加其他的置位


/


复位电路，因为这种置位复位带是 一种很大电阻性的负载。每当


在数据测量的时候，


ASIC


这种专门的电路会自主完成置位复位，在第一次奶冲测量后，


接着第 二次脉冲测量，置位复位就这样完成一个回路过程，第一次测量值和第二次测量


值之差的 一半会把它放置在


X


、


Y


、


Z


轴上的数据寄存器上。这样，我们就能克服很多 问


题，例如：传感器内部的偏差和温度漂移之差就能够抵消很多很多。

< br>


3.2.5


寄存器访问



寄存器及其访问在下面的表格里面已经给出。全部地址都为


8 bits


。



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表


3.1


寄存器列表



地址



00


01


02


03


04


05


06


07


08


09


10


11


12


名称



配置寄存器


A


配置寄存器


B


模式寄存器




数据输出


X MSB


寄存器




数据输出


X LSB


寄存器




数据输出


Z MSB


寄存器




数据输出


Z LSB


寄存器




数据输出


Y MSB


寄存器




数据输出


Y LSB


寄存器



状态寄存器



识别寄存器


A


识别寄存器


B


识别寄存器


C


访问



读


/


写



读


/


写



读


/


写



读



读



读



读



读



读



读



读



读



读



这里介绍读取和写入此装置的过程。


该装置读取数据或者写入数据是 通过使用地址


指针来显示该寄存器地点来完成的。这些指针位置从主机发出到从机并成功 获得的


7


位


地址加

1


位读


/


写标识符。

< p>
为了尽可能降低主机和装置之间的相互通信，


没有主机控制的


地址指针会自助更新。寄存器的地址会加上


1


当指示 器被读取后。原本地址指针本身是


不能通过


I2C


总线来读取的。只要读取不存在的地址，系统都会自动返回


0s


，他也不会


随便写入不存在的地址或者是没有定义的位，这些该装置都会自动 忽略。为将地址指针


移到随机存储器位置，


首先发出一个


“写”


到寄存器地址，


在指令后不带数据位。


例如，


要让地址指针指向寄存器


10< /p>


，发出的指令为


0x3C 0x0A


。其 与单片机的连线图如下图所


示。




图


3.3 HMC5883L


集成芯片传感器模块连线图



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3.3 ADXL202


加速度计


< /p>


ADXL202


是一种测量重力的加速度传感器，


它具有很多优点，


例如：


制造成本低廉、


功率损耗低、功能完善等，它的测量范围也非常精确，其范围为


+2g


。


ADXL202


功能很强

< br>大，它不仅能够用来测量动态的加速度，而且还能够用来测量静态的加速度，例如：倾

斜加速度（动态加速度）和重力加速度（静态加速度）。



ADXL202


输出的信号为数字信号，


并不需要经过


AD


数字信号转换器转换，


可以将输

< p>
出的数字信号直接连接到单片机


I2C


端口，


另外它输出的数字信号脉冲宽度占空比与两


根传感器分别感受到的重 力加速度成正比。双轴加速度计输出的信号有一定的周期，一


般情况下输出周期为


0.5ms


至


10ms


之间，如果需要调节它的输出周期的话可以在他的


外部接上电阻


RSET


调节。如果我们要用到模拟信号输出，则需要接在


X filt


和


Yfilt


管脚上，这两个 端口数出的就为模拟信号，或者可以使用对脉宽占空比输出信号滤波后


的信号。



ADXL202


还有一个可以设置的带宽，他 们分别是


Cx


引脚和


Cy


引脚，在这两个引脚


上可以设置其带宽，可在


0.0 1Hz


～


5kHz


的范围内设定。其典 型噪声值为


500


μ


g/(Hz)


1/2


,60Hz


带宽时的分辨率为


5mg


工作原理：


ADXL202


是基于一个完整的单芯片双轴加速度测量系统。这是一个多晶


硅表面微电 机传感器和信号控制环路来执行开环加速度测量结构的操作。为每个轴，我


将输出的模拟 信号到环路脉冲的输出数字信号的占空因数。这些数字信号，将直接连接


到微处理器。< /p>


ADXL202


可用于测量正和负加速度为±

< br>2


克最大测量范围。


ADXL202

< br>还能


够测量静态加速度，并可以用于斜率测量。



弹性部件被支承，并且提供加速阻力的必要平衡，使用在多晶硅和硅表面微机械传


感器的多晶硅结构。


结构连接到中央板制成的运动对象可变电容测量偏转由单 独的固定


板。



另外，由方波的固定板 的分别的控制阶段。幅度加速度，同时考虑到由加速度可


变电容器中的功率平衡的变化后 的加速度成比例的方波输出。


相位解调技术用于提取的


信息，确 定所述加速度的方向。


ADXL202


外接电路如下：



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图


3.4 ADXL202


外接电路图



3.3 LCD1602


液晶屏模块



1602


液晶是一种用来专门显示各种字母或者数字、


符号的点阵液晶，


其中包含了很


多


5

×


7


或者


5


×


11


的点阵模块，其中一个字符显示占用一个点阵字符。在 这些点阵中


间每位之间都有一个点距起到字符与字符的间隔作用，所以

< br>1602


液晶是不能用来显示


图片的。

< br>1602LCD


是指显示的内容为


16

< br>×


2,


即可以显示两行，每行


1 6


个字符液晶模块


（显示字符和数字）


[8]


。其引脚图和引脚说明如下：





图


3.5


LCD1602


液晶显示屏引脚图



1


号脚：接地。



2


号脚：


VCC

接正极


5V


电源。



3


号脚：


V


0


为液晶显示器分辨率调整端口，


当该端口接到


5V


电源的时候分辨率最低，



几


乎看不清楚所显示的字符，当接到


5V

负极的时候分辨率最高，这时候比较刺眼，使用


的时候为了方便观察调整显示屏分辨 率可以外接一个


10K


的电位器来调节分辨率。



4


号脚：


RS

< p>
为寄存器选择，高电平


1


时选择数据寄存器、低电 平


0


时选择指令寄存器。



5


号脚：


RW


为读写信号线，高电平


(1)


时进行读操作，低电平


(0)


时进行写操作。



第



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6


号脚：


E(


或


EN)


端为使能


(enable)


端。



7


～


14


号脚：


D0


～


D7


为接


8


位双向数据。



15


～

< p>
16


号脚：空脚或背灯电源。


15


脚背光正极，


16


脚背光负极。



LCD1602


内部有显示数据的存储

RAM


、


存储字符的字符存储


RO M


，


另外还有用户自行


定义的


RAM


。


DDRAM


就 是显示数据


RAM


，


用来暂时寄存下一 步即将显示的字符代码。


总共


有


80< /p>


个字节，其地址和屏幕的对应关系如下表：






图


3.6 RAM


地址映射图



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，如附录


C


所示，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，也就是说想要在


LCD1602


屏幕的第一行第

< p>
一列显示一个“


A


”字


,


就要向


DDRAM


的

< br>00H


地址写入“


A


”的代码< /p>


[9]


就行了


,


比如大写的


英文字母“


A


”的代码是< /p>


01000001B


（


41H

< p>
），显示时模块把地址


41H


中的点阵字符图形< /p>


显示出来，我们就能看到字母“


A


”。< /p>



其基本的操作时序：



读状态输入：


RS=L


，


RW =H


，


E=H







输出：


DB0


～


DB7=


状态字




输出：无



写指令输入：


RS=L


，


RW=L


，


E=


下降沿脉冲，


DB0

< br>～


DB7=


指令码


< p>
读数据输入：


RS=H


，


RW=H


，


E=H







输出：


DB0


～


DB7=


数据



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输出：无



写数据输入：


RS=H


，


RW =L


，


E=


下降沿脉冲，


DB0


～


DB7=


数据




图


3.7


读操作时序



图


3.8


写操作时序





数据指针设置：



表


3.2


数据指针设置表



指令码



80H+

地址码（


0-27H


，


40H-6 7H


）



功能



用来设置数据地址指针



在

< p>
1602


中我们就用前


16


个就行了


,


第二行也一样用前


16< /p>


个地址。


我们往


DDRAM


里


的


00H


地址处送一个数 据，


譬如


0x31(


数字


1


的代码


)


并不能显示


1


出来。


这是令初学者

很容易出错的地方，


原因就是如果你要想在


DDRAM


的


00H


地址处显示数据，


则必须将


00H


加上


80H< /p>


，即


0x80+0x00


，若要在


DDRAM


的


01H


处显示数据，则必须将


01H


加上


80 H


即


0x80+0x01,


依次类推。



第



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在此，


LCD1602


用法及注意事项就简单 的介绍到这里，


1602


从


CGROM


表上可以看到，


表里面实际还有


8


个字节可用。如果我们要想显示这


8


个用户 自定义的字符，操作方法


和显示


CGROM

的一样，


先设置


DDRAM


位置，


再向


DDRAM


写入字符码，


显示是直接取


CGRAM


的数据。这里没用用到 在此不在赘述起原理方法。下面是


1602


与单片机的连线图。




图


3.9


LCD1602


模块连线图



4.


软件设计



4.1 HMC5883L


与单片机通信软件设计


HMC5883L


传感器模块是一款集成


IIC

< p>
总线借口的数字传感器，然而


STC89C52


单 片


机上没有


IIC


接口，


所以我们就用模拟的方式就行通信，


在


STC89C 52


单片机上模拟


IIC


通讯时序，再 将通讯时许与


HMC5883L


进行通信，

HMC5883L


有两种读取字节的方式，其


一单字节读取 ，其二读字节读取，在这里我用多字节的方式进行试验，一次性将测量到


的


X


、


Y


、

< br>Z


的值读到单片机里面，设计构思如下图：


第

< p>


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开




始




IIC Start


写信号





发送设备地址




发送读取单元地址




IIC Start


读信号





连续读取磁场数据



读完？



是



IIC Stop


信号



否




图


4.1 HMC5883L


模块与单片机通信软件流程图



4.2 LCD1602


人机界面软件设计




本设计采用


LCD1602


作为显示设 备，显示的信息包括当前方位信息与与地理南


极的夹角信息（角度制）。我们从


HMC5883L


得出地磁方向在


X

< p>
与


Y


轴上的磁场强度分


量 ，采用


atan2(


)


这个函数得出 其与地理北极之间的夹角（弧度），再通过弧度到角度


的转换，得到角度值，最后加上< /p>


180


°，使其变为与南极之间的夹角，而且所有值变为


正数，方便处理。得到度数后，根据我们预先设定好的角度范围，判断当前所在哪个方

< p>
位，并在


LCD1602


上显示，然后将其乘以< /p>


10


倍，变为整数，通过转换，在


LCD 1602


上


显示与南极夹角的值，具体设计思路如下：



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本文更新与2021-02-01 18:35，由作者提供，不代表本网站立场，转载请注明出处：https://www.bjmy2z.cn/gaokao/594487.html

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