电子指南针毕业设计论文.docx
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电子指南针毕业设计论文
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
Abstract
Sincetheearlyuseofamagneticcompassanddirection-pointerofthecomposition,theentirecompassfromscratch,ontheinstructionsofacertainsensitivityofthedefect.Usingadedicatedhigh-speedmagneticsensorswithmicrocontroller(MCU)electroniccompasscaneffectivelysolvetheseproblems.
Thesystemisdesignedbythereluctance(GMR)sensorscollectingacertaindirectionthroughthemagneticfieldstrengthaftertheMCUControlleritsjudgementwillbedealtwiththeresults,throughtheLCDscreendisplayandcanbesenttotheMCU'stopserialMachine.Theactualtestcompassmodulecanreach1°,intheLCDdisplayonthecurrentpositionofthekeyboardandthroughselectivecompassuploadthedataprocessing.
Keywords:
Electroniccompass;GMR;MCU;LCD
第1章绪论
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。
电子指南针全部采用固态元件,可以用简单的方式与其它电子系统进行连接,完成新新产品的开发,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。
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本课题研究的目的和意义
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。
第2章
系统总体方案的设计
2.1系统的功能及设计思路
2.1.1系统的功能
该电子指南针具有体积小、测量精度高、抗干扰能力强、功耗低、价格低、稳定性能好等优点,常温下磁场强度测量分辨率最高可达0.000055Gauss。
在接收到指南针模块信号后,系统能直观的把信息通过液晶显示屏表现出来,也能把信息上传到上位机,整个系统功能的切换由键盘输入相应的信号来完成。
2.1.2系统的设计思路
整个系统我们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(如电压或电流),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。
把所得到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。
为了整个系统的结构简单化、流程明了化、体积最小化、功耗最低化、稳定度最大化,系统应该采用模块化的设计思想来进行设计,以达到所要求的技术指标。
2.2系统的总体设计
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,系统的整体结构如图2-1。
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。
图2-1系统简单框图
2.3系统硬件的选型
2.3.1磁场传感器
磁场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质现象出现,从而引起合金带自身的阻值变化。
如图2-2。
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。
图2-2磁阻传感器原理及外形
2.3.2信号转换专用芯片
前端磁传感器测量所得的磁信号,必须转换成电信号,再由模拟的电信号转换成数字信号,才能上传到单片机进行处理。
本次设计中使用了著名PNI公司的PNI11096磁场测量ASIC,如图2-3所示。
图2-3PNI11096芯片外形图
该芯片是在磁通传感器基础上研制出的一种低磁测量应用专项集成电路。
PNI11096能够同时对3轴磁场强度(既X,Y,Z轴)进行测量,每个传感器单独有选择地进行测量,也可以是单独配置的测量分辨率和独立的组测量方案,它具备高判断模式和测试振荡电路和计数电路输出显示。
PNI11096覆盖整个电路的测量,其中包括模拟和数字方块。
每个传感器都会在其相应平行的磁场内进行实际的感应系数变化。
为了进行测量,每个传感器都必须连接到LR振荡电路上。
由PNI公司研制的双极微测量方案可以在固定的温度下完成磁场测量。
它同时具有把测量范围变换到0中心和正负值的优点。
对于水平的问题,还可以使用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:
1)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,如图2-4。
图2-4磁阻传感器的驱动
2)A/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。
3)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。
2.3.3日历时钟芯片
PCF8563是PHILIPS公司推出的一款工业级内含I2C总线接口功能的具有极低功耗的多功能时钟日历芯片。
PCF8563的多种报警功能、定时器功能、时钟输出功能以及中断输出功能能完成各种复杂的定时服务,甚至可为单片机提供看门狗功能。
内部时钟电路、内部振荡电路、内部低电压检测电路(1.0V)以及两线制I2C总线通讯方式,不但使外围电路及其简洁,而且也增加了芯片的可靠性,同时每次读写数据后,内嵌的字地址寄存器会自动产生增量。
当然作为时钟芯片,PCF8563也解决了2000年问题。
因而,PCF8563是一款性价比极高的时钟芯片,它已被广泛用于电表、水表、气表、电话传真机、便携式仪器以及电池供电的仪器仪表等产品领域。
如图2-5所示。
图2-5PCF8563芯片管脚功能示意图
PCF8563有16个位寄存器:
一个可自动增量的地址寄存器,一个内置32.768KHz的振荡器(带有一个内部集成的电容),一个分频器(用于给实时时钟RTC提供源时钟),一个可编程时钟输出,一个定时器,一个报警器,一个掉电检测器和一个400KHzI2C总线接口。
所有16个寄存器设计成可寻址的8位并行寄存器,但不是所有位都有用。
前两个寄存器(内存地址00H,01H)用于控制寄存器和状态寄存器,内存地址02H~08H用于时钟计数器(秒~年计数器),地址09H~0CH用于报警寄存器(定义报警条件),地址0DH控制CLKOUT管脚的输出频率,地址0EH和0FH分别用于定时器控制寄存器和定时器寄存器。
秒、分钟、小时、日、月、年、分钟报警、小时报警、日报警寄,存器编码格式为BCD,星期和星期报警寄存器不以BCD格式编码。
2.3.4人机界面电路
人机界面(Human-ComputerInterface,简写HCI,又称用户界面或使用者界面):
是人与计算机之间传递、交换信息的媒介和对话接口,是计算机系统的重要组成部分。
在电路系统的人机界面主要由键盘电路和显示电路组成,考虑到要求功耗低、信息传达准确和界面美观等问题,本电路系统采用LCD的模块LCM240*128做为显示电路。
2.3.5系统控制器
由于电子指南针要求具有体积小、功耗低、性能稳定等优异特性,因此在单片机造型上面要着重从这几方面着手。
在品种众多的单片机中,MCS-51系列单片机以其结构的系统完整、特殊功能寄存器的规范化以及指令系统的控制功能等特色,奠定了8位单片机的基础,形成了单片机的经典体系结构,使得MCS-51系列单片机更适用于数据采集与处理、仪器或仪表测量与其它工业控制中。
本次设计的系统所需的程序量和要求达到的处理速度,普通的51单片机达不到要求,所以我们采用更高级的DS89C450作为本次设计的核心单片处理控制器,它也采用的是DIP-40封装,具有51内核,比普通51单片机具有更强的性能。
如图2-4。
图2-6DS89C450管脚图与外形图
第3章
单片机的内部结构和工作原理
3.1控制器内部结构
单片机因将其主要组成部分集成在一个芯片上而得名,具体说就是把中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、中断系统、定时器/计数器以及I/O口电路等主要微型机部件,集成在一块芯片上。
其内部组成如图3-1所示。
图3-151型单片机片内结构
本次设计中采用了高速51内核MCU,具体型号为DS89C450,其原理图如图3-2所示,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。
图3-2DS89C450原理图
3.2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3-3所示。
图3-3系统存储分配
3.2控制器时钟和复位电路
3.2.1时钟电路
51单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到:
内部振荡方式和外部振荡方式。
在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器(简称晶振)或陶瓷谐振器,就构成了内部振荡方式。
由于单片机内部有一个高增益反相放大器,当外接晶振后,就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。
外部振荡方式是把外部已有的时钟信号引入单片机内。
这种方式适宜用来使单片机的时钟与外部信号保持同步。
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。
具体电路如图3-4所示。
图中,电容器C1l,C12起稳定振荡频率、快速起振的作用,其电容值一般在20-50pF。
单片机DS89C450其晶振频率多数采用的是22.1184MHZ,内部振荡方式所得的时钟情号比较稳定,实用电路中使用较多。
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。
图3-4时钟电路原理图
3.2.2复位电路
当5l系列单片机的复位引脚RST(全称RESET)出现2个机器周期以上的高电平时,单片机就执行复位操作。
如果RST持续为高电平,单片机就处于循环复位状态。
根据应用的要求,复位操作通常有两种基本形式:
上电复位和上电或开关复位。
本电路系统的复位采用了上电复的形式,上电过程中微控制器复位引脚保证10ms以上的高电平就能可靠的将微控制器复位。
常用的上电复位电路如图3-5所示。
图中电容C1和电阻R1对电源十5V来说构成微分电路。
上电后,保持RST一段高电平时间,由于单片机内的等效电阻的作用,不用图中电阻R1,也能达到上电复位的操作功能。
图3-5单片机上电复位电路
第4章
系统硬件部分设计
4.1指南针信号采集模块
4.1.1地磁场信号的采集与处理
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4-1。
图4-1前端信号采集
在本电路系统中A/D转换等采集信号的处理都由PNI公司的PNI11096来完成,其具体的连接电路原理图如图4-2所示。
图4-2PNI11096传感器电路原理图
4.1.2信号接收模块整体电路
本次设计采用二维电子罗盘模块FAD-DCM-SPI,它是由富安达智能科技公司生产的磁接收模块。
本模块主要由高可靠、强抗干扰工业级单片机和PNI公司高可靠性的磁通传感器及驱动芯片组成,集成度非常高,实现了高可靠性、高精度、强抗磁场干扰的数码电子罗盘功能,非常方便各种产品快速增加电子罗盘功能。
电子罗盘采用SPI接口输出,可输出0°~359°角度,并可设置磁偏角及硬磁补偿功能。
其电路原理图如图4-3所示。
图4-3指南针信号接收模块总电路图
4.2控制器的具体控制电路
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4-4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。
图4-4系统主控核心电路原理图
4.2系统的外围电路
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,串口通讯对单片机而言意义重大,不但可以实现将单片机的数据传输到计算机端,而且也能实现计算机对单片机的控制。
由于其所需电缆线少,接线简单,所以在较远距离传输中,得到了广泛的运用。
串口通信的概念非常简单,串口按位(bit)发送和接收字节。
尽管比按字节(byte)的并行通信慢,但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。
它很简单并且能够实现远距离通信。
比如IEEE488定义并行通行状态时,规定设备线总长不得超过20米,并且任意两个设备间的长度不得超过2米;而对于串口而言,长度可达1200米。
典型地,串口用于ASCII码字符的传输。
通信使用3根线完成:
(1)地线,
(2)发送,(3)接收。
由于串口通信是异步的,端口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据。
其他线用于握手,但是不是必须的。
串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。
对于两个进行通行的端口,这些参数必须匹配:
a、波特率:
这是一个衡量通信速度的参数。
它表示每秒钟传送的bit的个数。
例如300波特表示每秒钟发送300个bit。
当我们提到时钟周期时,我们就是指波特率例如如果协议需要4800波特率,那么时钟是4800Hz。
这意味着串口通信在数据线上的采样率为4800Hz。
通常电话线的波特率为14400,28800和36600。
波特率可以远远大于这些值,但是波特率和距离成反比。
高波特率常常用于放置的很近的仪器间的通信,典型的例子就是GPIB设备的通信。
b、数据位:
这是衡量通信中实际数据位的参数。
当计算机发送一个信息包,实际的数据不会是8位的,标准的值是5、7和8位。
如何设置取决于你想传送的信息。
比如,标准的ASCII码是0~127(7位)。
扩展的ASCII码是0~255(8位)。
如果数据使用简单的文本(标准ASCII码),那么每个数据包使用7位数据。
每个包是指一个字节,包括开始/停止位,数据位和奇偶校验位。
由于实际数据位取决于通信协议的选取,术语“包”指任何通信的情况。
c、停止位:
用于表示单个包的最后一位。
典型的值为1,1.5和2位。
由于数据是在传输线上定时的,并且每一个设备有其自己的时钟,很可能在通信中两台设备间出现了小小的不同步。
因此停止位不仅仅是表示传输的结束,并且提供计算机校正时钟同步的机会。
适用于停止位的位数越多,不同时钟同步的容忍程度越大,但是数据传输率同时也越慢。
d、奇偶校验位:
在串口通信中一种简单的检错方式。
有四种检错方式:
偶、奇、高和低。
当然没有校验位也是可以的。
对于偶和奇校验的情况,串口会设置校验位(数据位后面的一位),用一个值确保传输的数据有偶个或者奇个逻辑高位。
例如,如果数据是011,那么对于偶校验,校验位为0,保证逻辑高的位数是偶数个。
如果是奇校验,校验位位1,这样就有3个逻辑高位。
高位和低位不真正的检查数据,简单置位逻辑高或者逻辑低校验。
这样使得接收设备能够知道一个位的状态,有机会判断是否有噪声干扰了通信或者是否传输和接收数据是否不同步。
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。
通信部分电路图如图4-5所示。
图4-5串口通信电路
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。
整个通过串口DTR引脚控制在系统编程电路如图4-6所示。
图4-6串口逻辑电路
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。
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。
经过模块封装的数据格式如表4-1所示。
表4-1指南针模块数据包格式
bit10
bit3~bit9
bit2
bit1
ACK
数据
ACK
地址
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MOSI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)。
SPI的通信原理很简单,它以主从方式工作,这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备,需要至少4根线,事实上3根也可以(用于单向传输时,也就是半双工方式)。
也是所有基于SPI的设备共有的,它们是SDI(数据输入),SDO(数据输出),SCK(时钟),CS(片选)。
(1)SDO–主设备数据输出,从设备数据输入
(2)SDI–主设备数据输入,从设备数据输出
(3)SCLK–时钟信号,由主设备产生
(4)CS–从设备使能信号,由主设备控制
其中CS是控制芯片是否被选中的,也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时(高电位或低电位),对此芯片的操作才有效。
这就允许在同一总线上连接多个SPI设备成为可能。
接下来就负责通讯的3根线了。
通讯是通过数据交换完成的,这里先要知道SPI是串行通讯协议,也就是说数据是一位一位的传输的。
这就是SCK时钟线存在的原因
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