基于單片機(jī)的電子指南針的設(shè)計

劉季秋+彭森

摘 要：指南針是我國的四大發(fā)明之一，早期的指南針采用了磁化指針和方位盤的組合方式，這樣的指南針攜帶起來很不方便，且指示靈敏度上有一定不足，準(zhǔn)確性很差。本文通過對電子指南針基本工作原理的研究分析，采用磁阻（GMR）傳感器采集某一方向磁場強(qiáng)度，然后通過MCU控制器對其進(jìn)行處理并顯示上傳，達(dá)到了顯示當(dāng)前所指方向的目的。實(shí)際測試指南針模塊精度達(dá)到1°，能夠在LCD上顯示當(dāng)前方位，并能通過鍵盤控制上傳數(shù)據(jù)到上位機(jī)。這樣的指南針精度更高，更智能，在大大提高了精度的同時，也降低了成本和設(shè)計難度。

1 引言

指南針是用以判別方位的一種簡單儀器，又稱指北針。指南針的前身是中國古代四大發(fā)明之一的司南。主要組成部分是一根裝在軸上可以自由轉(zhuǎn)動的磁針。磁針在地磁場作用下能保持在磁子午線的切線方向上。磁針的北極指向地理的北極，利用這一性能可以辨別方向。

電子指南針系統(tǒng)是一個典型的單片機(jī)系統(tǒng)，了解其工作原理及其信號處理流程有利于研究更加復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)，特別是系統(tǒng)中采用進(jìn)口的磁傳感器及其相關(guān)信號的采集芯片更是有利于研究磁場傳感器的實(shí)現(xiàn)機(jī)理，以便將其更加廣泛的應(yīng)用。

2 工作原理

本系統(tǒng)采用磁阻（GMR）傳感器采集磁場強(qiáng)度，然后把磁場強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，單片機(jī)再對這些數(shù)字量進(jìn)行處理，最后將處理得到的結(jié)果進(jìn)行顯示。

電子指南針的系統(tǒng)主要由前端磁阻傳感器、磁場測量專用轉(zhuǎn)換芯片、單片控制器、輔助擴(kuò)展電路、鍵盤、顯示模塊以及系統(tǒng)電源幾個部分組成。

整個系統(tǒng)中前端的磁阻傳感器負(fù)責(zé)測量地磁場的大小并將磁場的變化轉(zhuǎn)化為微弱的電流的變化，專用的磁場測量芯片負(fù)責(zé)把磁阻傳感器變化的電流（模擬量）轉(zhuǎn)換成微控制器可以識別的數(shù)字量，然后將該數(shù)字信號即采集到的數(shù)據(jù)通過SPI總線上傳給微控制器。微控制器將表征當(dāng)前磁場大小的數(shù)字量按照方位進(jìn)行歸一化等處理后通過直觀的LCD進(jìn)行方位顯示，同時可以通過鍵盤控制微控制器進(jìn)行相應(yīng)的操作，如將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過串口的形式發(fā)送到上位機(jī)。整個系統(tǒng)中還包含了實(shí)時時鐘等一些輔助電路，使整個系統(tǒng)功能得到進(jìn)一步的擴(kuò)展，這使得電子指南針更具備實(shí)用價值。

3 電源電路

控制部分電路如圖1所示，其中包含了微控制器、LCD接口電路、端口上拉電阻、系統(tǒng)時鐘電路和指南針模塊接口電路。

整個微控制系統(tǒng)中采用了無源晶振的形式發(fā)生MCU所需要的時鐘信號。時鐘電路中的兩個電容用作補(bǔ)償，使得晶振更容易起振，頻率更加穩(wěn)定。系統(tǒng)的復(fù)位采用了上電復(fù)的形式，上電過程中微控制器復(fù)位引腳保證10ms以上的高電平就能可靠.的將微控制器復(fù)位。

4 串口邏輯電路

圖2為串口邏輯電路圖。由于單片機(jī)的TTL電平和RS-232協(xié)議的電平不同，需要MAX232進(jìn)行電平的轉(zhuǎn)換。在本次設(shè)計中還充分利用了串口的DTS信號作為單片機(jī)串口編程功能使能信號。整個通過串口DTR引腳控制在系統(tǒng)編程。電路如上圖所示。其中復(fù)位電平為高；EA引腳為低電平；PSEN引腳為低電平。

5 系統(tǒng)傳感器原理

圖3為系統(tǒng)方案圖。這部分組要完成對A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式封裝，并在上位MCU的控制下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

該芯片內(nèi)部集成了3軸傳感器驅(qū)動電路，可以測量X，Y，Z三軸的磁場強(qiáng)度，Z軸的磁場強(qiáng)度可以用來校正水平面，使得X，Y軸的測量更為精確。

6 結(jié)論

本設(shè)計的主要任務(wù)是開發(fā)一個以MCS-52單片機(jī)為核心的電子指南針。本設(shè)計主要分為硬件部分和軟件部分，硬件部分著重考慮硬件電路的簡單使用性，所以盡可能簡化硬件電路，節(jié)省線路板的空間，達(dá)到硬件電路最優(yōu)化設(shè)計。軟件采用C程序語言編寫，采用模塊化設(shè)計思想，程序可讀性強(qiáng)。通過仿真、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行，達(dá)到設(shè)計要求。

本次設(shè)計采用了160×128點(diǎn)陣的單色液晶顯示屏（LCD）作為系統(tǒng)的顯示界面，具體的型號為PG160128，該LCM采用了T6963C控制芯片作為顯示控制核心。微控制器只需要對T6963C芯片進(jìn)行操作便可以完成對LCD屏的相關(guān)操作，使用非常方便。

參考文獻(xiàn)

[1].彭偉.單片機(jī)C語言程序設(shè)計實(shí)訓(xùn)100例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009

[2].周潤景.基于proteus的電路及單片機(jī)設(shè)計與仿真[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010

[3].江世明.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：中國鐵道出版社，2010

[4]郭天祥.新概念51單片機(jī)C語言教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[5]朱紅，趙琦.C++程序設(shè)計教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

作者簡介

劉季秋，邵陽學(xué)院信息工程系電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生。

通訊作者（指導(dǎo)老師）

彭森，邵陽學(xué)院信息工程系教師。