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基于单片机的电子罗盘设计.rar

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    编号:20181101170621176    类型:共享资源    大小:1.68MB    格式:RAR    上传时间:2019-04-02
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    基于 单片机 电子 罗盘 设计
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    应用技术学院本 科 毕 业 论 文题 目:基于单片机的电子罗盘设计 年 级:12 电子专 业:电子信息科学与技术学 号:1216405002学生姓名:陆绣强指导教师:吴文明职 称:副教授论文提交日期:2015 年 12 月 22 日苏州大学本科生毕业设计(论文)2第 2 页基于单片机的电子罗盘设计苏州大学 应用技术学院 12 电子(1216405002) [陆绣强]目 录摘 要 ...................................................3Abstract..................................................3第一章 绪论 ...............................................4第 1.1 节 前言 .............................................4第 1.2 节 研究背景 .........................................4第 1.3 节 研究目的 .........................................5第二章 系统总体方案设计 ...................................6第 2.1 节 硬件系统设计方案 .................................6第 2.2 节 软件系统设计方案 .................................8第三章 系统硬件设计 ......................................11第 3.1 节 单片机系统设计 ..................................11第 3.2 节 地磁传感器电路设计 ..............................12第 3.3 节 OLED 显示模块电路设计 ...........................13第 3.4 节 总体硬件原理图 ..................................15第四章 系统软件设计 ......................................16第 4.1 节 开发平台介绍 ....................................16第 4.2 节 HM5883L 传感器驱动程序 .........................17第 4.3 节 OLED 模块驱动程序 ...............................21第五章 系统测试与分析 ....................................25第 5.1 节 系统硬件测试 ....................................25第 5.2 节 测试数据分析 ....................................26第六章 总结 ..............................................28参考文献 .................................................29致谢 .....................................................30附录 .....................................................31苏州大学本科生毕业设计(论文)3第 3 页摘 要本文主要介绍磁阻式电子罗盘的工作原理,并详细介绍了磁阻传感器HMC5883L、Arduino 开发平台以及 ATMEGA8 单片机的磁阻式电子罗盘的硬件设计;磁阻传感器 HMC5883L 可由单片机通过 IIC 数据获取寄存器数据,利用ATMEGA8 单片机处理信息功能经过分析后,经 OLED 显示屏显示。分析了系统产生的误差,在研制磁阻电子罗盘原理样机过程中,我对系统做出一定的误差补偿,使其系统的精度提高,并且对系统做经一步的改进。 关键词:电子指南针;磁阻传感器;单片机;OLEDAbstractThis paper mainly introduces the work principle of magnetic reluctance electronic compass, and introduces the hardware design of the HMC5883L, Arduino development platform and ATMEGA8 microcontroller. The reluctance sensor HMC5883L can be used to obtain the data from single chip through the IIC data acquisition, the use of ATMEGA8 microcontroller processing information function after analysis, the OLED display. The error of the system is analyzed. In the process of developing the principle prototype of the magnetic resistance electronic compass, I make certain error compensation to the system, improve the accuracy of the system, and make a further improvement to the system. Keywords: electronic compass; GMR; MCU; OLED苏州大学本科生毕业设计(论文)4第 4 页第一章 绪论第 1.1 节 前 言电子罗盘是一个很关键的导航工具,甚至是在全球定位系统中也需要电子罗盘的功能。可以用来替代原先的机械式罗盘,其具有更高的灵敏度,磁场传感器可以做的非常非常小,更加便携,可以与其他电子系统配合使用,非常适合用于小型移动设备。对于电子罗盘系统,磁阻传感器技术是个很好的解决方案。以往电子罗盘中常使用磁通门传感器,直到磁阻技术的发展,有了一个更具成本效益的方案,他不需要缠绕的线圈,可以很方便的在集成电路中制造,且具有较高的灵敏度,在应用领域内性能优于霍尔元件。本课题研究了电子罗盘的相关技术,设计了一个基于磁阻传感器的电子罗盘,其由单片机控制,通过磁阻传感器获取环境磁场数据并进行滤波和转换处理,可以实现电子罗盘的功能,且处理后的数据可由显示模块实时显示出来。本篇文章给了一个通用的设计样例,既磁阻传感器在电子罗盘中的使用。第 1.2 节 研究背景地磁导航相对于其他传统的导航方式起起步比较晚,美国的 E2System 公司在 20 世纪 60 年代中期曾经提出了基于地磁异常等值线匹配的系统,后来在获得测量数据后进行了离线实验。此后瑞典的罗德学院在船只导航上也采用了地磁导航的方案并进行了实验的验证,在建立磁场地图后,只需传感器测量的磁场数据与已有地图磁场强度数据库对比即可确定船只的位置,同时,引入时间差的概念后也可计算出船只的行驶速度大小。目前,为用以提高鱼雷和导弹的命中率,美国已经开发出了经度在 30 米以内的地上和空中地磁导航系统,以及经度在 500 米以内的水下地磁导航系统。在此前美国就应开始使用无人机进行地磁数据测量实验以完成地磁图,NASA 空间中心和一些大学也参与了地磁导航的地面实验。相比国外的大量实验,国内目前的地磁导航研究还在起步阶段,仍处于仿真预研阶段。由于地球本身就具有磁场,其强度为 0.3 到 0.6 高斯大小,地球表面磁场苏州大学本科生毕业设计(论文)5第 5 页的大小不一,跟所在地点和方向有关,所以地球磁场强度分布不是均匀的。而早期的罗盘或指南针是机械式的,或称机械罗盘,主要有磁针、刻度盘和磁误差校正装置组成。在使用的时候,由于磁针会受到地磁场的影响而发生转动,由此根据磁盘刻度可以确定方向。而目前发展较快的电子罗盘是采用磁通门原理的传感器,电子罗盘也相继问世,发展较为迅速。第 1.3 节 研究目的本文主要介绍磁阻式电子罗盘的工作原理,并详细介绍了磁阻传感器HMC5883L、Arduino 开发平台以及 ATMEGA8 单片机的磁阻式电子罗盘的硬件设计;磁阻传感器 HMC5883L 可由单片机通过 IIC 数据获取寄存器数据,利用ATMEGA8 单片机处理信息功能经过分析后,再由显示模块进行显示。分析测试了硬件系统,在研制磁阻电子罗盘原理样机过程中,我对系统做出一定的误差补偿,使其系统的精度提高,并且对系统做经一步的改进。 对研制的数字电子罗盘系统样机,进行测试。其结果显示,该数字电子罗盘能对行驶方向进行的动态测量,在 0°到 360°范围行驶方向测量精度可达±2.0°。电子罗盘相对传统机械罗盘具有体积小、性能优异、价格低等特点,但稳定性仍旧不如机械罗盘。第二章 系统总体方案设计第 2.1 节 硬件系统设计方案2.1.1 硬件电路组成及工作原理电子罗盘主要由磁阻传感器、单片机控制系统、人机交互系统组成和相应扩展电路组成。在电子罗盘系统中,磁阻传感器负责测量周围磁场数据,并将这些模拟量转化为数字量,然后由单片机进行滤波处理,再把数字量的测量值转换成对应的通用单位数值并对误差的做了补偿。苏州大学本科生毕业设计(论文)6第 6 页此外,电子指南针系统容易受到外界磁场的影响,所以在整个系统设计时应注意设置磁屏蔽壳体,此设置可以极大的减少外界磁场、各种硬铁和软铁对整个系统的干扰。同时在系统的放置和校正中,应该注意要尽量远离强磁源和各种铁性材质的物质。扩展电路 显示模块微控制器 MCU磁阻传感器扩展电路显示模块微控制器 M C U磁阻传感器图 2.1 系统框图2.1.2 硬件选型1、主控芯片选择:方案一:采用 ATmega8 单片机,ATmega8 是一个经典 51 内核的单片机,由Atmel 公司发布。是一个低功耗、高性能的 8 为 AVR 单片机微处理器,采用先进的 RISC 架构,具有 32 个 8 位通用寄存器,而且是全静态工作,在 16Mhz 的时钟频率上计算能力可达 16MIPS。在此芯片基础上由 Arduino 软件开发平台,开发方便,可参考资料较多。方案二:采用 MSP430 单片机,MSP 单片机是德州仪器公司发布的一款 16位低功耗处理器,采用 RISC 架构,具有精简指令集。MSP430 将多个模拟电路、数字电路和微处理器集成在了一块芯片内,功能强大,但价格较为昂贵。方案三:采用 STC89C52RC 单片机。STC89C52 是国内宏晶公司发布的一款低功耗、51 内核的单片机,采用复杂指令集。相对于传统 51 内核,宏晶公司对此款芯片做了功能扩展,性能增强,但开发并不如 AVR 系列单片机方便。2、磁阻传感器选择:苏州大学本科生毕业设计(论文)7第 7 页方案一:采用 KMZ52 磁阻传感器。KMZ52 是由飞利浦公司发布的一款磁阻传感器,他的原理是利用磁阻效应原理来测量磁场是一个高灵敏度的磁阻传感器。芯片内集成了一个补偿线圈和两个反转线圈,可用于测量地球磁场水平分量的大小。方案二:采用 HMC5883L 磁阻传感器,HMC5883L 是由霍尼韦尔公司发布的高性能、低功耗磁阻传感器,带有 I2C 接口,可方便与单片机通信,采用无铅封装技术,具有较小的尺寸,而且霍尼韦尔公司掌握各向异性磁阻技术,使用此种技术的磁阻传感器性能优于世面上大多数的磁阻传感器,而且价格低。3、显示屏选择:方案一:采用 LED 数码管显示。LED 数码管价格相对低廉,用于显示简单的字母和数字较为合适。但是采用动态扫描法所需单片机的 IO 口较多,然而因为单片机 IO 口输出的电流太小,所以还要设计一个驱动电路,利用驱动电路对电流放大后才能控制数码管,如果采用数码管显示的内容多了,电路的焊接的难度会增大比较容易发生错误。方案二:采用 OLED 显示模块,该模块是一个 128×64 像素的单色线、字符、图形显示模块,使用 SSDl303 驱动 OLED 的矩阵,内部整合 128 X64 = 8192 单位的 RAM,对应于 OLEDl28×64 像素,被划分为八个,每个页面被分成 8 行。通过 SPI 总线通信,每个 RAM 单元直接作为驱动信号的图形显示的数据。综上所述,综合考虑开发周期和成本,在主控芯片上选择 ATmega8 的微控制器,磁阻传感器选择 HMC5883L 传感器,显示屏采用 OLED 显示模块。第 2.2 节 软件系统设计方案在电子罗盘系统中,磁阻传感器负责测量周围磁场数据,并将这些模拟量转化为数字量,然后由单片机进行滤波处理,再把数字量的测量值转换成对应的通用单位数值并对误差的做了补偿。系统软件除了完成初始化、信号采集、信号调理,再到单片机中进行信号处理分析,最后输出到显示屏上。其框图如下所示:苏州大学本科生毕业设计(论文)8第 8 页开始时钟初始化H M 5 8 8 3 L 初始化O L E D 模块初始化I 2 C 读取 H M C 5 8 8 3 L 数据数据处理显示处理后的数据图 2.2 主程序框图第三章 系统硬件设计第 3.1 节 单片机系统设计本次设计采用了 ATMEL 公司在 2002 年第一季度推出的一款新型 AVR 高性能单片机 ATmega8。其采用精简指令集,既 RISC 结构,具有非易失性存储器,可满足存储用户数据的需求,拥有较高的 16MIPS 计算能力,同时也是一款低功耗的芯片,才本次设计中是一个不错的选择电源是单片机最小系统的首要问题,本次设计电源基于 AMS1117 稳压芯片采用 USB 供电的方式,可以满足单片机供电的需求。单片机最小系统还需要晶振电路来给单片机产生相应的时钟频率,对于 AVR 系列芯片一般有外部时钟模式和内部时钟模式两种,本设计采用的是内部时钟模式,在单片机的XTAL1、XTAL2 的引脚上连接相应晶振和电容,电容起到了起振的作用,这样单片机的内部时钟电路就可以工作了。在本次设计中选用的 8M 的石英晶振。并苏州大学本科生毕业设计(论文)9第 9 页且采用 22pF 的电容。复位电路也是单片机最小系统的重要组成部分,单片机最小系统由上电复位和按键复位两种。当电源供电,单片机复位电路中的电容两端电压无法突变,与其串联的电阻为高电压,因此单片机引脚 RST 端有高电平信号,实现单片机复位。当电源继续给电容供电直至电阻两端的电压减少至几乎为 0 时,芯片没有复位信号开始正常工作。当复位按键按下的时候,由于其与电容两端并联,RST 端有高电平信号,只要高电平持续 2us 以上便可以给单片机复位。 主控芯片为 ATmege8a,时钟电路采用 8M 晶振和两个 22pf 的起振电容,具有上电复位电路,芯片通过 CH340T 芯片和 USB 接口与上位机进行串口通信。主控芯片的其余引脚也分别通过扩展接口引出以便备用。其原理图如下图 3.1 所示:图 3.1 单片机最小系统第 3.2 节 地磁传感器电路设计REST1XAL23F4VC5GND678PB(K)MIOUmegaHdrW-Yp.u苏州大学本科生毕业设计(论文)10第 10 页3.2.1 硬件模块介绍霍尼韦尔 HMC5883L 是一种表面贴装,多芯片模块设计低场磁传感带的应用,如低成本的数字接口定向和磁强。该 HMC5883L 包括我们先进的 theart、高分辨率 HMC118X 系列磁阻传感器加上一个 ASIC 含放大,自动消磁带司机,偏移消除,和一个 12 位的 ADC ,以及 1°〜2°罗盘航向精度。在我 2C 串行总线可以方便的界面。该 HMC5883L 是 3.0x3.0x0.9mm 表面安装 16 引脚无引线芯片载体( LCC ) 。申请的 HMC5883L 包括手机,上网本,消费电子,汽车导航系统和个人导航设备。该 HMC5883L 采用霍尼韦尔各向异性磁阻( AMR)技术,比其它更具优势磁传感器技术。这些各向异性,方向传感器,配备精密的轴灵敏度和线性度。这些传感器的固态结构具有非常低的交叉轴灵敏度是用来测量的方向和地球磁场的幅度,从毫高斯至 8 高斯。霍尼韦尔公司的磁传感器是最灵敏可靠的低磁场传感器的产业。特点:·3 轴磁阻传感器和 ASIC 在 3.0x3.0x0.9mm LCC 表面贴装·12 位 ADC,再加上低噪声 AMR 传感器达到 2 毫高斯在± 8 高斯场场分辨率·内建自测试·低电压操作( 2.16 至 3.6V )和低功耗( 100 μA )·I2C 数字接口 ·内置带驱动电路·无引线封装结构 ·磁场范围广(+/-8Oe) ·有相对应的软件和算法支持 ·最大输出频率可达 160Hz3.2.2 硬件电路设计磁力计传感器 HM5883L 通过 I2C 与主控芯片通信,SDA 和 SCL 分别有两个上拉电阻,与主控芯片的 PC5 和 PC6 引脚连接,其原理图如图 3.2 所示:
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