【正文】 P 4. 2/ I N T 339P 1. 0/ T 240P 1. 1/ T 2E X41P 1. 242P 1. 343P 1. 444STC89C58RD+TQFPU 1 0S T C 89C 5 8R D + T Q F PMD_DRDYMD_RESETMD_SCLKMD_MISOM D _M O S IM D _S S N O TM D _S S N O TM D _D R D YM D _M I S OM D _M O S IM D _R E S E TM D _S C L KLCD_CLKLCD_SIDLCD_CSX T A L 2X T A L 1RXDTXD1 2 3 4 5J3L C D _P O R T+5LCD_CLKLCD_CSLCD_SID1 2J?C O N 2TXDRXDMCU_RESTD _ T X DD _ R X DR _I510 R+5T 1122. 1184M H zC 1230p FC 1130p FXTAL1XTAL2+C _R E S T10u FR 1110k+5MCU_REST+ C 2210u F+5+51 2J1P O W E R+51 2 3 4 5 6S P I+5ADJUSTCLK_SPIMISO_SPIMOSI_SPIC L K _S P IM I S O _S P IM O S I _S P IA D J U S T 圖 43 指南針信號(hào)接收模塊總電路圖 控制器 的 具體控制電路 整個(gè)系統(tǒng)的控制部分主要完成對(duì)指南針模塊數(shù)據(jù)的讀取和處理并將數(shù)據(jù)的處理結(jié)果通過(guò)控制人機(jī)界面顯示出來(lái)，同時(shí)監(jiān)控鍵盤(pán)的輸入以便完成系統(tǒng)功能設(shè)定等操作。角度 ,并可設(shè)置磁偏角及硬磁補(bǔ)償功能。電子羅盤(pán)采用 SPI 接口輸出，可輸出 0176。 圖 42 PNI11096 傳感器電路原理圖 磁阻傳感器 數(shù)據(jù)封裝 SPI接口 ADC 信息電子技術(shù)學(xué)院 15 信號(hào)接收模塊整體電路 本次設(shè)計(jì)采用二維電子羅盤(pán)模塊 FADDCMSPI，它是由富安達(dá)智能科技公司生產(chǎn)的磁接收模塊。整個(gè)前端的信號(hào)處理流程 如 圖 41。上電后，保持RST 一段高電平時(shí)間，由于單片機(jī)內(nèi)的等效電阻的作用，不用圖中電阻 R1，也能達(dá)到上電復(fù)位的操作功能。 常用的上電復(fù)位電路如 圖 35所示。根據(jù)應(yīng)用的要求，復(fù)位操作通常有兩種基本形式：上電復(fù)位和上電或開(kāi)關(guān)復(fù)位。 信息電子技術(shù)學(xué)院 13 C 0 12 2 p FC 0 22 2 p FY1C R Y S T A LX T A L 1X T A L 2.. 圖 34 時(shí)鐘電路原理圖 復(fù)位電路 當(dāng) 5l 系列單片機(jī)的復(fù)位引腳 RST(全稱(chēng) RESET)出現(xiàn) 2 個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)，單片機(jī)就執(zhí)行復(fù)位操作。 單片機(jī) DS89C450 其晶振頻率多數(shù)采用的是， 內(nèi)部振蕩方式所得的時(shí)鐘情號(hào)比較穩(wěn)定，實(shí)用電路中使用較多。具體電路如 圖 34 所示。這種方式適宜用來(lái)使單片機(jī)的時(shí)鐘與外部信號(hào)保持同步。由于單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，當(dāng)外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖。 信息電子技術(shù)學(xué)院 12 圖 33 系統(tǒng)存儲(chǔ)分配 控制器時(shí)鐘和復(fù)位電路 時(shí)鐘電路 51 單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)通常用兩種電路形式得到：內(nèi)部振蕩方式和外部振蕩方式。 DS89C450 內(nèi)部含有較大的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，其片內(nèi)除了 256 字節(jié) RAM區(qū)，還提供片內(nèi) 1KB 的 SRAM 和 64KB 的程序存儲(chǔ)器， SRAM 存儲(chǔ)器可以用來(lái)保存系統(tǒng)中的常量，加速系統(tǒng)軟件的執(zhí)行效率， 64KB 的程序存可以滿足一般工程對(duì)程序存儲(chǔ)器的需求，這樣就有足夠大的存儲(chǔ)區(qū)域來(lái)存放代碼和數(shù)據(jù)而不需要另外的擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)電路提高了系統(tǒng)的性能。 P 10 / T 21P 11 / T 2E X2P 12 / R X D 13P 13 / T X D 14P 14 / I N T 25P 15 / I N T 36P 16 / I N T 47P 17 / I N T 58R S T9P 30 / R X D 010P 31 / T X D 111P 32 / I N T 012P 33 / I N T 113P 34 / T 014P 35 / T 115P 36 / W R16P 37 / R D17X T A L 218X T A L 119V S S20P 2021P 2122P 2223P 2324P 2425P 2526P 2627P 2728P S E N29A L E / P R O G30E A / V P P31P 0732P 0633P 0534P 0435P 0336P 0237P 0138P 0039V C C40J P ?D S 89C 45 0.. .. 圖 32 DS89C450 原理圖 控制器存儲(chǔ)結(jié)構(gòu) 傳統(tǒng)的 51 系列芯片內(nèi)部沒(méi)有或僅有非常小的程序存儲(chǔ)器，這就需要通過(guò)外部總線進(jìn)行存儲(chǔ)器的擴(kuò)展，通常的外部存儲(chǔ)器的擴(kuò)展方法有線選法和譯碼法兩種。支持電源管理模式，可編程的時(shí)鐘分 頻器，自動(dòng)的硬件和軟件退出低功耗。片內(nèi) 64KB 閃存，在應(yīng)用編程，可通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)編程， MOVX 可訪問(wèn)的 1KB SRAM。 其內(nèi)部組成如 圖 31 所示。如 圖 26。在品種眾多的單片機(jī)中， MCS51 系列單片機(jī)以其結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)完 整、特殊功能寄存器的規(guī)范化以及指令系統(tǒng)的控制功能等 信息電子技術(shù)學(xué)院 9 特色，奠定了 8 位單片機(jī)的基礎(chǔ)，形成了單片機(jī)的經(jīng)典體系結(jié)構(gòu)，使得 MCS51系列單片機(jī)更適用于數(shù)據(jù)采集與處理、 儀器或儀表測(cè)量與其它工業(yè)控制中。 在電路系統(tǒng)的人機(jī)界面主要由鍵盤(pán)電路和顯示電路組成，考慮到要求功耗低、信息傳達(dá)準(zhǔn)確和界面美觀等問(wèn)題，本電路系統(tǒng)采用 LCD 的模塊LCM240*128 做為顯示電路。 秒 、 分鐘 、 小時(shí) 、 日 、 月 、 年 、 分鐘報(bào)警 、 小時(shí)報(bào)警 、 日?qǐng)?bào)警寄 ， 存器編碼格式為 BCD， 星期和星期報(bào)警寄存器不以 BCD 格式編碼。 所有 16 個(gè)寄存器設(shè)計(jì)成可尋址的 8 位并行寄存器 ， 但不是所有位都有用 。 如 圖 25 所示。 當(dāng)然作為時(shí)鐘芯片 ，PCF8563 也 解決了 2021 年問(wèn)題 。 PCF8563 的多種報(bào)警功能 、 定時(shí)器功能 、 時(shí)鐘輸出功能以及中斷輸出功能能完成各種復(fù)雜的定時(shí)服務(wù) ， 甚至可為單片機(jī)提供看門(mén)狗功能 。 3) 數(shù)據(jù)接口電路 這部分組要完成對(duì) 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。那么需要在信號(hào)采集前端加入信號(hào)放大和濾波整形電路，這樣使得 A/D 能夠準(zhǔn)確測(cè)量當(dāng)前磁場(chǎng)大小，如 圖 24。對(duì)于水平的問(wèn)題，還 可以使用 Z軸來(lái)進(jìn)行傾角校正，提高測(cè)量精度。由 PNI 公司研制的雙極微測(cè)量方案可以在固定的溫度下完成磁場(chǎng)測(cè)量。每個(gè)傳感器都會(huì)在其相應(yīng)平行的磁場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行實(shí)際的感應(yīng)系數(shù)變化。PNI11096 能夠同時(shí)對(duì) 3 軸磁場(chǎng)強(qiáng)度（既 X， Y， Z 軸）進(jìn)行測(cè)量 ， 每個(gè)傳感器單獨(dú) 有 選擇 地進(jìn)行 測(cè)量，也可以是單獨(dú)配置的測(cè)量分辨率 和獨(dú)立的組測(cè)量方案，它具備高判斷模式和測(cè)試振蕩電路和計(jì)數(shù)電路輸出顯示。 本次設(shè)計(jì)中使用了著名 PNI公司的 PNI11096 磁場(chǎng)測(cè)量 ASIC， 如 圖 23 所示 。 該傳感器體積非常小，測(cè)量精度高，最小分辨率可達(dá) 高斯，測(cè)量地磁場(chǎng)已經(jīng)足夠。 如 圖 22。基于普通電感線圈測(cè)量的不足，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用了磁阻傳感器來(lái)測(cè)量地址磁場(chǎng)的強(qiáng)度。 信息電子技術(shù)學(xué)院 4 圖 21 系統(tǒng)簡(jiǎn)單框圖 系統(tǒng)硬件的選型 磁場(chǎng)傳感器 磁場(chǎng) 傳感器是系統(tǒng)中最前端的信號(hào)測(cè)量器件，傳統(tǒng)的磁場(chǎng)測(cè)量都是采用了電感線圈的形式，在所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，由于需要測(cè)量的是非常微弱的地磁場(chǎng)，地球表面赤道上的磁場(chǎng)強(qiáng) 度在 ～ 高斯之間，兩極處的強(qiáng)度略大，地磁北極約 高斯，南極約 高斯。微控制器將表征當(dāng)前磁場(chǎng)大小的數(shù)字量按照方位進(jìn)行歸一化等處理后通過(guò)直觀的 LCD 進(jìn)行方位顯示，同時(shí)可以通過(guò)鍵盤(pán)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(guò)串口的形式發(fā)送到上位機(jī)。 系統(tǒng) 的 總體設(shè)計(jì) 電子指南針 的系統(tǒng)主要由 前端磁阻傳感器 、 磁場(chǎng)測(cè)量專(zhuān)用轉(zhuǎn)換芯片、單片控制器 、 輔助擴(kuò)展電路、人機(jī)界面以及系統(tǒng)電源幾個(gè)部分 組成， 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu) 如圖 21。 把所得到的數(shù)字信息通過(guò)主控制器進(jìn)行處理，然后 用人機(jī)界面表現(xiàn)出來(lái)，供我們來(lái)讀取和應(yīng)用。 在接收到指南針模塊信號(hào)后，系統(tǒng)能直觀的把信息通過(guò)液晶顯示屏表現(xiàn)出來(lái)，也能把信息 上傳到上位機(jī)， 整個(gè)系統(tǒng) 功能的切換由鍵盤(pán) 輸入相應(yīng)的信號(hào)來(lái)完成 。電子指南針系統(tǒng)是一個(gè)典型的單片機(jī)系統(tǒng)，了解其工作原理及其信號(hào)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)中來(lái)自國(guó)外的磁傳感器及其信號(hào)的采集芯片更是有利于研究磁場(chǎng)傳感器的實(shí)現(xiàn)機(jī)理，以便將其更加廣泛的應(yīng)用。由于國(guó)內(nèi)外電子技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是在磁傳感器和專(zhuān)用芯片（ ASIC）上的發(fā)展使能指南針的基本實(shí)現(xiàn)機(jī)理有了質(zhì)的改變，不再是機(jī)械結(jié)構(gòu)而采用了磁場(chǎng)傳感器和專(zhuān)用處理器對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量和處理后指示方向，這就是當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的電子式指南針。但其基本構(gòu)造是沒(méi)有改變的，都是屬于機(jī)械的指針 式，其指示的機(jī)械結(jié)構(gòu)基本上沒(méi)有改變，都是利用某種支撐使得磁針能夠受到地磁場(chǎng)的影響而自由的旋轉(zhuǎn)。 電子指南針全部采用固態(tài)元件，可以用簡(jiǎn)單的方式與其它電子系統(tǒng)進(jìn)行連接，完成新新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，電子指南針具有體積小、精度高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，因?yàn)樗倪@些優(yōu)異性，在 工業(yè)、軍事、生活等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，并且它可以替代舊式的針式指南針或羅盤(pán)式指南針。所以司南的磁性比較弱，而且它與地盤(pán)接觸處要非常光滑，否則會(huì)因轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻力過(guò)大， 而難于旋轉(zhuǎn)，無(wú)法達(dá)到預(yù)期的指南效果。 司南由青銅盤(pán)和天然磁體制成的磁勺組成，青銅盤(pán)上刻有二十四向，置磁勺于盤(pán)中心圓面上，靜止時(shí)，勺尾指向?yàn)槟?。?dāng)它靜止的時(shí)候，勺柄就會(huì)指向南方。它是用天然磁石制成的。經(jīng)過(guò)多方的實(shí)驗(yàn)和研究，終于發(fā)明了可以實(shí)用的指南針。人們首先發(fā)現(xiàn)了磁石引鐵的性質(zhì)。 LCD 信息電子技術(shù)學(xué)院 iii 目錄 摘要 .................................................................................................................................i Abstract ......................................................................................................................... ii 第 1 章 緒論 .............................................................................................................. 1 課題背景 ......................................................................................................... 1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ............................................................................................. 1 本課題研究的目的和意義 ............................................................................. 2 第 2 章 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì) .................................................................................. 3 系統(tǒng)的功能及設(shè)計(jì)思路 .....................................................................