【正文】 且可以自由旋轉(zhuǎn)。古人稱它為“司南”。但司南也有許多缺陷，天然磁體不易找到，在加工時容易因打擊、受熱而失磁。而且司南有一定的體積和重量，攜帶很不方便，使得司南長期未得到廣泛應用。但其基本構(gòu)造是沒有改變的，都是屬于機械的指針式，其指示的機械結(jié)構(gòu)基本上沒有改變，都是利用某種支撐使得磁針能夠受到地磁場的影響而自由的旋轉(zhuǎn)。由于國內(nèi)外電子技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是在磁傳感器和專用芯片（ASIC）上的發(fā)展使能指南針的基本實現(xiàn)機理有了質(zhì)的改變，不再是機械結(jié)構(gòu)而采用了磁場傳感器和專用處理器對磁場進行測量和處理后指示方向，這就是當前應用較為廣泛的電子式指南針。電子指南針具有體積小、精度高、穩(wěn)定性好等特點，因為它的這些優(yōu)異性，在工業(yè)、軍事、生活等領(lǐng)域都有著廣泛的應用，并且它可以替代舊式的針式指南針或羅盤式指南針。采用單片機做為系統(tǒng)的核心控制芯片，而單片機的接口是數(shù)字信號的，想要它能夠處理地球的磁場狀況，必須要把磁場信號轉(zhuǎn)化成電信號（電壓或電流），然后經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，把模擬的電信號轉(zhuǎn)化成單片機可以處理的數(shù)字信號。電子指南針系統(tǒng)是一個典型的單片機系統(tǒng)，了解其工作原理及其信號處理流程有利于研究更加復雜的嵌入式系統(tǒng)，特別是系統(tǒng)中采用進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現(xiàn)機理，以便將其更加廣泛的應用。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、輔助擴展電路、鍵盤、顯示模塊以及系統(tǒng)電源幾個部分組成[1]。微控制器將表征當前磁場大小的數(shù)字量按照方位進行歸一化等處理后通過直觀的LCD進行方位顯示，同時可以通過鍵盤控制微控制器進行相應的操作，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。電子指南針包含如下功能：? 精確地顯示所指的方向。? 可以通過按鍵對電子指南針進行實際的操作。? 可以顯示實時時間，更便于應用。整個磁阻傳感器是系統(tǒng)中最前端的信號測量器件，傳統(tǒng)的磁場測量都是采用了電感線圈的形式，在所設(shè)計的系統(tǒng)中，由于需要測量的是非常微弱的地磁場，～，兩極處的強度略大?；谄胀姼芯€圈測量的不足，所設(shè)計的系統(tǒng)采用了磁阻傳感器來測量地址磁場的強度。圖 磁阻傳感器原理及其外形由圖中我們可以看出當磁場變化時鐵磁合金的電阻會跟著變化，如果此時的電流不變，那么鐵磁合金兩端的電壓將發(fā)生變化，這樣使用ADC就可以很方便的測量出當前對應的磁場大小。通過磁阻效應可以把磁場的變化轉(zhuǎn)換成對應變化的電流，通過A/D轉(zhuǎn)換就可以得到對應的數(shù)字量。本次設(shè)計中使用了著名PNI公司的PNI11096磁場測量ASIC，該芯片能夠同時對3軸磁場強度（既X,Y,Z軸）進行測量。在整個指南針模塊程序的設(shè)計過程中最主要的也就是其數(shù)據(jù)的處理，直接關(guān)系到系統(tǒng)的精度。指南針模塊在第一次使用前都必須校正，系統(tǒng)上電時將模塊的ADJUST引腳拉低即可進入校正狀態(tài)，將模塊在水平面內(nèi)均勻的轉(zhuǎn)動一周后校正結(jié)束。將磁場強度歸一化后，直接對X,Y軸的強度進行計算就可以得到當前方向與正東方向的夾角。片內(nèi)64KB閃存，在應用編程，可通過串口實現(xiàn)在系統(tǒng)編程，MOVX可訪問的1KB SRAM。支持電源管理模式，可編程的時鐘分頻器，自動的硬件和軟件退出低功耗。與51單片機相比,DS89C450還具有一些增強的功能。例如，DS89C450的P2口的某些位可以配置成特殊功能來使用，像P20，P21，P22可以配置成SPI總線接口。 表3－1 SPI接口配置端口增強功能SS（從模式選擇輸入）接高電平P20MOSI（主模式數(shù)據(jù)輸出\從模式數(shù)據(jù)輸入）P21MISO（主模式數(shù)據(jù)輸入\從模式數(shù)據(jù)輸出）P22SCK（主時鐘輸出\從時鐘輸入）由表3－1可知，主/從模式的選取是直接通過接高電平來決定，低電平為從模式，高電平為主模式。液晶模塊的接口主要接在P0口各P2口上，P0口用來傳輸數(shù)據(jù)和地址，P2口用來控制液晶模塊的工作情況。1腳用來傳輸時鐘信號，2腳用來傳輸數(shù)據(jù)信號。整個系統(tǒng)的控制部分主要完成對指南針模塊數(shù)據(jù)的讀取和處理并將數(shù)據(jù)的處理結(jié)果通過控制人機界面顯示出來，同時監(jiān)控鍵盤的輸入以便完成系統(tǒng)功能設(shè)定等操作。LCD是系統(tǒng)中比較繁忙的器件之一，其接口采用了并口模式可以提高數(shù)據(jù)的傳輸速率，保證了液晶顯示屏的及時刷新。控制部分電路如圖 ，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。時鐘電路中的兩個電容用作補償，使得晶振更容易起振，頻率更加穩(wěn)定。 串口通信電路圖 串口通信電路在本次設(shè)計任務中采用了串口作為系統(tǒng)與外界的通信接口，串口通訊對單片機而言意義重大,不但可以實現(xiàn)將單片機的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C端,而且也能實現(xiàn)計算機對單片機的控制。在本次設(shè)計中還充分利用了串口的DTS信號作為單片機串口編程功能使能信號。 由于DS89C450提供在系統(tǒng)編程，可以很方便的通過串口對單片機內(nèi)部的FLASH進行刷新。該模塊采用的正是PNI11096和SENR65傳感器組合的設(shè)計方案。那么需要在信號采集前端加入信號放大和濾波整形電路[2]，這樣使得A/D能夠準確測量當前磁場大小。⑶ 數(shù)據(jù)接口電路：這部分組要完成對A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)進行格式封裝，并在上位MCU的控制下進行數(shù)據(jù)傳輸。圖 PNI11096傳感器原理圖該芯片內(nèi)部集成了3軸傳感器驅(qū)動電路，可以測量X，Y，Z三軸的磁場強度，Z軸的磁場強度可以用來校正水平面，使得X，Y軸的測量更為的精確。經(jīng)過模塊封裝的數(shù)據(jù)格式如下表。圖 SPI總線時序SPI(Serial Peripheral Interface串行外設(shè)接口)總線系統(tǒng)是一種同步串行外設(shè)接口，它可以使MCU與各種外圍設(shè)備以串行方式進行通信以交換信息。由于SPI系統(tǒng)總線一共只需3～4位數(shù)據(jù)線和控制即可實現(xiàn)與具有SPI總線接口功能的各種I/O器件進行接口，而擴展并行總線則需要8根數(shù)據(jù)線、8～16位地址線、2～3位控制線，因此，采用SPI總線接口可以簡化電路設(shè)計，節(jié)省很多常規(guī)電路中的接口器件和I/O口線，提高設(shè)計的可靠性。PCF8583是一款基于靜態(tài)CMOS RAM的實時時鐘芯片，該芯片采用了I2C總線接口。其內(nèi)部的256字節(jié)的RAM區(qū)域被分為了幾個功能區(qū)以完成不同的操作。PCF8583采用了I2C總線的形式與外界傳輸數(shù)據(jù)。圖 I2C總線時序 液晶顯示電路本次設(shè)計采用了160128點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 LCD內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖制芯片作為顯示控制核心。整個LCM中T6963C負責對LCD行列驅(qū)動芯片T6A40和T6A39進行控制。T6963提供10種控制命令。由于系統(tǒng)中的其他模塊對微控制器的端口占用較少還有很多沒有使用的端口，鍵盤連接上直接采用了每個按鍵占用一個端口的形式,，電路的中的幾個電阻屬于上拉電阻，保證在沒有輸入的情況下端口電平穩(wěn)定為高，同時也可以達到省電的目的。以上是系統(tǒng)各個硬件部分的闡述，以下是整個系統(tǒng)的總電路。在進行系統(tǒng)PCB的器件方位布置和走線時，特別注意了通信電路和信號采集電路的隔離。4 軟件設(shè)計 主監(jiān)控程序整個監(jiān)控系統(tǒng)中各個模塊間存在一定的先后順序且程序模塊數(shù)量較少，為了減少系統(tǒng)的程序量，設(shè)計過程中系統(tǒng)的監(jiān)控程序采用了傳統(tǒng)的前后臺方式。整個系統(tǒng)監(jiān)控程序流程如 系統(tǒng)監(jiān)控程序流程。系統(tǒng)初始化完成時對指南針模塊進行讀取，此時指南針模塊將根據(jù)ADJUST端口的電平狀態(tài)判定是否需要校正指南針，其后將得到的數(shù)據(jù)上傳至微控制器，微控制器根據(jù)得到的數(shù)據(jù)驅(qū)動LCD進行相應的顯示，隨后微控制器將對系統(tǒng)鍵盤端口進行掃描，并根據(jù)掃描得到的鍵值進行相應的處理。系統(tǒng)中由于各個程序之間相互關(guān)聯(lián)，且對實時性要求不是很高，前后臺能夠滿足其要求。本次設(shè)計采用的圖 PCF8583驅(qū)動流程PCF8583實時時鐘芯片采用的I2C接口，對它的所有操作直接通過對其內(nèi)部線性的CMOS RAM區(qū)進行操作即可即對PCF8583的操作主要是通過I2 通過I2C總線對其內(nèi)部RAM進行讀寫[11]。直觀的液圖 LCM驅(qū)動程序架構(gòu)晶顯示能夠使得系統(tǒng)更容易操控。采用層次設(shè)計的驅(qū)動可以很好的移植到不同的處理器。 本次設(shè)計采用的是FAD_DCMP_SPI指南針模塊。整個模塊驅(qū)動包括了讀取PNI11096數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、封裝數(shù)據(jù)和通過SPI時序發(fā)送數(shù)據(jù)幾個部分。由于接入了實時實鐘模塊，在LCD液晶屏上也能正確的顯示當前的日期和時間。通過串口也能將測量到的方向數(shù)據(jù)上傳到上位機PC上。6 總結(jié) 經(jīng)過一個多月的努力，我終于設(shè)計出了一個簡易的電子指南針。 在課題的制作過程中，我也遇到了很多問題。也正是這樣的一個過程，使我對芯片更加地了解，原理更加的明白，進一步的鞏固了我的專業(yè)知識。經(jīng)過向老師同學的請教，明白了在軟件編程時要非常注重硬件電路。同時一個正確的軟件程序也能幫助檢測硬件電路是否有問題。但因為個人在知識面和能力方面還有限，再加上條件的限制，我所完成的只是整個系統(tǒng)的一部分，電子指南針的采樣精度和抗干擾能力等各項技術(shù)指標的提高、諸多功能的完善還需要進一步的研究和開發(fā)，此外在完成基本功能的基礎(chǔ)上，還需要努力提高軟件的效率、硬件系統(tǒng)的穩(wěn)定性、進一步降低系統(tǒng)功耗等。我要在這里對他們表示深深的謝意！感謝我的父母，他們不僅培養(yǎng)了我對中國傳統(tǒng)文化的濃厚的興趣，讓我在漫長的人生旅途中使心靈有了虔敬的歸依，而且也為我能夠順利的完成畢業(yè)論文提供了巨大的支持與幫助。附錄:/*****************************************模塊名稱:測試主程序******************************************/include include include include /* T6963驅(qū)動庫 */include include include unsigned char Gb