基于C8051F321单片机的平面数字电子罗盘的研制

贺云超 蔡飞达 齐军伟 于文尧 张启升

中国地质大学地球物理与信息技术学院，北京 100083

基于C8051F321单片机的平面数字电子罗盘的研制

贺云超 蔡飞达 齐军伟 于文尧 张启升

中国地质大学地球物理与信息技术学院，北京 100083

在现代经济发展中，电子罗盘在海洋探测、矿产、石油钻井测控、地质探测、卫星GPS系统、航海等领域中的应用越来越广泛，通过电子罗盘对地磁场的测量，可以给科学探测提供有利的数据，完成一些不能通过人力完成的探测工作。本文运用传感器集成芯片LSM303DLH制作了一个数字电子罗盘模块。通过标准IIC接口以及单片机编程对所采集的磁场数据进行处理和控制，实现方位、倾角、环境温度以及供电电池电量的图形化显示，为科学探测提供便利。

LSM303DLH；C8051F321单片机；方位倾角测量；数字化

引言

近年来，数字式电子罗盘正向深度智能化和三维方向发展。在地质探测中，特别是海底地形探测，要保证方位角测量的高精度，靠人工完成是很困难的，在这项工作中，电子罗盘所起的作用非常重要。

本文采用模块化设计思想，设计并制作一个高精度，高稳定性的方位角数据采集模块，为数字电子罗盘系统提供数据采集，为确保倾角数据采集的稳定性和准确性，采用LSM303DLH传感器集成芯片，并通过IIC接口后，由单片机进行控制和分析，实现倾角数据采集，倾角数据数字化的显示等功能。

系统采用3.7V锂电池供电，整个数据采集模块采用集成了测量倾角传感器以及磁场传感器的LSM303DLH芯片,控制处理的单片机采用的是C8051F321单片机，此单片机速度快,稳定性好，对于本设计方案已能满足要求。整个系统的抗干扰性好、设计灵活、方便，而且成本不高，也适合于在比较恶劣的环境下进行现场数据测量。制作出的成品能够进行当地的方位角，倾角、环境温度以及供电电池电量的数字化显示。

本设计的整个过程分为以下几个主要的步骤：

1）基于Altium Designer的电子罗盘的电路原理图及电路板的绘制；

2）基于C8051F321的单片机软件编程；

3）系统软硬件联合调试和整机性能优化。

1 总体构架

整个系统的硬件部分由LSM303DLH传感器、C8051F321单片机以及显示模块构成。软件编程用C语言在Silicon Laboratories IDE编辑器中实现，由主程序、传感器程序、显示模块控制程序等几个部分构成。

图1 系统整体框图

经硬件模块和软件模块的结合，完成一定范围内的高精度方位角数据采集，并能正确地显示所测方位角的功能。系统整体框图如图1所示。

图2 硬件电路原理图

LSM303DLH传感器处于工作状态之下时，自动检测倾角以及磁场信号，并进行数据采集工作，将存储在寄存器之中。LSM303DLH传感器采集的信号是数字信号，须经过IIC读写后才能在单片机中进行数据处理以数字化的显示，C8051F321单片机自带的IIC接口对LSM303DLH传感器所采集的数字信号进行读取后，数据被保存在单片机的RAM中。数字信号经单片机利用软件编程进行分析处理，让这些数字信号通过串口连接通信，可以在计算机或是OLED显示屏上把LSM303DLH传感器所测得的倾角信号以数字化的形式显示出来，给科学探测提供准确有效的数据，让探测工作得以顺利地进行。

2 系统硬件电路设计

硬件设计主要包括以下几个模块：方位倾角数据采集模块、电池电量检测模块、C8051F321单片机模块。

整体电路由方位倾角数据采集模块，电池电量检测模块，C8051F321单片机模块，OLED显示模块等通过数据线连接而成。

通过对整个系统的设计原理进行整理之后，画好电路图。待各部分电

路图都可以满足系统设计需要的情况

下，将电路图布好局，制成PCB板。

整体电路原理图如图2所示。

根据所设计的电路图，制成PCB电路板后，将所有元器件焊接到电路板上。电路板实物图如图3所示。

图3 电路板实物图

3 软件程序设计

整个系统的功能是由硬件电路配合软件来实现的，当硬件基本定型后，软件的功能也就基本定下来了。从软件的功能不同可分为两大类：一是监控软件（主程序），它是整个控制系统的核心，专门用来协调各执行模块和操作者的关系。二是执行软件（子程序），它是用来完成各种实质性的功能如倾角数据检测、数据分析处理、 数字化显示等。每一个执行软件也就是一个小的功能执行模块。

主程序先初始化各IO端口及各分立器件，如C8051F321单片机的管脚选用及定义，开外部中断等。主程序主要调用了3个主要子程序，分别是LSM303DLH传感器工作驱动程序，电量检测程序，数据分析处理及显示程序。

主程序流程图如图4所示。

图4 主程序流程图

根据所设计的电路图，制成PCB电路板后，将所有元器件焊接到电路板上，将程序下载到系统中，系统能够进行正常显示。显示实物图如图5所示。

图5 显示实物图

4 结语

本文按照预期想象很好的完成整个设计，整个系统达到了较好的功能效果，较顺利的完成了整个系统硬件软件的设计任务。整个系统以C8051f321单片机为控制核心，利用其较快的处理速度、高精度的模数转换能力，以及丰富的外围接口，再配合LSM303DLH方位倾角传感器芯片，实现了方位倾角的测量、处理分析和数字化显示等功能。为工业探测、海底测量等科学研究提供了方便。

致谢

感谢大学生创新性实验计划项目对本项目及文章的资助，感谢中国地质大学(北京)地球物理与信息技术学院对本项目的支持， 感谢中国地质大学(北京)测控技术与仪器实验室给本项目提供了完全开放式的实验条件，感谢张启升老师的耐心指导。

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大学生创新性实验计划项目

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.12.077