基于单片机的电子指南针的设计

刘季秋+彭森

摘 要：指南針是我国的四大发明之一，早期的指南针采用了磁化指针和方位盘的组合方式，这样的指南针携带起来很不方便，且指示灵敏度上有一定不足，准确性很差。本文通过对电子指南针基本工作原理的研究分析，采用磁阻（GMR）传感器采集某一方向磁场强度，然后通过MCU控制器对其进行处理并显示上传，达到了显示当前所指方向的目的。实际测试指南针模块精度达到1°，能够在LCD上显示当前方位，并能通过键盘控制上传数据到上位机。这样的指南针精度更高，更智能，在大大提高了精度的同时，也降低了成本和设计难度。

1 引言

指南针是用以判别方位的一种简单仪器，又称指北针。指南针的前身是中国古代四大发明之一的司南。主要组成部分是一根装在轴上可以自由转动的磁针。磁针在地磁场作用下能保持在磁子午线的切线方向上。磁针的北极指向地理的北极，利用这一性能可以辨别方向。

电子指南针系统是一个典型的单片机系统，了解其工作原理及其信号处理流程有利于研究更加复杂的嵌入式系统，特别是系统中采用进口的磁传感器及其相关信号的采集芯片更是有利于研究磁场传感器的实现机理，以便将其更加广泛的应用。

2 工作原理

本系统采用磁阻（GMR）传感器采集磁场强度，然后把磁场强度转换成数字量，单片机再对这些数字量进行处理，最后将处理得到的结果进行显示。

电子指南针的系统主要由前端磁阻传感器、磁场测量专用转换芯片、单片控制器、辅助扩展电路、键盘、显示模块以及系统电源几个部分组成。

整个系统中前端的磁阻传感器负责测量地磁场的大小并将磁场的变化转化为微弱的电流的变化，专用的磁场测量芯片负责把磁阻传感器变化的电流（模拟量）转换成微控制器可以识别的数字量，然后将该数字信号即采集到的数据通过SPI总线上传给微控制器。微控制器将表征当前磁场大小的数字量按照方位进行归一化等处理后通过直观的LCD进行方位显示，同时可以通过键盘控制微控制器进行相应的操作，如将转换后的数据通过串口的形式发送到上位机。整个系统中还包含了实时时钟等一些辅助电路，使整个系统功能得到进一步的扩展，这使得电子指南针更具备实用价值。

3 电源电路

控制部分电路如图1所示，其中包含了微控制器、LCD接口电路、端口上拉电阻、系统时钟电路和指南针模块接口电路。

整个微控制系统中采用了无源晶振的形式发生MCU所需要的时钟信号。时钟电路中的两个电容用作补偿，使得晶振更容易起振，频率更加稳定。系统的复位采用了上电复的形式，上电过程中微控制器复位引脚保证10ms以上的高电平就能可靠.的将微控制器复位。

4 串口逻辑电路

图2为串口逻辑电路图。由于单片机的TTL电平和RS-232协议的电平不同，需要MAX232进行电平的转换。在本次设计中还充分利用了串口的DTS信号作为单片机串口编程功能使能信号。整个通过串口DTR引脚控制在系统编程。电路如上图所示。其中复位电平为高；EA引脚为低电平；PSEN引脚为低电平。

5 系统传感器原理

图3为系统方案图。这部分组要完成对A/D转换后得到的数据进行格式封装，并在上位MCU的控制下进行数据传输。

该芯片内部集成了3轴传感器驱动电路，可以测量X，Y，Z三轴的磁场强度，Z轴的磁场强度可以用来校正水平面，使得X，Y轴的测量更为精确。

6 结论

本设计的主要任务是开发一个以MCS-52单片机为核心的电子指南针。本设计主要分为硬件部分和软件部分，硬件部分着重考虑硬件电路的简单使用性，所以尽可能简化硬件电路，节省线路板的空间，达到硬件电路最优化设计。软件采用C程序语言编写，采用模块化设计思想，程序可读性强。通过仿真、实验验证了系统的可行，达到设计要求。

本次设计采用了160×128点阵的单色液晶显示屏（LCD）作为系统的显示界面，具体的型号为PG160128，该LCM采用了T6963C控制芯片作为显示控制核心。微控制器只需要对T6963C芯片进行操作便可以完成对LCD屏的相关操作，使用非常方便。

参考文献

[1].彭伟.单片机C语言程序设计实训100例[M].北京：电子工业出版社，2009

[2].周润景.基于proteus的电路及单片机设计与仿真[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010

[3].江世明.单片机原理及应用[M].北京：中国铁道出版社，2010

[4]郭天祥.新概念51单片机C语言教程[M].北京：电子工业出版社，2009.

[5]朱红，赵琦.C++程序设计教程[M].北京：清华大学出版社，2009.

作者简介

刘季秋，邵阳学院信息工程系电子科学与技术专业学生。

通讯作者（指导老师）

彭森，邵阳学院信息工程系教师。