电子指南针设计
摘 要伴随着科技的进步，人们对产品的精确度要求越来越高。传统的指南针是用磁化指针和方位盘组合而成的，在指示灵敏度方面存在着一定的不足，极易受到外界环境的影响。本文主要研究了电子指南针系统，以单片机为主控芯片。硬件设计部分主要由单片机、晶振电路、复位电路、地磁场传感器、LCD显示器组成。通过地磁传感器收集方位信息和LCD显示器接受、显示方位信息来实现电子指南针指示方位的功能，表明本系统可靠性高，抗干扰能力强。
目 录
一、引言 1
（一）电子指南针的发展背景 1
（二）电子指南针控制系统的国内外发展现状 1
（三）本文主要研究内容 2
二、方案选择及元器件介绍 2
（一）系统主控核心的选取 2
（二）AT89C51单片机 3
（三）HMC5883L磁场传感器介绍 4
（四）LCD1602显示器介绍 4
三、硬件系统设计 5
（一）电子指南针系统的系统原理框图设计 5
（二）最小系统设计 6
（三）HMC5883L磁场传感器电路设计 7
（四）显示器电路设计 8
（五）按键电路 8
四、软件系统设计 9
（一）电子指南针系统的软件工作流程设计 9
（二）HMC5883L磁场传感器工作流程设计 10
（三）显示器工作流程设计 12
五、实物制作与安装 14
（一）硬件调试 14
（二）问题总结 15
总 结 16
参考文献 17
致 谢 18
附录A 原理图 19
附录B PCB图 20
附录C元件列表 21
附录D 程序 22
一、引言
（一）电子指南针的发展背景
本课题将要设计的这款电子指南针控制系统是一种使用微处理器来控制的电子系统，所谓的基于51单片机的电子指南针控制系统实际上指的是在硬件结构上以51单片机作为核心部分。通过单片机对芯片外部的传感器、按键模块以及显示屏等部分的驱动，实现整个系统的良好工作，
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
这就是我们经常说的基于51单片机的电子指南针控制系统。最早的用于实现地磁场测量功能的仪器或者称为器械早在很多年前就已经出现，如罗盘以及司南等较早期的方向导引工具，这类传统意义上的指南针全部采用机械结构来完成。当单片机技术还没有实现普遍化和生活化之前，使用机械结构来实现地磁场测量功能是主流方式。这种机械式电子指南针所表现出的特点也是非常显著的，由于全部采用机械部件来组成整个结构，因此在外观上是非常庞大的，在使用过程中由于机械部件存在不可避免的摩擦和老损。因此需要定期地进行维护活着部件更换，另外由于全部采用机械结构，因此一旦投入使用就很难有办法进行功能升级或者系统优化，只能一直使用到报废，这就是传统电子指南针的典型特点。随着科学技术的飞速发展以及电子技术空前的全民化，人们已经越来越不能满足于这种传统指南针所能实现的功能。这时候单片机系统的出现打破了这一僵局，由于单片机具有多管脚以及可编程等重要特性，其多管脚特点使得它可以同时对多种模块（按键、报警器以及液晶屏等）进行驱动。因此这种电子式的电子指南针控制系统突破了传统机械式的单一功能性，不但实现了传统机械式的基本功能，更引入了显示、系统配置以及报警等新型功能，更加重要的是由于单片机能够实现程序编程。因此即使将产品推向市场，也不耽误电子指南针产品的再升级，只需要通过程序代码的改写以及重新烧写就可以实现电子指南针控制系统的二次甚至多次升级，这是传统机械式指南针所无法实现的。另外由于这种电子指南针系统全部采用芯片来完成各项功能，因此在批量生产后可以大幅度地降低生产成本，使得最终推向市场后的电子指南针控制系统表现出非常高的性价比，本课题就将采用单片机芯片来实现一款电子指南针控制系统。
（二）电子指南针控制系统的国内外发展现状
电子指南针系统在国内外目前都已实现了全面化，由于各大企业对于生产电子指南针系统产品的技术已经趋于成熟。而要实现更高的性能，还有很大的一段上升空间。因为随着微处理器技术的不断发展，64位处理器即将横空出世[1]。一旦64位微处理器技术成熟并投向市场，将这种更高性能的微处理器替换掉目前的16位或者32位芯片，将能够快速地淘汰掉现有产品。到那时基于单片机的电子指南针控制系统将能够实现更高精度的地磁场测量。目前国内外所能实现的最先进电子指南针系统是32位的，大多采用ARM架构来实现，前不久美国芝加哥大学的一个兴趣小组采用了CM3架构微处理器作为主控，实现了一款能够实现8位精度的地磁场测量系统，同时也标志着为了实现更高性能的电子指南针系统我们有很长一段路要走。
（三）本文主要研究内容
本文在电子指南针发展背景的基础上选择了电子指南针作为研究课题，考虑到这种控制系统目前的生产成本处于一种较高的位置，使得相关产品的性价比一直上不去。这种现象的关键在于其内部主控芯片以及其他模块的造价昂贵以及开发成本高，因此本文选用了具有超高性价比以及较低功耗的51单片机作为控制系统的主控器件，并结合其他的低价模块，设计一款能够实现自动控制功能的电子指南针系统，并实现以下功能指标。
（1）以AT89C51单片机作为主控芯片，通过复位电路和晶振电路的配合，实现51单片机最小系统电路的设计，实现对HMC5883L三维磁场传感器、液晶屏以及按键等模块的驱动；
（2）配置HMC5883L三维磁场传感器电路，实现对地磁场的快速采集和检测；
（3）配置LCD1602液晶屏电路，实现对方位的显示；
（4）配置按键电路，首先对电子指南针系统的启闭；
（5）电子指南针系统采用+5V直流电压进行供电。
二、方案选择及元器件介绍
（一）系统主控核心的选取
开始进行硬件相关元器件的选择以及特性描述，其中对于软硬件系统的主控核心是最重要的，因为这将决定最终是否能够实现最终的指标和功能，这主要体现在功能、性价比以及功耗等几个方面，因此本章首先对主控核心即单片机进行选择。
方案一：选择我较为熟悉的Arduino Mega 2560单片机作为本系统的主控核心部分，由于之前在学习51过程中，触及到了一些关于Mega 2560的学习，感受到了Mega 2560单片机的高效性、多资源性以及艺术性。因此对于Mega 2560单片机有着较好的使用体验，所谓高效性指的是Mega 2560高速的数据处理速度以及常用资源都被囊括在了同一片内，因此在硬件设计过程中就无需在外部配置相关的硬件芯片，如AD模数转换器、DA模数转换器等常用器件；多资源性与高效性是一种因果关系，正是因为Mega 2560内部配置了很多常用的模块如AD、DA、IIC、SPI以及UART等模块，才使得拥护能够在极短的时间内开发出自己所需要的产品；而艺术性指的是该系列单片机（Arduino）是由意大利一所艺术类团队设计出来的，之所以要设计这款单片机是为了解决他们在进行艺术设计过程中所面临的一些难题。因此他们在设计这款单片机时或多或少的掺杂了很多艺术成分，如Mega 2560开发板的外观设计、开发环境IDE的界面人机感受等。然而如果将其运用在该系统所带来的难题主要是我目前对该单片机不是非常熟悉，如果遇到难题需要耗费很多的时间去解决。
目 录
一、引言 1
（一）电子指南针的发展背景 1
（二）电子指南针控制系统的国内外发展现状 1
（三）本文主要研究内容 2
二、方案选择及元器件介绍 2
（一）系统主控核心的选取 2
（二）AT89C51单片机 3
（三）HMC5883L磁场传感器介绍 4
（四）LCD1602显示器介绍 4
三、硬件系统设计 5
（一）电子指南针系统的系统原理框图设计 5
（二）最小系统设计 6
（三）HMC5883L磁场传感器电路设计 7
（四）显示器电路设计 8
（五）按键电路 8
四、软件系统设计 9
（一）电子指南针系统的软件工作流程设计 9
（二）HMC5883L磁场传感器工作流程设计 10
（三）显示器工作流程设计 12
五、实物制作与安装 14
（一）硬件调试 14
（二）问题总结 15
总 结 16
参考文献 17
致 谢 18
附录A 原理图 19
附录B PCB图 20
附录C元件列表 21
附录D 程序 22
一、引言
（一）电子指南针的发展背景
本课题将要设计的这款电子指南针控制系统是一种使用微处理器来控制的电子系统，所谓的基于51单片机的电子指南针控制系统实际上指的是在硬件结构上以51单片机作为核心部分。通过单片机对芯片外部的传感器、按键模块以及显示屏等部分的驱动，实现整个系统的良好工作，
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
这就是我们经常说的基于51单片机的电子指南针控制系统。最早的用于实现地磁场测量功能的仪器或者称为器械早在很多年前就已经出现，如罗盘以及司南等较早期的方向导引工具，这类传统意义上的指南针全部采用机械结构来完成。当单片机技术还没有实现普遍化和生活化之前，使用机械结构来实现地磁场测量功能是主流方式。这种机械式电子指南针所表现出的特点也是非常显著的，由于全部采用机械部件来组成整个结构，因此在外观上是非常庞大的，在使用过程中由于机械部件存在不可避免的摩擦和老损。因此需要定期地进行维护活着部件更换，另外由于全部采用机械结构，因此一旦投入使用就很难有办法进行功能升级或者系统优化，只能一直使用到报废，这就是传统电子指南针的典型特点。随着科学技术的飞速发展以及电子技术空前的全民化，人们已经越来越不能满足于这种传统指南针所能实现的功能。这时候单片机系统的出现打破了这一僵局，由于单片机具有多管脚以及可编程等重要特性，其多管脚特点使得它可以同时对多种模块（按键、报警器以及液晶屏等）进行驱动。因此这种电子式的电子指南针控制系统突破了传统机械式的单一功能性，不但实现了传统机械式的基本功能，更引入了显示、系统配置以及报警等新型功能，更加重要的是由于单片机能够实现程序编程。因此即使将产品推向市场，也不耽误电子指南针产品的再升级，只需要通过程序代码的改写以及重新烧写就可以实现电子指南针控制系统的二次甚至多次升级，这是传统机械式指南针所无法实现的。另外由于这种电子指南针系统全部采用芯片来完成各项功能，因此在批量生产后可以大幅度地降低生产成本，使得最终推向市场后的电子指南针控制系统表现出非常高的性价比，本课题就将采用单片机芯片来实现一款电子指南针控制系统。
（二）电子指南针控制系统的国内外发展现状
电子指南针系统在国内外目前都已实现了全面化，由于各大企业对于生产电子指南针系统产品的技术已经趋于成熟。而要实现更高的性能，还有很大的一段上升空间。因为随着微处理器技术的不断发展，64位处理器即将横空出世[1]。一旦64位微处理器技术成熟并投向市场，将这种更高性能的微处理器替换掉目前的16位或者32位芯片，将能够快速地淘汰掉现有产品。到那时基于单片机的电子指南针控制系统将能够实现更高精度的地磁场测量。目前国内外所能实现的最先进电子指南针系统是32位的，大多采用ARM架构来实现，前不久美国芝加哥大学的一个兴趣小组采用了CM3架构微处理器作为主控，实现了一款能够实现8位精度的地磁场测量系统，同时也标志着为了实现更高性能的电子指南针系统我们有很长一段路要走。
（三）本文主要研究内容
本文在电子指南针发展背景的基础上选择了电子指南针作为研究课题，考虑到这种控制系统目前的生产成本处于一种较高的位置，使得相关产品的性价比一直上不去。这种现象的关键在于其内部主控芯片以及其他模块的造价昂贵以及开发成本高，因此本文选用了具有超高性价比以及较低功耗的51单片机作为控制系统的主控器件，并结合其他的低价模块，设计一款能够实现自动控制功能的电子指南针系统，并实现以下功能指标。
（1）以AT89C51单片机作为主控芯片，通过复位电路和晶振电路的配合，实现51单片机最小系统电路的设计，实现对HMC5883L三维磁场传感器、液晶屏以及按键等模块的驱动；
（2）配置HMC5883L三维磁场传感器电路，实现对地磁场的快速采集和检测；
（3）配置LCD1602液晶屏电路，实现对方位的显示；
（4）配置按键电路，首先对电子指南针系统的启闭；
（5）电子指南针系统采用+5V直流电压进行供电。
二、方案选择及元器件介绍
（一）系统主控核心的选取
开始进行硬件相关元器件的选择以及特性描述，其中对于软硬件系统的主控核心是最重要的，因为这将决定最终是否能够实现最终的指标和功能，这主要体现在功能、性价比以及功耗等几个方面，因此本章首先对主控核心即单片机进行选择。
方案一：选择我较为熟悉的Arduino Mega 2560单片机作为本系统的主控核心部分，由于之前在学习51过程中，触及到了一些关于Mega 2560的学习，感受到了Mega 2560单片机的高效性、多资源性以及艺术性。因此对于Mega 2560单片机有着较好的使用体验，所谓高效性指的是Mega 2560高速的数据处理速度以及常用资源都被囊括在了同一片内，因此在硬件设计过程中就无需在外部配置相关的硬件芯片，如AD模数转换器、DA模数转换器等常用器件；多资源性与高效性是一种因果关系，正是因为Mega 2560内部配置了很多常用的模块如AD、DA、IIC、SPI以及UART等模块，才使得拥护能够在极短的时间内开发出自己所需要的产品；而艺术性指的是该系列单片机（Arduino）是由意大利一所艺术类团队设计出来的，之所以要设计这款单片机是为了解决他们在进行艺术设计过程中所面临的一些难题。因此他们在设计这款单片机时或多或少的掺杂了很多艺术成分，如Mega 2560开发板的外观设计、开发环境IDE的界面人机感受等。然而如果将其运用在该系统所带来的难题主要是我目前对该单片机不是非常熟悉，如果遇到难题需要耗费很多的时间去解决。
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