数字指南针.docx

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1、数字指南针1 功能要求数字指南针要求使用固态磁阻传感器将地磁场的方位角转换成数字量的角度信号，利用单片机处理并显示或通过串行口传送到雷达或电子海图仪等航海设备上，从而实现运动方位角信息的显示。数字指南针要求区分率小于1O。2 方案论证数字指南针又叫电子罗盘，是基于地磁场来定北极的一种仪器。其测量误差不随时间积存，且体积小，牢靠性高，响应速度快，相比传统机械罗盘具有较多的优点。数字指南针的电路系统主要由地磁检测电路、地磁信号放大电路、磁阻传感器消磁电路、微处理器掌握电路、液晶显示电路和接口电路组成。掌握器承受单片机STC12C5410AD，地磁检测承受磁阻传感器HMC1022。STC12C541

2、0AD单片机是宏晶公司产品，其运算速度为标准单片机的12倍，内带A/D转换器，具有强抗干扰性，低功耗，可在线编程等优点。HMC1022是二维磁阻传感器电路芯片， 其原理是利用电阻桥将磁场强度转换成差动输出电压，该信号电压通过运放放大后，输入到单片机进展A/D转换，最终由单片机进展数据处理并将测量方位角的结果显示在LCD液晶显示器上。数字指南针设计原理框图如图1所示。磁阻传感器HMC1022X轴TXD运放MAX232Y轴单片机RXD串口上位机置位/复位电路液晶显示器图1数字指南针设计原理框图3 系统硬件电路的设计图2所示是数字指南针电路设计原理图。电路由地磁检测电路、地磁信号放大电路、磁阻传感器

3、消磁电路、微处理器掌握电路、液晶显示电路和串行接口电路组成。3.1 地磁检测电路地磁检测电路承受Honeywell公司生产的智能弱磁二轴传感器HMC1022。其区分率为85 Gs，工作温度为-40300，器件可在512V电源范围内工作。芯片使用16引脚小型SOP封装，最低可检测30 Gs的磁场，是一款高牢靠性、高灵敏度的磁阻芯片。双轴磁阻传感器内部具有2个相互垂直安放的磁传感器，当磁阻传感器与航船相对固定并保持水平状态时，利用从2个传感器输出的水平与垂直磁重量大小就可以算出方位角 见图3。3.2 地磁信号放大电路地磁信号放大电路承受四运放集成电路LM324。按A/D转换的电平要求，总体电压放大

4、量掌握在200300倍左右。另外，在第1级运放还承受了可调直流偏置， 用于调整输出直流电平的范围。3.3 磁阻传感器消磁电路磁阻传感器在使用中为了到达高区分率，必需进展“置位”与“复位”操作， 这样可有效地消退强磁场干扰影响。进展“置位”或“复位”操作时需对玻莫合金薄膜施加0.5A、2S宽度的脉冲电流。数字指南针中使用单时钟置位复位电路。图4所示为消磁电路信号波形图。3.4 微处理器掌握电路掌握芯片承受宏晶公司带A/D功能的单片机STC12C0410AD。STC12C5410是单时钟机器周期(1T)的高速兼容8051内核单片机，是一款高速低功耗的一代8051单片机，承受全的流水线精简指令集构造

5、，内部集成MAX810专用复位电路，ISPC在系统可编程IAPC在应用可编程，无须专用编程器，可通过串口(P3. O/P3.1)直接下载用户程序，数秒即可完成一片。3.5 液晶显示电路液晶显示电路承受12232F。12232F是一款内置8 192个1616点阵汉字库和128 个168点ASCII字符集图形点阵液晶显示器，可完成图形显示，也可以显示7.5X2 个(1616点阵汉字。与外部MCU接口可承受并行或串行方式掌握，在数字指南针中承受串口驱动。4 掌握程序的设计数字指南针掌握程序主要有液晶、串口等的初始化程序、硬铁校正程序、磁阻信号数字转换及方位角计算程序和串口数据发送与液晶显示程序。4.

6、1 液晶、串口等的初始化程序初始化程序将串口设为方式1，波特率为19 200。对中文液晶显示器的初始化主要是清显示内存、点功能设定、开显示屏、清屏等工作。4.2 硬铁校正程序当一个铁质放在一个磁场中，会产生磁干扰，从而转变地磁场的方向。因此在使用数字指南针时，四周的铁质材料都会对磁角产生影响。当两轴磁传感器在水平磁场中旋转时，一个抱负的、无干扰的磁输出曲线是一个以(X ，Y )为圆心b0b0的圆见图5，此时，输出的航向会发生从Oo到360o的线性变化。硬铁干扰产生于永久磁铁和被磁化的金属，或使用钢的平台上。这些干扰会保持大小恒定，与指南针的相对位置固定，而与指南针指向无关，硬铁干扰在磁阻传感器

7、的每个输出轴向加了一个定值，输出曲线图的圆心被移动了见图6，对于运动方位角的影响则是一个周期性的误差。要消退硬铁干扰，必需得到磁输出的圆心偏移量。通常是将指南针和平台旋转一周，得到圆上足够的点，再通过计算得到圆心值，圆心值(X ，Y )会存在b0b0EEPROM中，每次指南针读数计算中都会减去偏移量，因此，航向计算时可以消退硬铁干扰。在指南针运行程序中，有为求硬磁干扰时的圆心程序，在初次使用时， 数字指南针需同金属平台一起渐渐旋转1周以上。4.3 磁阻信号数字转换及航向角计算程序从磁阻传感器输出的电压信号经过200300倍的放大后，成为05 V的直流电压送入单片机进展A/D转换。STC12C5

8、410AD单片机内带8路10位A/D转换器，转换后的磁阻电压最大数字值为1024。依据图5中的X方向与y方向的最大值与最小值及实时测得的2个方向的数据，就可算出运动方位角。图7所示为数字指南针主程序流程图。开头初始化校正开关命令？旋转1周一上溢出X与Y方Y向的最大值与最小值，并存入EEPROM中串口发送方位角数据NN开关明启刷LCD数据Y计算启角度测出X与Y方向的磁场数据图7数字指南针主程序流程图5 调试及性能分析由于磁阻传感器引脚较细密，焊接时须特别留神，元器件焊接完成后应进展硬件的加电测试。运放器的放大量输出以正南或正北时每路的输出电压最大不超过5V尽量接近5V为宜。LCD液晶显示程序调试

9、完成后可将实时磁阻强度在LCD 上直观显示出来，对后续的程序编写调试有很大的帮助。在全部程序编写完成后可进展校正操作，其方法是翻开校正开关，然后通电，将电路板放置在水平的台面上，然后渐渐地旋转2周以上，最终将校正开关关闭，指南针就能正常工作了。通过对数字指南针的比对测试，数字指南针读数误差小于1O。6 掌握源程序清单以下是数字指南针汇编程序清单：;*;*电子指南针演示程序*;*STC12C2052AD-12MHZ晶振*;*;显示缓冲单元在40H-43H，使用内存44H、45H、46H用于计算;RESETEQUP3.7; 磁感应器复位,2微秒高电平脉冲.ADC_CONTREQU0C5H;ADC掌

10、握ADC_DATAEQU0C6H;ADC结果中的最高8位ADC_LOW2EQU0BEH;ADC结果中的最低2位P1M0EQU91H;I/O设置P1M1EQU92H;I/O设置P3M0EQU0B1H; I/O设置P3M1EQU0B2H; I/O设置;ADC0HEQU30H;0路ADC结果高2位ADC0LEQU31H;0路ADC结果低8位ADC1HEQU32H;1路ADC结果高2位ADC1LEQU33H;1路ADC结果低8位DELDATAEQU34H;100us延时参数DISPADDDATA40H;显示用连续8个单元(40-47),用作X方向及Y方向的磁场强度显示DIVDATADATA50H;除法

11、移位掌握数据用;*LAMPBLAKEQUP1.4;背光灯掌握,=0时开,=1时关.CSEQUP1.5;液晶使能,=1操作,=0制止.SIDEQUP1.6;液晶串行数据输入口SCLKEQUP1.7;液晶串行操作时钟口LAMPEQUP1.2;LED指示灯;*;*中断入口程序*;*;ORG 0000HLJMPSTART ORG 0003HRETI ORG 000BHRETI ORG 0013HRETI ORG 001BHRETI ORG 0023HRETI ORG 002BHRETI;*;*主 程 序*;*;START: MOVSP,#80HCLRCS;液晶操作制止CLRLAMPCLRRESET;磁

12、感应器复位,寻常为低LCALLSETUP;LCD初始化LCALLLOGON;开机显示画面MOVR0,#DISPADD;显示数据存放单元清零MOVR7,#08HCLEARDISP:MOVR0,#08HINCR0DJNZR7,CLEARDISP;LCALLDATAUP;显示X:0000Y:0000 CPLLAMP;LCALLINI_RS232 LCALLADC_POW_ON LCALLSET_P10P11_OP;初始化串口;开ADC电源;设P1.0 P1.1为开源输出MOVP3M0,#00000000B; P3.7为推挽输出MOVP3M1,#10000000B; MAIN:;LCALLRESETS

13、;磁感应器复位MOVADC_CONTR,#11100000B;选P1.0ADC转换口LCALLP10_ADC_CHANNEL;转换MOV MOVADC0H,B ADC0L,A;第0路结果保存(10位数高2位);第0路结果保存(10位数低8位)LCALLBCDCON0;MOVADC_CONTR,#11100001B;选P1.1ADC转换口LCALLP10_ADC_CHANNEL;转换MOV MOVADC1H,B ADC1L,A;第1路结果保存(10位数高2位);第1路结果保存(10位数低8位)LCALLBCDCON1;LCALLDATAUP LCALL DELAY5SAJMP;MAINRESET

14、S: SETB RESET NOPNOP NOP NOP NOP NOP NOPNOP NOP NOP NOP NOP NOP NOP NOP NOP NOP NOP NOP NOP NOP NOPCLR RESET RET;*;*;*;BCDCON0:;MOVPSW, #18hMOVR7,#00HMOVR6,#00HMOVR5,BMOVR4,AMOVR3,#03H MOVR2,#0E8HLCALL DIV4BY2;/1000MOVDISPADD, R4 ;千位数BCD MOVR7,#00HMOVR6,#00HMOVA,R1MOVR5,AMOVA,R0MOVR4,AMOVR3,#00HMOVR

15、2,#64HLCALL DIV4BY2;/100MOVDISPADD+1, R4 ;千位数BCD MOVA,R0MOVB,#10DIVABMOVDISPADD+2,A MOVDISPADD+3,B;POPPSW RET;BCDCON1:; MOVPSW, #18hMOVR7,#00HMOVR6,#00HMOVR5,BMOVR4,AMOVR3,#03HMOVR2,#0E8HLCALLDIV4BY2;/1000MOVDISPADD+4,R4 ;千位数BCDMOVR7,#00HMOVR6,#00HMOVA,R1MOVR5,AMOVA,R0MOVR4,AMOVR3,#00HMOVR2,#64HLCAL

16、LDIV4BY2;/100MOVDISPADD+5,R4 ;千位数BCDMOVA,R0MOVB,#10DIVABMOVDISPADD+6,AMOVDISPADD+7,B;POPPSWRET;*;*四字节/两字节无符号数除法程序*;*;R7R6R5R4/R3R2=R7R6R5R4(商).R1R0(余数);DIV4BY2:MOVDIVDATA,#20HMOVR0,#00HMOVR1,#00HDIVLOOP1:MOVA,R4RLCAMOVR4,AMOVA,R5RLCAMOVR5,AMOVA,R6RLCAMOVR6,AMOVA,R7RLCAMOVR7,AMOVA,R0RLCAMOVR0,AMOVA,R

17、1RLCAMOVR1,ACLRCMOVA,R0SUBBA,R2MOVB,AMOVA,R1SUBBA,R3JCDIVLOOP2MOVR0,BMOVR1,ADIVLOOP2:CPLCDJNZDIVDATA,DIVLOOP1MOVA,R4RLCAMOVR4,AMOVA,R5RLCAMOVR5,AMOVA,R6RLCAMOVR6,AMOVA,R7RLCAMOVR7,ARET;*以下数据显示程序*; DATAUP:MOVA,#91H;显示X数据LCALLWRITE_COMMOVR1,#DISPADD;将X数据查出字码写入LCDMOVDPTR,#TABLE1MOVR2,#04H; 查4次MOVA,#00H

18、MOVCLOP:MOVA,R1;MOVCA,A+DPTRLCALLWRITE_DATINCR1DJNZR2,MOVCLOP;MOVA,#95H;显示Y数据LCALL WRITE_COMMOVR1,#DISPADD+4;将Y数据查出字码写入LCDMOVDPTR,#TABLE1MOVR2,#04H; 查4次MOVA,#00HMOVCLOPY:MOVA,R1;MOVCA,A+DPTRLCALLWRITE_DATINCR1DJNZR2,MOVCLOPY;RET;*开机显示画面* LOGON: MOVA,#80H;第一行左第一个字开头LCALL WRITE_COMMOVDPTR,#CHINESE;WOR

19、D 16*16点阵TEST LCALL WRITE_HZMOVA,#90H LCALL WRITE_COM;其次行左第一个字开头MOVDPTR,#CHINESE1;WORD 16*16点阵TESTLCALLWRITE_HZCLRLAMPBLAK;开背光灯LCALLDELAY5S;显示5秒SETBLAMPBLAK;关背光灯;MOVA,#90H;其次行左第一个字开头LCALL WRITE_COMMOVDPTR,#CHINESE2;显示x:Y: LCALL WRITE_HZRET;*液晶初始化程序* SETUP:MOVA,#01H;CLEAR DISPLAY LCALL WRITE_COMMOVA,

20、#00110000B LCALL WRITE_COM MOVA,#00000010B LCALL WRITE_COM MOVA,#00000100B LCALL WRITE_COM MOVA,#00001100B LCALL WRITE_COM MOVA,#00000001B LCALL WRITE_COM MOVA,#10000000B LCALL WRITE_COM LCALL DELAYLCALL DELAY;FUNCTION SETTING;DDRAM SET TO ”00H”;DISPLAY ON;CLEARING SCREEN;SET DDRAM ADDRESSLCALL DELA

21、Y LCALL DELAY RET;*液晶串行命令写入子程序*;写入命令字在A中WRITE_COM:LCALLSETB PUSH MOVDELAY1CS ACC R0,#8MOVA,#11111000BCOMM1:CLRCRLCAMOVSID,CCLRSCLKSETBSCLKDJNZR0,COMM1POPACCMOVR5,AANLA,#0F0HMOVR0,#8COMM2:CLRCRLCAMOVSID,CCLRSCLKSETBSCLKDJNZR0,COMM2MOVA,R5SWAPAANLA,#0F0HMOVR0,#8COMM3:CLRCRLCAMOVSID,CCLRSCLKSETBSCLKDJN

22、ZR0,COMM3CLRCSRET;*液晶串行数据写入子程序*;写入数据字在A中WRITE_DAT:LCALL DELAY1 SETB CSPUSHACCMOVR0,#8MOVA,#11111010BDATA1:CLRCRLCAMOVSID,CCLRSCLKSETBSCLKDJNZR0,DATA1POPACCMOVR5,AANLA,#0F0HMOVR0,#8DATA2:CLRCRLCAMOVSID,CCLRSCLKSETBSCLKDJNZR0,DATA2MOVA,R5SWAPAANLA,#0F0HMOVR0,#8DATA3:CLRCRLCAMOVSID,CCLRSCLKSETBSCLKDJNZ

23、R0,DATA3CLRCSRET;*延时子程序*;0.544ms DELAY1:D11:;0.13s DELAY:D2:;5.2sMOVR7,#160;#010H;一般单片机用010H MOVR6,#010HDJNZ R6,$ DJNZ R7,D11 RETMOVR1,#00H MOVR2,#00H DJNZ R2,$ DJNZ R1,D2 RETDELAY5S:MOVR3,#28H DE5S:LCALL DELAYDJNZ R3,DE5S RETDELAY1S:MOVR3,#9 DE1S:LCALL DELAYDJNZ R3,DE1S RET;*16*8一行点阵字写入子程序共16个* WRI

24、TE_ASCII:MOVR4,#16DDDD:CLRAMOVC A,A+DPTR LCALL WRITE_DAT INCDPTRDJNZ R4,DDDD RET;*16*8点阵字写入子程序共7个* WRITE_ASCII7:MOVR4,#7DDDD7:MOVA,R0 LCALL WRITE_DAT INCR0DJNZ R4,DDDD7 RET;*16*16点阵汉字写入子程序一行共7个*WRITE_HZ:;WRITE 7 CHINESE TO LCDMOVR4,#7DD:CLRAMOVCA,A+DPTRINCDPTRLCALL WRITE_DAT CLRAMOVC A,A+DPTR INC DP

25、TRLCALL WRITE_DAT DJNZ R4,DDRET;*16*16点阵汉字写入子程序共2个*WRITE_HZ2:;WRITE 8 CHINESE TO LCDMOVR4,#2DD4:CLRAMOVCA,A+DPTRINCDPTRLCALL WRITE_DAT CLRAMOVC A,A+DPTR INC DPTRLCALL WRITE_DAT DJNZ R4,DD4RET;*16*8点阵的字符代码表* TABLE1: DB30H,31H,32H,33H,34H,35H,36H,37H,38H,39H,3AH,3BH,3CH,3DH,3EH,20H;0123456789:; “不显“;*

26、自造字符地址表*;*“这里是16*16点阵的汉字代码表“* CHINESE1:DB “ 浙江海洋学院“CHINESE:DB “ 电子指南针“ CHINESE2: DB “x:0000Y:0000“ CHINESE3: DB “; INI_RS232:CLRESMOVTMOD,#20H;MOVSCON,#50H;MOVTH1,#0FDH;12M晶振,9600波特率MOVTL1,#0FDH;SETBTR1RET;RS_232_SEND:CLR MOVTI SBUF,ASEND_WAIT:JNB CLR RET;TI,SEND_WAIT TIADC_POW_ON:PUSHACCORLADC_CONT

27、R,#80H;MOVB,#10LCALLDELAY100US;延时1MSPOPACCRET;SET_P10P11_OP:MOV MOV RETP1M0,#03H P1M1,#03H;P1.0/P1.1为开漏,其它为准I/O; P10_ADC_CHANNEL:MOVB,#02LCALLDELAY100uS;延时200USMOVADC_DATA,#00HMOVADC_LOW2,#00HORLADC_CONTR,#00001000B;启动ADCFINISH_WAIT:MOVA,#00010000B;读FLAG位ANLA,ADC_CONTR;JZFINISH_WAIT;FLAG位为0,再等ANLADC

28、_CONTR,#11100111;清FLAG,START位MOVA,ADC_DATAMOVB,#00HRLCAMOVB.1,CRLCAMOVB.0,CANLA,#11111100BMOVADC_DATA,AMOVA,ADC_LOW2ANLA,#00000011BORLA,ADC_DATARET;DELAY100US:RELOOP: MOVDELDATA,#50 DELOOP: DJNZDELDATA,DELOOPDJNZB,RELOOP RETEND以下是单片机C语言程序清单：/*/电子指南针演示程序,承受STC12C5410AD单片机 ,12M晶振,相当于一般单片机/144M晶振的速度,承受

29、12232F液晶显示器,HMC1022磁阻器/液晶显示画面:方向: 南偏东45/X:0123Y:0248/第一次使用或认为有必要校正时,可将校正开关翻开(小红灯亮),液晶屏背光灯亮/进入校正状态,校正时将电子罗盘渐渐转动一圈以上,在X或Y的最大值及最小值 /四周,肯定要确认测到最大值及最小值,这样校正才有效,校正完毕后关上开关./*/头文件#include “reg52.h“/52单片机定义文件#include“intrins.h“ #include“math.h“#include “stdio.h“/根本输入输出函数#include “string.h“/字符串处理函数#include “c

30、type.h“/字符处理函数#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint/STC12C5410AD特别存放器定义sfr ADC_CONTR =0xC5;/ADC掌握器sfr ADC_DATA =0xC6;/转换高8位数据sfr sfr sfr sfr sfrADC_LOW2 =0xBE;/转换低2位数据P1M0 =0x91;/P1口掌握用P1M1 =0x92;/P3M0 =0x0B1;/P3口掌握用P3M1 =0x0B2;/sfr ISP_DATA=0XE2;/FLASH写入或读出存放器sfr ISP_ADDRH=0XE3;/地址高位,从2800

31、H-2FFFH,共2Ksfr ISP_ADDRL=0XE4;/地址低位sfr ISP_CMD=0XE5;/命令存放器sfr ISP_TRIG=0XE6;/启动存放器sfr ISP_CONTR=0XE7;/ISP掌握存放器 sfr AUXR=0X8E;/定时器1T/12T掌握/12232F液晶显示器定义sbitBLACK=P14;/背光灯sbitCS=P15;/使能 sbitSID=P16;/数据口sbitSCLK=P17;/移位时钟/其它定义sbit sbitreset=P37;/HMC1022磁阻器消磁脉冲输出口 2微秒脉冲lamp=P12;/指示小灯口,也作校正开关掌握口/数据表及内存定义

32、ucharcodedisdata114=“-电子指南针-“;/开机显示画面第一行ucharcodedisdata214=“ 浙江海洋学院“;/开机显示画面其次行ucharcodedisdata414=“请转动一周以上“;/校正状态第一行显示画面ucharcodedisdata330=“0123456789XY:-+ 南北东西偏方向“;/显示查表用floatdataADC_DATA_CON=0,MAX_DATA=0,MIN_DATA=5000,BUF_DATA=0;/Y方向数据最大最小值存放floatdataMAX_DATA0=0,MIN_DATA0=5000,BUF_DATA0=0;/X方向数

33、据最大最小值存放uintdatauchardataMID_DATA=0,MID_DATA0=0;DISP_DATA14=0X0A,0X0C,0X00,0X00,0X00,0X00,0X0F,0X0F,0X0B,0X0C,0X00,0X00,0X00,0X00;/显示缓冲uchardataFLASH_DATA8;/存储缓冲ucharbdataFLASH_FLAG;/定义一个位地址单元sbit/FLAG0=FLASH_FLAG0;/定义一个位标志=1刚校正,=0直接从存储器中读/以下程序区/* 1/12毫秒延时函数 */delay1ms(uint t)int i,j; for(i=0;it;i+)

34、for(j=0;j0; i-) /SID=val7; SCLK=0;SCLK=1;val=val0; i-) /SID=val7; SCLK=0;SCLK=1;val=val1;val=dat_d&0x0f; val=val0; i-) /SID=val7; SCLK=0;SCLK=1;val=val0; i-) /SID=val7; SCLK=0;SCLK=1;val=val0; i-) /SID=val7; SCLK=0;SCLK=1;val=val1;val=com_d&0x0f; val=val0; i-) /SID=val7; SCLK=0;SCLK=1;val=val1; CS=0;/*12232F初始化*/ voidsetupCS=0;/以下12232F初始化write_com(0x01);/ write_com(0x30);/ write_com(0x02);/ write_com(0x04);/ write_com(0x0c);/ write_com(0x01);/ write_com(0x80);/delay1ms(520);/ 延时40毫秒以上/*