《基于單片機(jī)和磁阻傳感器的電子指南針系統(tǒng)設(shè)計(jì)》7600字【論文】

第-4-基于單片機(jī)和磁阻傳感器的電子指南針系統(tǒng)設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-2"\h\u28973摘要 -1-287281概述 -2-187241.1背景 -2-36851.2研究現(xiàn)狀與成果 -2-61511.3本設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容 -3-211522總體方案設(shè)計(jì) -3-126122.1模塊方案比較 -3-274522.2數(shù)據(jù)的采集處理 -4-307432.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖 -6-112462.3本章小結(jié) -7-84823系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) -7-285523.1系統(tǒng)主控電路 -7-65973.2系統(tǒng)擴(kuò)展電路 -9-154803.3本章小結(jié) -13-28334系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) -13-272324.1軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái) -13-239574.2系統(tǒng)主程序 -14-146554.3時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)子程序 -15-31584.4LCM驅(qū)動(dòng)子程序 -16-38384.5指南針驅(qū)動(dòng)子程序 -17-186034.6本章小結(jié) -17-303135總結(jié) -18-15828參考文獻(xiàn) -19-摘要：眾所周知，指南針是當(dāng)今世界人們出行在外必不可少的一種工具。早在幾千年之前，我們的先輩就發(fā)明了指南針用來(lái)判別方向。即使到了今天，指南針仍在我們生活的各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著作用，如軍事、工業(yè)、旅游等領(lǐng)域。但隨著電子行業(yè)的不斷發(fā)展，如今的指南針更加注重靈敏度、精確度以及便捷性。因此相比于古代司南以及各類機(jī)械指南針，開(kāi)發(fā)和使用電子式指南針尤為關(guān)鍵。在我的設(shè)計(jì)方案中，整個(gè)系統(tǒng)使用磁阻傳感器采集磁場(chǎng)信號(hào)，通過(guò)磁處理芯片進(jìn)行信號(hào)處理，單片機(jī)通過(guò)SPI總線接收處理好的信號(hào)，再對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后，將處理好的數(shù)據(jù)傳送給LCM，由里面的LCD顯示屏進(jìn)行最終結(jié)果顯示。文章對(duì)系統(tǒng)的硬件組成和軟件程序都進(jìn)行了仔細(xì)的介紹，并給出各構(gòu)成電路的作用和電路圖。經(jīng)測(cè)試本系統(tǒng)在精確度，抗干擾性和集成度等指標(biāo)上都符合人們的需求。關(guān)鍵詞：電子指南針；磁場(chǎng)傳感器；磁處理芯片；單片機(jī)；概述1.1背景因?yàn)榭茖W(xué)技術(shù)的創(chuàng)新與進(jìn)步，尤其是電子技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)方位判斷越來(lái)越嚴(yán)格，除了精確度，裝置的抗干擾性和可攜帶性也越來(lái)越看重。傳統(tǒng)的司南和機(jī)械指南針因?yàn)楸旧淼牟蛔阋呀?jīng)無(wú)法適應(yīng)人們的要求，如，在自然環(huán)境中天然磁體含量其實(shí)是比較少的有限，而且天然磁體位置偏僻難以找到，即使找到，如何處理也是一個(gè)大問(wèn)題，天然磁體并不穩(wěn)定，極易因受外界影響而失去磁性，人工制造的司南必須打擊、受熱等工序，因此，司南的磁性并不強(qiáng)。而且司南底座制造要求十分嚴(yán)格，底座上表面必須確保足夠光滑，不然司南在旋轉(zhuǎn)指向是會(huì)因摩擦力過(guò)大而導(dǎo)致準(zhǔn)確度有所缺失。機(jī)械指南針的可攜帶性及穩(wěn)定性也經(jīng)常受到大眾的詬病，人們往往因?yàn)闄C(jī)械指南針攜帶及保存過(guò)于麻煩而放棄使用它，因此對(duì)新式指南針的設(shè)計(jì)迫在眉睫。本課題是研究設(shè)計(jì)出一款跟隨時(shí)代發(fā)展、適應(yīng)時(shí)代要求的新式指南針。因此對(duì)指南針的精確度、抗干擾性以及可攜帶性都有很高的要求。而電子指南針在上述性能都遠(yuǎn)超各式機(jī)械指南針，有重要的研究意義。1.2研究現(xiàn)狀與成果近幾十年來(lái)，世界科技不斷進(jìn)步，在電磁領(lǐng)域取得了非?？上驳某晒殡S著這些成果的取得，指南針的指示原理也得到了翻天覆地的改動(dòng)。新式的指南針選擇了電子元件例如磁傳感器對(duì)磁信號(hào)進(jìn)行采集和處理的新式實(shí)現(xiàn)機(jī)理，這種新式的電子式指南針受到了大眾的喜歡和追捧。與過(guò)去相比，電子式指南針不僅在磁信號(hào)的采集方式上有所改變，表現(xiàn)形式也截然不同，結(jié)果也更加精確和直觀。而且電子式指南針靈敏度上和精度上都更高，使用壽命更長(zhǎng)，受到磨損的可能性更低。電子指南針采用的是高度集成的功能性模塊，這也就使得電子指南針體積與重量變得更小，可攜帶性更高。眾所周知，導(dǎo)航手段有很多，例如衛(wèi)星導(dǎo)航等等，在諸多導(dǎo)航手段中，地磁導(dǎo)航的研究比較晚。追本溯源，最早的地磁導(dǎo)航系統(tǒng)的研究還是在上世紀(jì)60年代。當(dāng)時(shí)的美國(guó)企業(yè)E2systems最先提出了地磁導(dǎo)航的研究，并第一個(gè)發(fā)布了MAGCOM地磁導(dǎo)航系統(tǒng),后來(lái)在70年代時(shí)經(jīng)過(guò)了多次實(shí)驗(yàn)得到了大量研究數(shù)據(jù)后,才最終決定進(jìn)行了離線實(shí)驗(yàn)。之后又過(guò)了十年左右，大概在20世紀(jì)80年代初,位于瑞典的Lund學(xué)院做了一次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是研究地磁導(dǎo)航在船只上的應(yīng)用。最后成功通過(guò)運(yùn)用地磁導(dǎo)航技術(shù)判斷出船只速度。面向全球來(lái)說(shuō)，美國(guó)的地磁導(dǎo)航技術(shù)一直呈領(lǐng)先趨勢(shì)。根據(jù)目前可知的數(shù)據(jù)得，美國(guó)最先進(jìn)的地磁導(dǎo)航系統(tǒng)的地面定位精度和空中定位精度已經(jīng)超過(guò)30m、水下最大定位精度已經(jīng)超過(guò)500m,而且美國(guó)已經(jīng)嘗試將這套系統(tǒng)與飛航導(dǎo)彈和巡航魚(yú)雷相結(jié)合，希望提高它們的準(zhǔn)確率。甚至于,美國(guó)已經(jīng)開(kāi)始將地磁技術(shù)和導(dǎo)彈試驗(yàn)相結(jié)合,同時(shí)通過(guò)E22高空偵察機(jī)在導(dǎo)彈試驗(yàn)對(duì)地磁數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。而且，根據(jù)最新消息，美國(guó)NASAGod2dard空間中心已經(jīng)聯(lián)合一部分在地磁領(lǐng)域由相當(dāng)研究的大學(xué)，一起研究地磁導(dǎo)航技術(shù)在水下的應(yīng)用，而且也已進(jìn)行了大量的地面試驗(yàn)，掌握了大量第一手信息。相比于國(guó)外，我國(guó)在地磁導(dǎo)航方面的研究起步更晚一點(diǎn)，研究?jī)?nèi)容也比較初級(jí)。相比于國(guó)外對(duì)于地磁導(dǎo)航的研究已經(jīng)和實(shí)際相結(jié)合，國(guó)內(nèi)在地磁導(dǎo)航方面的研究還停留在仿真和預(yù)研階段。但也取得了一些成果，在這一方面我國(guó)走在前列的是素敏和晏登洋。他們一個(gè)在中國(guó)航天工作，另一個(gè)是西北工大的學(xué)者。他們都帶領(lǐng)自己團(tuán)隊(duì)成功完成有關(guān)與地磁導(dǎo)航方面的研究實(shí)驗(yàn)。是我國(guó)在地磁導(dǎo)航領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊。1.3本設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容本課題從指南針最基本最實(shí)用的功能出發(fā)，設(shè)計(jì)一種便攜，滿足使用者所需基本功能的電子指南針。主要是研究如何以傳感器為基礎(chǔ)輔以單片機(jī)設(shè)計(jì)出電子指南針系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了本設(shè)計(jì)中各部分電路的構(gòu)成和功能。2總體方案設(shè)計(jì)2.1模塊方案比較隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子指南針的方案設(shè)計(jì)也越來(lái)越多樣化，不同的設(shè)計(jì)方案其不同的優(yōu)缺點(diǎn)。因此我們要對(duì)方案進(jìn)行分析，根據(jù)我們的設(shè)計(jì)要求來(lái)選擇不同的元器件來(lái)設(shè)計(jì)方案。方案一：PLC控制PLC是一種專門為工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)。內(nèi)部使用一種可編程的存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器負(fù)責(zé)運(yùn)行存儲(chǔ)程序、執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算數(shù)操作等用戶發(fā)出的操作指令。作為一種專門為工業(yè)設(shè)計(jì)的電子裝置，它具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如:集成度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、使用方便，對(duì)于硬件類的設(shè)計(jì)工作只需在使用時(shí)確定其硬件配置和I/0接口即可。但是作為一種專門為某一領(lǐng)域設(shè)計(jì)的產(chǎn)物，它也同樣避免不了造價(jià)昂貴，大批量使用成本很高的缺點(diǎn)，因此，不適合使用去設(shè)計(jì)指南針，故不采用本方案。方案二:51單片機(jī)51單片機(jī)是對(duì)兼容英特爾8051指令系統(tǒng)的單片機(jī)的統(tǒng)稱。它的應(yīng)用廣泛，效果顯著，在智能儀表、導(dǎo)航系統(tǒng)、通訊設(shè)備以及家用電器等領(lǐng)域均起到了巨大的作用，51單片機(jī)中有一套完整的按位操作系統(tǒng),稱作位處理器,是專門針對(duì)位而設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)。在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)加入單片機(jī)可以有效降低設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，十分便利。本設(shè)計(jì)中，出于現(xiàn)實(shí)考慮，要求設(shè)計(jì)的電子指南針在功能完備的前提下盡量減小裝置體積，所以，這也就使得所選用的控制器體積小，便于攜帶。而這些恰恰都是51單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，而且，51單片機(jī)功能多，功耗低，被廣泛運(yùn)用于多種控制系統(tǒng)，更重要的是，51單片機(jī)，生產(chǎn)成本低，使用簡(jiǎn)單，非常適用于電子指南針的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。因此。本次設(shè)計(jì)采用DS89C450單片機(jī)作為微控制器。2.2數(shù)據(jù)的采集處理整個(gè)數(shù)據(jù)的采集處理流程如圖2.1所示。首先由磁阻傳感器測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度，然后磁處理芯片會(huì)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，最后將處理好的數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝通過(guò)SPI接口傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)上。磁阻傳感器ADC數(shù)據(jù)封裝SPI接口磁阻傳感器ADC數(shù)據(jù)封裝SPI接口圖2-1數(shù)據(jù)的采集處理在現(xiàn)實(shí)中，應(yīng)用電子指南針時(shí)，需要測(cè)的磁場(chǎng)強(qiáng)度很小。資料顯示，赤道附近的磁場(chǎng)強(qiáng)度僅在0.29～0.40高斯之間。兩極處雖然相比于赤道附近的磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)稍微大一點(diǎn)，但也僅僅0.61~0.68高斯。在磁場(chǎng)強(qiáng)度很微弱的情況下，電感線圈感應(yīng)電流也是很微弱的，這樣會(huì)使得磁信號(hào)的采樣變得非常困難。因此我在進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)放棄使用電感線圈測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度，選擇了磁阻傳感器作為測(cè)量元件。磁阻傳感器測(cè)量原理如圖2-2所示，沿著鐵磁合金薄的長(zhǎng)度方向施加一個(gè)電流，再施加一個(gè)磁場(chǎng)，方向垂直于電流，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)有磁阻的非均質(zhì)現(xiàn)象，合金本身阻值就會(huì)因?yàn)檫@個(gè)非均質(zhì)現(xiàn)象而產(chǎn)生變化。如圖3.2所示。電流方向電流方向鐵磁合金鐵磁合金磁場(chǎng)方向磁場(chǎng)方向圖2-2磁阻傳感器原理和外形A/D轉(zhuǎn)換可以將變化的電流轉(zhuǎn)化為相對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，而變化的電流是由變化磁場(chǎng)通過(guò)磁阻效應(yīng)轉(zhuǎn)化而來(lái)的。在本系統(tǒng)中專門設(shè)計(jì)了一個(gè)磁場(chǎng)測(cè)量芯片來(lái)負(fù)責(zé)A/D轉(zhuǎn)換部分，我選擇了型號(hào)為PNI11096的磁處理芯片。該芯片不僅可以采集X軸的磁場(chǎng)強(qiáng)度和Y軸的磁場(chǎng)強(qiáng)度，而且還可以采集到Z軸的磁場(chǎng)強(qiáng)度。并且可以對(duì)這三個(gè)方向上的磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量。這樣做的好處是在測(cè)量X,Y軸上的磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)可以通過(guò)Z軸測(cè)量的磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行傾角校正，提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度。數(shù)據(jù)處理是整個(gè)設(shè)計(jì)中在最重要的一個(gè)，直接關(guān)系到系統(tǒng)的精度。圖2-3反應(yīng)的是未處理數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度真實(shí)分布情況，圖2-4反映的是經(jīng)過(guò)歸一化處理過(guò)的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布情況。兩圖對(duì)比，可以明顯看出未經(jīng)過(guò)歸一化的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度的分布是不均勻的。而歸一化處理后的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度在各個(gè)方向上分布均勻，可以很好的將其歸一化為圓。經(jīng)過(guò)歸一化處理過(guò)后的數(shù)據(jù)不經(jīng)在角度計(jì)算更加方便而且提高了測(cè)量精度，如圖2-4所示圖2-4圖2-4歸一化后磁場(chǎng)強(qiáng)度分布圖2-3未處理時(shí)真實(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度分布校正是所有指南針模塊第一次使用前必不可少的一個(gè)步驟，具體步驟就是啟動(dòng)系統(tǒng)電源，在將模塊的ADJUST引腳拉低，然后將其在水平面上旋轉(zhuǎn)360°。校正的目的就是為了對(duì)磁偏角進(jìn)行一定的修正。這樣的話，模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理后，我們就直接計(jì)算X,Y軸的強(qiáng)度，得到我們前進(jìn)方向與正東方向的夾角，如圖所示。從圖2-5-中可以看出夾角就是：圖2-5角度的計(jì)算2.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖電子指南針的系統(tǒng)框圖如圖2-6所示外設(shè)總線擴(kuò)展電路（時(shí)鐘等）外設(shè)總線擴(kuò)展電路（時(shí)鐘等）LCM磁阻傳感器+ASICLCM磁阻傳感器+ASIC按鍵模塊微控制器MCUDS89C450SPI按鍵模塊微控制器MCUDS89C450SPI系統(tǒng)電源系統(tǒng)電源圖2-6系統(tǒng)框圖在我的設(shè)計(jì)中，磁阻傳感器負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，磁處理芯片對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化、A/D轉(zhuǎn)換等處理。然后處理好的數(shù)據(jù)通過(guò)SPI總線傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中，單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后通過(guò)外設(shè)總線傳送到LCM中，最后由LCM內(nèi)的LCD屏進(jìn)行最終的方位顯示。按鍵模塊是為了防止LCD顯示不夠清楚特意加的一道保險(xiǎn)，可以將單片機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中，這樣使用者就能更準(zhǔn)確的得知結(jié)果。系統(tǒng)擴(kuò)展電路則是為了使系統(tǒng)功能更加完善，例如時(shí)鐘電路視為給系統(tǒng)增加一個(gè)顯示時(shí)間功能，能讓使用者在判定方位的同時(shí)得知準(zhǔn)確的時(shí)間。2.3本章小結(jié)目前比較好的兩種設(shè)計(jì)電子指南針的方案分別是PLC控制方案設(shè)計(jì)和51單片機(jī)控制方案設(shè)計(jì)。本章簡(jiǎn)要講述了兩種方案的的優(yōu)缺點(diǎn)，并從適用范圍和制作成本兩個(gè)方面對(duì)兩個(gè)進(jìn)行了比較，最終選定了以51單片機(jī)為主設(shè)計(jì)電子指南針。另外還介紹了磁阻傳感器的工作原理，并講解了對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理使測(cè)量結(jié)構(gòu)更精確。然后根據(jù)這個(gè)思路設(shè)計(jì)處了系統(tǒng)的總體框圖。3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)主控電路系統(tǒng)主控電路主要負(fù)責(zé)磁信號(hào)的采集處理和單片機(jī)接收數(shù)據(jù)并將其傳送到LCM顯示。同時(shí)通過(guò)按鍵控制將單片機(jī)中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中顯示。在我的整體設(shè)計(jì)中，使用單片機(jī)端口比較少，更多的是采用SPI總線連接單片機(jī)和各個(gè)模塊。為了提高系統(tǒng)的效率，對(duì)于LCM我選擇了并口模式。這樣做的好處就是使了LCD屏能快速刷新顯示結(jié)果。DS89C450微控制器內(nèi)部自帶2個(gè)通用串行口直接引出即可使用，由于系統(tǒng)需要和上位機(jī)（本系統(tǒng)中為PC機(jī)）進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，接口電平需要轉(zhuǎn)換使其滿足RS-232標(biāo)準(zhǔn)?？刂撇糠蛛娐啡鐖D3-1所示。圖3-1系統(tǒng)圖3-1系統(tǒng)主控電路整個(gè)微控制系統(tǒng)中采用了無(wú)源晶振的形式發(fā)生MCU所需要的時(shí)鐘信號(hào)。具體電路如圖3-2所示。在系統(tǒng)進(jìn)行上電操作時(shí)，只需要保證單片機(jī)引腳出的電平高于10ms就可以完成單片機(jī)的復(fù)位操作。圖圖3-2系統(tǒng)時(shí)鐘和復(fù)位電路3.2系統(tǒng)擴(kuò)展電路3.2-1通信電路我在進(jìn)行電子指南針系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用了串口通信接口來(lái)作為系統(tǒng)與外界的信號(hào)傳輸通道，通信電路圖3-3所示。由于單片機(jī)的TTL電平和RS-232協(xié)議的電平不同，需要MAX232進(jìn)行電平的轉(zhuǎn)換。圖3圖3.3串口通信電路在本次設(shè)計(jì)中還充分利用了串口的DTS信號(hào)作為單片機(jī)串口編程功能使能信號(hào)。整個(gè)通過(guò)串口DTR引腳控制在系統(tǒng)編程電路如圖3-4所示。圖3-4串口邏輯電路3.2-2指南針接口電路圖3-4串口邏輯電路本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了FAD_DCM_SPI指南針模塊。該模塊設(shè)計(jì)采用的是PNI11096和SEN-R65傳感器組合設(shè)計(jì)。整個(gè)PNI11096信號(hào)處理電路包括三個(gè)部分：(1)前端信號(hào)處理：圖3-5磁阻傳感器的驅(qū)動(dòng)因?yàn)榈卮艌?chǎng)強(qiáng)度本身是比較微弱的，所以經(jīng)過(guò)磁阻傳感器轉(zhuǎn)換后的信號(hào)強(qiáng)度并不大。這樣的話就會(huì)導(dǎo)致最終方位判定結(jié)果不夠準(zhǔn)確，因此需要放置一個(gè)濾波放大整形電路在信號(hào)采集前端，這樣的話可以使信號(hào)強(qiáng)度放大，圖3-5磁阻傳感器的驅(qū)動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換電路磁阻傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換為能夠被單片機(jī)識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。數(shù)據(jù)接口電路負(fù)責(zé)封裝處理好后的數(shù)據(jù)，然后通過(guò)SPI總線上傳給微處理器。整個(gè)電路連接圖如圖3.6所示。圖3-6指南針接口電路3.2-3實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路圖3-6指南針接口電路在進(jìn)行時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)時(shí)，我對(duì)比了多種芯片，最終根據(jù)我自己的實(shí)際情況和芯片的優(yōu)缺點(diǎn)最終選擇了這款芯片。PCF8583芯片接口采用的是I2C接口，接口比較簡(jiǎn)單，操作的時(shí)候也比較簡(jiǎn)單。這款芯片的內(nèi)部被分為幾個(gè)不同的區(qū)域，對(duì)該芯片進(jìn)行操作時(shí)只需對(duì)不同區(qū)域發(fā)出相應(yīng)的操作指令就能夠?qū)崿F(xiàn)我們所需要的功能。電路連接如圖3-7所示。圖3-7實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路3.2-4液晶顯示電路圖3-7實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路本次設(shè)計(jì)采用了160×128點(diǎn)陣的LCD顯示屏作為顯示界面,具體型號(hào)為PG160608,顯示控制核心為T6963C控制芯片。微控制器只需要對(duì)T6963C芯片進(jìn)行操作便可以完成對(duì)LCD屏的相關(guān)操作，使用非常方便。模塊內(nèi)部原理如圖3-9所示。圖3-8160*128LCM原理3.2-5按鍵電路圖3-8160*128LCM原理在我的設(shè)計(jì)中，在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，要加入一個(gè)按鍵電路如圖3-9所示。按鍵電路負(fù)責(zé)起到一個(gè)保障作用以及后續(xù)系統(tǒng)的完善作用，LCD屏顯示雖然直觀方便，但是屏身較為脆弱，容易因?yàn)橥饨缫蛩貙?dǎo)致顯示受損，而且顯示也不夠精確，使得使用者得到的方位結(jié)果不夠準(zhǔn)確。因此我加入了一個(gè)按鍵電路，可以通過(guò)鍵盤將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，這樣最終得到的結(jié)果就會(huì)更加精確。K5負(fù)責(zé)傳輸信號(hào)，K1~K4則是預(yù)留按鍵，因?yàn)楸救酥R(shí)儲(chǔ)備不足，有些思路并不能在設(shè)計(jì)中體現(xiàn)，所以設(shè)計(jì)四個(gè)預(yù)留按鍵，等我通過(guò)更加深入學(xué)習(xí)完善自己后，完善本設(shè)計(jì)。圖圖3-9按鍵電路3.3本章小結(jié)硬件電路是系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)本章主要介紹系統(tǒng)硬件電路的組成。主要包括兩個(gè)部分。一個(gè)是系統(tǒng)主控電路，另一個(gè)是系統(tǒng)擴(kuò)展電路。系統(tǒng)主控電路主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集處理以及方位顯示，是指南針指示功能完成的最重要部分。系統(tǒng)擴(kuò)展電路則是對(duì)指南針系統(tǒng)的完善或具體介紹，例如通信電路、時(shí)鐘電路和按鍵電路。它們是在系統(tǒng)主要功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)加以完善。通信電路負(fù)責(zé)信息交流，時(shí)鐘電路負(fù)責(zé)為系統(tǒng)添加時(shí)間顯示功能，按鍵電路則是系統(tǒng)與上位機(jī)產(chǎn)生聯(lián)系。指南針電路和顯示電路則是對(duì)系統(tǒng)主要功能實(shí)現(xiàn)的原理介紹。4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)本次系統(tǒng)我采用C語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行軟件程序設(shè)計(jì)，因此編程部分我使用了KeiluVision5開(kāi)發(fā)軟件，相比于其他開(kāi)發(fā)區(qū)平臺(tái)，Keil軟件的優(yōu)勢(shì)在于在編程之前選擇單片機(jī)，這樣去的話免去了使用時(shí)在C語(yǔ)言程序中添加宏定義。而且在使用Keil軟件是，可以將編程過(guò)程中用到的文件事先建立并存儲(chǔ)到一個(gè)文件夾內(nèi)，這樣的話編譯程序時(shí)不需要額外添加，直接對(duì)文件夾進(jìn)行編譯即可。操作簡(jiǎn)便，即使是初學(xué)者也能夠輕易的進(jìn)行仿真，已經(jīng)成為主流的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。4.2系統(tǒng)主程序在我的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，監(jiān)控系統(tǒng)中包含的程序模塊并不多，而且每個(gè)模塊都是通過(guò)一定的先后順序放置的。于是，我使用了以往的前后臺(tái)模式來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的主程序設(shè)計(jì)，這樣做的好處就是可以使系統(tǒng)的程序量盡可能的降低。系統(tǒng)主程序主流程圖如圖4-1所示，整個(gè)主程序由四個(gè)部分組成，分別是時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)子程序、LCM驅(qū)動(dòng)子程序、時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)子程序。啟動(dòng)電源，系統(tǒng)可以穩(wěn)定工作以后，首先初始化所有模塊。初始化操作結(jié)束后，系統(tǒng)會(huì)開(kāi)始讀取指南針模塊采集的數(shù)據(jù)，同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測(cè)ADJUST端口的電平狀態(tài)，并根據(jù)電平狀態(tài)判定是否要對(duì)指南針模塊進(jìn)行校正。然后微控制器會(huì)接收來(lái)自指南針模塊采集處理后的數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行二次處理。隨后，經(jīng)過(guò)處理后的數(shù)據(jù)會(huì)被微控制器傳送給LCM。然后最終的方位判定結(jié)果會(huì)被直觀的體現(xiàn)在LCM中的LCD屏上。同時(shí)，為了防止LCD屏因外界因素導(dǎo)致屏幕顯示出現(xiàn)問(wèn)題，使人們產(chǎn)生錯(cuò)誤判斷，可以通過(guò)按鍵電路將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)上，使人們對(duì)方位判定更準(zhǔn)確。采用這種模式的好處就是可以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。雖然前后臺(tái)模式的實(shí)時(shí)性比較低，但是由各個(gè)程序關(guān)聯(lián)組成的系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求并不嚴(yán)格，再加上前后臺(tái)模式結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點(diǎn)，因此我在設(shè)計(jì)時(shí)就選擇了這種形式，結(jié)果證明前后臺(tái)形式能夠滿足我對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。 圖4-1系統(tǒng)主程序4.3時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)子程序新式電子指南針不同意以往的司南或者機(jī)械指南針，功能也有單一的指向功能變得更多樣化，例如很多電子指南針都帶有顯示時(shí)間的功能。因此我在設(shè)計(jì)指南針功能時(shí)也加入了顯示時(shí)間功能。在為系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)間功能時(shí)，我選用了PCF8583時(shí)鐘芯片。相比于其他芯片，該芯片只需通過(guò)DSP的I2C時(shí)鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA就可以完成參數(shù)設(shè)置、讀取日期和時(shí)間等操作。整個(gè)驅(qū)動(dòng)程序如圖4-2所示4.4LCM驅(qū)動(dòng)子程序人機(jī)交互我采用了PG160128點(diǎn)陣的LCM模塊。其內(nèi)部的LCD顯示屏可以直觀的顯示指南針系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果，而且采用LCD顯示屏可以使系統(tǒng)操控更簡(jiǎn)單方便。驅(qū)動(dòng)程序架構(gòu)圖4-3如所示。圖4-3LCM驅(qū)動(dòng)子程序架構(gòu)4.5指南針驅(qū)動(dòng)子程序在我的設(shè)想中，指南針模塊驅(qū)動(dòng)過(guò)程如下，首先通過(guò)SPI總線將磁處理芯片處理好的數(shù)據(jù)傳送到微處理器中，然后由微處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后將處理好的數(shù)據(jù)通過(guò)外設(shè)總線發(fā)送出去。具體流程如圖4-4所示。圖4-4指南針模塊內(nèi)部數(shù)據(jù)處理流程圖4-4指南針模塊內(nèi)部數(shù)據(jù)處理流程4.6本章小結(jié)如果說(shuō)硬件電路是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能的物質(zhì)基礎(chǔ)，軟件程序則是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能的方法路徑。它將告訴我們?nèi)绾慰刂朴布娐啡?shí)現(xiàn)我們需要的功能。而如何判斷程序是否正確則需要使用到程序開(kāi)發(fā)軟件。系統(tǒng)系統(tǒng)程序一般由一個(gè)主程序和多個(gè)子程序構(gòu)成，主程序負(fù)責(zé)統(tǒng)籌各個(gè)模塊，將它們緊密結(jié)合在一起進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。子程序則是對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的各個(gè)模塊，控制它們實(shí)現(xiàn)各自在整個(gè)系統(tǒng)工作時(shí)所負(fù)責(zé)的部分。本章介紹了我所使用的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)Keil以及系統(tǒng)所需的軟件程序。系統(tǒng)主程序負(fù)責(zé)控制整個(gè)電路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)指南針的方位顯示，實(shí)時(shí)時(shí)鐘子程序負(fù)責(zé)為系統(tǒng)提供日期時(shí)間，LCM驅(qū)動(dòng)子程序負(fù)責(zé)最終的方位顯示，指南針驅(qū)動(dòng)子程序負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集