基于單片機的電子指南針的設計

劉季秋+彭森

摘 要：指南針是我國的四大發明之一，早期的指南針采用了磁化指針和方位盤的組合方式，這樣的指南針攜帶起來很不方便，且指示靈敏度上有一定不足，準確性很差。本文通過對電子指南針基本工作原理的研究分析，采用磁阻（GMR）傳感器采集某一方向磁場強度，然后通過MCU控制器對其進行處理并顯示上傳，達到了顯示當前所指方向的目的。實際測試指南針模塊精度達到1°，能夠在LCD上顯示當前方位，并能通過鍵盤控制上傳數據到上位機。這樣的指南針精度更高，更智能，在大大提高了精度的同時，也降低了成本和設計難度。

1 引言

指南針是用以判別方位的一種簡單儀器，又稱指北針。指南針的前身是中國古代四大發明之一的司南。主要組成部分是一根裝在軸上可以自由轉動的磁針。磁針在地磁場作用下能保持在磁子午線的切線方向上。磁針的北極指向地理的北極，利用這一性能可以辨別方向。

電子指南針系統是一個典型的單片機系統，了解其工作原理及其信號處理流程有利于研究更加復雜的嵌入式系統，特別是系統中采用進口的磁傳感器及其相關信號的采集芯片更是有利于研究磁場傳感器的實現機理，以便將其更加廣泛的應用。

2 工作原理

本系統采用磁阻（GMR）傳感器采集磁場強度，然后把磁場強度轉換成數字量，單片機再對這些數字量進行處理，最后將處理得到的結果進行顯示。

電子指南針的系統主要由前端磁阻傳感器、磁場測量專用轉換芯片、單片控制器、輔助擴展電路、鍵盤、顯示模塊以及系統電源幾個部分組成。

整個系統中前端的磁阻傳感器負責測量地磁場的大小并將磁場的變化轉化為微弱的電流的變化，專用的磁場測量芯片負責把磁阻傳感器變化的電流（模擬量）轉換成微控制器可以識別的數字量，然后將該數字信號即采集到的數據通過SPI總線上傳給微控制器。微控制器將表征當前磁場大小的數字量按照方位進行歸一化等處理后通過直觀的LCD進行方位顯示，同時可以通過鍵盤控制微控制器進行相應的操作，如將轉換后的數據通過串口的形式發送到上位機。整個系統中還包含了實時時鐘等一些輔助電路，使整個系統功能得到進一步的擴展，這使得電子指南針更具備實用價值。

3 電源電路

控制部分電路如圖1所示，其中包含了微控制器、LCD接口電路、端口上拉電阻、系統時鐘電路和指南針模塊接口電路。

整個微控制系統中采用了無源晶振的形式發生MCU所需要的時鐘信號。時鐘電路中的兩個電容用作補償，使得晶振更容易起振，頻率更加穩定。系統的復位采用了上電復的形式，上電過程中微控制器復位引腳保證10ms以上的高電平就能可靠.的將微控制器復位。

4 串口邏輯電路

圖2為串口邏輯電路圖。由于單片機的TTL電平和RS-232協議的電平不同，需要MAX232進行電平的轉換。在本次設計中還充分利用了串口的DTS信號作為單片機串口編程功能使能信號。整個通過串口DTR引腳控制在系統編程。電路如上圖所示。其中復位電平為高；EA引腳為低電平；PSEN引腳為低電平。

5 系統傳感器原理

圖3為系統方案圖。這部分組要完成對A/D轉換后得到的數據進行格式封裝，并在上位MCU的控制下進行數據傳輸。

該芯片內部集成了3軸傳感器驅動電路，可以測量X，Y，Z三軸的磁場強度，Z軸的磁場強度可以用來校正水平面，使得X，Y軸的測量更為精確。

6 結論

本設計的主要任務是開發一個以MCS-52單片機為核心的電子指南針。本設計主要分為硬件部分和軟件部分，硬件部分著重考慮硬件電路的簡單使用性，所以盡可能簡化硬件電路，節省線路板的空間，達到硬件電路最優化設計。軟件采用C程序語言編寫，采用模塊化設計思想，程序可讀性強。通過仿真、實驗驗證了系統的可行，達到設計要求。

本次設計采用了160×128點陣的單色液晶顯示屏（LCD）作為系統的顯示界面，具體的型號為PG160128，該LCM采用了T6963C控制芯片作為顯示控制核心。微控制器只需要對T6963C芯片進行操作便可以完成對LCD屏的相關操作，使用非常方便。

參考文獻

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作者簡介

劉季秋，邵陽學院信息工程系電子科學與技術專業學生。

通訊作者（指導老師）

彭森，邵陽學院信息工程系教師。