二维高精度液晶显示电子指南针本科毕业论文(编辑修改稿)

二维高精度液晶显示电子指南针本科毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

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、人机界面以及系统电源几个部分 组成， 系统结构框图如 第 2 页 共 29 页 所示。 图 系统框图 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通过芯片内部的 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。 3 磁场信号采集和处理 图 前端信号采集 该部分主要完成对地磁场的测量、 A/D 转换已经数据的封包。 整个前端的信号处理流程如图 所示。 第 3 页 共 29 页 磁阻传感器 整个磁阻传感器是系统中最前端的信号测量器件，传统的磁场测量都是采用了电感线圈的形式，在本次设计任务中，由于需要测量的是非 常微弱的地磁场，地球表面赤道上的磁场强度在 ～ 高斯之间，两极处的强度也略大，地磁北极约 高斯，南极约 高斯。 传统的普通电感线圈的形式在如此微弱的磁场环境下感应产生的电流是非常微弱的，不便于 A/D 采样，增加了测量的难度。 基于普通电感线圈测量的不足，本次设计采用了磁阻传感器来测量地磁场。 磁阻传感器是 根据电场和磁场的原理，当在铁磁合金薄带的长度方向施加一个电流时，如果在垂直于电流的方向再施加磁场 ,铁磁性材料中就有磁阻的非均质现象出现，从而引起合金带自身的阻值变化。 如 图 所示。 由图 中我们可以看出当磁场变化时铁磁合金的电阻会跟着变化，如果此时的电流不变，那么铁磁合金两端的电压将发生变化，这样使用 ADC 就可以很方便的测量出当前对应的磁场大小。 本次设计使用了PNI 公司磁场测量磁阻传感器 SENR65，如 图 所示。 该传感器体积非常小，测量精度高，最小分辨率可达 高斯，对测量地磁场足够了。 磁场测量 ASIC 通过磁阻效应可以把磁场的变化转换成对应变化的电流，通过 A/D 转换就可以得到对应的数字量。 进行 ADC 这部分主要有专用的磁场测量芯片来完成。 本次设计中使用了著名 PNI 公司的 PNI11096 磁场测量 ASIC，该芯片能够同时对 3 轴磁场（既 X,Y,Z 轴）进行测量。 这样可以使用 Z 轴来进行倾角校正，极大的提高了测量精度。 在整个 PNI11096 信号除了电路中包含了 3 个主要的部分： ⑴ 前端信号处理 ： 由于地磁场非常的微弱，使用 SENR65 传感器转换后其信号也是非常的微弱。 那么需要在信号采集前端加入信号处理电路，这样使得 A/D 能够准确测量当前磁场大小，如 所示。 图 SENR65 磁阻传感器 图 磁阻传感器原理 第 4 页 共 29 页 图 磁阻传感器的驱动 ⑵ A/D 转换电路： 这部分电路主要完成对 SENR65 磁阻传感器输出的模拟信 号量进行 A/D 转换。 ⑶ 数据接口电路： 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。 整个 PNI11096 和传感器的连接 电路如 图 所示。 图 PNI11096 芯片内部原理 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 轴的测量更为的精确。 整个指南针模块的电路如图所示。 第 5 页 共 29 页 图 指南针模块总电路图 4 系统硬件 系统控制器 控制器内部结构 本次设 计中采用了高速 51 内核 MCU，具体型号为 DS89C450，高速 8051架构，每个机器周期一个时钟，最高频率 33MHz，单周期指令 30ns，双数据指针，支持四种页面存储器访问模式。 片内 64KB 闪存，在应用编程，可通过串口实现在系统编程， MOVX 可访问的 1KB SRAM。 与 8051 系列端口兼容，四路双向， 8 位 I/O 端口，三个 16 位定时器， 256 字节暂存 RAM。 支持电源管理模式，可编程的时钟分频器，自动的硬件和软件退出低功耗。 外设特性：两路全双工串口、可编程看门狗定时器、 13 个中断源、五级中断优先级、电源失效复位 、电源失效早期预警中断和可降低 EMI。 控制器存储结构 传统的 51 系列芯片内部没有或仅有非常小的程序存储器，这就需要通过外部总线进行存储器的扩展，这样使得系统电路复杂且使系统的性能下降。 DS89C450 内部含有很大的程序和数据存储器， 其 片内 除了 256 字节 RAM 区，还提供片内 1KB 的 SRAM 和 64KB 的程序存储器。 这就有足够大的存储区域来存放代码和数据而不需要另外的扩展外部存储器，简化了系统电路。 第 6 页 共 29 页 图 系统存储分配 控制器具体电路 在整个系统中控制部分主要完成最核心的数据 处理和人机界面控制任务。 控制部分电路如 图 所示。 图 系统控制电路 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。 具体电路如所示。 时钟电路中的两个电容用在补偿，使得晶振更容易起震，频率更加稳定。 第 7 页 共 29 页 图 系统时钟电路 系统扩展电路 通信电路 在本次设计任务中采用了串口作为系统与外界的通信接口，通信部分电路 图 所示： 图 串口通信电路 由于单片机的 TTL 电平和 RS232 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。 由于 DS89C450 提供在系统编程，可以很方便的通过串口对单片机内部的 FLASH 进行刷新。 由于 DS89C450 进入在系统编程需要几个条件： ⑴ 复位引脚电平为高； ⑵ EA 引脚为低电平； ⑶ PSEN 引脚为低电平。 整个通过串口 DTS 控制在系统编程电路如 图 所示。 第 8 页 共 29 页 图 串口逻辑电路 指南针模块 接口电路 本次设计中采用了 FAD_DCM_SPI 指南针模块。 该模块采用的正是PNI11096 和 SENR65 传感器组 合的设计方案。 为了模块化，所以该模块把PNI11096 芯片的输出信号经过处理后封装成特定的数据报文格式通过 SPI 总线形式对外提供， 如图 所示。 图 指南针模块接口 经过模块封装的数据格式如下： 9 8 7 6 5 4 3 2 1 X X X X X X X X X 角度数据范围：十六进制（ 0X00~0X167），转换成十进制为（ 0~359）。 SPI(Serial Peripheral Interface串行外设接口 )总线系统是一种同步串行外设接口，它可以使 MCU 与各种外围设备以串 行方式进行通信以交换信息。 该接口一般使用 4 条线：串行时钟线（ SCK）、主机输入 /从机输出数据线 MISO、主机 第 9 页 共 29 页 输出 /从机输入数据线 MOST 和低电平有效的从机选择线 SS(有的 SPI 接口芯片带有中断信号线 INT 或 INT、有的 SPI 接口芯片没有主机输出 /从机输入数据线MOSI)。 由于 SPI 系统总线一共只需 3～ 4 位。