基于单片机的电子指南针设计大学学位论文.doc

题 目 基于单片机的电子指南针设计
学生姓名 王 婷 婷 学号 1113024103
所在学院 物 理 与 电 信 工 程 学 院
专业班级 通 信 工 程 专 业 1103 班
指导教师 郑 争 兵
完成地点 物 理 与 电 信 工 程 学 院 实 验 室

2015 年 6月 3日

毕业论文﹙设计﹚任务书
院(系) 物理与电信工程学院 专业班级 通信1103班 学生姓名 王婷婷
一、毕业论文﹙设计﹚题目 基于单片机的电子指南针设计
二、毕业论文﹙设计﹚工作自 2015 年 1 月 10 日 起至 2015 年 6 月 10 日止
三、毕业论文﹙设计﹚进行地点: 物理与电信工程学院实验室
四、毕业论文﹙设计﹚的内容要求：
指南针是一种重要的导航工具，可应用在多种场合中。电子指南针内部结构固定，没有移动部分，可以简单地和其它电子系统接口，因此可代替旧的磁指南针。并以精度高、稳定性好等特点得到了广泛运用。本课题具体要求如下：
1. 熟悉指南针的工作原理；
2. 选择合适的电磁感应器进行系统设计，完成显示功能；
3. 能够利用电池对系统供电，系统集成，完成功能调试。

成果形式：实验样机一套。
毕业设计进度安排:
1.10─3.20：查阅资料（参考文献不少于10篇），进行方案论证，完成开题报告。完成不少 于3000字的外文翻译；
3.20─4.30：设计硬件电路，编写相关软件、完成电路仿真及样机调试； 　　
5.1─5.20：完善系统调试，撰写论文，准备毕业设计验收等工作；
5.21-6.10：整理资料，修改论文，准备毕业答辩。

指 导 教 师 系 (教 研 室) 通信 教 研 室
系(教研室)主任签名 批准日期
接受论文 (设计)任务开始执行日期 学生签名

基于单片机的电子指南针设计

王婷婷
（陕西理工学院物理与电信工程学院通信1103班，陕西 汉中 723003）
指导教师：郑争兵
[摘 要] 指南针是用以判别方位的一种简单仪器,是一种重要的导航工具，可应用在多种场合中。当人们置于一个陌生的环境中，导航定向非常重要，随着手机的普及，其内置指南针已被人们广泛应用，但是一旦出现手机无电以及信号不强时无法定位。针对这一问题，因此开发一款基于单片机的低成本便于携带的电子指南针系统，以满足人们的精确定向。此次设计的原理是通过STC89C52单片机处理异性磁阻(AMR)传感器芯片HMC5883L得到的信息数据，最终在LCD1602液晶上显示数据，得到当前的角度信息与方位信息。这样的指南针在大大提高了精度的同时也精度更高，更智能，降低了成本和设计难度.
[关 键 词] 电子指南针；单片机；异性磁阻；液晶显示；

Design of electronic compass based on MCU

Wang Tingting
(Grade11,Class3,Major of Communication Engineering，School of Physics and
telecommunication Engineering of Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723003,China)
Tutor:Zheng Zhengbing
Abstract：Compass is a simple instrument for judging azimuth. It is an important navigation tool and can be used in many situations.. When people placed in a strange environment, navigation and orientation is very important, with the popularity of mobile phones, the internal compass has been widely used by people, but once the phone has no power and the signal is not strong, cannot be located. To solve this problem, develop a microcontroller based low-cost portable electronic compass system to meet people's accurate orientation. Overall train of thought of the design is anisotropic magnetoresistance (AMR) sensor chip hmc5883l obtained information data processing by STC89C52 microcontroller. Finally in the LCD1602 LCD display data, get the angle information and the location information. Such a compass can greatly improve the accuracy of the same time, higher accuracy, more intelligent, reduce the cost and design difficulty.
Key words：Electronic compass；MCU；Anisotropic magnetoresistance；liquid crystal display；

目 录
目 录 I
1绪论 1
1.1课题背景 1
1.2 课题研究现状和前景 3
1.3设计的目的和任务 3
2系统方案选择和论证 4
2.1设计要求 4
2.2方案选择和论证 4
2.2.1传感器方案论证与选择 4
2.2.2单片机的选择说明 5
2.2.3显示模块的选择说明 5
2.2.3 电源选择说明 6
2.3最佳主体方案 6
3硬件设计及实现 8
3.1单片机外围电路设计 8
3.2 HMC5883L传感器模块 10
3.3 LCD1602液晶屏模块 12
4软件设计 16
4.1系统总体软件设计 16
4.2 HMC5883L与单片机通信软件设计 16
4.3 LCD1602人机界面软件设计 18
5系统调试 20
5.1软件仿真调试 20
5.2硬件电路调试 20
总结 22
致谢 23
参考文献 24
附录A 英文文献原文 25
附录B 英文文献译文 27
附录C 源程序 29
附录D 元器件清单 39
附录E 整体电路图 40
附录F 实物图 41

陕西理工学院毕业设计
1绪论
1.1课题背景
指南针又称指北针，重要组成部分是一根装在轴上的磁针，磁针在自然地磁场的作用下可以自由转动并保持在磁子午线的切线方向上，磁针的北极指向地理的北极，利用这一性能可以辨别方向。经常使用于导航、大地测量。旅行和军事方面。物理上指出方向的指南针的缔造由三部曲组成：司南、磁针和罗盘。他们全部属于华夏的发明。指南针是古代人在长时间的实践中对物体磁性了解的成果。作为中国古代的四大发明，它的发明有着不可估量的作用在发展人类科学技术和文明。在古代华夏，指南针初先应用于祭奠、礼节、军事和占卜与看风水时定位方向。11世纪末，中国的船舶开始使用指南针导航。北宋《萍州可谈》：“舟师识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦观指南针。”
指南针应用在帆海上，是全天候的导航用具，填补了天文导航、地文导航之不及，首创了航海史的新纪元。同时，帆海活动也进一步增进了指南针的成长。先秦时期的汉族劳动人民已经很好累积了对磁现象的认识，在探索铁矿的时候，经常碰到磁铁矿，就是我们说的磁石（成分是四氧化三铁——化学式Fe3O4，又名磁铁、氧化铁黑、吸铁石，为拥有磁性的玄色晶体，故又称为磁性氧化铁）。《管子》中记录了几篇文章：“山上又磁石者，其下有金铜。”《山海经》中也有类似的记载。磁石的吸铁特征很早被人发觉，《吕氏春秋》九卷精晓篇就出现：“慈招铁，或引之也。”古人称“磁”为“慈”。古人把磁石吸引铁比喻成一位慈爱的母亲对子女的吸引。并以为：“石是铁的母亲，但石有不慈与慈两种，慈详的石头能让他的儿女喜欢，不慈的石头就不可以。” 汉以前古人把磁石写成“慈石”，是慈爱石头的表达。到了西汉时期，有一个名叫栾大的术士，他使用磁石的特征做了两个棋子，经过调换两个棋子极性的彼此位置，一会两个棋子相互吸引，一会相互排斥。栾大叫“斗棋”。他把这个特殊的东西献给皇帝，并当场示范。皇帝很惊讶，高兴，出人意料的封栾大为“五利大将军”。李约瑟的看法，他在这篇文章《中国对航海罗盘研制的贡献》中有精确的论述。他从《古今注》、《管氏地理指蒙》、《九天玄女青囊海角经》等书的记载中推测出如下结论：“磁石指向性转移到它吸过的铁块的发现在中国大约在一世纪到六世纪。在十一世纪之前的某个时候发现，不仅可以产生在磁铁上摩擦磁化的现象；而且还可以用烧红的铁片，经过居里点(CuriePoint)，冷却或淬火而得到磁化，操作时，铁片保持南北方向。古代的中国人将罗盘导航和军事活动，也用于风水，后来被欧洲人的后裔，在欧洲的航海活动和地理发现中发挥着不可替代的重要作用。在航海技术发明中，指南针也是最重要的单项发明，由此传入西欧，继而打开了挖掘新大陆，环球旅行的汹涌澎湃的史诗，这类用以鉴别方位的简扑仪器，是极其重要的导航工具，可应用在不同的场合中。
最早的指南针能够追溯到华夏古代四大发明——司南，即最早的磁性指向器是司南。“司南”在战国时期开始（公元前475年-公元前221年），在唐代终止（618-公元907年）。因为司南古义不断演化，使它与一系列的古代发明结下了不解之缘。记录司南最早文献是《鬼谷子》，此中写道：“郑人之取玉也，必载司南之车，为其不惑也。”从《鬼谷子》中的记录中能够看出，郑人去“取玉”，务必会带上司南，就是为了防止方向的丢失。在提到司南的文件中，王充的记叙是最重要的，他确切的指出：“司南之杓，投之于地，其柢指南。”(是应篇)其中的“杓”是指勺子。具备这种“指南”性能的司南，应是磁性指向器。但是，这里的“地”是指古代械盘中的“地盘”。械盘是秦汉时期发明的，用于游戏或占卜。在“地盘”周围的24个方向，中间刻有北斗七星的标志符号。
指南针的缔造应该是在一个非常持久漫长的过程中，慢慢进行改良创新的成果，而时期不同，也会以不同的方式呈现。唐代堪舆家的活动相当活跃，并开始强调方向的选择，寻找比磁勺更方便的指向器成了当务之急。于是指南铁鱼或者蝌蚪形铁质指向器及水浮磁针应运而生。活动于唐开元年间（713—741年）的山西堪舆家丘延瀚，被后世堪舆家推崇为堪舆术三针（正针、缝针和中针）中最早出现的正针法的创始人。明代雅好科技的宁献王朱权则在其《神机秘籍》中说：“针法古无所传，自昔玄真始制。”玄真是唐代浙江金华道教张志和（约730—约810年），他的道号叫玄真子，所著《玄真子》十二卷，残存三卷。从这残卷中知道他颇好物理，但未找到与指南针或针法直接有关的记载。然而，这个道号不禁使人联想到旧题晋崔豹所作的《古今注》中把蝌蚪称为“玄针”。其文曰：“虾蟇子，曰蝌蚪，一曰玄针，一曰玄鱼，形圆而尾大，尾脱即脚生。”十世纪时马缟著作的《中华古今注》中有相似的记录。这项记载似乎把磁针与指南鱼的发明和应用从形状和性能上联系到了一起。
磁针问世后，先后用于堪舆和航海。为了使用方便，读数容易，加上磁偏角的发现，对指南针的使用技巧提出了更高的要求，方家首先将磁针与分度盘相配合，创制了新一代指南针——罗盘。不过有些场合，碗中的水浮磁针仍在使用，故沈括《梦溪笔谈》卷二十四称“水浮多荡摇”。江苏、河北和辽宁旅大曾出土元代的不带刻度的指南针专用针碗。当航船还在使用浮针加针碗时，堪舆罗盘却远远地跑到了前面。我国的磁针和罗盘前后经过陆水两路西传，曾给人类的文化文明的历程带来巨大的影响。以前史学界认为磁针在水中的水罗盘与指南针一脉相承，是中国的发明，但旱罗盘是欧洲所发明，16世纪才经由日本船传入中国。而今临川罗盘证明：旱罗盘的发明权也属于中国。
伴随人们对指南针原理了解的不断明了和深刻，人们不断创新将指南针由粗苯的“司南”发展到如今便携式指南针。但根本架构一直没有发生改动，均属于机械式指针，而且都是使用一种支柱让磁针可以遭到地磁场影响而自由转动。由于该机械指针的内在因素，指南针在其使用寿命上、产品的便携性、准确性以及灵敏度都存在一定的局限。随着集成电路技术的发展和改进，人们因此使用磁场的变化会影响电感电路的道理制成了磁阻传感器，人们于是利用磁阻传感器，制作了电子指南针，这使得指南针的发展进入了一个全新的时代。随着磁传感器和特殊芯片的急速发展，使指南针的基本完成机理产生了巨大的转变，应经摆脱了以前的刻板结构而选用了特殊处理器与磁场传感器对磁场测量和处理指示方向，另外，电子指南针在性能上加倍人性化，因为是采用功能性模块，于是能够特别便利的扩展很多功能，比如在原本的电子指南针的性能基础上还可以添加集成数字时钟等功能，方便适用,这就是应用较为普遍的电子指南针。
现代人创造了各类电子指南针，例如苹果手机中即有这个软件的存在，电子罗盘也叫数字罗盘，是利用地磁场来定北极的一种方法，应用到手机上，其实便是电子指南针，电子罗盘一般采用磁通量传感器和磁通门制造。虽然GPS已广泛应用在导航，定位，测速和定位，但是信号往往存在地形特征，导致大大的降低了精度，甚至不能被使用。特别是在高楼密集的城区和植被茂盛的林区，GPS信号的可利用性仅为60%。在静态的情况下，GPS不能提供方位信息。为了弥补这个问题，不妨选用组合导航的方式。电子罗盘的设计就是来满足这类用户的需求。它能够对GPS信号进行有用的补充，保障导航定位讯息100%有效，尽管是在GPS信号失锁后也可以正常工作，很好地做到了“丢星不丢向”。
电子罗盘能够分为平面罗盘和三维罗盘。平面电子罗盘规定人们在行使时必须坚持让罗盘水平放置，不然当罗盘发生歪斜时，也会给出此刻航向的变化但是实际上的航向并无变化。尽管平面电子罗盘对行使时要求很严格，但是如果可以保障罗盘的附载体始终可以水平的话，平面罗盘还是一种不错的选择。三维电子罗盘取消了平面电子罗盘在实际应用中的严厉局限，由于三维电子罗盘在里面添加了倾角传感器，若是罗盘产生歪斜时能够对罗盘加以倾斜性补偿，如此即便是罗盘产生倾斜，航向的测试数据仍然会没有误差。偶尔要求降低温度漂移，罗盘也能够内置温度补偿，最大努力缩小倾斜角与指向角的温度漂移。
电子指南针构造固定，里面无挪动部份，能够与别的电子系统简单的接口，于是可代替之前的磁指南针。并以稳定性好、精度高等特点得到了广泛应用。本设计选用的各向异性磁阻(AMR)传感器芯片HMC5883L是由Honeywell公司生产的。HMC5883L弱磁传感器芯片具有数字接口，并且外观贴有高集成模块，HMC5883L弱磁传感器芯片包含高分辨率的HMC118X系列磁阻传感器，并拥有霍尼韦尔专利的集成电路包含放大器、自动消磁驱动器、偏差校准、可以使指南针精度限制在1~2的12位模数转换器。简易的IIC系列总线接口。各向异性磁阻(AMR)技术是HMC5883L芯片选用的技术为，该技术具有在轴向高灵敏度和线性高精度的特点。这种传感器具备低灵敏度在正交轴上的固相构造可以很好用在对地球磁场的方向和大小的测量，负8高斯到8高斯是它所具有的测量范围。本次设计的电子指南针具有非常好的实用性、灵巧性和领先性。它的使用使我们的日常生活变的更加方便。
1.2 课题研究现状和前景
与其他工具相比，地磁导航起步晚。美国E2systems公司在1960年左右研究了基于地磁异常场等值线匹配的Magnetic ContourMatching体系, 经过十多年对数据的测量后，系统进行了离线实验。早在上世纪80年代地磁导航系统的研究就在瑞典隆德大学实验室进行证明，实验中将地磁图和磁场强度的测量数据进行比较，确定船的位置。而且按照已知的两个磁传感器的输出时差的间隔,计算出船只行驶的速率。
美国当前已研发出水下定位精确度高于500米，天空和大地定位精确度高30米的地磁导航系统,并着手计划用于提高巡航鱼雷和飞航导弹的命中率。除此之外,美国已经着手在导弹实践领域使用地磁信息,并高空地磁数据的测量方面使用E22飞机进行。利用大量的地面试验，NASA God2dard空间中心与相关学院对水下地磁导航进行了研究,
我国地磁导航的研究主要集中在研究和仿真,航天科工集团三院科学家充分利用均分绝对差法精确的的对地磁强度数据进行运算,分辨率现在可以到50米；我国使用地磁导航厘正惯性导航的仿真试验获得了很好的精度。钻研电子指南针制导技术的底子是地磁场模型与地磁图,它们是确定地磁导航技术是不是可实现的要素。
由于GPS导航定位存在很大不稳定性，而地磁大小和方向随地点、时间而异, 磁场水平上的分量一直都是指向磁北，这是制作电子指南针的基本原理，因此电子指南针可以很好的稳定的精确定向，在我国电子指南针系统的市场需求日趋明显，规模逐渐扩大。其主要发展趋势概括如下:
(1)制定行业规范与产业标准
(2)专业分工和产业化
(3)与GPS技术结合，提高系统性能，实现定位一体化。
1.3设计的目的和任务
1、 设计目的：
（1）熟悉指南针的工作原理；
（2）采取合适的电磁感应器进行系统设计；
（3）总结设计，完成设计论文1篇；
2、设计任务：
（1）具有显示功能，显示方位和角度；
（2）电池供电，系统集成；
（3）数据显示设计与实现，将数据用LCD1602进行显示。

2系统方案选择和论证
2.1设计要求
电子指南针构造固定，里面无挪动部份，能够与别的电子系统简单的接口，于是可代替之前的磁指南针。并以稳定性好、精度高等特点得到了广泛应用。要求选择合适的电磁感应器进行系统设计，完成显示功能，能够利用电池对系统供电，系统集成，完成功能调试。
2.2方案选择和论证
当前电子技术迅速发展，因此电子指南针的设计存在着很多的方案，不同方案各有优缺点，我们需要分析方案并且根据实际情况选择硬什设备进行电路设计。
2.2.1传感器方案论证与选择
方案一:利用两轴磁传感器HMC1052
与别的HMC10XX系列传感器相同，HMC1052是一种双轴线性磁传感器，由磁阻薄膜合金组成的惠斯通桥是每一个传感器都有的。测量磁场和环境磁场在桥路加上供电电压时，HMC1052传感器就会将磁场强度转换为电压输出。HMC1052包括两个敏感轴相互垂直的敏感元件，敏感元件A和B在单硅芯片中共存，参数匹配和完整正交，体积小，低工作电压，两个敏感元件产生的非正误差消除完全。除惠斯通电桥，HMC1052有两个磁耦合带在芯片上，偏置带和置位/复位带。置位/复位带是敏感元件A和B都具有的，以此保证精度。校正传感器是通过偏置带进行校正，也可以偏置所有不需要的磁场。在10针形状中,两个敏感元件都能单独上电，这样能够利于削减功耗。不过，却不能利用偏置带。若使用偏置带，不妨用其他封装类型的HMC1052。HMC1052传感器引脚图如图2.1所示：

图2.1 HMC1052传感器引脚图
方案二:采用Philips公司生产的KMZ52感应磁场传感器
一种可以使用坡莫合金薄片所具有的磁阻效应磁场磁场的高灵敏度磁阻传感器由Philips公司生产，这种传感器就是KMZ52。完整的补偿线圈和设置/复位线圈、两个正交磁敏电阻桥在这种磁阻传感器中内置。抵偿线圈的输出能够与目前测试成绩构成闭环反馈，所以可以让传感器灵敏度不会受到地域的限制。在导航、通用地磁测量与交通检测上，这种磁阻传感器有很大的作用。有厚度的高磁导率的坡莫合金在这种磁阻传感器金属铝的表面积累下来，在翻转线圈和外界磁场两个力的作用下，电子改变运动方向，使得磁敏电阻的阻值发生变化。电子在正反向磁场力作用下有较好的对称性是通过KMZ52的斑马条电阻成45°放置实现的。因为添加了旋转磁场，KMZ52的变换曲线与通常的磁敏电阻不一样，加倍线性化。由4个磁敏感元件构成的磁阻桥臂叫惠斯通电桥，KMZ52磁阻传感器的核心部分，长而薄的坡莫合金薄膜制造成了磁敏感元件。当存在外加磁场时，磁阻的变化引发输出电压的变化。KMZ52传感器引脚图如图2.2所示：

图2.2 KMZ52传感器引脚图
方案三:使用霍尼韦尔HMC5883L各向异性磁阻传感电路
带有数字接口、包含最新的高分辨率HMC118X系列磁阻传感器的霍尼韦尔HMC5883L弱磁传感器芯片，而且表面贴装有高集成模块，并附带霍尼韦尔专利的集成电路包括放大器、自动消磁驱动器、偏差校准、能使指南针精度控制在1~2的12位模数转换器。简易的I2C 系列总线接口。HMC5883L 芯片选用无铅表面封装技能，一共16个引脚，尺寸是3.0×3.0×0.9mm。HMC5883L可以应用在消费类电子、汽车导航系统与个人导航系统。HMC5883L芯片选用各向异性磁阻(AMR)技能，该技能具有在轴向高灵敏度和线性高精度的特点。这种传感器范围从负8高斯到8高斯，拥有的对正交轴的低灵敏度的固相构造可以很好的测量测量地球磁场的方向和大小。低磁场传感器行业中最灵敏、最可靠传感器就是霍尼韦尔的磁传感器。HMC5883L传感器引脚图如图2.3所示：
图2.3 HMC5883L传感器引脚图
通过对各传感的比较，HMC5883L三轴磁阻传感器和ASIC都被封装在一起了，不用外接ASIC，加上12-bit ADC与低干预AMR传感器，内置驱动器，可以在8高斯的磁场中达到2毫高斯的分辨率，更加优胜。综上我们采用方案三 ，利用霍尼韦尔HMC5883L各向异性磁阻传感电路 。
2.2.2单片机的选择说明
AT系列和STC系列单片机的选择：AT89C系列的单片机存在不能进行在线编程的缺点。AT89S和STC系列都可以ISP在线编程，AT系列采用并口编程方法，STC系列是通过串口在线编程。因此STC的编程方式更为容易也较普遍，正因为如此，我选择STC系列。51和52系列的选择：51系列有4k存储空间，而52系列有8k存储空间，容量比51大。根据以上分析，本次毕业设计采用STC89C52芯片，STC89C52是一款功耗低，高性能的8位CMOS微控制器，具有8K可编程Flash存储器，方便下载程序，性价比高，能较好的适应本实验要求。
2.2.3显示模块的选择说明
方案一:采用LED数码管显示。LED数码管具有接口电路简单，亮度大，价格适中等优点，但缺点就是只能显示简单字母和数字，而设计中要求显示角度、字母、数字等多个信息，使用数码管会使得硬件电路设计繁琐，而且连线复杂，再加上单片机接口欠缺，不够使用，因此不采用此方案。
方案二:采用LCD1602液晶屏显示。LCD1602使用非常普遍，在生活中很多地方都能见到LCD1602液晶显示屏，例如计算器，遥控器，家用电器等，它主要用来显示数字，字母，专用字符和图形，拥有显示成果高、功耗低、体积小等长处，除此之外，LCD1602选用数字式接口，和单片机之间的连线简单，故采用LCD1602来显示方向和度数。
2.2.3 电源选择说明
电源作为电子系统的重要组成部分，缺少电源所以电器设备均不能正常工作，因此说电源问题非常重要。在电压为5V的情况下，LCD1602液晶和51单片机都可以正常工作，可以想到指南针通常在室外使用，需要能够时间长，对电源的要求比较高，而实际生活中很难找到5V 电源，所以这是第一个要解决的问题。经过对LCD1602和52单片机的实验测量发现4V 至6V 都可以使他们正常的工作，于是选用身边最典型1.5V干电池就能够解决这个问题，所以本设计采用干电池供电来解决电源问题。
2.3最佳主体方案
图2.4是地球某一点的地球磁场向量He的三维图，其中x轴和y轴与地球表面平行，x为前进方向，y为水平面上垂直x的方向，He为地磁场强度，Hex、Hey分别为He在x、y方向的水平分量，α为前进方向与磁场北极的夹角，称做方位角；由图可知tanα=Hey/Hex,所以只要求出y、x轴上的磁场强度之比Hey／Hex，即可得到方位角α的正切值。磁场传感器可以分别测量Hex、Hey、Hez，并将其大小转化为相应强弱的电信号。但本系统并只做了X和Y方向的测量。由于考虑到时间安排有限，Z方向暂时不做，但本系统设计只要平拿平放并不影响测量结果的准确性。测量原理分析图如图2.4所示：
图2.4 测量原理分析图
通过以上测量分析思路所得传感器信号，经过单片机数据预处理和算法补偿后在上传到LCD1602A液晶屏上显示。本设计选用STC89C52单片机为核心的低成本、高精度、数字显示电子指南针的硬件电路和软件设计方法。整个电路由电源、磁阻传感器、单片机最小系统以及LCD液晶显示构成。总体设计方案如图2.5所示：

图2.5 总体方案设计框图
3硬件设计及实现
电子指南针的硬件设计主要包括主控芯片（STC89C52），显示部分LCD1602，HMC5883L各向异性磁阻传感器，开关部分和电源部分组成。
3.1单片机外围电路设计
低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具备 8K 在系统可编程Flash存储器STC89C52由STC公司生产。STC89C52利用经典的MCS-51内核，在此基础上那个做了许多的创新使得芯片拥有传统51单片机没有的功能。单芯片上，有8 位CPU 与在系统可编程的Flash，这样STC89C52就可以为很多嵌入式控制系统提供高灵活、有用的解决方案。具有8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，容许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机完全停止工作，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。
STC89C52器件参数如下：
1.增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051；
2.工作电压：5.5V～3.3V（5V单片机）/3.8V～2.0V（3V 单片机）；
3.工作频率范围：0～40MHz，相当于普通8051 的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz；
4.用户应用程序空间为8K字节；
5.片上集成512 字节RAM；
6.通用I/O 口（32 个），复位后为：P0/P1/P2/P3 是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/O 口用时，需加上拉电阻；
7.ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片；
8.具有EEPROM 功能；
9.共3 个16 位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T2；
10.外部中断4 路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down 模式可 由外部中断低电平触发中断方式唤醒；
11. 通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART；
12. 工作温度范围：-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级）；
13. PDIP封装。
STC89C52 单片机的工作模式：
掉电模式：典型功耗<0.1μA,可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序
空闲模式：典型功耗2mA
正常工作模式：典型功耗4mA～7mA
掉电模式可由外部中断唤醒，适用于水表、气表等电池供电系统及便携设备
STC89C52引脚图如图3.1所示：

图3.1 STC89C52引脚图
单片机外围需要一个复位电路，它的功能是：确认单片机工作的起始状态，完成单片机的启动过程。系统上电时为单片机提供复位信号，直到系统电源稳定后，系统再撤消复位信号。为保险起见，电源部分稳定后还要通过延时才撤销复位信号，如此可以避免电源插头或者电源开关分合过程当中引发的抖动继而影响复位。单片机系统的复位方式有自动复位和手动复位按钮复位。该系统采用手动复位按钮，一样拥有自动复位功能的复位模式。
时钟电路：单片机18引脚和19引脚外接晶振及点容，单片机工作频率取决于晶振XT的频率，STC89C52单片机的工作频率在2~33MHz范围以内，此系统选用单片机内部方法产生时钟信号，用于外接一个12MHz石英晶体振荡器和2个30pF微调电容，组成相对稳定的的自激振荡器，脉冲直接发送到内部时钟电路。STC89C52单片机最小系统如图3.2所示：

图3.2 STC89C52单片机最小系统
3.2 HMC5883L传感器模块
1．工作原理
霍尼韦尔三轴传感器HMC5883L磁阻传感器电路通过使用特殊辅助电路来测量磁场。提供电源，传感器能够将量测轴方向上的所有入射磁场转换为一种差分电压输出。磁阻传感器是由一个镍铁(坡莫合金)薄膜放置在硅片上，并构组成一个带式电阻元件。只要存在磁场，跨电桥输出电压就会因为桥式电阻元件的变化而产生相应的变化。磁阻元件两两对齐，构成一个联合的感应轴(引脚图上的箭头所示)，跟着磁场在感应方向上不持续增强，电压也会正向增加。由于输出只与沿轴方向上的磁阻元件成比例，其余的磁阻电桥也放置在正交方向上，就可以精密测量其余方向的磁场强度。
2．电源管理
该器件可有两种不同的供电模式。第一个是为IO接口供电的VDDIO电源。二是VDD电源，内部运作，VDDIO的电压可以类似于VDD电源；单电源模式或者在VDDIO 电压低于VDD 的情况下，HMC5883L都可以正常运作并能与其他装置兼容。

图3.3 HMC5883L内部示意图
3．I²C接口
控制该装置能够通过IC总线来实现。I2C总线是由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，这类总线用于衔接微控制器和外围设备，是微电子通信控制领域普遍使用的一种总线标准。它是一种同步通信方案，具有接口简单，控制简单，小封装，且通信速率高。
下面列举I2C总线的若干特征:
1、 只要求一条串行数据线SDA和一条串行时钟线SCL这样两条总线线路；
2、 每个连接到总线的器件都可以由主机与从机关系软件设定唯一的地址，主机可以作为主机 发送器或主机接收器。
3、 它是一个真正的多主机总线系统，如果有两个或更多主机同时初始化数据传输，那么它的冲突检测和仲裁功能可以防止数据被破坏；
4、 8位串行双向数据传输速率在标准模式下可达100kbit/s，快速模式下可达400kbit/s，高速模式下可达3.4Mbit/s；
5、 片上的滤波器可以滤去总线数据线上的毛刺波以保证数据完整；
6、 连接到同一总线的IC数量只受总线的最大电容400pF的限制。
该装置将作为从机在一个主机(例如：处理器)的控制下连接总线