賀云超 蔡飛達 齊軍偉 于文堯 張啟升

中國地質(zhì)大學地球物理與信息技術(shù)學院，北京 100083

基于C8051F321單片機的平面數(shù)字電子羅盤的研制

賀云超 蔡飛達 齊軍偉 于文堯 張啟升

中國地質(zhì)大學地球物理與信息技術(shù)學院，北京 100083

在現(xiàn)代經(jīng)濟發(fā)展中，電子羅盤在海洋探測、礦產(chǎn)、石油鉆井測控、地質(zhì)探測、衛(wèi)星GPS系統(tǒng)、航海等領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，通過電子羅盤對地磁場的測量，可以給科學探測提供有利的數(shù)據(jù)，完成一些不能通過人力完成的探測工作。本文運用傳感器集成芯片LSM303DLH制作了一個數(shù)字電子羅盤模塊。通過標準IIC接口以及單片機編程對所采集的磁場數(shù)據(jù)進行處理和控制，實現(xiàn)方位、傾角、環(huán)境溫度以及供電電池電量的圖形化顯示，為科學探測提供便利。

LSM303DLH；C8051F321單片機；方位傾角測量；數(shù)字化

引言

近年來，數(shù)字式電子羅盤正向深度智能化和三維方向發(fā)展。在地質(zhì)探測中，特別是海底地形探測，要保證方位角測量的高精度，靠人工完成是很困難的，在這項工作中，電子羅盤所起的作用非常重要。

本文采用模塊化設(shè)計思想，設(shè)計并制作一個高精度，高穩(wěn)定性的方位角數(shù)據(jù)采集模塊，為數(shù)字電子羅盤系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)采集，為確保傾角數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性和準確性，采用LSM303DLH傳感器集成芯片，并通過IIC接口后，由單片機進行控制和分析，實現(xiàn)傾角數(shù)據(jù)采集，傾角數(shù)據(jù)數(shù)字化的顯示等功能。

系統(tǒng)采用3.7V鋰電池供電，整個數(shù)據(jù)采集模塊采用集成了測量傾角傳感器以及磁場傳感器的LSM303DLH芯片,控制處理的單片機采用的是C8051F321單片機，此單片機速度快,穩(wěn)定性好，對于本設(shè)計方案已能滿足要求。整個系統(tǒng)的抗干擾性好、設(shè)計靈活、方便，而且成本不高，也適合于在比較惡劣的環(huán)境下進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)測量。制作出的成品能夠進行當?shù)氐姆轿唤?，傾角、環(huán)境溫度以及供電電池電量的數(shù)字化顯示。

本設(shè)計的整個過程分為以下幾個主要的步驟：

1）基于Altium Designer的電子羅盤的電路原理圖及電路板的繪制；

2）基于C8051F321的單片機軟件編程；

3）系統(tǒng)軟硬件聯(lián)合調(diào)試和整機性能優(yōu)化。

1 總體構(gòu)架

整個系統(tǒng)的硬件部分由LSM303DLH傳感器、C8051F321單片機以及顯示模塊構(gòu)成。軟件編程用C語言在Silicon Laboratories IDE編輯器中實現(xiàn)，由主程序、傳感器程序、顯示模塊控制程序等幾個部分構(gòu)成。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

經(jīng)硬件模塊和軟件模塊的結(jié)合，完成一定范圍內(nèi)的高精度方位角數(shù)據(jù)采集，并能正確地顯示所測方位角的功能。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖2 硬件電路原理圖

LSM303DLH傳感器處于工作狀態(tài)之下時，自動檢測傾角以及磁場信號，并進行數(shù)據(jù)采集工作，將存儲在寄存器之中。LSM303DLH傳感器采集的信號是數(shù)字信號，須經(jīng)過IIC讀寫后才能在單片機中進行數(shù)據(jù)處理以數(shù)字化的顯示，C8051F321單片機自帶的IIC接口對LSM303DLH傳感器所采集的數(shù)字信號進行讀取后，數(shù)據(jù)被保存在單片機的RAM中。數(shù)字信號經(jīng)單片機利用軟件編程進行分析處理，讓這些數(shù)字信號通過串口連接通信，可以在計算機或是OLED顯示屏上把LSM303DLH傳感器所測得的傾角信號以數(shù)字化的形式顯示出來，給科學探測提供準確有效的數(shù)據(jù)，讓探測工作得以順利地進行。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

硬件設(shè)計主要包括以下幾個模塊：方位傾角數(shù)據(jù)采集模塊、電池電量檢測模塊、C8051F321單片機模塊。

整體電路由方位傾角數(shù)據(jù)采集模塊，電池電量檢測模塊，C8051F321單片機模塊，OLED顯示模塊等通過數(shù)據(jù)線連接而成。

通過對整個系統(tǒng)的設(shè)計原理進行整理之后，畫好電路圖。待各部分電

路圖都可以滿足系統(tǒng)設(shè)計需要的情況

下，將電路圖布好局，制成PCB板。

整體電路原理圖如圖2所示。

根據(jù)所設(shè)計的電路圖，制成PCB電路板后，將所有元器件焊接到電路板上。電路板實物圖如圖3所示。

圖3 電路板實物圖

3 軟件程序設(shè)計

整個系統(tǒng)的功能是由硬件電路配合軟件來實現(xiàn)的，當硬件基本定型后，軟件的功能也就基本定下來了。從軟件的功能不同可分為兩大類：一是監(jiān)控軟件（主程序），它是整個控制系統(tǒng)的核心，專門用來協(xié)調(diào)各執(zhí)行模塊和操作者的關(guān)系。二是執(zhí)行軟件（子程序），它是用來完成各種實質(zhì)性的功能如傾角數(shù)據(jù)檢測、數(shù)據(jù)分析處理、 數(shù)字化顯示等。每一個執(zhí)行軟件也就是一個小的功能執(zhí)行模塊。

主程序先初始化各IO端口及各分立器件，如C8051F321單片機的管腳選用及定義，開外部中斷等。主程序主要調(diào)用了3個主要子程序，分別是LSM303DLH傳感器工作驅(qū)動程序，電量檢測程序，數(shù)據(jù)分析處理及顯示程序。

主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

根據(jù)所設(shè)計的電路圖，制成PCB電路板后，將所有元器件焊接到電路板上，將程序下載到系統(tǒng)中，系統(tǒng)能夠進行正常顯示。顯示實物圖如圖5所示。

圖5 顯示實物圖

4 結(jié)語

本文按照預期想象很好的完成整個設(shè)計，整個系統(tǒng)達到了較好的功能效果，較順利的完成了整個系統(tǒng)硬件軟件的設(shè)計任務(wù)。整個系統(tǒng)以C8051f321單片機為控制核心，利用其較快的處理速度、高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換能力，以及豐富的外圍接口，再配合LSM303DLH方位傾角傳感器芯片，實現(xiàn)了方位傾角的測量、處理分析和數(shù)字化顯示等功能。為工業(yè)探測、海底測量等科學研究提供了方便。

致謝

感謝大學生創(chuàng)新性實驗計劃項目對本項目及文章的資助，感謝中國地質(zhì)大學(北京)地球物理與信息技術(shù)學院對本項目的支持， 感謝中國地質(zhì)大學(北京)測控技術(shù)與儀器實驗室給本項目提供了完全開放式的實驗條件，感謝張啟升老師的耐心指導。

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大學生創(chuàng)新性實驗計劃項目

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.12.077