基于STM32的電子羅盤設(shè)計(jì)

龔健穎　劉忠富　金健男　王昊　許斌

摘 要：目前，導(dǎo)航系統(tǒng)大多采用GPS導(dǎo)航，但GPS導(dǎo)航在偏遠(yuǎn)地帶容易受到其他波段信號(hào)的干擾，有效信號(hào)不能完全返回到衛(wèi)星中，因此穩(wěn)定性較差。為了解決這一問(wèn)題，文中設(shè)計(jì)了一種基于STM32F103RET6單片機(jī)的電子羅盤系統(tǒng)，該系統(tǒng)中的磁阻傳感器采用HMC5883，從而有效解決了上述問(wèn)題。該系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、功耗低、精度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠在高山、森林或者一些信號(hào)較差的地方得到很好的運(yùn)用。

關(guān)鍵詞：HMC5883；電子羅盤；STM32F103RET6單片機(jī)；MPU6050

中圖分類號(hào)：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）12-000-02

0 引 言

GPS在導(dǎo)航定位、測(cè)速方面具有廣泛的應(yīng)用，但在高樓密集的城區(qū)和偏遠(yuǎn)地帶，GPS信號(hào)受到阻擋， 信號(hào)精度降低，因而GPS設(shè)備不能很好的將信號(hào)回饋到衛(wèi)星[1]。針對(duì)這一問(wèn)題，可以采用電子羅盤和GPS組成導(dǎo)航定向，電子羅盤可以對(duì)GPS進(jìn)行有效的補(bǔ)償[2]。同時(shí)，隨著科技的發(fā)展，電子羅盤也可以安裝在汽車或者輪船上，當(dāng)駛?cè)氲叫盘?hào)較差的地方時(shí)，數(shù)字電子羅盤可以起到很大的作用。

本文以HMC5883三軸數(shù)字羅盤傳感器為基礎(chǔ)，以STM32F103RET6單片機(jī)為微處理器，設(shè)計(jì)了一款數(shù)字電子羅盤。它功耗低，體積小，便于攜帶，而且精度高，在GPS信號(hào)差的地方，可以起到一定的導(dǎo)航作用。

1 系統(tǒng)框圖

磁阻傳感器HMC5883測(cè)量地球磁場(chǎng)矢量信息，加速度傳感器MPU6050采集重力加速度分量，然后經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換器模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，采用STM32F103RET6單片機(jī)來(lái)完成傳感器數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)處理和誤差校正，最終得到位置信息并通過(guò)LCD顯示結(jié)果。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 電源升壓電路

電源是電子羅盤系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)，電源的好壞直接影響電路工作的穩(wěn)定性，STM32F103RET6單片機(jī)的工作電壓都是3.3 V，而電子羅盤系統(tǒng)使用1.2 V鋰電池供電。本系統(tǒng)采用NCP1400ASN30T1G升壓芯片，把1.2 V電壓提升到3.3 V，供給系統(tǒng)各部分作為電源。電源電路如圖2所示。

2.2 HMC5883磁阻傳感器電路設(shè)計(jì)

HMC5883磁阻傳感器接口電路如圖3所示。圖3中HMC5883為數(shù)字接口雙軸磁阻傳感器，該傳感器內(nèi)置ASIC放大器，12位A/D轉(zhuǎn)換器，I2C總線輸出[3]。R1、R2為上拉電阻，DRDY為數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好中斷控制口，接控制器中斷輸入口。電容C1、C2加上傳感器片上ASIC電路中的H-電橋驅(qū)動(dòng)電路可以產(chǎn)生電流脈沖，使片上的置位/復(fù)位電流帶產(chǎn)生磁場(chǎng)給傳感器去磁和極性翻轉(zhuǎn)[4]。

2.3 加速度傳感器接口電路

圖4所示的加速度傳感器采用MPU6050，該加速度傳感器采用三軸陀螺儀技術(shù)，具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好等諸多優(yōu)勢(shì)[5]。該加速度傳感器模塊以MPU6050為核心芯片，其對(duì)陀螺儀和加速度計(jì)使用了三個(gè)16位的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換，將采集到的模擬量轉(zhuǎn)化為單片機(jī)可使用的數(shù)字量[6]。模塊引出8個(gè)引腳，除了VCC和GND之外，其余6個(gè)引腳與單片機(jī)I/0口進(jìn)行連接。其中，SCL為I2C時(shí)鐘引腳，SDA為I2C數(shù)據(jù)引腳。

2.4 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖

主控電路采用STM32F103RET6單片機(jī)，其最小系統(tǒng)原理圖如圖5所示。圖中所示的STM32F103RET6單片機(jī)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，適合本系統(tǒng)設(shè)計(jì)[7]。晶振為8 MHz的無(wú)源晶振經(jīng)單片機(jī)倍頻后作為72 MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘，單片機(jī)為低電平復(fù)位，但當(dāng)復(fù)位引腳為低電平后，單片機(jī)不會(huì)馬上復(fù)位，還需要持續(xù)一段時(shí)間，故電容C13作為緩沖，從而維持一段時(shí)間的低電平[8]。BOOT0為啟動(dòng)模式選擇引腳，當(dāng)為低電平時(shí)為用戶閃存啟動(dòng)模式，當(dāng)為高電平時(shí)為系統(tǒng)內(nèi)存啟動(dòng)模式，本電路默認(rèn)設(shè)置為閃存啟動(dòng)模式，當(dāng)需要設(shè)置為系統(tǒng)內(nèi)存啟動(dòng)模式時(shí)可通過(guò)按鍵Dow1控制。

2.5 信號(hào)調(diào)理電路和AD轉(zhuǎn)換模塊

信號(hào)調(diào)理電路由AD7705芯片控制，AD7705串行接口可配置為三線接口[9]。增益值、信號(hào)極性及更新速率的選擇可用串行輸入口由軟件來(lái)配置。該器件還包括自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)選項(xiàng)，以消除器件本身或系統(tǒng)的增益和偏移誤差，且耗電極低[10]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用模塊化編寫(xiě)，便于調(diào)試，程序開(kāi)始后，先讀取預(yù)置數(shù)，系統(tǒng)各模塊再初始化，選擇是否為測(cè)量模式，如果是，然后讀取各項(xiàng)數(shù)據(jù)；如果不是，則需要校準(zhǔn)，校準(zhǔn)時(shí)先讀取磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，然后計(jì)算偏移量，判斷是否存在偏移量，如果有，則需要存入單片機(jī)中；若沒(méi)有，則直接進(jìn)入系統(tǒng)初始化。系統(tǒng)具體流程如圖6所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

電子羅盤系統(tǒng)采用數(shù)字磁阻傳感器、雙軸加速度傳感器，處理器采用STM32F103RET6單片機(jī)，具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、集成度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。正常工作時(shí)耗電非常低，同時(shí)硬件成本低、功耗小，適合用于便攜導(dǎo)航，也可用于其他需要測(cè)量?jī)A角和方位角的場(chǎng)合。

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