基于STM32的電子羅盤設計

龔健穎　劉忠富　金健男　王昊　許斌

摘 要：目前，導航系統大多采用GPS導航，但GPS導航在偏遠地帶容易受到其他波段信號的干擾，有效信號不能完全返回到衛星中，因此穩定性較差。為了解決這一問題，文中設計了一種基于STM32F103RET6單片機的電子羅盤系統，該系統中的磁阻傳感器采用HMC5883，從而有效解決了上述問題。該系統具有性能穩定、功耗低、精度高等優點，能夠在高山、森林或者一些信號較差的地方得到很好的運用。

關鍵詞：HMC5883；電子羅盤；STM32F103RET6單片機；MPU6050

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）12-000-02

0 引 言

GPS在導航定位、測速方面具有廣泛的應用，但在高樓密集的城區和偏遠地帶，GPS信號受到阻擋， 信號精度降低，因而GPS設備不能很好的將信號回饋到衛星[1]。針對這一問題，可以采用電子羅盤和GPS組成導航定向，電子羅盤可以對GPS進行有效的補償[2]。同時，隨著科技的發展，電子羅盤也可以安裝在汽車或者輪船上，當駛入到信號較差的地方時，數字電子羅盤可以起到很大的作用。

本文以HMC5883三軸數字羅盤傳感器為基礎，以STM32F103RET6單片機為微處理器，設計了一款數字電子羅盤。它功耗低，體積小，便于攜帶，而且精度高，在GPS信號差的地方，可以起到一定的導航作用。

1 系統框圖

磁阻傳感器HMC5883測量地球磁場矢量信息，加速度傳感器MPU6050采集重力加速度分量，然后經過AD轉換器模擬量轉換為數字量，采用STM32F103RET6單片機來完成傳感器數據采集，并進行傳感器數據處理和誤差校正，最終得到位置信息并通過LCD顯示結果。系統框圖如圖1所示。

2 硬件電路設計

2.1 電源升壓電路

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

2.2 HMC5883磁阻傳感器電路設計

HMC5883磁阻傳感器接口電路如圖3所示。圖3中HMC5883為數字接口雙軸磁阻傳感器，該傳感器內置ASIC放大器，12位A/D轉換器，I2C總線輸出[3]。R1、R2為上拉電阻，DRDY為數據準備好中斷控制口，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-電橋驅動電路可以產生電流脈沖，使片上的置位/復位電流帶產生磁場給傳感器去磁和極性翻轉[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，具有體積小、重量輕、結構簡單、可靠性好等諸多優勢[5]。該加速度傳感器模塊以MPU6050為核心芯片，其對陀螺儀和加速度計使用了三個16位的ADC模數轉換，將采集到的模擬量轉化為單片機可使用的數字量[6]。模塊引出8個引腳，除了VCC和GND之外，其余6個引腳與單片機I/0口進行連接。其中，SCL為I2C時鐘引腳，SDA為I2C數據引腳。

2.4 單片機最小系統電路圖

主控電路采用STM32F103RET6單片機，其最小系統原理圖如圖5所示。圖中所示的STM32F103RET6單片機具有較強的抗干擾能力，適合本系統設計[7]。晶振為8 MHz的無源晶振經單片機倍頻后作為72 MHz的系統時鐘，單片機為低電平復位，但當復位引腳為低電平后，單片機不會馬上復位，還需要持續一段時間，故電容C13作為緩沖，從而維持一段時間的低電平[8]。BOOT0為啟動模式選擇引腳，當為低電平時為用戶閃存啟動模式，當為高電平時為系統內存啟動模式，本電路默認設置為閃存啟動模式，當需要設置為系統內存啟動模式時可通過按鍵Dow1控制。

2.5 信號調理電路和AD轉換模塊

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

3 系統軟件設計

該系統采用模塊化編寫，便于調試，程序開始后，先讀取預置數，系統各模塊再初始化，選擇是否為測量模式，如果是，然后讀取各項數據；如果不是，則需要校準，校準時先讀取磁場數據，然后計算偏移量，判斷是否存在偏移量，如果有，則需要存入單片機中；若沒有，則直接進入系統初始化。系統具體流程如圖6所示。

4 結 語

電子羅盤系統采用數字磁阻傳感器、雙軸加速度傳感器，處理器采用STM32F103RET6單片機，具有電路結構簡單、集成度高、抗干擾能力強等優點。正常工作時耗電非常低，同時硬件成本低、功耗小，適合用于便攜導航，也可用于其他需要測量傾角和方位角的場合。

參考文獻

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