基于Arduino的HMC5883L電子羅盤(pán)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李佳駿 王洪源

（沈陽(yáng)理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 遼寧沈陽(yáng) 110159）

基于Arduino的HMC5883L電子羅盤(pán)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李佳駿 王洪源

（沈陽(yáng)理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 遼寧沈陽(yáng) 110159）

電子羅盤(pán)是利用地磁場(chǎng)的方向來(lái)測(cè)量航向的一種導(dǎo)航工具，它能夠提供載體實(shí)時(shí)的航向和姿態(tài)，被廣泛地應(yīng)用于航空、航海、車輛導(dǎo)航以及手機(jī)定位系統(tǒng)等領(lǐng)域。該設(shè)計(jì)以AVR單片機(jī)Arduino為控制核心，以HMC5883L為磁場(chǎng)測(cè)量元件。實(shí)現(xiàn)對(duì)載體的實(shí)時(shí)導(dǎo)航和方向控制。采用C語(yǔ)言編程控制HMC5883L的正常數(shù)據(jù)采集，Arduino實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的處理。

Arduino；HMC5883L；電子羅盤(pán)

Arduino是一個(gè)基于AVR單片機(jī)的開(kāi)放原始碼的軟硬件平臺(tái)，軟件開(kāi)放源代碼、硬件電路公開(kāi)、程序開(kāi)發(fā)接口免費(fèi)下載，是在國(guó)際上流行的快速電子設(shè)計(jì)制作的方案。由于Arduino的易用性與擴(kuò)展性強(qiáng)，它的出現(xiàn)使得制作原型變得更快、更好、更簡(jiǎn)單。磁阻傳感器HMC5883L通過(guò)I2C總線采集水平方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度，并將輸出的數(shù)據(jù)通過(guò)Arduino傳到上位機(jī)上。

1 HMC5883L模塊簡(jiǎn)介

HMC5883L是一種采用表面貼裝技術(shù)的高集成模塊。內(nèi)部包括非常先進(jìn)的高分辨率傳感器[1]。可以使其控制在1～2°的誤差范圍內(nèi)。采用的IIC系列總線接口。HMC5883L的引腳示意圖如圖1所示。

圖1 HMC5883L引腳示意圖

HMC5883L有多種操作模式，主要分為連續(xù)、單次測(cè)量模式和閑置模式。

（1）連續(xù)測(cè)量模式

顧名思義，在此模式下，模塊會(huì)在指定的速率下連續(xù)的采集實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)并把它輸出并存儲(chǔ)到寄存器中。在連續(xù)測(cè)量模式下IIC總線可以被電路中的其他裝置啟用。

（2）單次測(cè)量模式

不同于連續(xù)測(cè)量模式，該模式下模塊測(cè)量一次數(shù)據(jù)并將其保存。它是一種供電模式，可以通過(guò)電源管理來(lái)控制。在該模式下寄存器可以保存數(shù)據(jù)并且I2C總線可被其他裝置啟用。

（3）閑置模式

在此模式下，裝置主要是通過(guò)總線接口訪問(wèn)但是主要功能是不可以用的。和其他模式一樣，在空閑模式下I2C總線可被其他裝置啟用。

2 磁場(chǎng)測(cè)量原理

磁北方問(wèn)就是地磁場(chǎng)在水平面上分量的方向。假設(shè)電子羅盤(pán)處于水平面上，要確定其相對(duì)于磁北的航向角口。由磁阻傳感器可以直接得出地磁場(chǎng)的水平分量HX、HY。

由于地磁南北極與地理南北極存在磁偏角，要得到準(zhǔn)確的南北極方向，必須用計(jì)算結(jié)果加上或減去所在地區(qū)磁偏角，得出前進(jìn)方向與地理北極的夾角，即真北方位角。

磁羅盤(pán)通過(guò)測(cè)量地磁場(chǎng)水平方向分量確定磁北極方向并推算出其他方向。當(dāng)羅盤(pán)水平放置時(shí)，傳感器坐標(biāo)系的X、Y軸在水平面內(nèi)，X軸為前進(jìn)方向，Y軸垂直于X軸向右，Z軸沿重力方向向下，從磁北方向順時(shí)針到X軸的夾角即為方位角α。

實(shí)際應(yīng)用中，電子羅盤(pán)并不是始終水平，需要根據(jù)加速度傳感器測(cè)得的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角，通過(guò)坐標(biāo)變換，將磁傳感器測(cè)得的磁場(chǎng)強(qiáng)度分量折算到水平方向，再計(jì)算方位角。俯仰角φ為羅盤(pán)縱軸與水平面之間的夾角，滾轉(zhuǎn)角θ為羅盤(pán)Z軸與過(guò)X軸的鉛垂面之間的夾角。當(dāng)羅盤(pán)處于非水平狀態(tài)時(shí)，測(cè)得重力加速度g在羅盤(pán)三軸方向的分量分別為Ax，Ay，Az，則根據(jù)坐標(biāo)關(guān)系可求得俯仰角和滾轉(zhuǎn)角為：

此時(shí)，磁傳感器測(cè)出的地磁場(chǎng)在羅盤(pán)三軸方向的分量為Hx，Hy，Hz，由坐標(biāo)關(guān)系得水平方向磁分量：

利用三角函數(shù)關(guān)系可求得方位角為：

3 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是以Arduino為平臺(tái)開(kāi)發(fā)的，使用的是類C的Arduino語(yǔ)言，Arduino語(yǔ)言是以Setup（）開(kāi)頭，Loop（）作為主體的一個(gè)程序架構(gòu)。本設(shè)計(jì)在Setup（）函數(shù)中完成端口的初始化，即通過(guò)調(diào)用“I2Cdev.h”庫(kù)函數(shù)和“HMC5883L.h”庫(kù)函數(shù)來(lái)定義HMC5883L和Arduino的數(shù)據(jù)通信以及HMC5883L的數(shù)據(jù)采集。在應(yīng)用程序中對(duì)定義的端口進(jìn)行操作來(lái)控制顯示。

Loop函數(shù)是Arduino軟件項(xiàng)目的主體函數(shù)，當(dāng)Setup函數(shù)執(zhí)行完成以后就進(jìn)入Loop函數(shù)，該函數(shù)無(wú)限循環(huán)，調(diào)用的應(yīng)用程序就放在該函數(shù)中運(yùn)行。

應(yīng)用程序主要實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)HMC5883L的數(shù)據(jù)采集與處理。

程序中所用到的主要基本顯示函數(shù)有：

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)使用Arduino單片機(jī)作為控制核心，用數(shù)據(jù)采集程序控制數(shù)據(jù)采集，用HMC5883L來(lái)測(cè)量數(shù)據(jù)并輸出到上位機(jī)。由于電子羅盤(pán)廣泛應(yīng)用于各類導(dǎo)航場(chǎng)所，所以本設(shè)計(jì)的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用性很強(qiáng)。此外，Arduino單片機(jī)簡(jiǎn)單易學(xué)的這一特點(diǎn)會(huì)使得越來(lái)越多的人對(duì)Arduino單片機(jī)產(chǎn)生興趣，同時(shí)推動(dòng)世界智能化的發(fā)展。

[1]宋麗君.基于MEMS器件的航向姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的研究[D].西北工業(yè)大學(xué)，2007.

TN966

A

1004-7344（2016）20-0270-01

2016-7-1