手搖式發電戶外定位裝置的硬件及軟件設計與實現

王一名　曲延華　趙宇峰　張佳琪

摘要：本裝置以手搖式小型直流機發電，為戶外人員隨時提供定位。以嵌入式單片機為定位信息通信核心，可實現對電子羅盤模塊、GPS全球衛星定位模塊實時檢測到的定位通信數據進行綜合處理，由OLED屏幕顯示當前位置信息的各項參數；可在極短時間內測量當前數據并顯示。本裝置經測試，運行良好、信號傳輸穩定、性能達到設計要求。

關鍵詞：單片機 戶外定位 戶外發電 手搖式

中圖分類號：TN86 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）09-0176-01

1 引言

本款手搖式戶外便攜式設備，針對廣大喜好戶外遠足運動的人員進行研發制造，為了解決在戶外出現意外時，無法辨別方向從而發生危險的問題。本款產品解除了以往本類產品對電池的依賴，利用小型手搖發電機作為各個模塊的提供工作的電能。本款產品可以通過傳感器采集地磁數據再通過測得其他數據以及固定的算法從而得到滿足一定精度的地磁數據。本產品也可以通過接受4個衛星數據從而確定明確的地理位置。以此達到定位的效果。

2 設計構想

本款手搖式戶外便攜式設備，主要是針對廣大喜好戶外遠足運動的人員進行研發制造。主要是為了解決在戶外出現意外時，無法辨別方向從而發生危險的問題。本款產品解除了以往本類產品對電池的依賴，利用小型手搖發電機為各個模塊提供電能。

本系統設計了一個合理的顯示界面，保證界面直觀易懂的同時能夠有效防止操作人員的誤解讀。本設計能夠保證單片機和各個電子模塊之間的通信準確穩定的進行，而且能夠保證通信速度與質量。采用了I2C、NMEA-0183、UBX等三個主要通訊協議，保證了報文傳輸的可靠性、準確性、快速性和實時性。電子羅盤模塊與單片機之間的通信采用了I2C通信協議，GPS全球衛星定位模塊與單片機之間采用了NMEA-0183和UBX通訊協議，這樣不僅能保證有較高的采樣頻率，同時還保證了通信的穩定性和準確性。

3 硬件組成

發電器件作為能量來源，通過小型手搖式發電機通過機械運動將機械能由直流發電機轉換為電能提供能源，令本實用新型正常使用。

新型采用了STM8S208型號單片機，電子羅盤型號為GY-86，內置加速度傳感器ADXL345、磁場強度傳感器HMC5883L、三軸陀螺儀ITG3205、氣壓傳感器BMP085，GPS模塊型號為ATK-NEO-6M，0.96寸OLED顯示屏采用SSD1306驅動芯片。

利用STM8S208型號單片機編程，將傳感器模塊的信號經過算法計算之后得出地磁位置，然后將位置信息數據存入RAM的一個數組中，再通過OLED把數組里的值顯示出來即顯示了地理位置，轉換電路可令電壓平穩，按需求升壓或降壓后為傳感器器件供能，使之正常工作。

GY-86型號電子羅盤在通電工作的時候，傳感器模塊正常工作，輸出所需位置信息等數據返回到單片機中。

ATK-NEO-6M型號GPS模塊負責搜尋GPS信號，當GPS模塊內置電池沒電的情況下，通電之后，GPS模塊為冷啟動模式，由于硬件原因，最短需要27秒時間搜尋GPS信號，搜尋到信號后傳遞給單片機進行運算，在斷電后，GPS模塊內置電池可以提供大約30分鐘的供電時間，令GPS模塊可以繼續工作并記錄數據。當GPS模塊在內置電池供電的時間段內重新工作時，若再次檢測的信號不正常，則需要27秒時間進行檢測；若再次檢測的信號正常，則可1秒立即工作。兩種模塊協同工作以達成位置定位、方向判別的功能目標。

OLED顯示屏采用SSD1306驅動芯片，擁有支持3V-5V直流電壓、低功耗、兼容眾多控制芯片、可視角度大、128*64分辨率、采用自發光單元等優點。程序控制單片機，將所需要顯示的數據輸出顯示到OLED顯示屏中，以達成位置信息和方向判別的顯示目的。硬件組成示意如下如圖1所示。

4 手搖式小型發電裝置

在發電器件工作后，不穩定電壓會經過整流電路、濾波電路和穩壓電路進行處理。整流電路的作用是將交流降壓電路輸出的電壓較低的交流電轉換成單向脈動性直流電，這就是交流電的整流過程，整流電路主要由整流二極管組成。經過整流電路之后的電壓已經不是交流電壓，而是一種含有直流電壓和交流電壓的混合電壓，習慣上稱單向脈動性直流電壓。

濾波電路常用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負載電阻兩端并聯電容器C，或與負載串聯電感器L，以及由電容，電感組成而成的各種復式濾波電路。

穩壓電路是在輸入電壓、負載、環境溫度、電路參數等發生變化時仍能保持輸出電壓恒定的電路。這種電路能提供穩定的直流電源，廣為各種電子設備所采用。如圖2所示。

5 軟件流程圖

5.1 模塊初始化

開機上電后對單片機、OLED顯示屏、電子羅盤和GPS模塊的初始化工作。對單片機設置串口工作模式、設置波特率和中斷工作模式；對OLED顯示屏設置顯示模式與畫面；完成對GPS模塊串口的成功通信。

5.2 數據接收模塊處理

數據接收處理模塊負責處理從GPS接收到的數據。在單片機串口收到信息后，先判別是否為語句引導頭，再接收信息內容，然后根據語句標識區分出信息類別以對收到ASCⅡ碼進行處理顯示。若整個數據接收正確，便對數據進行處理；若接收不正確，則重新進行接收。

6 結語

本設計采用了嵌入式單片機和相關電子模塊，尺寸緊湊，功能先進。解決了模塊與模塊之間、模塊與單片機之間的通訊問題，使各個功能模塊形成一個整體，并提供了實時定位等目標功能。

本機具有操作簡單、直觀易懂，并能夠避免誤操作；經測試，該樣機運行良好，通信穩定，各項性能均達到設計要求。

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