基于STM32的電子羅盤(pán)設(shè)計(jì)

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(pán)和 GPS組成導(dǎo)航定向，電子羅盤(pán)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(pán)也可以安裝在汽車(chē)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(pán)可以起到很大的作用。

本文以 HMC5883三軸數(shù)字羅盤(pán)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(pán)。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(pán)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(pán)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]。R 、R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(pán)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。