基于STM32的电子罗盘设计

龚健颖　刘忠富　金健男　王昊　许斌

摘 要：目前，导航系统大多采用GPS导航，但GPS导航在偏远地带容易受到其他波段信号的干扰，有效信号不能完全返回到卫星中，因此稳定性较差。为了解决这一问题，文中设计了一种基于STM32F103RET6单片机的电子罗盘系统，该系统中的磁阻传感器采用HMC5883，从而有效解决了上述问题。该系统具有性能稳定、功耗低、精度高等优点，能够在高山、森林或者一些信号较差的地方得到很好的运用。

关键词：HMC5883；电子罗盘；STM32F103RET6单片机；MPU6050

中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）12-000-02

0 引 言

GPS在导航定位、测速方面具有广泛的应用，但在高楼密集的城区和偏远地带，GPS信号受到阻挡， 信号精度降低，因而GPS设备不能很好的将信号回馈到卫星[1]。针对这一问题，可以采用电子罗盘和GPS组成导航定向，电子罗盘可以对GPS进行有效的补偿[2]。同时，随着科技的发展，电子罗盘也可以安装在汽车或者轮船上，当驶入到信号较差的地方时，数字电子罗盘可以起到很大的作用。

本文以HMC5883三轴数字罗盘传感器为基础，以STM32F103RET6单片机为微处理器，设计了一款数字电子罗盘。它功耗低，体积小，便于携带，而且精度高，在GPS信号差的地方，可以起到一定的导航作用。

1 系统框图

磁阻传感器HMC5883测量地球磁场矢量信息，加速度传感器MPU6050采集重力加速度分量，然后经过AD转换器模拟量转换为数字量，采用STM32F103RET6单片机来完成传感器数据采集，并进行传感器数据处理和误差校正，最终得到位置信息并通过LCD显示结果。系统框图如图1所示。

2 硬件电路设计

2.1 电源升压电路

电源是电子罗盘系统正常工作的基础，电源的好坏直接影响电路工作的稳定性，STM32F103RET6单片机的工作电压都是3.3 V，而电子罗盘系统使用1.2 V锂电池供电。本系统采用NCP1400ASN30T1G升压芯片，把1.2 V电压提升到3.3 V，供给系统各部分作为电源。电源电路如图2所示。

2.2 HMC5883磁阻传感器电路设计

HMC5883磁阻传感器接口电路如图3所示。图3中HMC5883为数字接口双轴磁阻传感器，该传感器内置ASIC放大器，12位A/D转换器，I2C总线输出[3]。R1、R2为上拉电阻，DRDY为数据准备好中断控制口，接控制器中断输入口。电容C1、C2加上传感器片上ASIC电路中的H-电桥驱动电路可以产生电流脉冲，使片上的置位/复位电流带产生磁场给传感器去磁和极性翻转[4]。

2.3 加速度传感器接口电路

图4所示的加速度传感器采用MPU6050，该加速度传感器采用三轴陀螺仪技术，具有体积小、重量轻、结构简单、可靠性好等诸多优势[5]。该加速度传感器模块以MPU6050为核心芯片，其对陀螺仪和加速度计使用了三个16位的ADC模数转换，将采集到的模拟量转化为单片机可使用的数字量[6]。模块引出8个引脚，除了VCC和GND之外，其余6个引脚与单片机I/0口进行连接。其中，SCL为I2C时钟引脚，SDA为I2C数据引脚。

2.4 单片机最小系统电路图

主控电路采用STM32F103RET6单片机，其最小系统原理图如图5所示。图中所示的STM32F103RET6单片机具有较强的抗干扰能力，适合本系统设计[7]。晶振为8 MHz的无源晶振经单片机倍频后作为72 MHz的系统时钟，单片机为低电平复位，但当复位引脚为低电平后，单片机不会马上复位，还需要持续一段时间，故电容C13作为缓冲，从而维持一段时间的低电平[8]。BOOT0为启动模式选择引脚，当为低电平时为用户闪存启动模式，当为高电平时为系统内存启动模式，本电路默认设置为闪存启动模式，当需要设置为系统内存启动模式时可通过按键Dow1控制。

2.5 信号调理电路和AD转换模块

信号调理电路由AD7705芯片控制，AD7705串行接口可配置为三线接口[9]。增益值、信号极性及更新速率的选择可用串行输入口由软件来配置。该器件还包括自校准和系统校准选项，以消除器件本身或系统的增益和偏移误差，且耗电极低[10]。

3 系统软件设计

该系统采用模块化编写，便于调试，程序开始后，先读取预置数，系统各模块再初始化，选择是否为测量模式，如果是，然后读取各项数据；如果不是，则需要校准，校准时先读取磁场数据，然后计算偏移量，判断是否存在偏移量，如果有，则需要存入单片机中；若没有，则直接进入系统初始化。系统具体流程如图6所示。

4 结 语

电子罗盘系统采用数字磁阻传感器、双轴加速度传感器，处理器采用STM32F103RET6单片机，具有电路结构简单、集成度高、抗干扰能力强等优点。正常工作时耗电非常低，同时硬件成本低、功耗小，适合用于便携导航，也可用于其他需要测量倾角和方位角的场合。

参考文献

[1] 碗得福，马兴隆.磁性物理学[M].成都：电子科技大学出版社，1994.

[2] 陈伟韬.基于MEMS传感器的电子罗盘系统的设计[D].广州：广东工业大学，2013.

[3] 胡宁博，李剑，赵榉云.基于HMC5883的电子罗盘设计[J].传感器世界，2011（6）：35-39.

[4] 郭检柟.基于磁阻芯片和 MSP430 单片机的电子罗盘设计[J].信息与电子工程，2010，8（1）：12-15.

[5]熊剑，刘建业，孙永荣，等.数字磁罗盘的研制[J].传感器技术，2004，23（8）：46-48.

[6] 蒋海涛，郭站营.基于 MEMS 加速度传感器的飞行器倾角测量系统设计[J] .计算机测量与控制，2010，18（1）：107-109.

[7] 邰莉.三维磁阻式电子罗盘的设计与实现[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2009.

[8] 彭军.传感器与检测技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2003.

[9] 刘武发，蒋蓁，龚振邦.基于磁阻和MEMS加速度传感器的电子罗盘设计及应用[J].兵工学报，2008，29（2）：244-248.

[10] 刘宇，陈箫，李锦明，等.基于GPS/电子罗盘的测姿定位系统[J].计算机测量与控制，2011，19（10）：2370-2372.