使用Arduino开发板和HMC5883L磁力计制作数字罗盘

风筝

人类大脑由复杂的结构层构成，这让我们成为地球上的优势物种。例如，大脑中的内嗅皮层可以让您感觉方向，帮助您轻松导航您不熟悉的地方。但与我们不同的是，机器人和无人驾驶飞行器UAV需要一些辅助设备才能获得这种方向感，这样他们就可以在新的地形和风景中自主操纵。不同的机器人使用不同类型的传感器来实现这一点，但常用的是磁力计，它可以通知机器人当前面向的地理方向。这不仅有助于机器人感知方向，还可以以预定义的方向和角度中转弯。

由于传感器可以指示地理位置上的南、北、东和西，我们人类也可以在需要时使用它。因此，在本篇文章中，让我们尝试了解磁力计传感器的工作原理以及如何将其连接到Arduino开发板等微控制器。在文章中，我们将制作一个很酷的数字罗盘，它可以点亮指向北方向的LED灯来帮助我们辨别出方向。这款数字罗盘的PCB是在PCBGOGO网站制作，这样下次我出去的时候就可以随身携带它，并希望在我迷路的时候，可以使用它找到回家的路。让我们开始吧。

所需的组件

●    Arduino Pro mini开发板

●    HMC5883L磁力计传感器

●    8个LED指示灯

●    470欧姆电阻

●    FTDI Programmer烧写器

●    PC /笔记本电脑

什么是磁力计？它是如何工作的？

在深入研究电路之前，让我们先了解一下磁力计及其工作原理。顾名思义，Magneto这个词并不是指那个可以通过弹奏钢琴来控制金属疯狂的万磁王。不过，我很喜欢那个很酷的家伙。

磁力计实际上是一种能够感应地球磁极并根据其指向方向的设备。我们都知道地球是一块巨大的球形磁铁，有北极和南极。因此有磁场。磁力计可以感应到这个磁场，并且根据磁场的方向，它可以检测到我们所面对的方向。

HMC5883L传感器模块的工作原理

作为磁力计传感器的HMC5883L也是同样原理。该传感器模块使用的是霍尼韦尔的HMC5883L。该IC内部有3个磁阻材料，放置在轴x、y和z中。流过这些材料的电流量对地球的磁场敏感。因此，通过测量流过这些材料的电流变化，我们可以检测到地球磁场的变化。一旦磁场发生变化，就可以通过I2C协议将值发送到任何嵌入式控制器，如微控制器或处理器。

由于传感器通过感应磁场工作，如果在附近放置金属，输出值将受到很大影响。可以利用这种现象将这些传感器用作金属探测器。应注意不要在此传感器附近放置磁铁，因为磁铁的强磁场可能会触发传感器上的错误值。

HMC5883L和QMC5883L之间的区别

对于许多初学者来说，这些传感器很容易令人混淆。这是因为一些供应商（实际上是大多数）销售的是QMC5883L传感器而不是霍尼韦尔的原装HMC5883L。这主要是因为QMC5883L比HMC5883L模块便宜。可悲的是，这两个传感器的工作略有不同，两者都不能使用相同的代码。这是因为两个传感器的I2C地址不一样。本教程中的代码仅适用于常用的传感器模块QMC5883L。

要想知道您所拥有的传感器型号，您只需要仔细查看IC本身，读取其上面的内容。如果它写的是类似L883那么它就是HMC58836L，如果写的是像DA5883那么它就是QMC5883L IC。两个模块如下图所示。

电路原理图

这款基于Arduino的数字罗盘的电路非常简单，我们只需要将HMC5883L传感器与Arduino连接，并将8个LED连接到Arduino Pro mini的GPIO引脚。完整的电路图如下所示

传感器模块有5个引脚，因为我们在连续模式下操作传感器，因此我们的项目中没有使用DRDY（数据就绪）。 Vcc和接地引脚通过Arduino板上的5V为模块供电。 SCL和SDA是I2C通信总线，分别连接到Arduino Pro mini的I2C引脚A4和A5。由于模块本身在线路上有一个上拉电阻，因此无需在外部添加它们。

为了指示方向，我们使用了8个LED灯，所有这些LED都通过470欧姆的限流电阻连接到Arduino的GPIO引脚。完整电路由9V电池供电。该9V直接提供给Arduino的Vin引脚，使用Arduino上的板载稳压器将其调节至5V。然后，该5V用于为传感器和Arduino供电。

制造数字罗盘的PCB

该电路的想法是将8个LED以圆形方式放置，使得每个Led分别指向所有8个方向，即分别为北、东北、东、东南、南、西南、西和西北。因此，将它们整齐地安排在面包板上并不容易。为此电路开发PCB将使其看起来更整洁，易于使用。所以我使用PCB设计软​​件，将LED和电阻器放在一个整齐的圆形图案中，并连接了导线连接在一起。完成后，我的PCB设计看起来如下所示。您也可以从给定的链接下载Gerber文件。

我将它设计成双面板，因为我希望Arduino位于PCB的底部，这样它就不会破坏PCB顶部的外观。

现在，我们的设计准备就绪，是时候让它们制作完成了。要完成PCB操作非常简单，只需按照以下步骤操作即可

第1步：进入www.pcbgogo.com，如果这是您第一次访问，请先注册账号。然后，在PCB Prototype选项卡中输入PCB的尺寸、层数和所需的PCB数量。我的PCB是80厘米×80厘米，所以选项卡如下所示

第2步：单击“立即报价”按钮继续。如果需要，您将进入一个页面，在那里设置一些额外的参数，如使用的材料、导线间距等。但大多数默认值都可以。我们在这里唯一需要考虑的是价格和时间。正如您所看到的，制作时间仅为2-3天，我们的PSB仅需5美元。然后，您可以根据您的要求选择首选送货方式。

第3步：最后一步是上传Gerber文件并继续付款。为了确保流程顺利，PCBGOGO会在继续付款之前验证您的Gerber文件是否有效。通过这种方式，您可以确保您的PCB具有制造友好性，并可以按照承诺与您联系。

PCB电路板装配

在订购了这块板之后，几天后就收到一个整齐标记好的包装盒中的快递，并且像PCB的质量令人敬畏。我分享下面几块电路板的图片。

然后我开始组装电路板。由于封装、焊盘、过孔和丝网印刷的形状和尺寸都非常合适，因此组装电路板时没有任何问题。仅仅用了十几分钟，电路板就焊接好了。

焊接后电路板的图片如下所示。

风筝

编程Arduino开发板

现在硬件已准备就绪，让我们看一下上传到Arduino开发板的程序。该代码主要是从QMC5883L磁力计传感器读取数据并将其转换为度数（0到360）。当我们得到角度值，就可以点亮相应的LED灯来指向特定方向。本例中LED指向的方向是北。因此，无论您身在何处，电路板上只会有一个LED发光，LED的方向表示NORTH方向。

在本篇文章的末尾处列出了数字罗盘的完整代码。您可以在包含库后直接将代码上传到您的开发板上，然后就可以开始使用了。但是，如果您想进一步了解代码是如何处理的，请进一步阅读。

如前所述，我们使用的是QMC5883L，要想与该IC通信，需要知道其寄存器的I2C地址，这可以在其数据手册中找到。幸运的是，我们所有这一切都已经完成，并被一个名为keepworking在Github上的人打包成一个库。因此，您只需通过单击链接获取ZIP文件，即可下载QMC5883L库。然后，可以通过以下草图 - >包含库 - >添加.ZIP库将此ZIP文件添加到Arduino IDE中。

添加库后，我们可以了解程序。首先程序中包含所需的库文件，如下所示。wire库用于启用I2C通信，MechaQMC5883库是我们刚刚添加到Arduino的那个。该库包含有关如何与EMC5883L传感器通信的所有信息。

1. #include <Wire.h> //Wire Librarey for I2C communication
   
2. #include <MechaQMC5883.h> //QMC5883 Librarey is added since mine is QMC583 and not HMC5883

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在接下来的代码行中，我们为使用的传感器创建一个对象。我使用的名称是qmc，但它可以是其他名字。

1. MechaQMC5883 qmc; //Create an object name for the snsor, I have named it as qmc

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接下来，我们介绍全局变量声明。这里由于我们有8个Led作为输出，很难通过引脚名称来引用每个引脚，因此我们使用数组选项来引用所有LED。数组的名称是ledPins，变量led_count是我们拥有的led数。它从0开始。

1. int ledPins[] = {2,3,4,5,6,7,8,9}; //Array of output pin to which the LED is connected to
   
2. char led_count = 7; //Total number of LED pins

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在void setup函数中，我们初始化I2C通信、串行通信和传感器。然后将所有LED引脚声明为输出引脚。由于我们使用了一个数组，因此很容易通过使用for循环并在for循环中导航来引用所有引脚，如下所示。

1. void setup() {
   
2.   Wire.begin(); //Begin I2C communication
   
3.   Serial.begin(9600); //Begin Serial Communication
   
4.   qmc.init(); //Initialise the QMC5883 Sensor
   
5. 
   
6.   for (int thisPin=0; thisPin <= led_count; thisPin++){ //Navigate through all the pins in array
   
7.     pinMode(ledPins[thisPin],OUTPUT); //Declare them as output
   
8.   }
   
9. }

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在主循环中，我们必须从传感器获取、y和z的值，并计算传感器当前所面向的角度。要读取x、y和z的值，请使用以下代码

1. int x,y,z;
   
2. qmc.read(&x,&y,&z); //Get the values of X,Y and Z from sensor

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计算出角度数的公式如下所示。由于我们不打算沿z轴旋转指南针，因此我们不考虑该值。只有当IC平面朝向我们的设置时，才能使用此公式。一旦计算了航向，该值将在-180到180的范围内，我们必须将其转换为0到360，就像我们在所有数字罗盘中找到的那样。

1. int heading=atan2(x, y)/0.0174532925; //Calculate the degree using X and Y parameters with this formulae
   
2. //Convert result into 0 to 360
   
3.   if(heading < 0)
   
4.   heading+=360;
   
5.   heading = 360-heading;

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最后一步是使指向北方向的LED发光。为此，我们有一系列if条件语句，我们检查当前角度值的范围，然后根据它点亮LED。代码如下所示

1. //Based on the value of heading print the result for debugging and glow the respective LED.
   
2.   if (heading > 338 || heading < 22)
   
3.   {
   
4.     Serial.println("NORTH");
   
5.     digitalWrite(ledPins[0],HIGH);
   
6.   }
   
7. 
   
8.   if (heading > 22 && heading < 68)
   
9.   {
   
10.     Serial.println("NORTH-EAST");
    
11.     digitalWrite(ledPins[7],HIGH);
    
12.   }
    
13. 
    
14.   if (heading > 68 && heading < 113)
    
15.   {
    
16.     Serial.println("EAST");
    
17.     digitalWrite(ledPins[6],HIGH);
    
18.   }
    
19. 
    
20.   if (heading > 113 && heading < 158)
    
21.   {
    
22.     Serial.println("SOUTH-EAST");
    
23.     digitalWrite(ledPins[5],HIGH);
    
24.   }
    
25. 
    
26.   if (heading > 158 && heading < 203)
    
27.   {
    
28.     Serial.println("SOUTH");
    
29.     digitalWrite(ledPins[4],HIGH);
    
30.   }
    
31. 
    
32.   if (heading > 203 && heading < 248)
    
33.   {
    
34.     Serial.println("SOTUH-WEST");
    
35.     digitalWrite(ledPins[3],HIGH);
    
36.   }
    
37. 
    
38.   if (heading > 248 && heading < 293)
    
39.   {
    
40.     Serial.println("WEST");
    
41.     digitalWrite(ledPins[2],HIGH);
    
42.   }
    
43. 
    
44.   if (heading > 293 && heading < 338)
    
45.   {
    
46.     Serial.println("NORTH-WEST");
    
47.     digitalWrite(ledPins[1],HIGH);
    
48.   }

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通过查看下表可以理解代码值背后的逻辑。基本上我们计算出我们面向的方向并预测北方并使相应的LED发光。

方向	与Direction相对应的角度	该方向的范围
北	0°/ 360°	> 338°或<22°
东北	45°	22°至68°
东	90°	68°至113°
东南	135°	113°至158°
南	180°	158°至203°
西南	225°	203°至248°
西	270℃	248°至293°
西北	315°	293°至338°

该程序的最后一部分是设置结果的更新速度。我已经创建了一个500毫秒的延迟，然后关闭所有的LED再次从void循环内部的第一个开始。但如果您需要更快的更新，您可以进一步减少延迟。

1.   delay(500); // update position of LED for every alf seconds
   
2. //Turn off the all the LED
   
3.     for (int thisPin=0; thisPin <= led_count; thisPin++){
   
4.      digitalWrite(ledPins[thisPin],LOW);
   
5.   }

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测试数字罗盘

我们使用的是Arduino pro mini开发板，所以需要一个类似于FTDI Programmer烧写器上传程序。完成后，您应该注意到一块LED在电路板上发光，LED发光的方向将是NORTH方向。

然后，您可以旋转它，并检查LED是否仍然指向北方向。之后，您可以随时使用9V电池为设备供电，并检查您所面对的方向是否正确。您可能会注意到，当您的电路板附近有重金属片或者沿着Z轴旋转电路板时，这些值会出错。在下一篇文章中，我们将介绍解决方法。

希望你喜欢本篇文章并从中学到一些有用的东西。以下是本篇本篇文章的全部代码： main.rar (1.17 KB, 下载次数: 31)

2018-11-28 19:51 上传

点击文件名下载附件

aptx4869

请问到底是HMC5883L还是QMC5883L？