構(gòu)建一個很酷數(shù)字羅盤的教程分享

人類的大腦是由復(fù)雜的結(jié)構(gòu)層構(gòu)建的，這有助于我們成為地球上的主導(dǎo)物種。例如，大腦中的內(nèi)嗅皮層可以給你方向感，幫助你輕松地在你不熟悉的地方導(dǎo)航。但與我們不同的是，機(jī)器人和無人駕駛的Ariel車輛需要一些東西來獲得這種方向感，這樣它們就可以在新的地形和景觀中自主操縱。不同的機(jī)器人使用不同類型的傳感器來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，但常用的傳感器是磁力計(jì)，它可以通知機(jī)器人當(dāng)前面向的地理圖形方向。這不僅可以幫助機(jī)器人感知方向，還可以在預(yù)定義的方向和天使中輪流。

由于傳感器可以指示北，南，東和西的地理圖形，我們?nèi)祟愐部梢栽谛枰獣r使用它。因此，在本文中，讓我們嘗試了解磁力計(jì)傳感器的工作原理以及如何將其與Arduino等微控制器接口。在這里，我們將構(gòu)建一個很酷的數(shù)字羅盤，它將通過發(fā)光指向北方向的LED來幫助我們找到方向。這個數(shù)字羅盤是整齊地在PCBGO上制造的，這樣我下次去野外時就可以攜帶它，并希望我能迷路，只是為了用這個東西找到回家的路。讓我們開始吧。

阿爾杜伊諾指南針項(xiàng)目所需材料

阿爾杜伊諾專業(yè)迷你版

HMC5883L磁力計(jì)傳感器

LED 燈 - 8 否

470歐姆電阻器 – 8Nos

桶杰克

像PCB戈這樣的可靠印刷電路板制造商

小型 FTDI 編程器

個人電腦/筆記本電腦

什么是磁力計(jì)，它是如何工作的？

在我們深入研究電路之前，讓我們先了解一下磁力計(jì)及其工作原理。顧名思義，萬磁王這個詞并不是指那個瘋狂的變種人，他可以通過在空中彈鋼琴來控制金屬。哦！但我喜歡那個很酷的家伙。

磁力計(jì)實(shí)際上是一種設(shè)備，可以感應(yīng)地球的磁極，并據(jù)此指向方向。我們都知道，地球是巨大的球形磁鐵，有北極和南極。因此存在磁場。磁力計(jì)感測這個磁場，并根據(jù)磁場的方向，它可以檢測我們面臨的方向。

HMC5883L傳感器模塊的工作原理

HMC5883L作為磁力計(jì)傳感器也做同樣的事情。它上面有霍尼韋爾的HMC5883L IC。該 IC 具有 3 種磁阻材料，其內(nèi)部排列在 x、y 和 z 軸上。流經(jīng)這些材料的電流量對地球磁場很敏感。因此，通過測量流經(jīng)這些材料的電流的變化，我們可以檢測到地球磁場的變化。一旦變化被磁場吸收，這些值就可以通過I2C協(xié)議發(fā)送到任何嵌入式控制器，如微控制器或處理器。

由于傳感器通過感應(yīng)磁場來工作，因此如果將金屬放置在附近，則輸出值將受到很大影響。也可以利用這種行為將這些傳感器用作金屬檢測機(jī)。應(yīng)注意不要將磁鐵靠近此傳感器，因?yàn)閬碜源盆F的強(qiáng)磁場可能會觸發(fā)傳感器上的錯誤值。

HMC5883L 與 QMC5883L 之間的區(qū)別

對于許多初學(xué)者來說，圍繞這些傳感器存在一種常見的困惑。這是因?yàn)橐恍┕?yīng)商（實(shí)際上是大多數(shù)供應(yīng)商）銷售QMC5883L傳感器，而不是霍尼韋爾的原始HMC5883L。這主要是因?yàn)镼MC5883L比HMC5883L模塊便宜得多?？杀氖?，這兩個傳感器的工作原理略有不同，并且不能將相同的代碼用于兩者。這是因?yàn)閮蓚€傳感器的 I2C 地址不相同。本教程中給出的代碼僅適用于常用傳感器模塊 QMC5883L。

要知道您擁有的是哪種型號的傳感器，您只需仔細(xì)觀察IC本身即可閱讀其上寫的內(nèi)容。如果它寫成類似L883的東西，那么它就是HMC58836L，如果它寫成DA5883之類的東西，那么它就是QMC5883L IC。這兩個模塊都如下圖所示，以便于輕描淡寫。

阿爾杜伊諾數(shù)字羅盤電路圖

這款基于Arduino的數(shù)字羅盤的電路非常簡單，我們只需將HMC5883L傳感器與Arduino接口，并將8個LED連接到Arduino Pro mini的GPIO引腳。完整的電路圖如下所示

傳感器模塊有5個引腳，其中DRDY（數(shù)據(jù)就緒）在我們的項(xiàng)目中未使用，因?yàn)槲覀冊谶B續(xù)模式下操作傳感器。Vcc 和接地引腳用于從 Arduino 板以 5V 電壓為模塊供電。SCL 和 SDA 是 I2C 通信總線，分別連接到 Arduino Pro 迷你版的 A4 和 A5 I2C 引腳。由于模塊本身在線路上有一個拉高電阻，因此無需在外部添加它們。

為了指示方向，我們使用了8個LED，所有這些LED都通過470歐姆的限流電阻連接到Arduino的GPIO引腳。完整電路由一個 9V 電池通過桶形插孔供電。該 9V 直接提供給 Arduino 的 Vin 引腳，在那里使用 Arduino 上的板載穩(wěn)壓器將其調(diào)節(jié)至 5V。然后，該5V用于為傳感器和Arduino供電。

為數(shù)字羅盤制造 PCB

電路的想法是將8個LED以圓形方式放置，以便每個LED分別指向所有8個方向，即北，東北，東，東南，南，西南，西和西北。因此，將它們整齊地排列在面包板上甚至性能板上并不容易。為該電路開發(fā)PCB將使其看起來更整潔，更易于使用。因此，我打開PCB設(shè)計(jì)軟件，將LED和電阻器以整齊的圓形模式放置，并連接軌道以形成連接。完成后，我的設(shè)計(jì)如下所示。

我將其設(shè)計(jì)為雙面板，因?yàn)槲蚁Ｍ鸄rduino位于PCB的底部，這樣它就不會破壞PCB頂部的外觀。如果你擔(dān)心你必須為雙面PCB支付高價，那么請堅(jiān)持住我得到了很好的新來。

現(xiàn)在，我們的設(shè)計(jì)已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，是時候?qū)⑺鼈冎圃斐鰜砹?。要完成PCB非常容易，只需按照以下步驟操作即可

第 1 步： 進(jìn)入 www.pcbgogo.com，如果這是您的第一次注冊。然后，在“PCB 原型”選項(xiàng)卡中，輸入 PCB 的尺寸、層數(shù)和所需的 PCB 數(shù)量。我的PCB是80厘米×80厘米，所以標(biāo)簽看起來像下面這樣

第 2 步： 單擊“立即報(bào)價”按鈕繼續(xù)。您將被帶到一個頁面，如果需要，可以設(shè)置一些其他參數(shù)，例如使用的材料軌道間距等。但大多數(shù)情況下，默認(rèn)值可以正常工作。我們在這里唯一需要考慮的是價格和時間。如您所見，構(gòu)建時間僅為2-3天，我們的PSB只需花費(fèi)5美元。然后，您可以根據(jù)需要選擇首選的運(yùn)輸方式。

第 3 步：最后一步是上傳Gerber文件并繼續(xù)付款。為了確保過程順利進(jìn)行，PCBGOGO在繼續(xù)付款之前驗(yàn)證您的Gerber文件是否有效。通過這種方式，您可以確保您的PCB是制造友好的，并將按照承諾到達(dá)您手中。

組裝印刷電路板

訂購電路板后，幾天后，它到達(dá)了我，盡管快遞在一個整齊的標(biāo)簽包裝良好的盒子里，并且一如既往地，PCB的質(zhì)量很棒。我在下面分享了幾張板的圖片供您判斷。

我打開焊條，開始組裝電路板。由于腳印、焊盤、過孔和絲網(wǎng)印刷的形狀和尺寸都非常合適，因此我在組裝電路板時沒有問題。從拆開包裝盒開始，電路板在短短10分鐘內(nèi)就準(zhǔn)備好了。

焊接后的電路板的幾張圖片如下所示。

對阿爾杜伊諾進(jìn)行編程

現(xiàn)在我們的硬件已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，讓我們看看必須上傳到Arduino板中的程序。該代碼的目的是從QMC5883L磁力計(jì)傳感器讀取數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為度數(shù)（0到360）。一旦我們知道了程度，我們就必須打開指向特定方向的LED。我在這個程序中使用的方向是北方。因此，無論您身在何處，您的電路板上都只有一個LED發(fā)光，并且LED的方向?qū)⒅甘颈毕?/strong>。一次以后可以計(jì)算出另一個方向是已知的一個方向。

在下一行中，我們?yōu)?strong>正在使用的傳感器創(chuàng)建一個對象名稱。我用過qmc這個名字，但它可以是你喜歡的任何東西。

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

接下來，我們進(jìn)入全局變量聲明。在這里，由于我們有8個LED作為輸出，因此很難通過引腳名稱來引用每個LED，因此我們使用陣列選項(xiàng)來引用所有LED。數(shù)組的名稱是 ledPins，變量led_count是我們所擁有的 led 的數(shù)量。它以 0 開頭。

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

char led_count = 7; //Total number of LED pins

在空隙設(shè)置功能中，我們初始化 I2C 通信、串行通信和傳感器。然后，我們將所有LED引腳聲明為輸出引腳。由于我們已經(jīng)使用了數(shù)組，因此通過使用 for 循環(huán)并在 for 循環(huán)中導(dǎo)航來引用所有引腳，如下所示。

void setup() {

Wire.begin(); //Begin I2C communication

Serial.begin(9600); //Begin Serial Communication

qmc.init(); //Initialise the QMC5883 Sensor

for (int thisPin=0; thisPin <= led_count; thisPin++){ //Navigate through all the pins in array

pinMode(ledPins[thisPin],OUTPUT); //Declare them as output

}

}

在無限主循環(huán)中，我們必須從傳感器獲取 x，y 和 z 的值，并計(jì)算傳感器當(dāng)前面臨的程度。要讀取 x，y 和 z 的值，請使用以下行

int x,y,z;

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

用于計(jì)算以度為單位的標(biāo)題的公式如下所示。由于我們不會沿 z 軸旋轉(zhuǎn)指南針，因此我們不會考慮該值。僅當(dāng) IC 平坦表面朝上時，才能使用此公式，就像在我們的設(shè)置中一樣。計(jì)算出航向后，該值將在-180到180的范圍內(nèi)，我們必須將其轉(zhuǎn)換為0到360，就像我們在所有數(shù)字羅盤中找到的那樣。

int heading=atan2(x, y)/0.0174532925; //Calculate the degree using X and Y parameters with this formulae

//Convert result into 0 to 360

if(heading < 0)

heading+=360;

heading = 360-heading;

最后一步是向北方向發(fā)光。為此，我們有一系列if條件語句，我們檢查當(dāng)前度數(shù)的范圍，并據(jù)此打開LED。代碼如下所示

//Based on the value of heading print the result for debugging and glow the respective LED.

if (heading > 338 || heading < 22)

{

Serial.println("NORTH");

digitalWrite(ledPins[0],HIGH);

}

if (heading > 22 && heading < 68)

{

Serial.println("NORTH-EAST");

digitalWrite(ledPins[7],HIGH);

}

if (heading > 68 && heading < 113)

{

Serial.println("EAST");

digitalWrite(ledPins[6],HIGH);

}

if (heading > 113 && heading < 158)

{

Serial.println("SOUTH-EAST");

digitalWrite(ledPins[5],HIGH);

}

if (heading > 158 && heading < 203)

{

Serial.println("SOUTH");

digitalWrite(ledPins[4],HIGH);

}

if (heading > 203 && heading < 248)

{

Serial.println("SOTUH-WEST");

digitalWrite(ledPins[3],HIGH);

}

if (heading > 248 && heading < 293)

{

Serial.println("WEST");

digitalWrite(ledPins[2],HIGH);

}

if (heading > 293 && heading < 338)

{

Serial.println("NORTH-WEST");

digitalWrite(ledPins[1],HIGH);

}

通過查看下表可以理解代碼值背后的邏輯?；旧?，我們計(jì)算我們面向哪個方向，并預(yù)測北向并發(fā)光相應(yīng)的LED。

程序的最后一部分是設(shè)置結(jié)果的更新速度。我已經(jīng)創(chuàng)建了一個500毫微秒的延遲，然后使所有LED關(guān)閉以再次啟動，形成第一個內(nèi)部的空隙路。但是，如果您需要更快的更新，則可以進(jìn)一步減少延遲。

delay(500); // update position of LED for every alf seconds

//Turn off the all the LED

for (int thisPin=0; thisPin <= led_count; thisPin++){

digitalWrite(ledPins[thisPin],LOW);

}

測試數(shù)字羅盤

由于我們已經(jīng)使用了Arduino pro mini，我們需要一個像FTDI板這樣的外部程序員來上傳程序。上傳程序后，您應(yīng)該注意到板上有一個LED發(fā)光，LED發(fā)光的方向?qū)⑹荖ORTH方向。

然后，您可以通過旋轉(zhuǎn)電路板來玩它，并檢查LED是否仍然指向北方向。之后，您可以隨時使用9V電池為設(shè)置供電并檢查您面臨的方向。數(shù)字羅盤的完整工作原理可以在下面的視頻中找到。您可能會注意到，當(dāng)電路板附近有重金屬片時，或者即使您沿著Z軸旋轉(zhuǎn)電路板，這些值也會出錯。