手搖式發(fā)電戶外定位裝置的硬件及軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(jī)發(fā)電，為戶外人員隨時(shí)提供定位。以嵌入式單片機(jī)為定位信息通信核心，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電子羅盤模塊、GPS全球衛(wèi)星定位模塊實(shí)時(shí)檢測到的定位通信數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，由OLED屏幕顯示當(dāng)前位置信息的各項(xiàng)參數(shù)；可在極短時(shí)間內(nèi)測量當(dāng)前數(shù)據(jù)并顯示。本裝置經(jīng)測試，運(yùn)行良好、信號(hào)傳輸穩(wěn)定、性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：單片機(jī) 戶外定位 戶外發(fā)電 手搖式

中圖分類號(hào)：TN86 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）09-0176-01

1 引言

本款手搖式戶外便攜式設(shè)備，針對(duì)廣大喜好戶外遠(yuǎn)足運(yùn)動(dòng)的人員進(jìn)行研發(fā)制造，為了解決在戶外出現(xiàn)意外時(shí)，無法辨別方向從而發(fā)生危險(xiǎn)的問題。本款產(chǎn)品解除了以往本類產(chǎn)品對(duì)電池的依賴，利用小型手搖發(fā)電機(jī)作為各個(gè)模塊的提供工作的電能。本款產(chǎn)品可以通過傳感器采集地磁數(shù)據(jù)再通過測得其他數(shù)據(jù)以及固定的算法從而得到滿足一定精度的地磁數(shù)據(jù)。本產(chǎn)品也可以通過接受4個(gè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)從而確定明確的地理位置。以此達(dá)到定位的效果。

2 設(shè)計(jì)構(gòu)想

本款手搖式戶外便攜式設(shè)備，主要是針對(duì)廣大喜好戶外遠(yuǎn)足運(yùn)動(dòng)的人員進(jìn)行研發(fā)制造。主要是為了解決在戶外出現(xiàn)意外時(shí)，無法辨別方向從而發(fā)生危險(xiǎn)的問題。本款產(chǎn)品解除了以往本類產(chǎn)品對(duì)電池的依賴，利用小型手搖發(fā)電機(jī)為各個(gè)模塊提供電能。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)合理的顯示界面，保證界面直觀易懂的同時(shí)能夠有效防止操作人員的誤解讀。本設(shè)計(jì)能夠保證單片機(jī)和各個(gè)電子模塊之間的通信準(zhǔn)確穩(wěn)定的進(jìn)行，而且能夠保證通信速度與質(zhì)量。采用了I2C、NMEA-0183、UBX等三個(gè)主要通訊協(xié)議，保證了報(bào)文傳輸?shù)目煽啃?、?zhǔn)確性、快速性和實(shí)時(shí)性。電子羅盤模塊與單片機(jī)之間的通信采用了I2C通信協(xié)議，GPS全球衛(wèi)星定位模塊與單片機(jī)之間采用了NMEA-0183和UBX通訊協(xié)議，這樣不僅能保證有較高的采樣頻率，同時(shí)還保證了通信的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

3 硬件組成

發(fā)電器件作為能量來源，通過小型手搖式發(fā)電機(jī)通過機(jī)械運(yùn)動(dòng)將機(jī)械能由直流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能提供能源，令本實(shí)用新型正常使用。

新型采用了STM8S208型號(hào)單片機(jī)，電子羅盤型號(hào)為GY-86，內(nèi)置加速度傳感器ADXL345、磁場強(qiáng)度傳感器HMC5883L、三軸陀螺儀ITG3205、氣壓傳感器BMP085，GPS模塊型號(hào)為ATK-NEO-6M，0.96寸OLED顯示屏采用SSD1306驅(qū)動(dòng)芯片。

利用STM8S208型號(hào)單片機(jī)編程，將傳感器模塊的信號(hào)經(jīng)過算法計(jì)算之后得出地磁位置，然后將位置信息數(shù)據(jù)存入RAM的一個(gè)數(shù)組中，再通過OLED把數(shù)組里的值顯示出來即顯示了地理位置，轉(zhuǎn)換電路可令電壓平穩(wěn)，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(hào)電子羅盤在通電工作的時(shí)候，傳感器模塊正常工作，輸出所需位置信息等數(shù)據(jù)返回到單片機(jī)中。

ATK-NEO-6M型號(hào)GPS模塊負(fù)責(zé)搜尋GPS信號(hào)，當(dāng)GPS模塊內(nèi)置電池沒電的情況下，通電之后，GPS模塊為冷啟動(dòng)模式，由于硬件原因，最短需要27秒時(shí)間搜尋GPS信號(hào)，搜尋到信號(hào)后傳遞給單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算，在斷電后，GPS模塊內(nèi)置電池可以提供大約30分鐘的供電時(shí)間，令GPS模塊可以繼續(xù)工作并記錄數(shù)據(jù)。當(dāng)GPS模塊在內(nèi)置電池供電的時(shí)間段內(nèi)重新工作時(shí)，若再次檢測的信號(hào)不正常，則需要27秒時(shí)間進(jìn)行檢測；若再次檢測的信號(hào)正常，則可1秒立即工作。兩種模塊協(xié)同工作以達(dá)成位置定位、方向判別的功能目標(biāo)。

OLED顯示屏采用SSD1306驅(qū)動(dòng)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(fā)光單元等優(yōu)點(diǎn)。程序控制單片機(jī)，將所需要顯示的數(shù)據(jù)輸出顯示到OLED顯示屏中，以達(dá)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(fā)電裝置

在發(fā)電器件工作后，不穩(wěn)定電壓會(huì)經(jīng)過整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路進(jìn)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(zhuǎn)換成單向脈動(dòng)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(jīng)過整流電路之后的電壓已經(jīng)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(xí)慣上稱單向脈動(dòng)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(fù)載電阻兩端并聯(lián)電容器C，或與負(fù)載串聯(lián)電感器L，以及由電容，電感組成而成的各種復(fù)式濾波電路。

穩(wěn)壓電路是在輸入電壓、負(fù)載、環(huán)境溫度、電路參數(shù)等發(fā)生變化時(shí)仍能保持輸出電壓恒定的電路。這種電路能提供穩(wěn)定的直流電源，廣為各種電子設(shè)備所采用。如圖2所示。

5 軟件流程圖

5.1 模塊初始化

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

5.2 數(shù)據(jù)接收模塊處理

數(shù)據(jù)接收處理模塊負(fù)責(zé)處理從GPS接收到的數(shù)據(jù)。在單片機(jī)串口收到信息后，先判別是否為語句引導(dǎo)頭，再接收信息內(nèi)容，然后根據(jù)語句標(biāo)識(shí)區(qū)分出信息類別以對(duì)收到ASCⅡ碼進(jìn)行處理顯示。若整個(gè)數(shù)據(jù)接收正確，便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；若接收不正確，則重新進(jìn)行接收。

6 結(jié)語

本設(shè)計(jì)采用了嵌入式單片機(jī)和相關(guān)電子模塊，尺寸緊湊，功能先進(jìn)。解決了模塊與模塊之間、模塊與單片機(jī)之間的通訊問題，使各個(gè)功能模塊形成一個(gè)整體，并提供了實(shí)時(shí)定位等目標(biāo)功能。

本機(jī)具有操作簡單、直觀易懂，并能夠避免誤操作；經(jīng)測試，該樣機(jī)運(yùn)行良好，通信穩(wěn)定，各項(xiàng)性能均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

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