手摇式发电户外定位装置的硬件及软件设计与实现

王一名　曲延华　赵宇峰　张佳琪

摘要：本装置以手摇式小型直流机发电，为户外人员随时提供定位。以嵌入式单片机为定位信息通信核心，可实现对电子罗盘模块、GPS全球卫星定位模块实时检测到的定位通信数据进行综合处理，由OLED屏幕显示当前位置信息的各项参数；可在极短时间内测量当前数据并显示。本装置经测试，运行良好、信号传输稳定、性能达到设计要求。

关键词：单片机 户外定位 户外发电 手摇式

中图分类号：TN86 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）09-0176-01

1 引言

本款手摇式户外便携式设备，针对广大喜好户外远足运动的人员进行研发制造，为了解决在户外出现意外时，无法辨别方向从而发生危险的问题。本款产品解除了以往本类产品对电池的依赖，利用小型手摇发电机作为各个模块的提供工作的电能。本款产品可以通过传感器采集地磁数据再通过测得其他数据以及固定的算法从而得到满足一定精度的地磁数据。本产品也可以通过接受4个卫星数据从而确定明确的地理位置。以此达到定位的效果。

2 设计构想

本款手摇式户外便携式设备，主要是针对广大喜好户外远足运动的人员进行研发制造。主要是为了解决在户外出现意外时，无法辨别方向从而发生危险的问题。本款产品解除了以往本类产品对电池的依赖，利用小型手摇发电机为各个模块提供电能。

本系统设计了一个合理的显示界面，保证界面直观易懂的同时能够有效防止操作人员的误解读。本设计能够保证单片机和各个电子模块之间的通信准确稳定的进行，而且能够保证通信速度与质量。采用了I2C、NMEA-0183、UBX等三个主要通讯协议，保证了报文传输的可靠性、准确性、快速性和实时性。电子罗盘模块与单片机之间的通信采用了I2C通信协议，GPS全球卫星定位模块与单片机之间采用了NMEA-0183和UBX通讯协议，这样不仅能保证有较高的采样频率，同时还保证了通信的稳定性和准确性。

3 硬件组成

发电器件作为能量来源，通过小型手摇式发电机通过机械运动将机械能由直流发电机转换为电能提供能源，令本实用新型正常使用。

新型采用了STM8S208型号单片机，电子罗盘型号为GY-86，内置加速度传感器ADXL345、磁场强度传感器HMC5883L、三轴陀螺仪ITG3205、气压传感器BMP085，GPS模块型号为ATK-NEO-6M，0.96寸OLED显示屏采用SSD1306驱动芯片。

利用STM8S208型号单片机编程，将传感器模块的信号经过算法计算之后得出地磁位置，然后将位置信息数据存入RAM的一个数组中，再通过OLED把数组里的值显示出来即显示了地理位置，转换电路可令电压平稳，按需求升压或降压后为传感器器件供能，使之正常工作。

GY-86型号电子罗盘在通电工作的时候，传感器模块正常工作，输出所需位置信息等数据返回到单片机中。

ATK-NEO-6M型号GPS模块负责搜寻GPS信号，当GPS模块内置电池没电的情况下，通电之后，GPS模块为冷启动模式，由于硬件原因，最短需要27秒时间搜寻GPS信号，搜寻到信号后传递给单片机进行运算，在断电后，GPS模块内置电池可以提供大约30分钟的供电时间，令GPS模块可以继续工作并记录数据。当GPS模块在内置电池供电的时间段内重新工作时，若再次检测的信号不正常，则需要27秒时间进行检测；若再次检测的信号正常，则可1秒立即工作。两种模块协同工作以达成位置定位、方向判别的功能目标。

OLED显示屏采用SSD1306驱动芯片，拥有支持3V-5V直流电压、低功耗、兼容众多控制芯片、可视角度大、128*64分辨率、采用自发光单元等优点。程序控制单片机，将所需要显示的数据输出显示到OLED显示屏中，以达成位置信息和方向判别的显示目的。硬件组成示意如下如图1所示。

4 手摇式小型发电装置

在发电器件工作后，不稳定电压会经过整流电路、滤波电路和稳压电路进行处理。整流电路的作用是将交流降压电路输出的电压较低的交流电转换成单向脉动性直流电，这就是交流电的整流过程，整流电路主要由整流二极管组成。经过整流电路之后的电压已经不是交流电压，而是一种含有直流电压和交流电压的混合电压，习惯上称单向脉动性直流电压。

滤波电路常用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或与负载串联电感器L，以及由电容，电感组成而成的各种复式滤波电路。

稳压电路是在输入电压、负载、环境温度、电路参数等发生变化时仍能保持输出电压恒定的电路。这种电路能提供稳定的直流电源，广为各种电子设备所采用。如图2所示。

5 软件流程图

5.1 模块初始化

开机上电后对单片机、OLED显示屏、电子罗盘和GPS模块的初始化工作。对单片机设置串口工作模式、设置波特率和中断工作模式；对OLED显示屏设置显示模式与画面；完成对GPS模块串口的成功通信。

5.2 数据接收模块处理

数据接收处理模块负责处理从GPS接收到的数据。在单片机串口收到信息后，先判别是否为语句引导头，再接收信息内容，然后根据语句标识区分出信息类别以对收到ASCⅡ码进行处理显示。若整个数据接收正确，便对数据进行处理；若接收不正确，则重新进行接收。

6 结语

本设计采用了嵌入式单片机和相关电子模块，尺寸紧凑，功能先进。解决了模块与模块之间、模块与单片机之间的通讯问题，使各个功能模块形成一个整体，并提供了实时定位等目标功能。

本机具有操作简单、直观易懂，并能够避免误操作；经测试，该样机运行良好，通信稳定，各项性能均达到设计要求。

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