【STM32+cubemx】0029 HAL库开发：HMC5883L磁力计的应用（电子指南针）
今天我们来学习电子磁力计HMC5883L的使用。先介绍磁力计的基础知识，再给一个获取磁力计数据的例子，最后讲解HMC5883L磁力计的校准，以及一些使用中的经验。
1）HMC5883L磁力计的基础知识
磁力计是用来测量磁场强弱（也就是磁感应强度）的，磁感应强度是一个矢量，我们本篇使用的HMC5883L可以用来测量三个轴向的磁感应强度。
磁感应强度的标准单位是特斯拉（Tesla），也有用高斯（Gauss）来表示的，换算关系是1Tesla=10000Gauss。
当垂直于磁场方向长度为1m的导体，通过1A电流时，所受磁场的作用力的大小为1N，则该磁场的磁感应强度为1T。
磁力计可以用来检测地球磁场方向，也就是作为指南针使用，在航模或者四轴飞行器中，可以用来修正偏航角。
2）HMC5883L的数据获取
HMC5883L器件比较小，而且引脚在芯片底下，焊接难度较大，一般建议使用已焊好的模块。本文使用是硬件是STM32F103C8T6最小系统和如下的GY-273模块：
硬件连接上，磁力计模块上只连VCC、GND、SCL、SDA四根线，SCL连接到stm32的PB6，SDA连接到stm32的PB7，由于该模块的电路板上已经设计了上拉电阻，所以I2C接口的两根线不用再外接上拉了。
如果想自己绘制电路板，也可以按如下图纸设计：
在cubemx中创建工程，使用I2C1，此时可以看到PB6和PB7被占用为I2C引脚：
生成工程文件，在keil中打开，先修正cubemx的一个bug，把I2C时钟使能语句提前：
对I2C代码进行一次封装，使用HAL库函数来实现底层的I2C操作，如下用HAL_I2C_Mem_Write和HAL_I2C_Mem_Read两个函数实现：
有了底层的I2C读写函数，我们对HMC5883L的初始化和数据读取时就方便多了。
安装数据手册的寄存器说明，初始化时，只需要设置三个寄存器就行：
然后就可以读取数据了，三个轴向的磁感应强度数据，在寄存器03开始的连续6个字节中，读取后，存放在BUF数组里：
在主函数中，先调用初始化函数，再循环读取数据就行了：
这里将x、y、z三个方向的原始数据都打印出来的，并且计算了x、y方向的反正切角度，如果传感器是水平放置的，x、y方向测量的就是水平方向的磁感应强度，周围没有磁场干扰的话，它们的反正切角度就能指示出地磁场的方向。
上图中atan2(y,x)计算的是y/x的反正切，得到的角度是x轴与地磁北向的夹角。
运行结果如下图：
3）HMC5883L的校准
上面我们已经成功获取了HMC5883L的数据，但是，一般来说都是不太准确的。这是因为传感器初始有误差，并且周围可能有铁制品的器件也会干扰磁场的方向。
如下图所示，只考虑X、Y两个方向，传感器旋转一周时，测量到的地球磁场方向应该如（a）所示是一个正圆形，但是由于受到各种影响，实际可能是一个中心偏离原点的椭圆形：
因此，数据需要校准之后才能有比较好的效果。校准通常有几个方面的工作，一是校准磁场的强度，二是校准磁场的方向。
a）磁场强度校准
在HMC5883L的数据手册里有自检和校准的方法。
简单来说，自检时，可以设置寄存器Configuration Register A的MS1和MS0这两位，使得芯片内部产生一个等效于约1.1高斯的磁感应强度加在三个方向上（实际叠加的是X、Y方向1.16Ga、Z方向1.08Ga），此时设置为单次转换模式，芯片会自动先测量一次外部磁感应强度，再测量一次叠加1.1高斯后的磁感应强度，把两次的值相减之后存放再输出寄存器中。如果增益是默认的，则X、Y轴的原始值应该在951附近，Z轴应该在886附近。（本人手头的这一只，测得的值在1120附近，基本算正常吧）。
校准时，就是把自检时测到的X、Y、Z三个方向的值，与内部叠加的磁感应强度（1.16Ga和1.08Ga）相除，算出一个比值，再用这个比值来反算测到的外部磁感应强度。
一般进行完这一步，可以一定程度地纠正（c）图中的类似变成椭圆形的误差。
b）磁场方向校准
当电路板上或者周围有铁质品或磁性物品时，会在外部叠加一个磁场，使得圆心偏离原点，如果把原始量用于计算地磁北向，就会引起很大误差。这时需要用另一种方法校准。
将传感器Z轴向上，匀速旋转一周，收集X、Y轴的数据；再X或Y轴向上，Z轴水平，匀速旋转一周，收集Z轴数据。将将读取到的各轴数据的最大值加上最小值除以2，就得到一个近似的各轴的原点偏移值，如下：
Xoffset=（Xmax+Xmin）/2
Yoffset=（Ymax+Ymin）/2
Zoffset=（Zmax+Zmin）/2
使用时，原始值减去偏移值，就是方向校准后的值：
X=X原始值-Xoffset
Y=Y原始值-Yoffset
Z=Z原始值-Zoffset
经过上面两步简单的校准后，磁力计的输出值就准确得多了。
4）一些使用经验
a）磁力计会受到周围磁铁或铁制品的影响，由于很多电子元器件（如插针、电阻、电容、芯片）内部都含有铁制品，印制板上的器件也会影响磁力计的数据，需要注意尽量远离；
b）HMC5883L芯片是霍尼韦尔生产的磁力计，同时也有国产的QMC5883L可以替换，引脚定义相同硬件上可以通用，但是寄存器不同，软件上需要进行相应的更改；
c）计算地磁场来找北向时，需要注意，地理的北向与地磁北向不是完全重合的，它们之间的夹角称为“地磁偏角”，与各地的地理位置有关，在用反正切算出地磁北向角时，再加上当地的地磁偏角进行修正即可。地磁偏角需要查资料获得，如北京地区的地磁偏角为5°50’w，也就是正北方向在地磁北向再往西偏5°50‘，使用atan2(y,x)计算出来角度后要再加上5°50‘就是相对于地理正北向的角度了；
d）只有在水平放置时，使用atan2(y,x)计算出来的角度是地磁北向的角度，如果传感器用在四轴飞行器或其他不水平的物体上，还要考虑俯仰、滚转的角度影响，方法如下：
使用加速计进行倾角补偿，先要计算出横滚角（Φ）Roll、以及俯仰角（θ）Pitch，再计算X、Y方向的磁感应强度：
Xh=X*cos(θ)+Y*sin(Φ)*sin(θ)-Z*cos(Φ)*sin(θ)
Yh=Y*cos(Φ)+Z*sin(Φ)
再由Xh和Yh的反正切计算偏航角（ψ）yaw。
考虑到X、Y组成的坐标轴四个象限，可以变成如下公式：
当(Xh<0)时，ψ=180-[arctan(Yh/Xh)*180/π]
当(Xh>0,Yh<0)时，ψ=-[arctan(Yh/Xh)*180/π]
当(Xh>0,Yh>0)时，ψ=360-arctan(Yh/Xh)*180/π
当(Xh=0,Yh<0)时，ψ=90
当(Xh=0,Yh>0)，ψ=270
好了，本节关于HMC5883L磁力计的使用就讲到这里了。
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