Подключение магнитометра HMC5883L к Raspberry Pi: схема и программа

В данной статье мы рассмотрим как подключить трехосевой цифровой магнитометр HMC5883L к плате Raspberry Pi и использовать его возможности с помощью Python. HMC5883L выделяется как оптимальный выбор для приложений цифрового компаса благодаря своим трехмерным функциям магнитометра, которые позволяют выполнять точные измерения напряженности и ориентации магнитного поля. Это делает его бесценным инструментом для точного определения магнитного севера Земли.

После интеграции магнитометра HMC5883L с Raspberry Pi мы сможем получать показания компаса и определять магнитное поле по осям X, Y и Z в микротеслах (мкТл). На основе этих данных определение направления в градусах становится простым вычислением. Мы проведем вас через каждый шаг процесса, гарантируя, что вы сможете без проблем выполнить эти задачи с помощью Python на вашем Raspberry Pi.

Ранее на нашем сайте мы рассматривали подключение магнитометра HMC5883L к плате Arduino.

Необходимые компоненты

Плата Raspberry Pi 4 Model B (или другая) (купить на AliExpress).
Магнитометр (Magnetometer sensor) HMC5883L (купить на AliExpress).
Макетная плата.
Соединительные провода.

Реклама: ООО «АЛИБАБА.КОМ (РУ)» ИНН: 7703380158

3-осевой компас/магнитометр HMC5883L

HMC5883L — это цифровой компас, разработанный Honeywell. Это многочиповый модуль поверхностного монтажа, специально разработанный для обнаружения слабых магнитных полей. Он особенно эффективен в предоставлении данных о направлении, что делает его обычным выбором для систем навигации и позиционирования.

Конструкция HMC5883L основана на анизотропной магниторезистивной (AMR) технологии, которая облегчает точное измерение магнитных полей. Она включает в себя трехосевые датчики с полевой емкостью от ±1,3 до ±8,1 Гаусс. Это означает его способность измерять магнитные поля по трем различным осям (X, Y и Z), что позволяет ему определять направление магнитного поля Земли в трехмерном контексте.

HMC5883L оснащен многочисленными собственными функциями, которые упрощают его включение в различные системы. Среди них — интегрированный АЦП (аналого-цифровой преобразователь), предлагающий 12-битный вывод данных, и последовательный интерфейс шины I2C. Этот интерфейс используется для связи с устройством, позволяя ему передавать данные на микроконтроллер или другой процессорный блок.

Модуль магнитометра HMC5883L состоит из интегральной схемы (ИС) магнитометра HMC5883L, ИС регулятора напряжения, резисторов и конденсаторов, все это объединено в интегральную схему. Он использует ИС регулятора напряжения XC6206P332MR (662K).

Более подробную информацию о данном модуле можно посмотреть в техническом описании HMC5883L.

Технические характеристики HMC5883L

Максимальное напряжение питания: 4.8 В.
Рабочий ток: 100-130 мкА.
Интерфейс I2C.
Точность курса: 1-2 градуса.
Интегрированный 12-битный АЦП.
Максимальная скорость передачи данных 160 Гц.
Диапазон от -8 до +8 Гаусс
Скорость вывода данных: 0,75, 1,5, 3, 7,5, 15 Гц

Распиновка HMC5883L

Модуль HMC5883L имеет пять контактов, как показано на рисунке ниже.

Назначение его контактов следующее:

VCC: Это контакт питания. Требуется постоянное напряжение, обычно 3 В — 6 В.
GND: Это заземляющий контакт (земля).
SCL: Это линия синхронизации для интерфейса I2C.
SDA: Это линия данных для интерфейса I2C.
DRDY: Это вывод Data Ready, который переходит в низкий уровень, когда доступны новые данные. Он необязателен и не всегда используется в базовых приложениях.

Отображение регистров и связь по интерфейсу I2C

Адрес регистра	Имя регистра	Тип доступа
00	Регистр конфигурации A	Чтение/Запись
01	Регистр конфигурации B	Чтение/Запись
02	Регистр выбора режима	Чтение/Запись
03	Выходные данные X регистра MSB	Чтение
04	Выходные данные X регистра LSB	Чтение
05	Выходные данные Y регистра MSB	Чтение
06	Выходные данные Y регистра LSB	Чтение
07	Выходные данные Z регистра MSB	Чтение
08	Выходные данные Z регистра LSB	Чтение
09	Регистр состояния	Чтение
10	Регистр идентификации А	Чтение
11	Регистр идентификации B	Чтение
12	Регистр идентификации C	Чтение

Магнитометр HMC5883L использует различные внутренние регистры для настройки и получения данных:

Регистр конфигурации A (0x00): настраивает работу устройства, включая скорость выходных данных и конфигурацию измерений.
Регистр конфигурации B (0x01): устанавливает усиление и чувствительность устройства.
Регистр режима (0x02): выбирает режим работы, например непрерывное измерение, одиночное измерение или режим ожидания.
Регистры выходных данных X (0x03 и 0x04): хранят показания датчика оси X.
Регистры выходных данных Y (0x05 и 0x06): хранят показания датчика оси Y.
Регистры выходных данных Z (0x07 и 0x08): хранят показания датчика оси Z.
Регистр состояния (0x09): содержит флаги состояния вывода данных.
Регистры идентификации (0x0A, 0x0B, 0x0C): используются для идентификации устройства.

HMC5883L использует протокол связи I2C, функционируя как подчиненное устройство (Slave). Его назначенный адрес устройства I2C — 0x1E. Соответствующие адреса для его операций чтения и записи следующие:

Для операций записи (SLA+W) адрес — 0x3C.
Для операций чтения (SLA+R) адрес — 0x3D.

Схема проекта

Схема подключения магнитометра HMC5883L к плате Raspberry Pi представлена на следующем рисунке.

Подключите контакты VCC и GND магнитометра HMC5883L к контактам 3,3 В и GND Raspberry Pi. Аналогично подключите контакты SDA и SCL магнитометра к контактам SDA (GPIO2) и SCL (GPIO3) Raspberry Pi соответственно.

Настройка Raspberry Pi

Прежде чем перейти непосредственно к программированию на Python, нам необходимо настроить плату Raspberry Pi.

1. Включите I2C на Raspberry Pi:

Откройте терминал и введите sudo raspi-config.
Перейдите к Interfacing Options> I2Cи включите его.
Перезагрузите Raspberry Pi.

2. Установите необходимые пакеты Python:

sudo apt-get update
sudo apt-get install i2c-tools python3-smbus

1 2	sudo apt-get update sudo apt-get install i2c-tools python3-smbus

3. Обнаружение устройства :
После подключения HMC5883L вы можете обнаружить его с помощью следующей команды:

i2cdetect -y 1

1	i2cdetect -y 1

Если все подключено правильно, в списке должен появиться адрес, который является адресом по умолчанию для HMC5883L.

Код Python для взаимодействия HMC5883L с Raspberry Pi

Вот код Python для сопряжения магнитометра HC5883L с платой Raspberry Pi 4. Скопируйте следующий код и вставьте его в Thonny IDE. Затем сохраните его под любым именем.

Этот простой скрипт Python будет считывать данные с HMC5883L.

import smbus
import time
import math
 
# HMC5883L register addresses
ADDRESS = 0x1E
CONFIG_A = 0x00
CONFIG_B = 0x01
MODE = 0x02
X_MSB = 0x03
Z_MSB = 0x05
Y_MSB = 0x07
 
bus = smbus.SMBus(1)
 
def setup():
    bus.write_byte_data(ADDRESS, CONFIG_A, 0x70)  # Set to 8 samples @ 15Hz
    bus.write_byte_data(ADDRESS, CONFIG_B, 0x20)  # 1.3 gain LSb / Gauss 1090 (default)
    bus.write_byte_data(ADDRESS, MODE, 0x00)  # Continuous measurement mode
 
def read_raw_data(addr):
    # Read raw 16-bit value
    high = bus.read_byte_data(ADDRESS, addr)
    low = bus.read_byte_data(ADDRESS, addr+1)
    
    # Combine them to get a 16-bit value
    value = (high << 8) + low
    if value > 32768:  # Adjust for 2's complement
        value = value - 65536
    return value
 
def compute_heading(x, y):
    # Calculate heading in radians
    heading_rad = math.atan2(y, x)
    
    # Adjust for declination angle (e.g. 0.22 for ~13 degrees)
    declination_angle = 0.22
    heading_rad += declination_angle
    
    # Correct for when signs are reversed.
    if heading_rad < 0:
        heading_rad += 2 * math.pi
 
    # Check for wrap due to addition of declination.
    if heading_rad > 2 * math.pi:
        heading_rad -= 2 * math.pi
 
    # Convert radians to degrees for readability.
    heading_deg = heading_rad * (180.0 / math.pi)
    
    return heading_deg
 
def main():
    setup()
    
    while True:
        x = read_raw_data(X_MSB)
        y = read_raw_data(Y_MSB)
        z = read_raw_data(Z_MSB)
        
        heading = compute_heading(x, y)
        
        print(f"X: {x} uT, Y: {y} uT, Z: {z} uT, Heading: {heading:.2f}°")
        
        time.sleep(0.5)
 
if __name__ == "__main__":
    main()

import smbus

import time

import math

# HMC5883L register addresses

ADDRESS = 0x1E

CONFIG_A = 0x00

CONFIG_B = 0x01

MODE = 0x02

X_MSB = 0x03

Z_MSB = 0x05

Y_MSB = 0x07

bus = smbus.SMBus(1)

def setup():

bus.write_byte_data(ADDRESS, CONFIG_A, 0x70) # Set to 8 samples @ 15Hz

bus.write_byte_data(ADDRESS, CONFIG_B, 0x20) # 1.3 gain LSb / Gauss 1090 (default)

bus.write_byte_data(ADDRESS, MODE, 0x00) # Continuous measurement mode

def read_raw_data(addr):

# Read raw 16-bit value

high = bus.read_byte_data(ADDRESS, addr)

low = bus.read_byte_data(ADDRESS, addr+1)

# Combine them to get a 16-bit value

value = (high << 8) + low

if value > 32768: # Adjust for 2's complement

value = value - 65536

return value

def compute_heading(x, y):

# Calculate heading in radians

heading_rad = math.atan2(y, x)

# Adjust for declination angle (e.g. 0.22 for ~13 degrees)

declination_angle = 0.22

heading_rad += declination_angle

# Correct for when signs are reversed.

if heading_rad < 0:

heading_rad += 2 * math.pi

# Check for wrap due to addition of declination.

if heading_rad > 2 * math.pi:

heading_rad -= 2 * math.pi

# Convert radians to degrees for readability.

heading_deg = heading_rad * (180.0 / math.pi)

return heading_deg

def main():

setup()

while True:

x = read_raw_data(X_MSB)

y = read_raw_data(Y_MSB)

z = read_raw_data(Z_MSB)

heading = compute_heading(x, y)

print(f"X: {x} uT, Y: {y} uT, Z: {z} uT, Heading: {heading:.2f}°")

time.sleep(0.5)

if __name__ == "__main__":

main()

Этот скрипт инициализирует HMC5883L в режиме непрерывного измерения, а затем непрерывно считывает и печатает значения магнитометра X, Y и Z. Данные могут потребовать калибровки или корректировки в зависимости от вашего приложения и окружающих магнитных полей.

Для расчета направления (или ориентации в градусах) с использованием показаний магнитометра обычно используют функцию арктангенса. Направление можно определить по показаниям магнитометра по осям X и Y.

Тестирование работы проекта

Вы можете запустить приведенный выше скрипт Python и оболочка Thonny Shell начнет отображать показания магнитометра в микротеслах и углы направления в градусах.

Чтобы наблюдать изменение значений магнитного поля, поднесите к датчику любой магнитный материал или магнит. Вы увидите резкое изменение показаний магнитного поля. Угол направления можно изменять просто вращая датчик.

Помните, что вычисленное направление будет относительно магнитного севера Земли, а не истинного севера. Это различие важно, если вы ориентируетесь на основе направления.

Разница между магнитным севером и истинным севером называется магнитным склонением, и она меняется в зависимости от вашего географического положения. Возможно, вам придется скорректировать направление на магнитное склонение в зависимости от того, где вы находитесь.

2 ответа к “Подключение магнитометра HMC5883L к Raspberry Pi”

В статье в технических характеристиках HMC5883L в части напряжения питания есть ошибка: максимальное напряжение питания 4.8 В.

Из документации:
Min Max
Supply Voltage VDD -0.3 4.8 Volts
Supply Voltage VDDIO -0.3 4.8 Volts

Хорошо, спасибо, я исправил в статье