模組介紹 : faya 電子羅盤模組

學習目標 : 認識faya電子羅盤模組的功能及使用方式
學習時間 : 40 mins
示範模組 : (1) faya brickNano
                   (2) faya電子羅盤模組
工具 : (1) 樂高積木 (相容)
           (2) 指北針羅盤 (指針式)


====================功能介紹====================
faya電子羅盤模組使用了內部構造複雜的MEMS(Micro-ElectroMechanical)微機電晶片，代號LSM303DLHC，取代了傳統的指北針，利用電子機械的方式量測方位。雖然晶片的內部構造複雜，但是經過包裝後，透過簡單的接線，只要從Arduino的函式下指令，就能讀取北方與模組之間的角度差距(0° ~ 360°)，本段僅解釋範例中用到的指令，更多的函示庫指令用法可參考第三方說明。

介紹指令前，先看一下faya電子羅盤模組的外觀，它的左邊有五個埠，分別是SCL、SDA、DRDY、INT1、INT2，其中SCL與SDA是I2C通訊協定，用來和Arduion互相溝通。模組上面的羅盤圖示分別標了X與Y的字樣，用來定義晶片的方位，標示Y字樣的方向為南方(S)，X標示為西方(W)，因此-X的方向為東方(E)，-Y的方向為北方(N)，這裡的方位不是真正的地理方位，我們姑且稱他們為晶片方位。

接下來介紹所使用的指令

• #include <LSM303.h>

使用電子羅盤函示庫，還需要引入I2C 的函示庫。

• #include <Wire.h>

使用I2C介面，需要引入Arduino用的I2C函示庫。 

• Wire.begin();

初始化I2C設定，並開啟I2C的通訊。 

• LSM303 物件名稱;

此指令建構了電子羅盤的物件，物件名稱 : 可自行命名。 

• 物件名稱.init();

初始化電子羅盤的連結與定義。

• 物件名稱.enableDefault();

開啟與電子羅盤之間的通訊連結。 

• 物件名稱.m_min = (LSM303::vector<int16_t>){-32767, -32767, -32767};
• 物件名稱.m_max = (LSM303::vector<int16_t>){+32767, +32767, +32767};

這兩行指令是用來校正電子羅盤中的偏差值。 

• 物件名稱.read();

讀取電子羅盤中所有的資料。 

• 物件名稱.heading();

讀取電子羅盤在水平面上時，電子羅盤晶片方位(北方)與磁北方之間的角度差， 單位為: 度。

====================原理知識====================

以下解釋提供給有需要知道背後原理的人:

磁鐵是一種可以吸引鐵，並產生磁力的物體，磁鐵一端稱為S極或稱為指南極 ，另一端為N極或稱為指北極。

我們所在的地球本身就像一個超大型的磁鐵，會產生磁力線 (或稱磁場)，因此藉由這個原理早在古時候就有人製作"指南針"這類型的工具，可藉由地球產生的磁力線方向指出南北邊的方向。(注意:市面上販售的通常稱為指北針)

近代科學家根據磁力(磁場)原理，製作了可以感測磁力的電子IC晶片，我們稱為電子羅盤。電子羅盤所使用的電子材料會隨著外加磁場的變化，改變材料中的電阻值差距，可用來感測磁場的變化，這種現象又稱為磁阻效應。

傳統的指北針和電子羅盤的定位方式是一樣的，都必須旋轉羅盤，讓指針對準北(N)的文字面，完成後，就可以從文字上判斷方位了。

模組的電路圖如下所示，模組使用了一顆降壓IC，將5V的電源降到3.3V，以符合此IC的供電需求!

====================範例實作(一)====================

了解模組功能(原理)後，我們用以下範例來展示模組的功能:

目標:

(1)使用Serial Monitor，查看電子羅盤回傳的角度資料

(2)水平旋轉電子羅盤模組，查看角度的變化量

接線:

(1) 電源線連接如下圖所示，連接的說明請看這篇文章 或簡易版

(2) 訊號線連接

                   Arduino_A4 ===> 電子羅盤模組_SDA 

                   Arduino_A5 ===> 電子羅盤模組_SCL

範例程式:

本程式需要使用LSM303函式庫，請點此下載，解壓縮後置於Arduino下的Library資料夾

	// 2018/03/14
	// Faya-Nugget 範例程式 (eCompass_1.ino)
	// 單元: 模組介紹-faya電子羅盤模組
	// 網址:https://fayalab.blogspot.com/2018/01/eCompass.html
	// 目標: (1)使用Serial Monitor，查看電子羅盤回傳的角度資料
	// (2)水平旋轉電子羅盤模組，查看角度的變化量
	// 備註:
	//
	// 接線: Arduino ==> faya模組
	// A4 ==> SDA (電子羅盤模組)
	// A5 ==> SCL (電子羅盤模組)
	//
	#include <Wire.h>
	#include <LSM303.h>
	LSM303 compass; // 匯入LSM303 Library
	void setup() {
	Serial.begin(9600); //宣告UART的Board rate為9600
	Wire.begin(); //I2C的初始設定
	compass.init(); //電子羅盤模組的初始設定
	compass.enableDefault();
	compass.m_min = (LSM303::vector<int16_t>){-32767, -32767, -32767}; //偏差值校正
	compass.m_max = (LSM303::vector<int16_t>){+32767, +32767, +32767};
	}
	void loop()
	{
	compass.read(); //讀取模組中的資料 (與北方的夾角)
	float heading = compass.heading();
	Serial.println(heading); //將資料回傳到Serial Monitor 顯示
	delay(100); //延遲0.1秒
	}

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備註 :
- Loop裡的程式很容易懂，即讀取和磁北方的夾角，接著列印在終端機上。要注意的是，由於模組上Y的指向是晶片方位的南方，因此晶片方位的北方的指向是-Y。

當模組對準北方後，如果順時針旋轉，數值會從0開始加大，轉一圈後最大值360度，然後歸0。如果逆時針轉，數值會從360往下降，達到原點後為最小值0度。

因此從串列埠監控視窗中，我們看到的數字是介於0~360，當我們旋轉到接近0或360時，代表著模組上的晶片方位-Y方向已經指向磁北了。

範例結果:

討論:

• 影片中可以發現，當我們順時針旋轉時，數字漸漸增加，超過360時，又從0開始; ，逆時針旋轉時，數字漸漸減少。當我們讓數字靠近 0 或 360時，對照旁邊的指北針，我們可以發現 -Y的方向會和指北針的方向一致。

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