基于PNI傳感器的電子指南針

摘要：鑒于采用磁阻傳感器的數(shù)字指南針體現(xiàn)了高精度、高靈敏度的特點(diǎn)，提出基于PNI傳感器的電子指南針系統(tǒng)。該系統(tǒng)以Atmega16作為主控芯片，由SEN-R65磁阻傳感器、PNI11096磁場(chǎng)測(cè)量芯片組成數(shù)據(jù)采集端，由1602液晶、蜂鳴器、二極管及按鍵組成人機(jī)交互平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了顯示當(dāng)前方向角、多級(jí)菜單操作、指南蜂鳴、磁場(chǎng)校準(zhǔn)、定向?qū)Ш?、休眠?jié)能等多項(xiàng)功能。實(shí)驗(yàn)證明，該電子指南針的方向角絕對(duì)誤差降低至1．73％。
關(guān)鍵詞：指南針；PNI傳感器；Atmega16單片機(jī)；SEN-R65磁阻傳感器

機(jī)械式儀器體積龐大，維修困難。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展以及傳感器技術(shù)的日趨成熟，各種機(jī)械式測(cè)量?jī)x器已經(jīng)逐漸向電子數(shù)字儀器轉(zhuǎn)換，其精度要比機(jī)械式高若干倍。指南針也不例外，磁阻傳感器能準(zhǔn)確測(cè)出微弱卻無(wú)處不在的地球磁場(chǎng)，如PNI公司的SEN-R65磁阻傳感器，具有體積小、精度高、穩(wěn)定性好，價(jià)格低等特點(diǎn)，使得指南針高精度化數(shù)字化變得簡(jiǎn)易可行。由于驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)師可以把精力集中在更多創(chuàng)意設(shè)計(jì)上。筆者設(shè)計(jì)的電子指南針結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能齊全，可以安裝在GPS導(dǎo)航系統(tǒng)以及一些機(jī)器上，應(yīng)用前景廣泛。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1．1 系統(tǒng)組成
本方案采用PNI傳感器，以AVR單片機(jī)Atmega16為主控芯片，并采用SPI進(jìn)行數(shù)據(jù)采集端與Atmega16的通信，整個(gè)系統(tǒng)由PNI傳感器模塊、中心控制模塊、1602液晶和LED顯示模塊、蜂鳴器報(bào)警模塊、按鍵模塊及其他外設(shè)模塊組成。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

1．2 理論分析及數(shù)值計(jì)算
1．2．1 傳感器模塊原理
1)地球磁場(chǎng)向量 圖2所示為地球某一點(diǎn)的地球磁場(chǎng)向量He的三維圖，其中，x軸和y軸與地球表面平行，z軸垂直指向下。指南針的基本任務(wù)就是測(cè)量磁場(chǎng)北極(圖2中的He，即地球磁場(chǎng)的水平分量)與前進(jìn)方向的夾角(方位角α)。在圖2中，α是從磁場(chǎng)的北極順時(shí)針計(jì)算的(如，東是90°，西是270°)

2)磁阻傳感器SEN-R65傳統(tǒng)的磁場(chǎng)測(cè)量采用電感線圈，在地球磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電流非常微弱，不便于A／D采樣，增加了測(cè)量難度。本文采用的磁阻傳感器為SEN-R65，根據(jù)電場(chǎng)和磁場(chǎng)原理，當(dāng)在鐵磁合金薄帶的長(zhǎng)度方向施加一個(gè)電流時(shí)，如果在垂直于電流的方向再施加磁場(chǎng)，鐵磁性材料中就有磁阻的非均質(zhì)現(xiàn)象出現(xiàn)，從而引起合金帶自身的阻值變化。SEN-R65傳感器為固態(tài)元件，體積小，測(cè)量精度高，最小分辨率可達(dá)0．000 15高斯，非常適合測(cè)量地球磁場(chǎng)。注：兩個(gè)SEN-R65磁阻傳感器在實(shí)際焊接時(shí)要垂直擺放。