馬學(xué)東，吳傍斌，林培立，謝鎮(zhèn)和，王衛(wèi)星

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣東 廣州 510642）

機(jī)械式儀器體積龐大，維修困難[1]。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)械式測量儀器已經(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)確測出微弱卻無處不在的地球磁場，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[2]，價(jià)格低等特點(diǎn)，使得指南針高精度化數(shù)字化變得簡易可行。由于驅(qū)動(dòng)電路簡單，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。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖Fig.1 Overall block diagram of system

1.2 理論分析及數(shù)值計(jì)算

1.2.1 傳感器模塊原理

1）地球磁場向量 圖2所示為地球某一點(diǎn)的地球磁場向量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)就是測量磁場北極（圖2中的He，即地球磁場的水平分量）與前進(jìn)方向的夾角（方位角α）[3]。在圖2中，α是從磁場的北極順時(shí)針計(jì)算的（如，東是90°，西是 270°）

圖2 地球磁場向量圖Fig.2 Vector diagram of earth magnetic field

2）磁阻傳感器SEN-R65 傳統(tǒng)的磁場測量采用電感線圈，在地球磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電流非常微弱，不便于A/D采樣，增加了測量難度。本文采用的磁阻傳感器為SEN-R65，根據(jù)電場和磁場原理，當(dāng)在鐵磁合金薄帶的長度方向施加一個(gè)電流時(shí)，如果在垂直于電流的方向再施加磁場，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[4]，體積小，測量精度高，最小分辨率可達(dá)0.000 15高斯，非常適合測量地球磁場。注：兩個(gè)SEN-R65磁阻傳感器在實(shí)際焊接時(shí)要垂直擺放。

3）磁場測量芯片PNI11096 通過磁阻效應(yīng)可以把磁場的變化轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)變化的電流，但所得到的電流比較微弱，很難進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，因此要經(jīng)過信號(hào)放大電路進(jìn)行放大，再通過A/D轉(zhuǎn)換就可以得到對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，這樣才能讓單片機(jī)識(shí)別。PNI公司的PNI11096芯片能夠同時(shí)對(duì)3軸磁場強(qiáng)度（即x，y，z軸）進(jìn)行測量，且集成了放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。在整個(gè)PNI11096信號(hào)處理電路中包含3個(gè)主要的部分，如圖3所示。

圖3 PNI11096信號(hào)處理流程圖Fig.3 Signal processing flow chart of PNI11096

1.2.2 SPI模塊接口電路

PNI11096的SPI總線的時(shí)序如圖4所示，比通常的SPI總線多了DRDY和RESET。以下為讀取數(shù)據(jù)的步驟：

1）拉低 SSNOT；

2）復(fù)位一次11096，即把 RESET拉高5 μs再拉低，每次測量都要復(fù)位一次，復(fù)位后DRDY自動(dòng)變?yōu)榈停?/p>

3）DRDY變?yōu)榈秃?，指令（讀 x軸為 0X41，y軸為 0X42）從 MOSI傳入 11096；

4）寫入指令后等待DRDY變高，表示11096已經(jīng)準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)，在M ISO讀取數(shù)據(jù)即可。

PNI11096與單片機(jī)的接口電路如圖5所示。

圖4 PNI11096的SPI總線時(shí)序圖Fig.4 SPI bus timing diagram of PNI11096

圖5 PNI11096的接線圖Fig.5 Connection wiring diagram of PNI11096

1.2.3 休眠節(jié)電工作方式的原理

指南針采用了休眠節(jié)電方式。當(dāng)CPU處于等待時(shí)進(jìn)入休眠節(jié)電工作模式，降低電能損耗，一旦有外部的觸發(fā)信號(hào)或等待時(shí)間到，CPU從休眠狀態(tài)中被喚醒，重新進(jìn)入正常程序執(zhí)行工作方式。Atmega16處在掉電休眠模式狀態(tài)時(shí)，其本身的耗電量小于 1 μA[5]。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該電子指南針使用編譯器winavr，采用C語言進(jìn)行編程，具有很好的可移植性[6]。整個(gè)系統(tǒng)軟件包括主程序、普通模式子程序、校準(zhǔn)模式子程序、定向模式子程序等。

主程序負(fù)責(zé)初始化各個(gè)功能模塊，上電便顯示普通模式，通過按鍵選擇可以進(jìn)入其他模式。此外，程序中配置了與休眠功能相關(guān)的寄存器，當(dāng)達(dá)到要求時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入休眠模式。

2.1 普通模式子程序

根據(jù)傳感器PNI11096測得的x、y值，單片機(jī)計(jì)算出方向角angle，并在液晶顯示器上顯示方向（如南偏東15°）。當(dāng)指向南方時(shí)，蜂鳴器響。程序流程圖如圖6所示。

圖6 普通模式子程序流程圖Fig.6 Flow chart of subroutines in normal mode

2.2 校準(zhǔn)子程序

選擇校正模式，整個(gè)系統(tǒng)在水平面上旋轉(zhuǎn)一周，干涉磁場與地球磁場疊加會(huì)有一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，記錄下這兩個(gè)值。通過校正即可消除干涉磁場的影響。流程圖如圖7所示。

圖7 校準(zhǔn)子程序流程圖Fig.7 Flow chart of calibrating subroutines

2.3 導(dǎo)航子程序

進(jìn)入導(dǎo)航模式，用戶選擇好行進(jìn)的方向角，按確定鍵保存。在定向過程中，當(dāng)前角度angle不斷與α對(duì)比，小于α則右邊指示燈閃爍，大于α則左邊指示閃爍，等于α則中間指示燈閃爍，如圖8所示。

圖8 導(dǎo)航子程序流程圖Fig.8 Flow chart of navigating subroutines

3 結(jié)果與分析

PNI11096讀出來的數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機(jī)處理，得到0～360°的方向角，并用機(jī)械式指南針作為標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)。測試數(shù)據(jù)如表1所示，方向角測試誤差絕對(duì)值的平均值為6.25°，相對(duì)誤差為1.73%。

表1 標(biāo)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Text data of calibration

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的電子指南針利用了PNI公司的磁阻傳感器SEN-R65和專用的驅(qū)動(dòng)芯片11096，以ATmega16為主控芯片，方向角測試平均誤差為6.25°。系統(tǒng)多級(jí)菜單，界面操作簡易，并設(shè)置了休眠掉電模式，降低了系統(tǒng)功耗。

[1]王麗穎，支煒，孫紅霞，等.基于HMCl022磁阻傳感器的數(shù)字電子羅盤的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子測量技術(shù)，2009（1）：108-111.WANG Li-ying， ZHI Wei， SUN Hong-xia， et al.The design and implementation of the digital electronic compass based ontheHMCl022sensor[J].ElectronicMeasurementTechnology，2009（1）：108-111.

[2]張建海，柴小麗，范海明，等.基于SEN-S磁感傳感器的電子指南針系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2009， 25（13）：160-162.ZHANG Jian-hai，CHAI Xiao-li， FAN Hai-ming，et al.The electronic compass system based on the SEN-S sensor.[J].Microcomputer Information， 2009， 25（13）：160-162.

[3]李怡達(dá)，張中平，秦明，等.基于磁阻傳感器與微處理器的二維電子羅盤的設(shè)計(jì)[J].功能材料與器件學(xué)報(bào)，2008（2）：557-560.LI Yi-da， ZHANG Zhong-ping，QIN Ming， et al.The design of two-dimensional electronic compass based on magnetic resistance sensorand microprocessors [J].Journalof Functional Materials and Devices，2008（2）：557-560.

[4]朱學(xué)斌.基于MAX155和KMZ52的電子指南針的實(shí)現(xiàn)[J].魯東大學(xué)學(xué)報(bào)， 2006（22）：300-302.ZHU Xue-bin.The implementation of electronic compass based on the MAX155 and KMZ52 sensors[J].Ludong University Journal，2006（22）：300-302.

[5]馬潮.AVR單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[6]文浩.單片機(jī)系統(tǒng)液晶菜單設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2007（4）：75-77.WEN Hao.Design of LCD display menus in MCU system[J].Industrial Control Computer， 2007（4）：75-77.