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字指南針體現了高精度、高靈敏度的特點，提出基于PNI傳感器的電子指南針系統。該系統以Atmega16作為主控芯片，由SEN-R65磁阻傳感器、PNI11096磁場測量芯片組成數據采集端，由1602液晶、蜂鳴器、二極管及按鍵組成人機交互平臺，實現了顯示當前方向角、多級菜單操作、指南蜂鳴、磁場校準、定向導航、休眠節能等多項功能。實驗證明，該電子指南針的方向角絕對誤差降低至1．73％。
關鍵詞：指南針；PNI傳感器；Atmega16單片機；SEN-R65磁阻傳感器

機械式儀器體積龐大，維修困難。隨著電子技術的飛速發展以及傳感器技術的日趨成熟，各種機械式測量儀器已經逐漸向電子數字儀器轉換，其精度要比機械式高若干倍。指南針也不例外，磁阻傳感器能準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、穩定性好，價格低等特點，使得指南針高精度化數字化變得簡易可行。由于驅動電路簡單，設計師可以把精力集中在更多創意設計上。筆者設計的電子指南針結構簡單，功能齊全，可以安裝在GPS導航系統以及一些機器上，應用前景廣泛。

1 系統硬件設計
1．1 系統組成
本方案采用PNI傳感器，以AVR單片機Atmega16為主控芯片，并采用SPI進行數據采集端與Atmega16的通信，整個系統由PNI傳感器模塊、中心控制模塊、1602液晶和LED顯示模塊、蜂鳴器報警模塊、按鍵模塊及其他外設模塊組成。系統總體框架如圖1所示。

1．2 理論分析及數值計算
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)與前進方向的夾角(方位角α)。在圖2中，α是從磁場的北極順時針計算的(如，東是90°，西是270°)

2)磁阻傳感器SEN-R65傳統的磁場測量采用電感線圈，在地球磁場產生的感應電流非常微弱，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，根據電場和磁場原理，當在鐵磁合金薄帶的長度方向施加一個電流時，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現象出現，從而引起合金帶自身的阻值變化。SEN-R65傳感器為固態元件，體積小，測量精度高，最小分辨率可達0．000 15高斯，非常適合測量地球磁場。注：兩個SEN-R65磁阻傳感器在實際焊接時要垂直擺放。