羅盤是自動控制測試及丈量領域中用來獲取偏向信息的裝置現在應用較普遍的是磁阻式电子羅盤這種电子羅盤具有較好的抗振性對滋擾有电子抵償因此測向精度較高但現有电子羅盤電路結構龐大要積較大未便於攜帶和使用難以集成到現有嵌入式裝備中針對這些問題本文提出了以霍尼韋爾HoneyWell公司三軸磁阻傳感器HMC5883L為敏感元件使用低功耗控制器AVR單片機為傳感器數據處置單元的小型低功耗电子羅盤該羅盤支持串口輸出可以利便集成到種種應用中,电子羅盤測向原理,地球的磁感應強度為5060T相當於沿着地球中央的一個磁棒磁棒的南北極相對於地理的南北極有約莫115的夾角無論何地地球磁場的水中分量永遠指向磁北極這一原理是所有羅盤的製作基礎所有羅盤都是丈量地球磁場的北偏向其他偏向即可推算出來地球磁場的北偏向和現實的北偏向有差異而這種差其餘巨細在地球上的差異地址也是差其餘以是必須知道羅盤所在的大致位置才氣盤算出若何抵償地磁和真實北偏向的差異以显示出真實的北偏向,磁北的偏向就是地磁場在水平面上分量的偏向假設电子羅盤處於水平面上要確定其相對於磁北的航向角由磁阻傳感器可以直接得出地磁場的水中分量HxHy因此相對於磁北的航向角為,羅盤360度每一度吉凶(怎樣通過羅盤確定消峰納水吉凶的方法和應用)
,正切函數的周期為180為保證數據有用性船體航向角轉換到相對磁北0360的局限內可將上式剖析獲得相對於磁北極的360局限內順時針偏向的航向角加受騙地的磁偏角就可以算出與真北的航向角,
,由於地磁南北極與地理南北極存在磁偏角要獲得準確的南北極偏向必須用盤算效果加上或減去所在區域磁偏角得出前進偏向與地理北極的夾角即真北方位角A當所在區域磁偏角已知時真北方位角為A,硬件設計,电子羅盤的硬件系統如圖211所示主要由傳感器控制器電源及串口輸出4部門組成控制器通過串口與PC通訊用於實現對电子羅盤的設置校正以及丈量數據輸出,
,圖211硬件系統設計圖,1控制器模塊,
,圖212ATmega16最小系統原理圖,控制器接納ATmega16這是一款基於增強的AVRRISC結構的高性能低功耗8位MCU事情電壓為2755V在1MHz時鐘下事情電流為11mA大多數指令可以單時鐘周期執行具有統一的中止治理片上外圍模塊厚實片內有16KB的Flash1KB的RAM512字節的EEPROM8路的10位AD轉換器以及一起USART通訊端口等資源在本設計中控制器串口與PC毗鄰可以對电子羅盤舉行設置及校正也可以將最終盤算獲得的偏向及角度通過串口輸出供其他丈量系統使用控制器模塊在ATmega16的基礎上做了最小系統的擴展如圖212所示根據模塊化設計頭腦本文將最小系統製作成單獨模塊其最終實物如圖213所示,
,圖213ATmega16最小系統實物圖,
,圖214HMC5883L模塊,
羅盤是怎麼用的(風水羅盤的使用與實戰技巧)
基於HMC5883L的电子羅盤" inline="0" class="aligncenter">,圖215串口模塊,
,圖216底板原理圖,2HMC5883L模塊,HMC5883L是一種基於外面貼裝的高集成自帶数字接口的弱磁傳感器應用於低成本羅盤和磁場檢測領域HMC5883L包羅最先進的高分辨率HMC118X系列磁阻傳感器並附帶霍尼韋爾專利的集成電路包羅放大器自動消磁驅動器誤差校準能使羅盤精度控制在12的12位模數轉換器以及淺易的I2C總線接口,HMC5883L接納霍尼韋爾各向異性磁阻AMR手藝具有軸向高迅速率和線性高精度的特點能用於丈量地球磁場的偏向和巨細,HMC5883L模塊的外圍電路異常簡樸本文接納的是製品模塊如圖214所示該模塊外接引腳包羅VCCGNDSCLSDADRDY3V3其中VCC為5V輸入模塊自帶降壓功效可以輸出33V電壓供其他模塊使用SCL與SDA為尺度I2C接口DRDY用於指示HMC5883L數據是否準備好用於中止方式讀取丈量數據,3串口模塊,與PC通訊的串口模塊接納的是USB轉串口方式同樣接納製品模塊如圖215所示該模塊使用PL2303HX芯片實現USB轉串口功效具有電路簡樸傳輸速率快等特點模塊引出的功效引腳包羅TXDRXDGND3V35V其中5V為USB總線輸出電壓本文將該電壓作為下位機的供電電壓TXD與RXD為串口接口與單片機直接毗鄰無需做電平轉換模塊內部同時集成了降壓模塊可以輸出33V電壓但由於已經使用了HMC5883L模塊的降壓功效本系統中該輸出引腳懸空,4底板模塊,各模塊之間需要通過底板舉行毗鄰其原理圖如圖216所示其中與HMC5883L模塊的I2C接口使用的是ATmega16的硬件接口因此需要毗鄰PC0與PC1端口DRDY則與PD7端口毗鄰串口模塊與單片機的硬件串口端口PD0PD1毗鄰總體毗鄰相對簡樸將各個模塊通過插座插針以及毗鄰線毗鄰裝備最終的樣子如圖217所示,軟件設計,电子羅盤的軟件分為兩部門單片機上的軟件以及PC端的控制軟件平時事情時只需運行單片機上的程序PC端軟件僅显示當前數據當需要設置或者校正時要配合PC端軟件使用,單片機的軟件流程如圖218所示參數保留在單片機的EEPROM中掉電后仍然可以保留,
,圖217總體裝備實物圖,
,圖218單片機軟件流程圖,PC機與單片機舉行串口毗鄰平時事情時單片機事情在正常模式PC端軟件通過串口查詢當前方位角並显示在界面受騙需要設置电子羅盤時可以通過PC端軟件設置磁偏角參數都市保留在單片機的EEPROM中羅盤重啟后還按之前的設置參數運行當需要對羅盤舉行校正時通過PC端軟件啟動校正流程用戶需要在水平面上緩慢旋轉羅盤360然後通過PC端軟件見告羅盤竣事校正此時羅盤會自動盤算出XY軸的偏移值並保留同時PC端軟件上會显示這些偏移值,PC端軟件接納VisualC2005編寫基於MFC框架開發軟件流程如圖219所示軟件框架接納的是查詢方式由PC控制軟件作為自動方發送串口下令到單片機單片機則作為被動方將效果返回給PC控制軟件,通過界面上的按鈕用戶可以設置电子羅盤舉行校正並看到當前方位角的显示界面如圖2110所示使用時先將單片機與PC串口毗鄰然後打開對應的串口號此時即可以看到當前方位角显示在偏角欄里若是需要設置磁偏角只需將數值寫入對話框並單擊設置按鈕即可校正功效相對對照龐大在單擊最先校正後需要手動旋轉电子羅盤360然後再單擊竣事校正最大最小偏移值即會显示在界面上,羅盤誤差及抵償,
,圖219PC端軟件流程圖,
,圖2110PC端軟件界面,
,圖2111有無滋擾時的羅盤輸出,造成羅盤誤差的主要因素有傳感器誤差其他磁質料滋擾等為了校準傳感器放大電路HMC5883內部集成了自測試電路可以驅動偏置電流帶發生一定巨細的測試磁場以校準傳感器各軸迅速率自測試還可以校準溫度轉變發生的漂移當磁阻傳感器處於較強滋擾磁場中時傳感器迅速率會下降甚至失效為了消除這種影響需要複位置位電路施加脈衝寬度為2s電流強度為34A的電流使傳感器特徵恢復在現在應用較為普遍的HMC1022及HMC1022模擬輸出磁阻傳感器中複位置位電路需要分外設計並由控制器控制而HMC5883芯片內部集成了天生複位置位脈衝所需的驅動電路且由片上ASIC電路自動控制在每次丈量前自動舉行複位置位操作不僅保證了傳感器精度也使傳感器應用電路大為簡化,除了傳感器自己的誤差磁阻傳感器應用環境中的磁介質引起的磁場轉變也會使电子羅盤精度降低磁場滋擾分硬磁滋擾和軟滋擾兩類硬磁滋擾是傳感器周圍的永磁體或被磁化的金屬造成的它對磁阻傳感器輸出的影響是牢靠的使輸出曲線圖圓心偏移如圖2111b所示而軟磁滋擾則是地球磁場和傳感器周圍磁性子料的相互作用造成的其滋擾具有偏向性如圖2111c所示,為了校正XY軸偏向的硬磁滋擾需要在校準模式中繞Z軸徐徐旋轉羅盤一周在旋轉歷程中羅盤不停採集XY軸的磁場強度數據最終找出數據的最大值XmaxYmax和最小值XminYmin對於Z軸的校準需要繞X軸或Y軸旋轉一周找出Z軸數據的最大值Zmax最小值Zmin校準偏移量為,
,將偏移量保留到控制器的EEPROM存儲器中在以後的每次丈量中將每軸的磁場強度減去對應的偏移量即可校準硬磁滋擾消除軟磁滋擾的抵償算法較為龐大在低成本的控制器上不易實現且效果有限因此在本設計中選用了優化磁阻傳感器安裝位置的方式以降低其他磁性子料對地磁場的滋擾保證羅盤精度,總結,本文依據磁羅盤測向原理設計了具有傾斜抵償功效的小體積低功耗数字羅盤該羅盤接納数字磁阻傳感器HMC5883L及超低功耗處置器ATmega16L具有電路結構簡樸集成度高抗滋擾能力強等優點實驗證實經算法抵償后該电子羅盤精度可以到達1由於硬件成本低功耗小它也適用於便攜導航小型航行器控制以及用於其他需要丈量傾角和方位角的場所,
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