磁阻式电子罗盘

磁阻式电子罗盘实验

【实验目的】

1.了解磁阻传感器的原理；

2.掌握二维电子罗盘的组成和工作原理及一些制作实例；

3.培养程序编写和整机调试能力；

【实验内容】

实验包括硬件设计和软件设计两个部分。首先根据要实现的功能来确定所需要的硬件设备。硬件电路确定好以后，根据电路要实现的功能，编写相应的软件模块。

1．硬件方案设计

硬件电路由传感器、A/D 转换器、单片机、LED 显示、测控电路组成。具体过程如图1所示。

图1 电子罗盘系统方框图

2． 软件方案设计

软件系统由初始化设置、数据采集、方向角计算和数字量输出组成，开始工作是先初始化传感器和单片机，向磁阻传感器发送复位/置位脉冲，获取传感器的偏置电压值。如图2所示，程序设计流程图。

图2 程序设计流程图 【实验原理及电路模块】

初始化数据采集A/D 转换方向角计算显示结果

1.磁阻效应

电子罗盘的工作原理是基于磁阻效应。磁阻效应是指某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象。基于霍尔效应有普通磁阻效应和各向异性磁阻效应之分。磁阻效应由于载流子在磁场中受到洛伦兹力而产生的。在达到稳态时，某—速度的载流子所受到的电场力与洛伦兹力相等，载流子在两端聚集产生霍尔电场，比该速度慢的载流子将向电场力方向偏转，比该速度快的载流子则向洛伦兹力方向偏转。这种偏转导致载流子的漂移路径增加。或者说，沿外加电场方向运动的载流子数减少，从而使电阻增加。这种现象称为磁阻效应。若外加磁场与外加电场垂直，称为横向磁阻效应；若外加磁场与外加电场平行，称为纵向磁阻效应。

2. 地磁场的测量原理

地磁场的强度不是固定不变的，地磁场的大小和方向随时间、地点而变，且除地磁赤道处以外的地磁场都不是水平的。常用磁倾角、磁偏角、地磁场水平强度(地磁场的水平分量)这三个要素来描述地磁场的大小和方向。磁力线从南极指向北极，在两极垂直于地球表面，在赤道平行于地球表面。磁南北极与地理南北极并不重合，而是有一个11.5°的夹角。地理北(南)极和磁北(南)极间的偏差角称为磁偏角[20]。磁偏角随地理位置变化而变化，只要知道具体位置的经纬度，就可以计算出磁偏角，从而通过修正获得的正确方向角(文中所提及的方向角都是相对于磁北极而言的)。

地磁场的大小和方向用磁场强度He表示，单位为高斯。He可分为三个分量：水平强度Heh，是He在水平面上的投影；磁偏角λ，是Heh与正北方向的夹角；磁倾角δ，是He对水平面的倾角。He也可分解为向北、向东和向下的三个分量X、Y、Z，这三个分量通常也可称为北向分量、东向分量和垂直分量。这些量可以确定地磁场的大小和方向，所以称为“地磁要素”。在同一高度上靠近赤道处地磁场较弱，而靠近磁极处则较强。

3. 电子罗盘工作原理

磁阻传感器接收的地球磁场信号经2对互相垂直的由4个磁电阻元件连成的惠斯通电桥后电阻值由于磁场的作用而改变，电阻的变化通过电路转化为电压的变化，从而输出两路电压信号，因为传感器输出电压很小，一般为mV级，需要经过放大器后才能被后续电路采集使用，固先将两路电压信号通过放大器放大后经A/D转换器转换成数字信号输出给单片机，单片对接收到的信号进行计算转换，对数据的误差进行补偿处理，最后在LED上显示处理后的结果，即地理方向。

4. 地磁场的计算

对于二维(平面)磁电子罗盘，没有加倾角传感器，只需要考虑地磁场的水平分量Heh。图3中的x轴和y轴分别为双轴磁阻传感器的两个敏感方向。方向角α是磁北方向与罗盘指向的顺时针夹角。假设x轴方向磁场分量为Hex，y轴方向磁场分量为Hey，则方向角α可通过计算得到。

双轴磁电阻传感器测量水平面内两个正交方向的磁场，本次设计即为平面结构，如图3所示，即为传感器输出在平面的映射。

图3 传感器输出在平面的映射

5.电子罗盘装置的组成模块

5.1 放大电路模块

由于待测磁信号为微小信号，得到的电压信号不能直接满足采集系统的要求，磁阻传感器的输出值在-60mV~30mV之间，数值很小，信号微弱，为了使信号的幅值适中，需将信号放大才能使传感器输出的信号供后续采集系统使用。考虑到输入电压及放大倍数的影响，可选择反向串联结构的AMP04放大器，分别对X/Y向的输出进行放大。图4为AMP04的放大电路连接图。

图4 AMP04放大电路设计图

5.2.置位/复位电路模块

霍尼韦尔磁阻传感器工作时可能会受到其它不相关的强磁场干扰，使其敏感度降低，导致分辨率下降。为达到高分辨率，必须对磁传感器进行“置位”。在芯片上有一小电流带对玻莫合金薄膜进行置位和复位。这一技术也称作对薄膜充磁，不需要外接任何线圈。

置位脉冲和复位脉冲对传感器所起的作用是基本一样的，唯一的区别是传感器的输出改变正负号。进行置位或复位，需对玻莫合金薄膜施加3~4A、20~50ns 的脉冲电流，置位或复位脉冲宽度为2 微秒。该脉冲宽度会对整个电源的消耗造成直接影响，可以缩短该宽度或减少使用次数，注意一个单脉冲只能在一个方向驱动，即如果用4A的脉冲对传感器进行置位，脉冲将下降到零电流以下，任何电流的负脉冲信号会对传感器“复位”，并使灵敏度不是最优。

置位/复位脉冲电流的幅值主要取决于系统磁噪音的灵敏度。如果给定的应用场合中HMC1002的最小可测磁场约为500µ高斯，那么3A(最小值)的脉冲就足够了。如果最小可测磁场

是低于100µ高斯磁场，那么就要求4A(最小值)的脉冲。生成S/R脉冲的电路应置于靠近磁阻传感器处，并且电源和接地连接必须良好。

霍尼韦尔磁传感器上的置位/复位电流带标有SR+和SR-，但未指明极性，因为它只是一个金属带电阻。图5所示是一简单的置/复位电路设计图。

图5 置位/复位脉冲电路（HMC1002）

图6电路经常用于程序存储器刷新记忆，该电路也可用于置位/复位电路。该电路主要由电压转换器及外围电路组成。该电路用一个5V供电系统产生一个12V输出需用一个SO-8封装的芯片，一个肖特基二极管和六个电容。无负载工作电流为185微安典型值，在关闭状态下为0.5微安（该电路选自Maxim产品手册）。

图6 5V~12V转换电路

5.3.模数转换电路模块

8位A/D转换器应用较为广泛，大都采用逐位逼近式进行转换。ADC0809是种典型的8位A/D转换器件，该芯片包含了8位的A/D转换器、8通道多路转换开关和与微机兼容的控制逻辑。

5.4.电路电源模块

本设计的电源部分是由电源适配器将220V的交流电压转换为12V的直流电压，再通过稳压电路，最后输出5V的直流稳压电压供后续电路使用。12V的直流电压源直接从市面上购买可将220V的交流转换成12V的直流电源适配器，这样有助于提高制作进度，为后面调试预留时间。

稳压电路采用的是三端稳压集成电路7805，用78系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便