电子指南针设计

摘要

作为我国古代四大发明之一的指南针，为世界各族人民生活带来了很大的便利，它是一种重要的导航工具，为世界的航海事业做出了不可抹灭的贡献。然而在当今的指南针家族中，数字指南针以其内部结构固定，没有移动部分，可以简单地和其它电子系统接口，因此很多地方代替了旧的磁指南针。并以精度高、稳定性好等特点得到了广泛运用。

本文介绍了目前用于定位系统中的数字指南针的工作原理，详细论述了磁场传感器芯片HMC5883L的工作原理，给出了用HMC58832L 磁场传感器设计数字指南针的总体设计方案和电路，同时也给出了在12864液晶显示设计方案。

符号说明

1.系统方案设计

1.1设计任务

基于STC89C52单片机，霍尼韦尔公司生产的磁场传感器芯片HMC5883L设计一个数字指南针，并在液晶显示屏12864上显示指南针。其次，指南针反应速度应该和普通磁石指南针相近。

1.2方案论证与选择

方案一：采用Philips公司生产的KMZ52感应磁场

KMZ52是Philips公司生产的一种磁阻传感器，是利用坡莫合金薄片的磁阻效应测量磁场的高灵敏度磁阻传感器。该磁阻传感器内置两个正交磁敏电阻桥、完整的补偿线圈和设置／复位线圈。补偿线圈的输出与当前测量结果形成闭环反馈，使传感器的灵敏度不受地域限制。这种磁阻传感器主要应用于导航、通用地磁测量和交通检测。该磁阻传感器在金属铝的表面沉积了一定厚度的高磁导率的坡莫合金，在翻转线圈和外界磁场两个力的作用下，电子改变运动方向，使得磁敏电阻的阻值发生变化。同时KMZ52的斑马条电阻成45°放置，这使得电子在正反向磁场力作用下有较好的对称性。由于加入了翻转磁场，KMZ52的变化曲线与普通的磁敏电阻不同，更加线性化。KMZ52磁阻传感器的核心部分是惠斯通电桥，是由4个磁敏感元件组成的磁阻桥臂。磁敏感元件由长而薄的坡莫合金薄膜制成。在外加磁场的作用下，磁阻的变化引起输出电压的变化。

方案二：采用美国PNI 磁通传感器SEN-S65

SEN-S65是PNI公司开发的磁感技术磁传感器。它使用一个单螺线管作为张弛振荡器来感应磁场。随着磁场的变化振荡器输出的频率也随之发生变化。具有体积小、精度高、稳定性好、价格低等特点。地磁测量原理地球表面的磁场是一个平行于地球表面的成份它始终

指向磁北,以直角坐标系的形式描绘地球磁场在地球表面某一点的分布。假设被测载体位于水平面上的二维平面系统中,我们只需考虑地磁场He在地球表面的分量H即可。磁北H为地磁场在地球表面的水平

分量:XH、YH分别为H在载体方向X轴和Y轴上的分量,二者和向量的方向与磁北H的方向一致;β为载体纵轴相对于磁北的航向角,α为载体纵轴Y相对于地理北极的航向角。由理论知当α=β-D,α可由磁偏角测量仪测出,β与XH、YH满足β=arctan(YH/XH)值。这样就可得出该磁场的偏转角度。

此芯片还需要专用的驱动芯片PNI 1109。PNI 11096 可以测3 个方向的磁场强度，X，Y和Z方向。这个传感器模块跟超声波传感器模块一样，要插在MSP430F1232 小系统上才能工作，对外用485 通信，这个传感器模块与MSP430F1232 小系统之间通过SPI 总线来通信。

方案三：采用美国Honeywell 公司的HMC5883L磁阻传感器

HMC5883L是美国Honeywell公司生产的一款一种表面贴装的高集成模块，并带有数字接口的弱磁传感器芯片，应用于低成本罗盘和磁场检测领域。HMC5883L 包括最先进的高分辨率HMC118X 系列磁阻传感器，并附带霍尼韦尔专利的集成电路包括放大器、自动消磁驱动器、偏差校准、能使罗盘精度控制在1°~2°的12 位模数转换器.简易的I2C 系列总线接口。HMC5883L 是采用无铅表面封装技术，带有16 引脚，尺寸为3.0X3.0X0.9mm。HMC5883L 的所应用领域有手机、笔记本电脑、消费类电子、汽车导航系统和个人导航系统。磁阻传感芯片 HMC5883L 采用霍尼韦尔各向异性磁阻(AMR)技术，该技术的优点是其他磁传感器技术所无法企及。这些各向异性传感器具有在轴向高灵敏度和线性高精度的特点.传感器带有的对于正交轴低敏感行的

固相结构能用于测量地球磁场的方向和大小，其测量范围从毫高斯到8 高斯(gauss)。霍尼韦尔的磁传感器在低磁场传感器行业中是灵敏度最高和可靠性最好的传感器。

综上所述，我们选择方案三。

1.3单片机及显示器选型

我们选择STC公司生产的经典一款STC89C52RC,芯片内部程序存储空间为8KB,其内部RAN为512B，PDIP封装。外部显示器选用带中文字库的12864。

1.4系统方案框图

2. 数字指南针的硬件设计

2.2磁阻传感芯片HMC5883L的外围连接电路（我们采用单电源连接） HMC5883L磁阻传感芯片连接出来的串行数据传输端口SDA，时钟线端口CLK,DRDY端口分别连接单片机的P27，P26，P25。

磁阻传感器电路

2.3 12864液晶模块电路电路

12864液晶的D0__D7连接单片机的P0口，WR,RS，EN分别连P36，P37,P35,PSB接VCC高电平选择并行工作方式。

2.4 STC89C52单片机电路模块

3.理论分析与计算

3.1数字罗盘HMC5883L的测向原理

磁罗盘通过测量地磁场水平方向分量确定磁北极方向并推算出其他方向。当罗盘水平放置时,传感器坐标系的X、Y 轴在水平面内，X 轴为前进方向，Y 轴垂直于X 轴向右，Z 轴沿重力方向向下,从磁北方向顺时针到X 轴的夹角即为方位角α。实际应用中，电子罗盘并不是始终水平，需要根据加速度传感器测得的仰角和滚转角，通过坐标变换，将磁传感器测得的磁场强度分量折算到水平方向，再计算方位角。俯仰角ϕ为罗盘纵轴与水平面之间的夹角，滚转角θ为罗盘Z 轴与过X 轴的铅垂面之间的夹角。当罗盘不水平时，测得重