基于PNI传感器的电子指南针

摘要：鉴于采用磁阻传感器的数字指南针体现了高精度、高灵敏度的特点，提出基于PNI传感器的电子指南针系统。该系统以Atmega16作为主控芯片，由SEN-R65磁阻传感器、PNI11096磁场测量芯片组成数据采集端，由1602液晶、蜂鸣器、二极管及按键组成人机交互平台，实现了显示当前方向角、多级菜单操作、指南蜂鸣、磁场校准、定向导航、休眠节能等多项功能。实验证明，该电子指南针的方向角绝对误差降低至1．73％。
关键词：指南针；PNI传感器；Atmega16单片机；SEN-R65磁阻传感器

    机械式仪器体积庞大，维修困难。随着电子技术的飞速发展以及传感器技术的日趋成熟，各种机械式测量仪器已经逐渐向电子数字仪器转换，其精度要比机械式高若干倍。指南针也不例外，磁阻传感器能准确测出微弱却无处不在的地球磁场，如PNI公司的SEN-R65磁阻传感器，具有体积小、精度高、稳定性好，价格低等特点，使得指南针高精度化数字化变得简易可行。由于驱动电路简单，设计师可以把精力集中在更多创意设计上。笔者设计的电子指南针结构简单，功能齐全，可以安装在GPS导航系统以及一些机器上，应用前景广泛。

1 系统硬件设计
1．1 系统组成
    本方案采用PNI传感器，以AVR单片机Atmega16为主控芯片，并采用SPI进行数据采集端与Atmega16的通信，整个系统由PNI传感器模块、中心控制模块、1602液晶和LED显示模块、蜂鸣器报警模块、按键模块及其他外设模块组成。系统总体框架如图1所示。

1．2 理论分析及数值计算
1．2．1 传感器模块原理
    1)地球磁场向量 图2所示为地球某一点的地球磁场向量He的三维图，其中，x轴和y轴与地球表面平行，z轴垂直指向下。指南针的基本任务就是测量磁场北极(图2中的He，即地球磁场的水平分量)与前进方向的夹角(方位角α)。在图2中，α是从磁场的北极顺时针计算的(如，东是90°，西是270°)

    2)磁阻传感器SEN-R65传统的磁场测量采用电感线圈，在地球磁场产生的感应电流非常微弱，不便于A／D采样，增加了测量难度。本文采用的磁阻传感器为SEN-R65，根据电场和磁场原理，当在铁磁合金薄带的长度方向施加一个电流时，如果在垂直于电流的方向再施加磁场，铁磁性材料中就有磁阻的非均质现象出现，从而引起合金带自身的阻值变化。SEN-R65传感器为固态元件，体积小，测量精度高，最小分辨率可达0．000 15高斯，非常适合测量地球磁场。注：两个SEN-R65磁阻传感器在实际焊接时要垂直摆放。
    3)磁场测量芯片PNI11096通过磁阻效应可以把磁场的变化转换成对应变化的电流，但所得到的电流比较微弱，很难进行A／D转换，因此要经过信号放大电路进行放大，再通过A／D转换就可以得到对应的数字量，这样才能让单片机识别。PNI公司的PNI11096芯片能够同时对3轴磁场强度(即x，y，z轴)进行测量，且集成了放大和模数转换电路。在整个PNI11096信号处理电路中包含3个主要的部分，如图3所示。

1．2．2 SPI模块接口电路
    PNI11096的SPI总线的时序如图4所示，比通常的SPI总线多了DRDY和RESET。以下为读取数据的步骤：

    1)拉低SSNOT；
    2)复位一次11096，即把RESET拉高5μs再拉低，每次测量都要复位一次，复位后DRDY自动变为低；
    3)DRDY变为低后，指令(读x轴为0X41，y轴为0X42)从MOSI传入11096；
    4)写入指令后等待DRDY变高，表示11096已经准备好数据，在MISO读取数据即可。
    PNI11096与单片机的接口电路如图5所示。
1．2．3 休眠节电工作方式的原理
    指南针采用了休眠节电方式。当CPU处于等待时进入休眠节电工作模式，降低电能损耗，一旦有外部的触发信号或等待时间到，CPU从休眠状态中被唤醒，重新进入正常程序执行工作方式。Atmega16处在掉电休眠模式状态时，其本身的耗电量小于1μA。

2 系统软件设计
    该电子指南针使用编译器winavr，采用C语言进行编程，具有很好的可移植性。整个系统软件包括主程序、普通模式子程序、校准模式子程序、定向模式子程序等。
    主程序负责初始化各个功能模块，上电便显示普通模式，通过按键选择可以进入其他模式。此外，程序中配置了与休眠功能相关的寄存器，当达到要求时系统进入休眠模式。
2．1 普通模式子程序
    根据传感器PNI11096测得的x、y值，单片机计算出方向角angle，并在液晶显示器上显示方向(如南偏东15°)。当指向南方时，蜂鸣器响。程序流程图如图6所示。

2．2 校准子程序
    选择校正模式，整个系统在水平面上旋转一周，干涉磁场与地球磁场叠加会有一个最大值和一个最小值，记录下这两个值。通过校正即可消除干涉磁场的影响。流程图如图7所示。

2．3 导航子程序
    进入导航模式，用户选择好行进的方向角，按确定键保存。在定向过程中，当前角度angle不断与α对比，小于α则右边指示灯闪烁，大于α则左边指示闪烁，等于α则中间指示灯闪烁，如图8所示。

3 结果与分析
    PNI11096读出来的数据经过单片机处理，得到0～360°的方向角，并用机械式指南针作为标准，进行标定试验。测试数据如表1所示，方向角测试误差绝对值的平均值为6．25°，相对误差为1．73％。

4 结论
    本文设计的电子指南针利用了PNI公司的磁阻传感器SEN-R65和专用的驱动芯片11096，以ATmega16为主控芯片，方向角测试平均误差为6．25°。系统多级菜单，界面操作简易，并设置了休眠掉电模式，降低了系统功耗。