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。