电子指南针
指南针
1、概述
指南针是用以判别方位的一种简单仪器。

指南针的前身是中国古代四大发明之一的司南。

主要组成部分是一根装在轴上可以自由转动的磁针。

磁针在地磁场作用下能保持在磁子午线的切线方向上。

磁针的北极指向地理的南极，利用这一性能可以辨别方向。

常用于航海、大地测量、旅行及军事等方面。

指南针的发明是我国劳动人民，在长期的实践中对物体磁性认识的结果。

由于生产劳动，人们接触了磁铁矿，开始了对磁性质的了解。

人们首先发现了磁石引铁的性质。

后来又发现了磁石的指向性。

经过多方的实验和研究，终于发明了可以实用的指南针。

2、磁偏角与磁倾角
现在人们已经知道，地球的两个磁极和地理的南北极只是接近，并不重合。

磁针指向的是地球磁极而不是地理的南北极，这样磁针指的就不是正南、正北方向而略有偏差，这个角度就叫磁偏角。

又因为地球近似球形，所以磁针指向磁极时必向下倾斜，和水平方向有一个夹角，这个夹角称为磁倾角。

不同地点的磁偏角和磁倾角都不相同。

磁偏角和磁倾角的发现使指南针的指向更加准确。

图1. 地球磁场示意图
3、罗盘定位
要确定方向除了指南针之外，还需要有方位盘相配合。

最初使用指南针时，可能没有固定的方位盘，随着测方位的需要，出现了磁针和方位盘一体的罗盘 4、电子指南针
指南针是一个重要的导航工具，甚至在G P S中也会用到。

电子指南针将替代旧的针式指南针或罗盘指南针，因为电子指南针全采用固态的元件，还可以简单地和其他电子系统接口。

电子指南针系统中磁场传感器的磁阻（M R）技术是最佳的解决方法，和现在很多电子指南针还在使用的磁通量闸门传感器相比较，M R技术不需要绕线圈而且可以用I C生产过程（I C-l i k e p r o c e s s）生产，是一个更值得使用的解决方案。

由于M R有高灵敏度，它甚至比这个应用范围中的霍尔元件更好。

磁传感器与其驱动器
1美国PNI磁通传感器SEN-S65
图2 SEN-S65
线圈电压 ：2.0V
线圈击穿电压：200V
最大承受电流：50A
工作温度：-55℃ ～140℃。

提供全套解决方案。

高灵敏度：150微高斯。

宽量程：+/-11高斯。

低功耗（电池供电）：3V D C，〈500μA或5V D C。

线性度：0.6%。

工作频率：175k H z。

D R D Y设置数据等待时间：20-50m S(低电平到高电平）。

体积小：6.3x2.3x2.2m m。

使用简单：两个传感器垂直放置并配合集成放大驱动I C P N I-11096使用（输出数字信号），S P I接口，单片机直接采集处理成角度即可。

高精度：2度。

抗硬磁和软磁干扰能力比其他同类产品强。

周边电路只需要5颗电阻和一颗电容,成本可忽略不计，故总成本比同类产品低。

无需标定。

受温湿度影响极小
典型应用：电子指南针及需要二维定位的场合
2美国PNI 专用驱动IC 11096
图3 PNI专用驱动IC
1低电流
﹤500Ua 在3VCD
﹤1U a游态模式
2完备的3轴磁式感应驾驶器
3超低的冲模磁信号
4高灵敏电压 2.2到5.0V
5快速样品抽查率：每秒达到2000个样品
6广泛的动力范围：96d b（3比特）附加所需缩放比例
7全数字接口。

S P I协议
P N I11096系列是在P N I公司的磁通传感器的基础上研制出的一种低磁测量应用专项集成电路。

P N I11096可以控制和测量3个分立的磁通传感器。

每个传感器是独立有选择地进行测量，而且有独立的组配测量方案。

P N I11096具备高判断模式和测试振荡电路和计数电路的输出显示。

P N I11096覆盖了整个电路的测量，其中包括模拟和数字方块。

每个传感器都会在其相应平行的磁场内进行实际的感应系数变化。

为了进行测量，传感器必须连接到L R振荡电路上。

由P N I公司研制的双极微测量方案可以在固定温度下独立完成磁场测量。

它同时具有把测量范围变换到0中心和正负值的优点。

主要特点
1低电流
﹤500U a在3V C D
﹤1U a游态模式
2完备的3轴磁式感应驾驶器
3超低的冲模磁信号
4高灵敏电压 2.2到5.0V
5快速样品抽查率：每秒达到2000个样品
6广泛的动力范围：96d b（3比特）附加所需缩放比例
7全数字接口。

S P I协议
应用范围
1 指南针
2 磁力计
3 磁目标感应器
4 磁印刷感应器
测量原理
1原理
由两个相互垂直的磁感应传感器分别测出X方向和Y方向的磁场强度，X方向和Y方向的矢量和就为偏移的方向。

偏移的角度可由以下公式算出： ANGLE = ARCTAN(Y/X)
在其它象限方法类似。

当某个轴的磁感应传感器平行于地磁场方向并且与其同向，该轴测量出来的值是最大的，而另外一个垂直于地磁场方向的轴的值达到零（两个传感器绝对垂直的情况下）。

而当某个轴的磁感应传感器平行于地磁场方向并且与其反向，该轴测量出来的值是最小的，而另外一个垂直于地磁场方向的轴的值达到零。

图4 测量示意图
磁感应传感器用的是上面提到的P N I公司的P N I S E N R65磁感应传感器，驱动芯片用的是P N I公司的P N I11096，P N I11096可以测3个方向的磁场强度，X，Y和Z方向。

但系统并不需要3个方向，所以模块只做了X和Y方向的测量。

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。

焊接时，两个磁感应传感器要尽量垂直，但是并不能做到绝对的垂直，所以测量出来的结果是有误差的，这个误差可以通过软件来进行修正。

还有一个要注意的地方是磁感应传感器是放在一个L R振荡电路中来进行测量的，L就是磁感应传感器，一个磁感应传感器要对应两个电阻R，也就是电路图中的电阻R b，这两个电阻最好选用精密的电阻，而且阻值尽量要一致，因为P N I11096使用双极性有区别的测量设计来使得磁场的测量不受温度的影响，这也有利于将测量范围转移到以0为中心的正负对称的范围。

2罗盘方位：
数据作如下处理，指南针模块旋转一周为360度来标定方向，角度如下图所示。

图5 罗盘方位
3电路
图6 电路4.3.4程序框图：
硬件系统框图：
MSP430F1232系统板：
PNI 11096传感器板：
总体：
电路。