基于UGN3503霍爾器件的數(shù)字指南針設(shè)計(jì)案例

本文介紹了用兩個(gè)UGN3503型霍爾器件設(shè)計(jì)制作的數(shù)字指南針的設(shè)計(jì)目的、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理，以及各主要器件的使用方法。本系統(tǒng)包括UGN3503型霍爾器件、TLC0832 A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)控制、液晶顯示四部分，實(shí)現(xiàn)了對(duì)地磁信息的采集、放大，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換和單片機(jī)處理，最終顯示出用文字表示的當(dāng)前所處方位。

現(xiàn)在機(jī)器人的控制有了很大的發(fā)展，尤其遙控機(jī)器人，但是還不能象人有自己的探索?；旧鲜欠派蠑z像頭人工控制，所以很大程度上沒有獨(dú)立工作能力，離開人和GPS還是不能工作。我們開發(fā)本系統(tǒng)是為了在一個(gè)惡劣的環(huán)境下為一個(gè)數(shù)字化系統(tǒng)提供一個(gè)原始的參考數(shù)據(jù)，或充當(dāng)機(jī)器人的一個(gè)廉價(jià)的測(cè)控工具。

本著這個(gè)目的，本系統(tǒng)主要功能有：

1、地磁放大功能：通過內(nèi)置磁鐵對(duì)地磁場(chǎng)的反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地磁信息的放大。

2、系統(tǒng)輔助定位功能：通過本設(shè)備提供的串行口，既可以嵌入系統(tǒng)，為系統(tǒng)的空間定位提供參考數(shù)據(jù)；又可以作為外設(shè)，提供臨時(shí)性測(cè)算。

本系統(tǒng)的輸出方式可以采用液晶顯示和語(yǔ)音輸出兩種方式，語(yǔ)音輸出可為盲人提供方便。

整個(gè)系統(tǒng)的方框圖如上圖所示。

我們將互相垂直的兩個(gè)霍爾器件固定于框架底部（如下圖所示），在兩個(gè)小磁鐵條的N極和S極之間夾一個(gè)中空的塑料圓筒使其剛好將兩霍爾器件套入而沒有接觸。圓筒頂部封口，從其頂部圓心處引一根塑料軸，固定于框架底部，使圓筒可繞中心軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)。

通過這種方法，小磁條便可在地球磁場(chǎng)的作用下指示方向，由于此兩磁鐵之間的磁場(chǎng)強(qiáng)度比地球磁場(chǎng)強(qiáng)很多，因此霍爾器件能夠探測(cè)到其周圍磁場(chǎng)的變化，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)地磁信號(hào)的放大。

如圖所示霍爾器件A探測(cè)x方向的磁場(chǎng)，B探測(cè)y方向的磁場(chǎng)。設(shè)某一時(shí)刻磁場(chǎng)方向如右圖所示，A、B探測(cè)到的磁場(chǎng)分別為-a和b。則單片機(jī)通過處理此二數(shù)據(jù)便可得到方位角θ的值，從而判定當(dāng)前方位。右圖中虛線箭頭所指方向?yàn)榇艌?chǎng)方向，即地磁南極方向，×軸正方向即為觀察者面對(duì)的方向。

目前市面上有多種霍爾器件，但大多數(shù)靈敏度較低，考慮到地磁的磁感應(yīng)強(qiáng)度較為微弱，我們慎重選用了UGN3503型霍爾器件。此霍爾器件靈敏度較高，而且低噪輸出。由于此器件采集到的信息是連續(xù)變化的模擬量，不能被單片機(jī)直接處理，必須把這些模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后才能夠輸入到單片機(jī)中進(jìn)行處理，因此我們選用了A/D轉(zhuǎn)換器TLC 0832。TLC0832是串行通訊的8腳2路A/D轉(zhuǎn)換器件，在功能上和體積上都有優(yōu)勢(shì)。我們還可以把51改成2051進(jìn)一步縮小體積。而且串行通訊可以把它跟3503做到一起，這樣數(shù)據(jù)傳輸不受距離限制。此轉(zhuǎn)換器與處理器接口兼容性較好，同時(shí)又可以單機(jī)操作。在5V電壓供應(yīng)下，可以輸入0~5V范圍內(nèi)電壓。TLC0831有單一輸入頻道；TLC0832已經(jīng)具有多重輸入頻道。連續(xù)的輸出被配置到接口標(biāo)準(zhǔn)變化寄存器或微處理器。LCD液晶顯示采用LCD1602。此液晶顯示模塊為2行輸出，每行16個(gè)字符。

整個(gè)系統(tǒng)電路圖如上圖所示。

考慮到在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，磁場(chǎng)可能會(huì)由于外界抖動(dòng)而在某一時(shí)間或某一位置產(chǎn)生不穩(wěn)定的狀況，我們?cè)跀?shù)據(jù)處理時(shí)，采取了在若干個(gè)數(shù)據(jù)間段點(diǎn)中取其平緩過渡數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)方法。單片機(jī)最后通過跳線選擇處理結(jié)果輸出方式。系統(tǒng)程序流程圖如下圖所示。

目前，大多數(shù)設(shè)備還不具備簡(jiǎn)單的方向識(shí)別功能。對(duì)于較復(fù)雜、較高檔的設(shè)備，其所用定位設(shè)備專用性較強(qiáng)，一般不易于其它設(shè)備兼容，且設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，費(fèi)用較高。我們?cè)O(shè)計(jì)的小型方向定位器，可以滿足一些小型的，對(duì)方向精度要求不高的設(shè)備需要。由于該設(shè)備開發(fā)成本較低，因此把該儀器應(yīng)用于一些簡(jiǎn)單設(shè)備中后，可以在較小提高成本的條件下，為設(shè)備增加一項(xiàng)較為顯著的功能，提高其性價(jià)比。

編輯：hfy