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從零開始,電子工程超入門(地磁傳感器應(yīng)用篇)

此次的電子工程配方完成為止的大致時間標(biāo)準(zhǔn):60分鐘必要零件Arduino主體(Arduino UNO R3 或者 Arduino UNO SMD Rev3)

羅姆傳感器評估套件

42mm 步進(jìn)電機(jī) 12V 2相

L6470 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器套件

木板、螺釘

怎樣讀取地磁傳感器的值和方向?

首先,確認(rèn)地磁傳感器的值如何變化,慢慢移動實(shí)際配置于Arduino的地磁傳感器,并試著確認(rèn)其值。上次使用的樣本程序通過串行監(jiān)視器確認(rèn)時,因小數(shù)點(diǎn)變動而不便觀察,所以改為了用整數(shù)型表示以用于確認(rèn)。在動畫中,預(yù)先通過使用了GPS或陀螺羅盤的方向檢測精度較高的應(yīng)用查找正確的北(正北)方,并記載于紙上。我們來看看在地磁傳感器與該方向一致時,程序側(cè)取得的XYZ軸的各值。BM1422GMV的顯示程序

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在各傳感器的最大值的顯示位置,一邊對Arduino的串行監(jiān)視器中顯示的數(shù)字進(jìn)行確認(rèn),一邊尋找最大值。

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圖1:地磁傳感器的狀態(tài)

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圖2:地磁傳感器X軸的最大值

X軸的值成為最大值的位置在此角度。奇怪,正如圖1所示,由于傳感器的值表示地磁強(qiáng)度,因此本來指向正北時的值就應(yīng)該是最大值…?搞不明白了。 這是怎么回事呢?試著慢慢移動傳感器后,發(fā)現(xiàn)Y軸也大致與X軸在相同方向上停止了。 正在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的該房屋內(nèi)或許存在著某種與地球不同的磁場…。

查找Z軸表示最大值的部位時,發(fā)現(xiàn)其如照片1所示了。幾乎顛倒。果真是從地面釋放出了某種神秘的地磁嗎

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照片1:Z軸為最大值時的狀態(tài)

變得有些令人害怕了,關(guān)于地磁傳感器(看似)設(shè)法指示最大值的傳感器的數(shù)值之謎,我決定通過學(xué)習(xí)地磁傳感器的相關(guān)知識來解開這一謎團(tuán)。

地磁傳感器的

二軸和三軸傳感器的不同

首先,地磁傳感器大致分為兩類,即可使用二軸(XY)和三軸(XYZ)進(jìn)行檢測的兩種類型。二軸型為XY軸,可簡單地在水平狀態(tài)下檢測方向,但在傾斜狀態(tài)等時不可正常檢測方向。三軸型與XY軸相結(jié)合,增加了傾斜的Z軸,因此可根據(jù)Z軸的傾斜程度補(bǔ)正XY軸的值,從而檢測出方向。

本次傳感器評估套件中的傳感器為三軸傳感器,因此可處理比二軸傳感器更詳細(xì)的數(shù)據(jù),嗯哼。

2.擾亂地磁傳感器的結(jié)構(gòu)~傳感器的值的傾角和偏角是什么呢?

接下來我們深入研究一下

傳感器的最大值之謎。

首先,我們來看看究竟什么是地磁???

的確,雖說我會使用地磁傳感器,但完全不了解"地磁"本身是什么。是地球發(fā)出的磁力?或是磁場嗎?我只有這樣的模糊的概念…。

 什么是地磁?這里,我們將學(xué)習(xí)地磁本身及地磁傳感器的結(jié)構(gòu)。簡單來說,地磁傳感器是指可感應(yīng)磁鐵發(fā)出的磁力的傳感器。如圖4所示,地球好比一個巨大的磁鐵,其周圍環(huán)繞著磁力。地磁傳感器如同指南針,是可以檢測地磁的傳感器。

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圖4: 地球是一個巨大的磁鐵這里我們學(xué)習(xí)一點(diǎn)科學(xué)知識,實(shí)際上手持指南針指向北極點(diǎn)或南極點(diǎn)時,若保持方向不變,則無論何時都不可能到達(dá)北極點(diǎn)或南極點(diǎn)。這是地球結(jié)構(gòu)暗藏的玄機(jī)。在國土地理院和氣象廳的網(wǎng)站上刊登了淺顯易懂的解說,地磁略偏離了地球中心。因受地球內(nèi)部活動等的影響而發(fā)生了變化,根據(jù)2015年的數(shù)據(jù),大約向西偏離了7度(后面詳細(xì)解說)。真是不可思議呀。并且,以數(shù)萬年~數(shù)十萬年為單位,地磁可能發(fā)生反轉(zhuǎn)。若是這樣,即使使用地磁傳感器制造出具有未來可永久保持耐久性的元器件,數(shù)萬年后,也會因地球自身的軸偏離而必須進(jìn)行補(bǔ)正…

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圖5: 地球的磁鐵與北極點(diǎn)略有偏離

另外,此處還可使用國土地理院的電子國土Web(日文網(wǎng)頁)查看偏離程度。

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圖6: 東京的磁北線

東京站剛好偏離了7.0°!

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圖7:宗谷岬的磁北線

哎呀,日本最北端的稚內(nèi)并非7.0°,而是9.8°????

那么,南部又如何呢…

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圖8:那霸市的磁北線

沖繩那霸市并非7.0°,而是4.4°真搞不明白,這到底是怎么回事呀…

這樣,圖正中央標(biāo)記的紅色數(shù)值表示偏離程度,東京站為7度,而日本最北端宗谷岬為9.8度,沖繩那霸市為4.4度,可以發(fā)現(xiàn)各值之間存在較大差異。

然而,這些偏離數(shù)值僅僅是告訴了我們偏離因地點(diǎn)的不同而異的現(xiàn)實(shí)。謎團(tuán)更深了…。

傾角和偏角的存在

實(shí)際上地球地磁的最大值和正北方的偏離角度被稱為"傾角"和"偏角"。地磁的偏離量一般記載為7度,但實(shí)際上該偏離量因計測位置的不同而異。該偏離量被稱為偏角。就日本國內(nèi)而言,大致為越向北方偏離越大,越向南方偏離越小。另外,將東西南北視為左右(XY軸)時,上下水平(Z軸)也會偏離。其被稱為傾角。傾角即為圖4、圖5所示的與地磁流所形成的角度,就東京而言,以陷入地面的形式傾斜了約49度。因此剛才Z軸近乎顛倒成為最大值正是與此相關(guān)的吧?

由此可見,表示正確方向時,由于該傾角和偏角密切相關(guān),因此使用GPS在地球上哪個位置補(bǔ)正偏離是非常難把握的事情…。理清思路后,發(fā)現(xiàn)使用地磁傳感器等時,若不能明確北是指正北還是磁北,則欲取得的數(shù)值就會出現(xiàn)錯誤。

正北 ??? 地球的最北方

磁北 ??? 電子磁鐵或地磁傳感器所示的北的位置(地磁最大的方向)

3.查找磁力傳感器的最小值和最大值并檢測方向

下面,我們實(shí)際使用磁力傳感器,通過Arduino來實(shí)現(xiàn)方向的檢測。

包括地磁傳感器在內(nèi),電子零件傳感器在通常狀態(tài)下電阻值會發(fā)生變化,因此通過在Arduino側(cè)計測基于該電阻變化的電壓值,讀出了傳感器的值。我們試著來查找本次使用的地磁傳感器的XYZ軸的最小值和最大值。查找的值有水平時和與水平無關(guān)時的兩種。由于該數(shù)值因?qū)嶒?yàn)環(huán)境而異,因此實(shí)驗(yàn)時請將其與傳感器實(shí)際相連。

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本次將計算水平時的方向。下圖9表示利用從串行監(jiān)視器復(fù)制地磁傳感器旋轉(zhuǎn)一周后的值做成的XY軸的分布圖。形成了一個漂亮的圓形。其為水平時,可通過使用反正切函數(shù)的公式計算角度。通過將以中點(diǎn)為軸、欲檢測角度的點(diǎn)應(yīng)用到公式中,計算角度。在程序側(cè),預(yù)先確認(rèn)并設(shè)定中點(diǎn)和數(shù)值的范圍后,需要將其寫入Arduino。

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圖9: 將地磁傳感器的值繪制成圖表

4.嘗試與步進(jìn)電機(jī)組合制作羅盤

下面,我們嘗試使用該公式

通過Arduino進(jìn)行實(shí)際安裝!

本次,我們嘗試組合地磁傳感器與步進(jìn)電機(jī)制作羅盤。將Arduino和地磁傳感器放置于圓木板上,通過使用步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)底座,嘗試按照總是指向北方的規(guī)格進(jìn)行實(shí)際安裝。使步進(jìn)電機(jī)顛倒,將裝載Arduino等的底座置于其上。

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照片2: 成為基座的步進(jìn)電機(jī)

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照片3:裝在底座上的Arduino、

地磁傳感器等元件

最初考慮采用一臺步進(jìn)電機(jī)的底座,但實(shí)際安裝時檢測出步進(jìn)電機(jī)的磁力干擾地磁傳感器的數(shù)值,因此擰入螺栓抬高至消除干擾的高度。

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照片4:裝有所有元件及設(shè)備的狀態(tài),使用螺栓抬高地磁傳感器

使用程序檢測角度,達(dá)到磁北時停止。若步進(jìn)電機(jī)太快則可能超過磁北,因此在rd變量的if條件句內(nèi)留有一定的余量。

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這樣,總是指向磁北的羅盤制作完成!為了使其更準(zhǔn)確地指向正北方,要遵守先對偏角、傾角等的值進(jìn)行調(diào)整的流程。

5.總結(jié)本次為了幫助您理解地磁傳感器而介紹了一些理科、數(shù)學(xué)等相關(guān)知識!另外,雖然僅通過Arduino制作羅盤只能說是車輪的再造,但基于這一基本動作,嘗試思考相關(guān)應(yīng)用也是件樂事。下次我將進(jìn)一步使用傳感器評估套件分享相關(guān)知識。

——文章來源:融創(chuàng)芯城

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2017-02-17 09:46
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