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标题: 从零开始, 电子工程超入门丨地磁传感器篇 [打印本页]
作者: Ameya360皇华    时间: 2018-8-23 14:47     标题: 从零开始, 电子工程超入门丨地磁传感器篇

本文主要是介绍地磁传感器值的读取方法，及尝试与其他元件组合等使用方法的应用篇。
怎样读取地磁传感器的值和方向？
首先，确认地磁传感器的值如何变化，慢慢移动实际配置于Arduino的地磁传感器，并试着确认其值。上次使用的样本程序通过串行监视器确认时，因小数点变动而不便观察，所以改为了用整数型表示以用于确认。在动画中，预先通过使用了GPS或陀螺罗盘的方向检测精度较高的应用查找正确的北（正北）方，并记载于纸上。我们来看看在地磁传感器与该方向一致时，程序侧取得的XYZ轴的各值。
在各传感器的最大值的显示位置，一边对Arduino的串行监视器中显示的数字进行确认，一边寻找最大值。


图1 地磁传感器的状态



图2 地磁気センサのX軸の最大値


动画中X轴的值成为最大值的位置在此角度。奇怪，正如图1所示，由于传感器的值表示地磁强度，因此本来指向正北时的值就应该是最大值…？搞不明白了。 这是怎么回事呢？试着慢慢移动传感器后，发现Y轴也大致与X轴在相同方向上停止了。 正在进行实验的该房屋内或许存在着某种与地球不同的磁场…。
查找Z轴表示最大值的部位时，发现其如照片1所示了。几乎颠倒。


照片1 Z轴为最大值时的状态


变得有些令人害怕了，关于地磁传感器（看似）设法指示最大值的传感器的数值之谜，我决定通过学习地磁传感器的相关知识来解开这一谜团。
地磁传感器的二轴和三轴传感器的不同
首先，地磁传感器大致分为两类，即可使用二轴(XY)和三轴(XYZ)进行检测的两种类型。二轴型为XY轴，可简单地在水平状态下检测方向，但在倾斜状态等时不可正常检测方向。三轴型与XY轴相结合，增加了倾斜的Z轴，因此可根据Z轴的倾斜程度补正XY轴的值，从而检测出方向。
本次传感器评估套件中的传感器为三轴传感器，因此可处理比二轴传感器更详细的数据，嗯哼。
2.扰乱地磁传感器的结构～传感器的值的倾角和偏角是什么呢？
接下来我们深入研究一下传感器的最大值之谜。
首先，我们来看看究竟什么是地磁！？
的确，虽说我会使用地磁传感器，但完全不了解"地磁"本身是什么（羞愧…）。
是地球发出的磁力?或是磁场吗？我只有这样的模糊的概念…。
什么是地磁？
这里，我们将学习地磁本身及地磁传感器的结构。简单来说，地磁传感器是指可感应磁铁发出的磁力的传感器。如图4所示，地球好比一个巨大的磁铁，其周围环绕着磁力。地磁传感器如同指南针，是可以检测地磁的传感器。


图4 地球是一个巨大的磁铁


这里我们学习一点科学知识，实际上手持指南针指向北极点或南极点时，若保持方向不变，则无论何时都不可能到达北极点或南极点。这是地球结构暗藏的玄机。在国土地理院和气象厅的网站上刊登了浅显易懂的解说，地磁略偏离了地球中心。因受地球内部活动等的影响而发生了变化，根据2015年的数据，大约向西偏离了7度(后面详细解说)。真是不可思议呀。并且，以数万年～数十万年为单位，地磁可能发生反转。若是这样，即使使用地磁传感器制造出具有未来可永久保持耐久性的元器件，数万年后，也会因地球自身的轴偏离而必须进行补正


图5 地球的磁铁与北极点略有偏离


倾角和偏角的存在
实际上地球地磁的最大值和正北方的偏离角度被称为"倾角"和"偏角"。地磁的偏离量一般记载为7度，但实际上该偏离量因计测位置的不同而异。该偏离量被称为偏角。就日本国内而言，大致为越向北方偏离越大，越向南方偏离越小。另外，将东西南北视为左右（XY轴）时，上下水平（Z轴）也会偏离。其被称为倾角。倾角即为图4、图5所示的与地磁流所形成的角度，就东京而言，以陷入地面的形式倾斜了约49度。因此刚才Z轴近乎颠倒成为最大值正是与此相关的吧？
由此可见，表示正确方向时，由于该倾角和偏角密切相关，因此使用GPS在地球上哪个位置补正偏离是非常难把握的事情…。理清思路后，发现使用地磁传感器等时，若不能明确北是指正北还是磁北，则欲取得的数值就会出现错误。
正北・・・ 地球的最北方
磁北・・・ 电子磁铁或地磁传感器所示的北的位置（地磁最大的方向）
3.查找磁力传感器的最小值和最大值并检测方向
下面，我们实际使用磁力传感器，通过Arduino来实现方向的检测。
包括地磁传感器在内，电子零件传感器在通常状态下电阻值会发生变化，因此通过在Arduino侧计测基于该电阻变化的电压值，读出了传感器的值。我们试着来查找本次使用的地磁传感器的XYZ轴的最小值和最大值。查找的值有水平时和与水平无关时的两种。由于该数值因实验环境而异，因此实验时请将其与传感器实际相连。


本次将计算水平时的方向。下图9表示利用从串行监视器复制地磁传感器旋转一周后的值做成的XY轴的分布图。形成了一个漂亮的圆形。其为水平时，可通过使用反正切函数的公式计算角度。通过将以中点为轴、欲检测角度的点应用到公式中，计算角度。在程序侧，预先确认并设定中点和数值的范围后，需要将其写入Arduino。


图9 将地磁传感器的值绘制成图表


4.尝试与步进电机组合制作罗盘
本次，我们尝试组合地磁传感器与步进电机制作罗盘。将Arduino和地磁传感器放置于圆木板上，通过使用步进电机旋转底座，尝试按照总是指向北方的规格进行实际安装。使步进电机颠倒，将装载Arduino等的底座置于其上。


照片2 成为基座的步进电机



照片3 装在底座上的Arduino、地磁传感器等元件



照片4 装有所有元件及设备的状态，使用螺栓抬高地磁传感器
使用程序检测角度，达到磁北时停止。若步进电机太快则可能超过磁北，因此在rd变量的if条件句内留有一定的余量。
5.总结
本次为了帮助您理解地磁传感器而介绍了一些理科、数学等相关知识！另外，虽然仅通过Arduino制作罗盘只能说是车轮的再造，但基于这一基本动作，尝试思考相关应用也是件乐事。
来源：网络，如侵删



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