罗盘是自动控制、测试及测量领域中用来获取方向信息的装置 。目前应用较广泛的是磁阻式电子罗盘，这种电子罗盘具有较好的抗振性，对干扰有电子补偿，因此测向精度较高 。但现有电子罗盘电路结构复杂、体积较大，不便于携带和使用，难以集成到现有嵌入式设备中 。针对这些问题，本文提出了以霍尼韦尔(HoneyWell)公司三轴磁阻传感器HMC5883L为敏感元件，使用低功耗控制器AVR单片机为传感器数据处理单元的小型低功耗电子罗盘 。该罗盘支持串口输出，可以方便集成到各种应用中 。
电子罗盘测向原理地球的磁感应强度为50～60μT，相当于沿着地球中心的一个磁棒，磁棒的两极相对于地理的两极有大约11.5°的夹角 。无论何地，地球磁场的水平分量永远指向磁北极，这一原理是所有罗盘的制作基础 。所有罗盘都是测量地球磁场的北方向，其他方向即可推算出来 。地球磁场的北方向和实际的北方向有差别，而这种差别的大小在地球上的不同地点也是不同的，所以必须知道罗盘所在的大致位置，才能计算出如何补偿地磁和真实北方向的差别，以显示出真实的北方向 。
磁北的方向就是地磁场在水平面上分量的方向 。假设电子罗盘处于水平面上，要确定其相对于磁北的航向角α 。由磁阻传感器可以直接得出地磁场的水平分量Hx、Hy，因此相对于磁北的航向角为：
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正切函数的周期为180°，为保证数据有效性，船体航向角α转换到相对磁北0°～360°的范围内 。可将上式分解，得到相对于磁北极的360°范围内(顺时针方向)的航向角，加上当地的磁偏角就可以算出与真北的航向角 。
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由于地磁南北极与地理南北极存在磁偏角，要得到准确的南北极方向，必须用计算结果加上或减去所在地区磁偏角，得出前进方向与地理北极的夹角，即真北方位角A 。当所在地区磁偏角φ已知时，真北方位角为：A=α+φ 。
硬件设计电子罗盘的硬件系统如图21.1所示，主要由传感器、控制器、电源及串口输出4部分组成 。控制器通过串口与PC通信，用于实现对电子罗盘的设置、校正以及测量数据输出 。
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图21.1 硬件系统设计图
1. 控制器模块
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图21.2 ATmega16 最小系统原理图
控制器采用ATmega16，这是一款基于增强的AVR RISC结构的高性能、低功耗8位MCU，工作电压为2.7～5.5V，在1MHz时钟下，工作电流为1.1mA 。大多数指令可以单时钟周期执行，具有统一的中断管理，片上外围模块丰富，片内有16KB的Flash、1KB的RAM、512字节的EEPROM、8路的10位A/D转换器以及一路USART通信端口等资源 。在本设计中，控制器串口与PC连接，可以对电子罗盘进行配置及校正，也可以将最终计算得到的方向及角度通过串口输出，供其他测量系统使用 。控制器模块在ATmega16的基础上，做了最小系统的扩展，如图21.2所示 。按照模块化设计思想，本文将最小系统制作成单独模块，其最终实物如图21.3所示 。
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图21.3 ATmega16最小系统实物图
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图21.4 HMC5883L模块
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