利用磁阻傳感器和AT89C52單片機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人玩具控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

芯片，只完成與通信、運(yùn)算等有關(guān)的主要操作，在沒有操作時(shí)，由運(yùn)行于其上的操作系統(tǒng)uClinux來維護(hù)。對(duì)于所有與EZ328的核心運(yùn)算、控制、通信、操作無關(guān)的外圍設(shè)備的維護(hù)和控制都通過一塊AT89C52來完成，它與EZ328的底層通信協(xié)議為同步串口協(xié)議（SPI），在AT89C52中由軟件來實(shí)現(xiàn)。C52包含的部件主要是A/D轉(zhuǎn)換器，鍵盤接口，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。硬件結(jié)構(gòu)電路圖如下圖1:

圖1

1 磁阻傳感器及其詳細(xì)采集過程

1.1 磁阻傳感器HMC1022簡(jiǎn)介

利用磁路中磁阻的變化，將被測(cè)量變化轉(zhuǎn)換成交流電壓變化的傳感器。它的機(jī)構(gòu)是四臂的惠斯通電橋，將磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化為差動(dòng)輸出的電壓，可以檢測(cè)低至85微高斯的磁場(chǎng)信號(hào)，這種低成本的傳感器相比傳統(tǒng)型號(hào)的同類產(chǎn)品具有更小的體積和更低的功耗。供電電源為3V-10V直流電壓。本設(shè)計(jì)中采用的HMC0122采用的是16腳SOIC封裝，集成了兩路的惠斯通電橋，測(cè)出平面的X軸和Y軸的磁場(chǎng)信號(hào)，這樣就可以獲得水平面上方向的完整信號(hào)。

比較特殊的是Honeywell公司的這種磁阻傳感器帶有一個(gè)獲得專利的置位/復(fù)位電路。

圖2和圖3分別是HMC1022內(nèi)部電橋和置位/復(fù)位電路電路設(shè)計(jì)。

圖2

圖3

1.2 磁阻傳感器工作原理

物質(zhì)在磁場(chǎng)中電阻發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。對(duì)于鐵、鈷、鎳及其合金等強(qiáng)磁性金屬，當(dāng)外加磁場(chǎng)平行于磁體內(nèi)部磁化方向時(shí)， 電阻幾乎不隨外加磁場(chǎng)變化；當(dāng)外加磁場(chǎng)偏離金屬的內(nèi)磁化方向時(shí)，此類金屬的電阻值將減小， 這就是強(qiáng)磁金屬的各向異性磁阻效應(yīng)利用標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體工藝， 將薄膜附著在硅片上時(shí)。當(dāng)沿著鐵磁合金帶的長(zhǎng)度方向施加一個(gè)電流，在垂直于電流的方向施加一個(gè)磁場(chǎng)時(shí)，合金帶自身的阻值會(huì)發(fā)生最大的變化。同時(shí)制作時(shí)還在硅片上設(shè)計(jì)了兩條鋁制電流帶，一條是置位/ 復(fù)位帶，該傳感器遇強(qiáng)磁場(chǎng)感應(yīng)時(shí)，將產(chǎn)生磁疇飽和現(xiàn)象，此偏置磁場(chǎng)帶用來磁疇排列的復(fù)位（即恢復(fù)靈敏度） ,也可用來置位或復(fù)位輸出的極性； 另一條是偏置磁場(chǎng)帶，用來產(chǎn)生一個(gè)偏置磁場(chǎng)以補(bǔ)償環(huán)境磁場(chǎng)HMC的輸出電壓為磁場(chǎng)強(qiáng)度為0時(shí)傳感器的輸出。所以當(dāng)U0為0時(shí)， Uout正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度B.

如圖4,假設(shè)機(jī)器人處于水平面上，X為機(jī)器人行進(jìn)方向，Y為水平面上垂直X的方向向右，地里北極方向和地磁北極方向如圖所示。H為地磁場(chǎng)，Hx、Hy分別是H在X、Y方向的水平分量， β為機(jī)器人行進(jìn)方向和地磁北極方向的夾角， γ為地磁北極和地理北極方向的夾角，K就是機(jī)器人行進(jìn)方向與地理北極方向之間的夾角，也就是我們最終要求的角度。

1.3 磁阻傳感器信號(hào)采集模塊電路設(shè)計(jì)

從HMC1022輸出的電壓信號(hào)非常微弱，我的測(cè)試是0到3mv,需要經(jīng)過放大器的放大，放大器選用的是AN622,放大倍數(shù)選定為600倍，這種放大器可以加上一個(gè)2.5v的偏置電壓，所以輸出到A/D的電壓為2.5v+（0~3mv）*600,兩路采集到的電壓信號(hào)經(jīng)過放大后連接到ADC0832.ADC0832是個(gè)兩通道8位精度的逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，通過一個(gè)串行的I/O口DI輸入一個(gè)MUX ADDRESS序列，來配置A/D成差分方式并選擇哪一路通道的信號(hào)。

用max662a作為RST/SET部分的恒壓源，電路的工作原理及流程如下：

1. 由2051的14端（P1.7）輸出高電平，SR電路set功能選通

2. 通過2051 P1各相應(yīng)端子控制ADC0832,完成一次A/D轉(zhuǎn)換，記下此次讀入的電壓值Vset .

3. 2051的P1.7輸出低電平，SR電路reset功能選通

4. 通過2051 P1各相應(yīng)端子控制AD0832,完成一次A/D轉(zhuǎn)換，記下此次讀入的電壓值Vrst

5. 求出1022的輸出偏置電壓V0=（Vset+Vrst）/2.

6. 通過2051控制AD0832完成A/D轉(zhuǎn)換，將每一次讀入的值Vrst減去V0就得到計(jì)算需要用的電壓Vread=Vrst-V0

7. 求得

8. K=β-γ， goto 6

經(jīng)過2051處理后得出的數(shù)值，在時(shí)鐘的配合下用一個(gè)I/O口模擬PWM輸出，傳給C52單片機(jī)。

2 結(jié)束語(yǔ)

整個(gè)電路設(shè)計(jì)作為機(jī)器人玩具的可加載模塊，在實(shí)際使用中的效果很好，對(duì)方向的分辯率完全滿足在5度以內(nèi)，把處理所得的結(jié)果傳遞給主控制芯片。已在實(shí)際中使用，且獲得了滿意的效果。從性價(jià)比來看，這種電路設(shè)計(jì)是比較成功的設(shè)計(jì)。