從零開始, 電子工程超入門丨地磁傳感器篇

Ameya360

本文主要是介紹地磁傳感器值的讀取方法，及嘗試與其他元件組合等使用方法的應用篇。

怎樣讀取地磁傳感器的值和方向？

首先，確認地磁傳感器的值如何變化，慢慢移動實際配置于Arduino的地磁傳感器，并試著確認其值。上次使用的樣本程序通過串行監視器確認時，因小數點變動而不便觀察，所以改為了用整數型表示以用于確認。在動畫中，預先通過使用了GPS或陀螺羅盤的方向檢測精度較高的應用查找正確的北（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，程序側取得的XYZ軸的各值。

在各傳感器的最大值的顯示位置，一邊對Arduino的串行監視器中顯示的數字進行確認，一邊尋找最大值。

圖1 地磁傳感器的狀態

圖2 地磁気センサのX軸の最大値

動畫中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度，因此本來指向正北時的值就應該是最大值…？搞不明白了。 這是怎么回事呢？試著慢慢移動傳感器后，發現Y軸也大致與X軸在相同方向上停止了。 正在進行實驗的該房屋內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，發現其如照片1所示了。幾乎顛倒。

照片1 Z軸為最大值時的狀態

變得有些令人害怕了，關于地磁傳感器（看似）設法指示最大值的傳感器的數值之謎，我決定通過學習地磁傳感器的相關知識來解開這一謎團。

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)進行檢測的兩種類型。二軸型為XY軸，可簡單地在水平狀態下檢測方向，但在傾斜狀態等時不可正常檢測方向。三軸型與XY軸相結合，增加了傾斜的Z軸，因此可根據Z軸的傾斜程度補正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的數據，嗯哼。

2.擾亂地磁傳感器的結構～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（羞愧…）。

是地球發出的磁力?或是磁場嗎？我只有這樣的模糊的概念…。

什么是地磁？

這里，我們將學習地磁本身及地磁傳感器的結構。簡單來說，地磁傳感器是指可感應磁鐵發出的磁力的傳感器。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。

圖4 地球是一個巨大的磁鐵

這里我們學習一點科學知識，實際上手持指南針指向北極點或南極點時，若保持方向不變，則無論何時都不可能到達北極點或南極點。這是地球結構暗藏的玄機。在國土地理院和氣象廳的網站上刊登了淺顯易懂的解說，地磁略偏離了地球中心。因受地球內部活動等的影響而發生了變化，根據2015年的數據，大約向西偏離了7度(后面詳細解說)。真是不可思議呀。并且，以數萬年～數十萬年為單位，地磁可能發生反轉。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，數萬年后，也會因地球自身的軸偏離而必須進行補正

圖5 地球的磁鐵與北極點略有偏離

傾角和偏角的存在

實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，因此使用GPS在地球上哪個位置補正偏離是非常難把握的事情…。理清思路后，發現使用地磁傳感器等時，若不能明確北是指正北還是磁北，則欲取得的數值就會出現錯誤。

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，我們實際使用磁力傳感器，通過Arduino來實現方向的檢測。

包括地磁傳感器在內，電子零件傳感器在通常狀態下電阻值會發生變化，因此通過在Arduino側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時的兩種。由于該數值因實驗環境而異，因此實驗時請將其與傳感器實際相連。

本次將計算水平時的方向。下圖9表示利用從串行監視器復制地磁傳感器旋轉一周后的值做成的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的公式計算角度。通過將以中點為軸、欲檢測角度的點應用到公式中，計算角度。在程序側，預先確認并設定中點和數值的范圍后，需要將其寫入Arduino。

圖9 將地磁傳感器的值繪制成圖表

4.嘗試與步進電機組合制作羅盤

本次，我們嘗試組合地磁傳感器與步進電機制作羅盤。將Arduino和地磁傳感器放置于圓木板上，通過使用步進電機旋轉底座，嘗試按照總是指向北方的規格進行實際安裝。使步進電機顛倒，將裝載Arduino等的底座置于其上。

照片2 成為基座的步進電機

照片3 裝在底座上的Arduino、地磁傳感器等元件

照片4 裝有所有元件及設備的狀態，使用螺栓抬高地磁傳感器

使用程序檢測角度，達到磁北時停止。若步進電機太快則可能超過磁北，因此在rd變量的if條件句內留有一定的余量。

5.總結本次為了幫助您理解地磁傳感器而介紹了一些理科、數學等相關知識！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，嘗試思考相關應用也是件樂事。