Elektronischer Kompass

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1. Versuch (2003)

Hier habe ich mal meinen Versuch dokumentiert einen elektronischen Kompass zu bauen. Auch wenn die Schaltung im Prinzip funktioniert, so habe ich nicht die benötigte Genauigkeit erreicht, die für eine zuverlässige Erdmagnetfeld Messung benötigt worden wäre. Die Bauteilkosten betragen ungefähr 25¤.

Funktionsweise:

Das Magnetfeld wird mit KMZ51 ICs erkannt. Diese liefern je nach Ausrichtung im Erdmagnetfeld eine Spannungsdifferenz an ihren beiden Ausgängen. Da ein Sensor zwar Nord und Süd, nicht jedoch West und Ost unterscheiden kann, werden zwei Sensoren benötigt, die 90° gegeneinander gedreht angeordnet werden müssen. Die von mir gemessene Spannungsdifferenz an den Ausgängen beträgt je nach Lage zwischen 0-2mV (bei 5V Versorgungsspannung). Da dies nicht ausreicht, um von einem A/D Wandler ausgewertet zu werden, wird diese Spannungsdifferenz von jeweils zwei Operationsverstärkern pro Magnetfeldsensor ungefähr um den Faktor 400 verstärkt. Danach liest ein Mikrocontroller die Spannung mit Hilfe eines A/D Wandlers aus und rechnet diese in eine Winkel (Abweichung nach Norden) um. Der Winkel kann dann per serieller Schnittstelle an den PC übertragen oder aber direkt durch LEDs oder ein LCD Display angezeigt werden. Da sich die KMZ51 ICs im Laufe der Zeit selbst magnetisieren, besitzen die ICs integrierte Spulen, mit denen sie wieder demagnetisieren lassen. Genaueres hierzu kann im Datenblatt nachgelesen werden.

Bilder der Schaltung (vergrößern durch drauf klicken)

Schaltung im geschlossenem Gehäuse
Sicht auf die Schaltung
Ein Magnetfeldsensor
Kompass im Gehäuse mit Spannungsversorgung
Kompass Schaltung im offenem Gehäuse
KMZ51 SMD Sensor

Für meinen Versuch habe ich folgende Bauteile verwendet:

Probleme mit der Schaltung:

Nach dem Aufbau der Schaltung stellte sich heraus, dass der Mikrocontroller, die LEDs, die Accus und der Taster im gedrücktem Zustand die Magnetfeldsensoren so stark beeinflussten, dass das Erdmagnetfeld nicht mehr gemessen werden konnte. Das Problem kann etwas reduziert werden, wenn die Accus und die Auswerteelektronik einen gewissen Abstand zu den Magnetfeldsensoren hat. 5cm Abstand scheinen in den meisten Fällen zu reichen. Da ich dies beim Bau der Schaltung nicht genau wusste, hatte ich dann dass Problem, dass in dem gewähltem Gehäuse dieser Abstand nicht eingehalten wurde und der Kompass nur bei offenem Gehäuse halbwegs funktionierte. Die Beeinflussung der Sensoren durch die LEDs konnte ich vermeiden, indem die LEDs während der Magnetfeldmessung ausgeschaltet wurden. Zusätzlich mussten die verbauten Potis vor beinah jeder Inbetriebnahme der Schaltung erneut eingestellt werden. Durch all dieser Störungen kann ich nicht mit Sicherheit sagen ob eine Messung des Erdmagnetfelds zustande gekommen ist, oder ob es sich nur um Störungen, verursacht durch die Schaltung, gehandelt hat.
Da sich die KMZ51 ICs in einem SMD Gehäuse befinden, erforderte ihr Anschließen sehr viel Geduld.

Schaltplan:

Als wir endlich auch in der Schule Operationsverstärker durch nahmen, wurde mir bewusst, dass für die Schaltung eine deutlich bessere Beschaltung der Operationsverstärker existiert hätte. Ich habe daher einen der beiden Sensoren wieder aus der Schaltung entfernt und mit ihm eine neue Schaltung gebaut. Das Ergebnis ist unten unter "2. Versuch" beschrieben. Für den oben gezeigten (kaum funktionierenden) Kompass habe ich mal die Beschaltung der Operationsverstärker Online gestellt. Zu beachten ist, dass der Ausschnitt der Schaltung zweimal gebaut wurde, für jeden Sensor einmal.
Hier also der Schaltplan, wie man es NICHT machen sollte: kompass-opamp.png

2. Versuch (2004)

Wie schon oben geschrieben habe ich einen Magnetfeldsensor wieder aus der Schaltung entfernt. Dieses mal habe ich beide Ausgänge des Sensors zunächst jeweils auf einen Impedanzwandler geführt um die Ausgangsspannungen der Sensoren nicht durch eine Strombelastung zu verfälschen. Die beiden Ausgänge der Impedanzwandler wurden dann mit einem Differenzverstärker (oder auch Subtrahierer genannt) passend verstärkt. Zum experimentieren habe ich hier einen Schalter eingebaut um zwischen drei verschiedenen Verstärkungsfaktoren (510x, 1020x und 2055x) wählen zu können.
Schaltplan: kompass-opamp2.png
Bilder vom 2.Versuch (zum Vergrößern auf die Bilder klicken):
Links die Schaltung mit Sensor, oben der Magnet und ein Mulimeter welche die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers anzeigt.
In diesem Bild wurde der Magnet um 180° gedreht und die Ausgangsspannung änderte sich entsprechend.
Laufende Schaltung mit Messgerät und Permamagnet Laufende Schaltung mit jedoch um 180° gedrehtem Permamagnet


Fazit:

Bei meinem erstem Versuch habe ich zu viele Sachen übersehen oder mangels Erfahrung falsch gemacht. Die Schaltung zeigt also wie man einen Kompass NICHT bauen sollte.
Bei dem zweitem Versuch habe ich gar nicht erst versucht das Erdmagnetfeld zu messen sondern wollte in erster Linie wissen wie Empfindlich der Sensor ist. Die Schaltung kommt im Gegensatz zu ersterer ohne Trimmpoti aus. Bei einer Verstärkung von 1020x ist beim drehen (ändern des Pols der zum Sensor zeigt) eines Stabmagneten aus mehreren Zentimetern Entfernung eine deutliche Spannungsänderung am Ausgang feststellbar. Bei einer Verstärkung von 2055x schlägt der Ausgang des Operationsverstärkers nur noch zu einer Richtung hin voll aus und es sind keine Messungen möglich. Wahrscheinlich ließe sich bei Widerständen mit geringeren Toleranzen noch bessere Resultate erzielen. Im Nachhinein muss ich feststellen dass ich die Funktionsweise der "Flip Coil" (siehe Datenblatt, eine passende Übersetzung für das Wort wollte mir nicht einfallen) eventuell auch falsch verstanden habe.

Nachtrag (2008)

Per Mail wurde ich gefragt, wie sich die ganz oben gemessenen 2mV Spannungsdifferenz des KMZ51 erklären lässt. Somit habe ich mal versucht auszurechnen, welcher Wert theoretisch zu erwarten wäre. Die Angabe 16 (mV/V)/(kA/m) stammt aus dem KMZ51 Datenblatt. 5V ist die Betriebsspannung. Laut Wikipedia beträgt das Erdmagnetfeld in Mitteleuropa 20 µT  in horizontaler Richtung. µ_0 ist die Magnetische Feldkonstante. Meines Wissens hätte in der Rechnung auch noch die Permeabilitätszahl des Sensormaterials berücksichtigt werden müssen, welche mir jedoch unbekannt ist. Somit wurde hier mit der Permeabilität für Vakuum gerechnet.

Berechnung der erwarteten Spannungsdifferenz

Unter der Berücksichtigung, dass das das Magnetfeld in Europa auch in vertikaler Richtung mit 44 µT relativ stark ist, und der Sensor bei den Messungen nicht waagerecht gehalten wurde, passen die Messergebnisse erstaunlich gut mit der Theorie überein. Falls jemand dennoch Fehler finden, wäre es schön mir diese mitzuteilen.




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zuletzt geändert: 26.12.2008