3-osiowy czujnik pola magnetycznego: 10 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:31

Systemy bezprzewodowego przesyłania energii są na dobrej drodze do zastąpienia konwencjonalnego ładowania przewodowego. Począwszy od maleńkich implantów biomedycznych, aż po bezprzewodowe ładowanie ogromnych pojazdów elektrycznych. Integralną częścią badań nad mocą bezprzewodową jest minimalizacja gęstości pola magnetycznego. Międzynarodowa Komisja ds. Ochrony przed Promieniowaniem Niejonizującym (ICNIRP) zapewnia doradztwo naukowe i wytyczne dotyczące wpływu promieniowania niejonizującego (NIR) na zdrowie i środowisko w celu ochrony ludzi i środowiska przed szkodliwą ekspozycją na NIR. NIR odnosi się do promieniowania elektromagnetycznego, takiego jak ultrafiolet, światło, podczerwień i fale radiowe oraz fal mechanicznych, takich jak podczerwień i ultradźwięki. Systemy ładowania bezprzewodowego wytwarzają zmienne pola magnetyczne, które mogą być szkodliwe dla ludzi i zwierząt znajdujących się w pobliżu. Aby móc wykryć te pola i zminimalizować je w rzeczywistych warunkach testowych, wymagane jest urządzenie do pomiaru pola magnetycznego, takie jak analizator spektralny Aaronia SPECTRAN NF-5035. Urządzenia te zwykle kosztują ponad 2000 USD i są nieporęczne i mogą nie być w stanie dotrzeć do wąskich przestrzeni, w których należy zmierzyć pole. Ponadto urządzenia te mają zwykle więcej funkcji niż jest to wymagane do prostego pomiaru w terenie w bezprzewodowych systemach przesyłu energii. Dlatego opracowanie mniejszej, tańszej wersji terenowych urządzeń pomiarowych miałoby dużą wartość.

Obecny projekt obejmuje zaprojektowanie płytki PCB do wykrywania pola magnetycznego, a także zaprojektowanie dodatkowego urządzenia, które może przetwarzać wartości zmierzonego pola magnetycznego i wyświetlać je na wyświetlaczu OLED lub LCD.

Krok 1: Wymagania

Urządzenie ma następujące wymagania:

1. Mierz zmienne pola magnetyczne w zakresie 10 – 300 kHz
2. Dokładny pomiar pól do 50 uT (limit bezpieczeństwa ustalony przez ICNIRP to 27 uT)
3. Zmierz pola we wszystkich trzech osiach i uzyskaj ich wynik, aby znaleźć rzeczywiste pole w danym punkcie
4. Wyświetlaj pole magnetyczne na mierniku ręcznym
5. Wyświetlaj wskaźnik ostrzeżenia, gdy pole przekracza standardy określone przez ICNIRP
6. Uwzględnij działanie baterii, aby urządzenie było naprawdę przenośne

Krok 2: Przegląd systemu

Krok 3: Wybór komponentów

Ten krok jest prawdopodobnie najbardziej czasochłonnym krokiem, wymagającym dużej cierpliwości, aby wybrać odpowiednie komponenty do tego projektu. Podobnie jak w przypadku większości innych projektów elektronicznych, wybór komponentów wymaga dokładnego zbadania kart katalogowych, aby upewnić się, że wszystkie komponenty są ze sobą kompatybilne i działają w pożądanym zakresie wszystkich parametrów pracy - w tym konkretnym przypadku pól magnetycznych, częstotliwości, napięć itp.

Główne komponenty wybrane do PCB czujnika pola magnetycznego są dostępne w załączonym arkuszu Excel. Komponenty używane do urządzenia przenośnego są następujące:

1. Mikrokontroler Tiva C TM4C123GXL
2. SunFounder I2C Szeregowy wyświetlacz LCD 20x4
3. Cyclewet 3.3 V-5 V 4-kanałowy konwerter poziomów logicznych dwukierunkowy moduł zmiany biegów
4. Wciśnij przycisk przełącznika
5. 2-pozycyjny przełącznik dwupozycyjny
6. 18650 ogniwo litowo-jonowe 3,7 V
7. Ładowarka Adafruit PowerBoost 500
8. Płytki drukowane (z możliwością zatrzaskiwania SparkFun)
9. Patyczki
10. Podłączanie przewodów
11. Kołki nagłówka

Sprzęt wymagany do tego projektu to:

1. Urządzenie lutownicze i trochę drutu lutowniczego
2. Wiertarka
3. Przecinak do drutu

Krok 4: Projektowanie i symulacja obwodu

Krok 5: Projektowanie PCB

Po zweryfikowaniu działania obwodu w LTSpice projektowana jest płytka PCB. Miedziane płaszczyzny są zaprojektowane w taki sposób, aby nie zakłócały pracy czujników pola magnetycznego. Podświetlony szary obszar na schemacie układu PCB pokazuje płaszczyzny miedzi na PCB. Po prawej stronie pokazany jest również widok 3D zaprojektowanej płytki drukowanej.

Krok 6: Konfiguracja mikrokontrolera

Mikrokontroler wybrany do tego projektu to Tiva C TM4C123GXL. Kod został napisany w Energia w celu wykorzystania istniejących bibliotek LCD dla rodziny mikrokontrolerów Arduino. W związku z tym kod opracowany dla tego projektu może być również używany z mikrokontrolerem Arduino zamiast Tiva C (pod warunkiem, że użyjesz odpowiednich przypisań pinów i odpowiednio zmodyfikujesz kod).

Krok 7: Uruchomienie wyświetlacza

Wyświetlacz i mikrokontroler są połączone za pomocą komunikacji I2C, która wymaga tylko dwóch przewodów innych niż zasilanie +5V i uziemienie. Fragmenty kodu LCD dostępne dla rodziny mikrokontrolerów Arduino (biblioteki LiquidCrystal) zostały przeniesione i wykorzystane w firmie Energia. Kod podany jest w załączonym pliku LCDTest1.ino.

Kilka przydatnych wskazówek dotyczących wyświetlacza można znaleźć w następującym filmie:

www.youtube.com/watch?v=qI4ubkWI_f4

Krok 8: Drukowanie 3D

Obudowa urządzenia przenośnego została zaprojektowana tak, jak pokazano na powyższym obrazku. Pudełko pomaga utrzymać deski na miejscu, a przewody nie są naruszone. Pudełko jest zaprojektowane tak, aby mieć dwa wycięcia na przewody, jedno wycięcie na diody LED wskaźnika baterii i po jednym na przełącznik dwustabilny i przełącznik przyciskowy. Niezbędne pliki w załączeniu.

Krok 9: Połączenie wszystkich komponentów

Zmierz wymiary wszystkich dostępnych komponentów i ułóż je za pomocą narzędzia graficznego, takiego jak Microsoft Visio. Po zaplanowaniu rozmieszczenia wszystkich elementów dobrze jest spróbować umieścić je na swoich pozycjach, aby poczuć produkt końcowy. Zaleca się testowanie połączeń po dodaniu każdego nowego komponentu do urządzenia. Przegląd procesu łączenia pokazano na powyższych obrazkach. Pudełko z nadrukiem 3D nadaje urządzeniu czysty wygląd, a także chroni elektronikę wewnątrz.

Krok 10: Testowanie i demonstracja urządzenia

Wbudowany film pokazuje działanie urządzenia. Przełącznik włącza urządzenie, a przycisk może być używany do przełączania między dwoma trybami wyświetlania.