3-osni senzor magnetnega polja: 10 korakov (s slikami)

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:07

Brezžični sistemi za prenos energije so na dobri poti, da nadomestijo običajno žično polnjenje. Od drobnih biomedicinskih vsadkov pa vse do brezžičnega polnjenja ogromnih električnih vozil. Sestavni del raziskav o brezžični energiji je zmanjšanje gostote magnetnega polja. Mednarodna komisija za zaščito pred neionizirajočimi sevanji (ICNIRP) ponuja znanstvene nasvete in smernice o vplivih neionizirajočega sevanja na zdravje in okolje (NIR) za zaščito ljudi in okolja pred škodljivo izpostavljenostjo NIR. NIR se nanaša na elektromagnetno sevanje, kot so ultravijolično, svetloba, infrardeče in radijsko valovanje ter mehanski valovi, kot sta infra- in ultrazvok. Brezžični polnilni sistemi proizvajajo izmenična magnetna polja, ki bi lahko bila škodljiva za ljudi in živali v bližini. Da bi lahko odkrili ta polja in jih zmanjšali v preskusnih nastavitvah v resničnem svetu, je potrebna naprava za merjenje magnetnega polja, kot je spektralni analizator Aaronia SPECTRAN NF-5035. Te naprave običajno stanejo več kot 2000 USD in so velike in morda ne bodo mogle doseči ozkih prostorov, kjer je treba polje izmeriti. Poleg tega imajo te naprave običajno več funkcij, kot je potrebno za preprosto merjenje polja v brezžičnih sistemih za prenos energije. Zato bi bila razvoj manjše in cenejše različice terenskih merilnih naprav velike vrednosti.

Trenutni projekt vključuje zasnovo tiskanega vezja za zaznavanje magnetnega polja in tudi zasnovo dodatne naprave, ki lahko obdeluje zaznane vrednosti magnetnega polja in jih prikaže na OLED ali LCD zaslonu.

1. korak: Zahteve

Naprava ima naslednje zahteve:

1. Izmerite izmenična magnetna polja v območju 10 - 300 kHz
2. Natančno izmerite polja do 50 uT (varnostna meja, ki jo določi ICNIRP je 27 uT)
3. Izmerite polja na vseh treh osi in dobite njihovo rezultat, da poiščete dejansko polje na določeni točki
4. Prikažite magnetno polje na ročnem merilniku
5. Ko polje preseže standarde, ki jih določa ICNIRP, prikažite opozorilni indikator
6. Vključite delovanje baterije, da bo naprava resnično prenosljiva

2. korak: Pregled sistema

3. korak: Izbira komponent

Ta korak je verjetno najbolj dolgotrajen korak, ki zahteva veliko potrpljenja, da izberete prave komponente za ta projekt. Tako kot pri večini drugih projektov elektronike, izbira komponent zahteva skrben pregled podatkovnih listov, da se prepričajo, da so vse komponente med seboj združljive in delujejo v želenem območju vseh obratovalnih parametrov - v tem primeru magnetnih polj, frekvenc, napetosti itd.

Glavne komponente, izbrane za tiskano vezje senzorja magnetnega polja, so na voljo v priloženem Excelovem listu. Za ročno napravo se uporabljajo naslednje komponente:

1. Mikrokontroler Tiva C TM4C123GXL
2. SunFounder I2C serijski 20x4 LCD zaslon
3. Cyclewet 3.3V-5V 4-kanalni logični pretvorniški nivo dvosmerni preklopni modul
4. Stikalo s pritiskom na gumb
5. 2 -položajno stikalo
6. 18650 Li-ion 3.7V celica
7. Polnilec Adafruit PowerBoost 500
8. Tiskana vezja (SparkFun snappable)
9. Ostanki
10. Priključitev žic
11. Zatiči glave

Za ta projekt je potrebna naslednja oprema:

1. Spajkalna naprava in nekaj spajkalne žice
2. Vrtalnik
3. Rezalnik žice

4. korak: Oblikovanje vezja in simulacija

5. korak: Oblikovanje tiskanega vezja

Ko je delovanje vezja preverjeno v LTSpice, je zasnovano tiskano vezje. Bakrene ravnine so oblikovane tako, da ne motijo delovanja senzorjev magnetnega polja. Označeno sivo območje v diagramu postavitve tiskanega vezja prikazuje bakrene ravnine na tiskanem vezju. Na desni je prikazan tudi 3D pogled na oblikovano tiskano vezje.

6. korak: Nastavitev mikrokrmilnika

Za ta projekt je bil izbran mikrokrmilnik Tiva C TM4C123GXL. Koda je napisana v Energii za uporabo obstoječih knjižnic LCD za družino mikrokrmilnikov Arduino. Posledično se lahko koda, razvita za ta projekt, uporablja tudi z mikrokrmilnikom Arduino namesto s Tiva C (pod pogojem, da uporabite pravilne dodelitve pin in ustrezno spremenite kodo).

7. korak: Začetek delovanja zaslona

Zaslon in mikrokrmilnik sta povezana preko I2C komunikacije, ki zahteva le dve žici, razen napajanja +5V in ozemljitve. Odlomki kode LCD, ki so na voljo za družino mikrokrmilnikov Arduino (knjižnice LiquidCrystal), so bili preneseni in uporabljeni v Energiji. Koda je podana v priloženi datoteki LCDTest1.ino.

Nekaj koristnih nasvetov za zaslon najdete v naslednjem videoposnetku:

www.youtube.com/watch?v=qI4ubkWI_f4

8. korak: 3D tiskanje

Ohišje ohišja za ročno napravo je zasnovano, kot je prikazano na zgornji sliki. Škatla pomaga ohranjati plošče na mestu in žice nemoteno. Škatla je zasnovana tako, da ima dva izreza za prehod žic, en izrez za LED indikatorje baterije in enega za preklopno stikalo in stikalo. Potrebne datoteke so priložene.

9. korak: Povezovanje vseh komponent

Izmerite dimenzije vseh razpoložljivih komponent in jih razporedite z grafičnim orodjem, kot je Microsoft Visio. Ko je načrtovana postavitev vseh sestavnih delov, je dobro, da jih poskusite postaviti na njihova mesta, da začutite končni izdelek. Priporočljivo je, da se povezave preskusijo po dodajanju vsake nove komponente v napravo. Pregled procesa povezovanja je prikazan na zgornjih slikah. 3D natisnjena škatla daje čist videz napravi in ščiti tudi elektroniko v notranjosti.

10. korak: Testiranje in demonstracija naprave

Vdelani video prikazuje delovanje naprave. Preklopno stikalo vklopi napravo, s pritiskom na gumb pa lahko preklapljate med dvema načinoma prikaza.