3-osý snímač magnetického poľa: 10 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 12:00

Bezdrôtové systémy prenosu energie sú na dobrej ceste nahradiť konvenčné káblové nabíjanie. Od malých biomedicínskych implantátov až po bezdrôtové nabíjanie veľkých elektrických vozidiel. Neoddeliteľnou súčasťou výskumu bezdrôtového napájania je minimalizácia hustoty magnetického poľa. Medzinárodná komisia pre ochranu pred neionizujúcim žiarením (ICNIRP) poskytuje vedecké rady a usmernenia k vplyvom neionizujúceho žiarenia na zdravie a životné prostredie (NIR) na ochranu ľudí a životného prostredia pred škodlivým vystavením NIR. NIR označuje elektromagnetické žiarenie, ako je ultrafialové, svetelné, infračervené a rádiové vlny, a mechanické vlny ako infračervené a ultrazvukové. Bezdrôtové nabíjacie systémy produkujú striedavé magnetické polia, ktoré môžu byť škodlivé pre ľudí a zvieratá prítomné v okolí. Aby bolo možné tieto polia detekovať a minimalizovať v testovacom nastavení v reálnom svete, je potrebné zariadenie na meranie magnetického poľa, ako je spektrálny analyzátor Aaronia SPECTRAN NF-5035. Tieto zariadenia zvyčajne stoja viac ako 2 000 dolárov a sú objemné a nemusia sa dostať do úzkych priestorov, kde je potrebné pole zmerať. Okrem toho majú tieto zariadenia zvyčajne viac funkcií, ako sa vyžaduje na jednoduché meranie v poli v bezdrôtových systémoch prenosu energie. Preto by vývoj menšej, lacnejšej verzie prístrojov na meranie poľa mal veľkú hodnotu.

Súčasný projekt zahŕňa návrh dosky plošných spojov na snímanie magnetického poľa a tiež návrh prídavného zariadenia, ktoré dokáže spracovať snímané hodnoty magnetického poľa a zobraziť ich na OLED alebo LCD displeji.

Krok 1: Požiadavky

Zariadenie má nasledujúce požiadavky:

1. Zmerajte striedavé magnetické polia v rozsahu 10 - 300 kHz
2. Merajte polia presne do 50 uT (bezpečnostný limit stanovený ICNIRP je 27 uT)
3. Zmerajte polia vo všetkých troch osiach a získajte ich výsledné hodnoty, aby ste našli skutočné pole v danom bode
4. Zobrazte magnetické pole na ručnom merači
5. Zobrazí sa výstražný indikátor, ak pole prekročí štandardy stanovené ICNIRP
6. Zahrňte prevádzku na batérie, aby bolo zariadenie skutočne prenosné

Krok 2: Prehľad systému

Krok 3: Výber komponentov

Tento krok je pravdepodobne najdôležitejším krokom vyžadujúcim značnú trpezlivosť pri výbere správnych komponentov pre tento projekt. Rovnako ako pre väčšinu ostatných projektov elektroniky, výber komponentov vyžaduje starostlivé preskúmanie technických listov, aby sa zaistilo, že všetky komponenty sú navzájom kompatibilné a fungujú v požadovanom rozsahu všetkých prevádzkových parametrov - v tomto konkrétnom prípade magnetických polí, frekvencií, napätí atď.

Hlavné komponenty zvolené pre dosku plošných spojov snímača magnetického poľa sú k dispozícii v priloženom liste programu Excel. Komponenty používané pre vreckové zariadenia sú tieto:

1. Mikrokontrolér Tiva C TM4C123GXL
2. Sériový LCD displej SunFounder I2C 20x4
3. Modul Cyclewet 3.3V-5V 4-kanálový logický prevodník obojsmerného radiaceho modulu
4. Tlačidlový spínač
5. 2polohový prepínač
6. 18650 lítium-iónový článok 3,7 V
7. Nabíjačka Adafruit PowerBoost 500
8. Dosky s plošnými spojmi (prichytiteľné pomocou SparkFun)
9. Medzery
10. Pripojovacie vodiče
11. Kolíky hlavičky

Zariadenie potrebné pre tento projekt je nasledujúce:

1. Spájkovacie zariadenie a nejaký spájkovací drôt
2. Vŕtačka
3. Drôtová rezačka

Krok 4: Návrh a simulácia obvodu

Krok 5: Navrhovanie DPS

Po overení činnosti obvodu v LTSpice sa navrhne plošný spoj. Medené lietadlá sú navrhnuté tak, aby nezasahovali do činnosti senzorov magnetického poľa. Zvýraznená šedá oblasť v diagrame rozloženia DPS zobrazuje medené roviny na DPS. Vpravo je zobrazený aj 3D pohľad na navrhnutú DPS.

Krok 6: Nastavenie mikrokontroléra

Mikrokontrolér zvolený pre tento projekt je Tiva C TM4C123GXL. Kód je napísaný v spoločnosti Energia, aby využil existujúce knižnice LCD pre rodinu mikrokontrolérov Arduino. V dôsledku toho môže byť kód vyvinutý pre tento projekt použitý aj s mikrokontrolérom Arduino namiesto Tiva C (za predpokladu, že použijete správne priradenia pinov a podľa toho upravíte kód).

Krok 7: Uvedenie displeja do prevádzky

Displej a mikroradič sú prepojené prostredníctvom komunikácie I2C, ktorá vyžaduje iba dva vodiče okrem napájania a uzemnenia +5 V. Útržky kódu LCD dostupné pre rodinu mikrokontrolérov Arduino (knižnice LiquidCrystal) boli prenesené a používané v spoločnosti Energia. Kód je uvedený v priloženom súbore LCDTest1.ino.

Niekoľko užitočných tipov pre displej nájdete v nasledujúcom videu:

www.youtube.com/watch?v=qI4ubkWI_f4

Krok 8: 3D tlač

Skriňa pre vreckové zariadenie je navrhnutá tak, ako je to znázornené na obrázku vyššie. Krabica pomáha udržať dosky na mieste a vodiče nerušené. Krabica je navrhnutá tak, aby mala dva výrezy na vedenie káblov, jeden výrez pre diódy LED indikátora batérie a jeden pre prepínací a tlačidlový spínač. Potrebné súbory sú priložené.

Krok 9: Prepojenie všetkých komponentov

Zmerajte rozmery všetkých dostupných komponentov a rozložte ich pomocou grafického nástroja, akým je napríklad Microsoft Visio. Akonáhle je rozloženie všetkých komponentov naplánované, je dobré pokúsiť sa ich umiestniť na svoje miesta, aby ste získali predstavu o konečnom produkte. Po pridaní každého nového komponentu do zariadenia sa odporúča otestovať pripojenia. Prehľad postupu rozhrania je zobrazený na obrázkoch vyššie. Krabica s 3D tlačou dodáva zariadeniu čistý vzhľad a chráni tiež elektroniku vo vnútri.

Krok 10: Testovanie a ukážka zariadenia

Vložené video zobrazuje činnosť zariadenia. Prepínačom sa zapne zariadenie a tlačidlo sa dá použiť na prepínanie medzi dvoma režimami zobrazenia.