Αισθητήρας μαγνητικού πεδίου 3 αξόνων: 10 βήματα (με εικόνες)

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:37

Τα ασύρματα συστήματα μεταφοράς ισχύος βρίσκονται σε καλό δρόμο για να αντικαταστήσουν τη συμβατική ενσύρματη φόρτιση. Από μικροσκοπικά βιοϊατρικά εμφυτεύματα μέχρι ασύρματη φόρτιση τεράστιων ηλεκτρικών οχημάτων. Αναπόσπαστο μέρος της έρευνας για την ασύρματη ισχύ είναι η ελαχιστοποίηση της πυκνότητας του μαγνητικού πεδίου. Η Διεθνής Επιτροπή για την Προστασία από ιοντίζουσες ακτινοβολίες (ICNIRP) παρέχει επιστημονικές συμβουλές και καθοδήγηση σχετικά με τις επιδράσεις της μη ιονίζουσας ακτινοβολίας στην υγεία και το περιβάλλον (NIR) για την προστασία των ανθρώπων και του περιβάλλοντος από επιζήμια έκθεση σε NIR. Το NIR αναφέρεται σε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία όπως υπεριώδη, φωτεινή, υπέρυθρη ακτινοβολία και ραδιοκύματα και μηχανικά κύματα όπως υπέρυθρο και υπερηχογράφημα. Τα ασύρματα συστήματα φόρτισης παράγουν εναλλασσόμενα μαγνητικά πεδία τα οποία θα μπορούσαν να είναι επιβλαβή για τους ανθρώπους και τα ζώα που βρίσκονται στην περιοχή. Για να μπορέσετε να ανιχνεύσετε αυτά τα πεδία και να τα ελαχιστοποιήσετε σε μια δοκιμή πραγματικού κόσμου, απαιτείται μια συσκευή μέτρησης μαγνητικού πεδίου όπως ο φασματικός αναλυτής Aaronia SPECTRAN NF-5035. Αυτές οι συσκευές κοστίζουν συνήθως πάνω από $ 2000 και είναι ογκώδεις και ενδέχεται να μην μπορούν να φτάσουν σε στενούς χώρους όπου πρέπει να μετρηθεί το πεδίο. Επιπλέον, αυτές οι συσκευές έχουν συνήθως περισσότερες δυνατότητες από ό, τι απαιτείται για απλή μέτρηση πεδίου σε ασύρματα συστήματα μεταφοράς ισχύος. Ως εκ τούτου, η ανάπτυξη μιας μικρότερης, φθηνότερης έκδοσης των συσκευών μέτρησης πεδίου θα είχε μεγάλη αξία.

Το τρέχον έργο περιλαμβάνει το σχεδιασμό ενός PCB για την ανίχνευση μαγνητικού πεδίου και επίσης το σχεδιασμό μιας πρόσθετης συσκευής που μπορεί να επεξεργάζεται τις τιμές των αισθητήριων μαγνητικών πεδίων και να τις εμφανίζει σε μια οθόνη OLED ή LCD.

Βήμα 1: Απαιτήσεις

Η συσκευή έχει τις ακόλουθες απαιτήσεις:

1. Μετρήστε εναλλασσόμενα μαγνητικά πεδία στην περιοχή 10 - 300 kHz
2. Μετρήστε τα πεδία με ακρίβεια έως 50 uT (το όριο ασφαλείας που έχει οριστεί από το ICNIRP είναι 27 uT)
3. Μετρήστε πεδία και στους τρεις άξονες και βάλτε το αποτέλεσμά τους να βρει το πραγματικό πεδίο σε ένα δεδομένο σημείο
4. Εμφανίστε το μαγνητικό πεδίο σε φορητό μετρητή
5. Εμφανίστε μια προειδοποιητική ένδειξη όταν το πεδίο υπερβεί τα πρότυπα που ορίζει το ICNIRP
6. Συμπεριλάβετε τη λειτουργία της μπαταρίας, έτσι ώστε η συσκευή να είναι πραγματικά φορητή

Βήμα 2: Επισκόπηση συστήματος

Βήμα 3: Επιλογή εξαρτημάτων

Αυτό το βήμα είναι ίσως το πιο χρονοβόρο βήμα, απαιτώντας σημαντική υπομονή για να επιλέξετε τα σωστά στοιχεία για αυτό το έργο. Όπως και με τα περισσότερα άλλα ηλεκτρονικά έργα, η επιλογή εξαρτημάτων απαιτεί προσεκτική εξέταση των φύλλων δεδομένων για να βεβαιωθείτε ότι όλα τα εξαρτήματα είναι συμβατά μεταξύ τους και ότι λειτουργούν στο επιθυμητό εύρος όλων των παραμέτρων λειτουργίας - στη συγκεκριμένη περίπτωση, μαγνητικά πεδία, συχνότητες, τάσεις κλπ.

Τα κύρια εξαρτήματα που επιλέγονται για τον αισθητήρα μαγνητικού πεδίου PCB διατίθενται στο συνημμένο φύλλο excel. Τα εξαρτήματα που χρησιμοποιούνται για τη φορητή συσκευή είναι τα ακόλουθα:

1. Μικροελεγκτής Tiva C TM4C123GXL
2. SunFounder I2C Σειριακή οθόνη LCD 20x4
3. Cyclewet 3.3V-5V 4 καναλιών μονάδα μετατροπέα λογικής επιπέδου αμφίδρομης αλλαγής ταχυτήτων
4. Διακόπτης με κουμπί
5. Διακόπτης εναλλαγής 2 θέσεων
6. 18650 Κυψέλη ιόντων λιθίου 3.7V
7. Φορτιστής Adafruit PowerBoost 500
8. Πίνακες τυπωμένων κυκλωμάτων (SparkFun snappable)
9. Αναμονές
10. Σύνδεση καλωδίων
11. Καρφίτσες κεφαλίδας

Ο εξοπλισμός που απαιτείται για αυτό το έργο είναι ο εξής:

1. Συσκευή συγκόλλησης και λίγο σύρμα συγκόλλησης
2. Τρυπάνι
3. Κόφτης καλωδίων

Βήμα 4: Σχεδιασμός και προσομοίωση κυκλώματος

Βήμα 5: Σχεδιασμός του PCB

Μόλις επαληθευτεί η λειτουργία του κυκλώματος στο LTSpice, σχεδιάζεται ένα PCB. Τα επίπεδα χαλκού έχουν σχεδιαστεί με τρόπο ώστε να μην παρεμβαίνουν στη λειτουργία των αισθητήρων μαγνητικού πεδίου. Η επισημασμένη γκρι περιοχή στο διάγραμμα διάταξης PCB δείχνει τα επίπεδα χαλκού στο PCB. Στα δεξιά, εμφανίζεται επίσης μια τρισδιάστατη προβολή του σχεδιασμένου PCB.

Βήμα 6: Ρύθμιση του μικροελεγκτή

Ο μικροελεγκτής που επιλέχθηκε για αυτό το έργο είναι ο Tiva C TM4C123GXL. Ο κώδικας είναι γραμμένος στην Energia προκειμένου να αξιοποιηθούν οι υπάρχουσες βιβλιοθήκες LCD για την οικογένεια μικροελεγκτών Arduino. Κατά συνέπεια, ο κώδικας που αναπτύχθηκε για αυτό το έργο μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί με μικροελεγκτή Arduino αντί για το Tiva C (με την προϋπόθεση ότι χρησιμοποιείτε τις σωστές αντιστοιχίσεις pin και τροποποιείτε τον κώδικα ανάλογα).

Βήμα 7: Λειτουργία της οθόνης

Η οθόνη και ο μικροελεγκτής διασυνδέονται μέσω επικοινωνίας I2C που απαιτεί μόνο δύο καλώδια εκτός από την παροχή και τη γείωση a +5V. Τα αποσπάσματα κώδικα LCD που διατίθενται για την οικογένεια μικροελεγκτών Arduino (βιβλιοθήκες LiquidCrystal) μεταφέρθηκαν και χρησιμοποιήθηκαν στην Energia. Ο κωδικός δίνεται στο συνημμένο αρχείο LCDTest1.ino.

Μερικές χρήσιμες συμβουλές για την οθόνη μπορείτε να βρείτε στο παρακάτω βίντεο:

www.youtube.com/watch?v=qI4ubkWI_f4

Βήμα 8: Τρισδιάστατη εκτύπωση

Ένα κουτί περιβλήματος για τη φορητή συσκευή έχει σχεδιαστεί όπως φαίνεται στην παραπάνω εικόνα. Το κιβώτιο βοηθά να διατηρούνται οι σανίδες στη θέση τους και τα καλώδια ανενόχλητα. Το κουτί έχει σχεδιαστεί για να έχει δύο εγκοπές για να περάσουν τα καλώδια, μία διακοπή για τις ενδεικτικές λυχνίες LED της μπαταρίας και μία έκαστη για τον διακόπτη εναλλαγής και το κουμπί πίεσης. Επισυνάπτονται τα απαραίτητα αρχεία.

Βήμα 9: Διασύνδεση όλων των εξαρτημάτων

Μετρήστε τις διαστάσεις όλων των διαθέσιμων στοιχείων και τοποθετήστε τις χρησιμοποιώντας ένα γραφικό εργαλείο όπως το Microsoft Visio. Μόλις σχεδιαστεί η διάταξη όλων των εξαρτημάτων, είναι καλή ιδέα να δοκιμάσετε και να τα τοποθετήσετε στη θέση τους για να έχετε μια αίσθηση του τελικού προϊόντος. Συνιστάται ο έλεγχος των συνδέσεων μετά την προσθήκη κάθε νέου εξαρτήματος στη συσκευή. Μια επισκόπηση της διαδικασίας διασύνδεσης εμφανίζεται στις παραπάνω εικόνες. Το τρισδιάστατο κουτί δίνει μια καθαρή εμφάνιση στη συσκευή και προστατεύει επίσης τα ηλεκτρονικά μέσα.

Βήμα 10: Δοκιμή και επίδειξη συσκευής

Το ενσωματωμένο βίντεο δείχνει τη λειτουργία της συσκευής. Ο διακόπτης εναλλαγής ενεργοποιεί τη συσκευή και το κουμπί ώθησης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τυχαία αναπαραγωγή των δύο λειτουργιών οθόνης.