Sensor de camp magnètic de 3 eixos: 10 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:15

Els sistemes de transferència d’energia sense fils estan en bon camí per substituir la càrrega per cable convencional. Des de petits implants biomèdics fins a la recàrrega sense fils de vehicles elèctrics enormes. Una part integral de la investigació sobre energia sense fils és minimitzar la densitat del camp magnètic. La Comissió Internacional de Protecció contra les Radiacions No Ionitzants (ICNIRP) proporciona consells i orientacions científiques sobre els efectes de la radiació no ionitzant (NIR) sobre la salut i el medi ambient per protegir les persones i el medi ambient de l’exposició perjudicial a NIR. NIR es refereix a la radiació electromagnètica, com ara ultraviolada, llum, infrarojos i ones de ràdio, i a ones mecàniques com ara els ultrasons i els infrarosos. Els sistemes de càrrega sense fils produeixen camps magnètics alterns que poden ser nocius per als éssers humans i els animals presents als voltants. Per poder detectar aquests camps i minimitzar-los en una configuració de proves del món real, cal un dispositiu de mesura de camp magnètic com l’Analia Spectral NF-5035 Spectral Analyzer. Aquests dispositius solen costar més de 2.000 dòlars i són voluminosos i pot ser que no puguin arribar a espais estrets on cal mesurar el camp. A més, aquests dispositius solen tenir més funcions de les necessàries per a la simple mesura de camp en sistemes de transferència d’energia sense fils. Per tant, desenvolupar una versió més petita i més barata dels dispositius de mesura de camp seria de gran valor.

El projecte actual implica el disseny d’un PCB per a la detecció de camp magnètic i també el disseny d’un dispositiu addicional que pugui processar els valors del camp magnètic detectat i mostrar-los en una pantalla OLED o LCD.

Pas 1: requisits

El dispositiu té els requisits següents:

1. Mesureu camps magnètics alterns en un interval de 10 a 300 kHz
2. Mesureu els camps amb precisió fins a 50 uT (el límit de seguretat establert per ICNIRP és de 27 uT)
3. Mesureu els camps en els tres eixos i obteniu el resultat per trobar el camp real en un punt determinat
4. Mostra el camp magnètic en un comptador de mà
5. Mostra un indicador d'advertència quan el camp supera els estàndards establerts per l'ICNIRP
6. Incloeu el funcionament de la bateria perquè el dispositiu sigui realment portàtil

Pas 2: Visió general del sistema

Pas 3: triar components

Aquest pas és probablement el pas que més temps fa, ja que requereix una paciència considerable per escollir els components adequats per a aquest projecte. Com passa amb la majoria dels altres projectes d'electrònica, l'elecció de components requereix un examen acurat de fulls de dades per assegurar-se que tots els components siguin compatibles entre si i funcionin en el rang desitjat de tots els paràmetres de funcionament, en aquest cas concret, camps magnètics, freqüències, tensions, etc.

Els components principals triats per al PCB del sensor de camp magnètic estan disponibles al full Excel adjunt. Els components que s’utilitzen per al dispositiu de mà són els següents:

1. Microcontrolador Tiva C TM4C123GXL
2. Pantalla LCD SunFounder I2C Serial 20x4
3. Cyclewet 3.3V-5V Mòdul de canvi bidireccional de 4 canals de nivell lògic
4. Interruptor de polsador
5. Interruptor de palanca de 2 posicions
6. Cèl·lula 18650 Li-ion de 3,7 V
7. Carregador Adafruit PowerBoost 500
8. Circuits impresos (SparkFun snapable)
9. Desafiaments
10. Connexió de cables
11. Pins de capçalera

Els equips necessaris per a aquest projecte són els següents:

1. Dispositiu de soldadura i algun fil de soldadura
2. Trepant
3. Tallador de filferro

Pas 4: Disseny i simulació de circuits

Pas 5: Dissenyar el PCB

Un cop verificat el funcionament del circuit a LTSpice, es dissenya un PCB. Els plans de coure estan dissenyats de manera que no interfereixen en el funcionament dels sensors de camp magnètic. La regió gris ressaltada al diagrama de disseny del PCB mostra els plans de coure del PCB. A la dreta, també es mostra una vista en 3D del PCB dissenyat.

Pas 6: Configuració del microcontrolador

El microcontrolador escollit per a aquest projecte és el Tiva C TM4C123GXL. El codi està escrit a Energia per fer ús de les biblioteques LCD existents per a la família de microcontroladors Arduino. En conseqüència, el codi desenvolupat per a aquest projecte també es pot utilitzar amb un microcontrolador Arduino en lloc del Tiva C (sempre que utilitzeu les assignacions de pins adequats i modifiqueu el codi en conseqüència).

Pas 7: Com funcionar la pantalla

La pantalla i el microcontrolador s’interfacen mitjançant la comunicació I2C que només requereix dos cables diferents del subministrament a + 5V i de la terra. Els fragments de codi LCD disponibles per a la família de microcontroladors Arduino (biblioteques LiquidCrystal) s’han portat i utilitzat a Energia. El codi es dóna al fitxer LCDTest1.ino adjunt.

Al vídeo següent podeu trobar alguns consells útils per a la visualització:

www.youtube.com/watch?v=qI4ubkWI_f4

Pas 8: impressió 3D

Una caixa de tancament per al dispositiu de mà està dissenyada com es mostra a la imatge superior. La caixa ajuda a mantenir les taules al seu lloc i els cables sense molèsties. La caixa està dissenyada per tenir dos retalls per passar els cables, un retallador per als indicadors LED de la bateria i un per al commutador de commutació i el polsador. S'adjunten els fitxers necessaris.

Pas 9: Interfície de tots els components

Mesureu les dimensions de tots els components disponibles i traieu-los mitjançant una eina gràfica com Microsoft Visio. Un cop planificada la disposició de tots els components, és una bona idea provar de col·locar-los a les seves posicions per tenir una idea del producte final. Es recomana provar les connexions després d'afegir cada component nou al dispositiu. A les imatges anteriors es mostra una visió general del procés d’interfície. La caixa impresa en 3D proporciona un aspecte net al dispositiu i també protegeix l’electrònica del seu interior.

Pas 10: prova i demostració de dispositius

El vídeo incrustat mostra el funcionament del dispositiu. L'interruptor d'activació activa el dispositiu i el polsador es pot utilitzar per moure's a través dels dos modes de visualització.