Sensore di campo magnetico a 3 assi: 10 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:04

I sistemi di trasferimento di potenza wireless sono sulla buona strada per sostituire la ricarica cablata convenzionale. Dai minuscoli impianti biomedici fino alla ricarica wireless di enormi veicoli elettrici. Una parte integrante della ricerca sulla potenza wireless è ridurre al minimo la densità del campo magnetico. La Commissione internazionale per la protezione dalle radiazioni non ionizzanti (ICNIRP) fornisce consulenza scientifica e guida sugli effetti sulla salute e sull'ambiente delle radiazioni non ionizzanti (NIR) per proteggere le persone e l'ambiente dall'esposizione dannosa alle radiazioni NIR. NIR si riferisce a radiazioni elettromagnetiche come ultraviolette, luminose, infrarosse e onde radio e onde meccaniche come infrarossi e ultrasuoni. I sistemi di ricarica wireless producono campi magnetici alternati che potrebbero essere dannosi per gli esseri umani e gli animali presenti nelle vicinanze. Per essere in grado di rilevare questi campi e minimizzarli in una configurazione di test del mondo reale, è necessario un dispositivo di misurazione del campo magnetico come l'analizzatore spettrale Aaronia SPECTRAN NF-5035. Questi dispositivi di solito costano fino a $ 2000 e sono ingombranti e potrebbero non essere in grado di raggiungere spazi ristretti in cui è necessario misurare il campo. Inoltre, questi dispositivi di solito hanno più funzioni di quelle necessarie per la semplice misurazione sul campo nei sistemi di trasferimento di potenza wireless. Quindi, lo sviluppo di una versione più piccola ed economica dei dispositivi di misurazione sul campo sarebbe di grande valore.

L'attuale progetto prevede la progettazione di un PCB per il rilevamento del campo magnetico e anche la progettazione di un dispositivo aggiuntivo in grado di elaborare i valori del campo magnetico rilevato e visualizzarli su un display OLED o LCD.

Passaggio 1: requisiti

Il dispositivo ha i seguenti requisiti:

1. Misura i campi magnetici alternati nell'intervallo 10 – 300 kHz
2. Misura i campi con precisione fino a 50 uT (il limite di sicurezza impostato da ICNIRP è 27 uT)
3. Misura i campi in tutti e tre gli assi e ottieni la loro risultante per trovare il campo effettivo in un dato punto
4. Visualizza il campo magnetico su un misuratore portatile
5. Visualizza un indicatore di avviso quando il campo supera gli standard stabiliti dall'ICNIRP
6. Includere il funzionamento a batteria in modo che il dispositivo sia veramente portatile

Passaggio 2: panoramica del sistema

Passaggio 3: scelta dei componenti

Questo passaggio è probabilmente quello che richiede più tempo e richiede una notevole pazienza per scegliere i componenti giusti per questo progetto. Come con la maggior parte degli altri progetti di elettronica, la scelta dei componenti richiede un attento esame delle schede tecniche per assicurarsi che tutti i componenti siano compatibili tra loro e funzionino nell'intervallo desiderato di tutti i parametri operativi - in questo caso particolare, campi magnetici, frequenze, tensioni ecc.

I principali componenti scelti per il PCB del sensore di campo magnetico sono disponibili nel foglio excel allegato. I componenti utilizzati per il dispositivo palmare sono i seguenti:

1. Microcontrollore Tiva C TM4C123GXL
2. Display LCD SunFounder I2C seriale 20x4
3. Cyclewet 3.3V-5V Modulo cambio bidirezionale convertitore di livello logico a 4 canali
4. Interruttore a pulsante
5. Interruttore a levetta a 2 posizioni
6. 18650 cella agli ioni di litio da 3,7 V
7. Caricabatterie Adafruit PowerBoost 500
8. Circuiti stampati (SparkFun snappable)
9. situazioni di stallo
10. Cavi di collegamento
11. Perni di intestazione

Le attrezzature necessarie per questo progetto sono le seguenti:

1. Dispositivo di saldatura e alcuni fili di saldatura
2. Trapano
3. Tronchese

Passaggio 4: progettazione e simulazione del circuito

Passaggio 5: progettazione del PCB

Una volta verificato il funzionamento del circuito in LTSpice, viene progettato un PCB. I piani in rame sono progettati in modo da non interferire con il funzionamento dei sensori di campo magnetico. La regione grigia evidenziata nel diagramma del layout del PCB mostra i piani in rame sul PCB. A destra è mostrata anche una vista 3D del PCB progettato.

Passaggio 6: configurazione del microcontrollore

Il microcontrollore scelto per questo progetto è il Tiva C TM4C123GXL. Il codice è scritto in Energia per utilizzare le librerie LCD esistenti per la famiglia di microcontrollori Arduino. Di conseguenza, il codice sviluppato per questo progetto può essere utilizzato anche con un microcontrollore Arduino al posto del Tiva C (a condizione che si utilizzino le assegnazioni dei pin corrette e si modifichi il codice di conseguenza).

Passaggio 7: far funzionare il display

Il display e il microcontrollore sono interfacciati tramite comunicazione I2C che richiede solo due fili oltre all'alimentazione +5V e alla massa. Gli snippet di codice LCD disponibili per la famiglia di microcontrollori Arduino (librerie LiquidCrystal) sono stati portati e utilizzati in Energia. Il codice è riportato nel file LCDTest1.ino allegato.

Alcuni suggerimenti utili per il display possono essere trovati nel seguente video:

www.youtube.com/watch?v=qI4ubkWI_f4

Passaggio 8: stampa 3D

Una custodia per il dispositivo portatile è progettata come mostrato nell'immagine sopra. La scatola aiuta a mantenere le schede in posizione e i fili indisturbati. La scatola è progettata per avere due ritagli per il passaggio dei cavi, un ritaglio per i LED dell'indicatore della batteria e uno ciascuno per l'interruttore a levetta e l'interruttore a pulsante. I file necessari sono allegati.

Passaggio 9: interfacciare tutti i componenti

Misura le dimensioni di tutti i componenti disponibili e disponili utilizzando uno strumento grafico come Microsoft Visio. Una volta pianificato il layout di tutti i componenti, è una buona idea provare a posizionarli nelle loro posizioni per avere un'idea del prodotto finale. Si consiglia di testare le connessioni dopo l'aggiunta di ogni nuovo componente al dispositivo. Una panoramica del processo di interfacciamento è mostrata nelle immagini sopra. La scatola stampata in 3D conferisce un aspetto pulito al dispositivo e protegge anche l'elettronica all'interno.

Passaggio 10: test e dimostrazione del dispositivo

Il video incorporato mostra il funzionamento del dispositivo. L'interruttore a levetta accende il dispositivo e il pulsante può essere utilizzato per scorrere le due modalità di visualizzazione.