3-akselinen magneettikenttäanturi: 10 vaihetta (kuvilla)

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:03

Langattomat voimansiirtojärjestelmät ovat hyvällä tiellä korvaamaan perinteinen langallinen lataus. Pienistä biolääketieteellisistä implantteista aina valtavien sähköajoneuvojen langattomaan lataamiseen. Erottamaton osa langattoman tehon tutkimusta on magneettikentän tiheyden minimointi. Kansainvälinen ei-ionisoivan säteilyn suojelukomissio (ICNIRP) antaa tieteellisiä neuvoja ja ohjeita ionisoimattoman säteilyn (NIR) terveys- ja ympäristövaikutuksista ihmisten ja ympäristön suojelemiseksi haitallisilta altistuksilta. NIR viittaa sähkömagneettiseen säteilyyn, kuten ultravioletti-, valo-, infrapuna- ja radioaaltoihin, ja mekaanisiin aaltoihin, kuten infra- ja ultraääni. Langattomat latausjärjestelmät tuottavat vuorottelevia magneettikenttiä, jotka voivat olla haitallisia läheisyydessä oleville ihmisille ja eläimille. Näiden kenttien havaitsemiseksi ja minimoimiseksi reaalimaailman testijärjestelyssä tarvitaan magneettikentän mittauslaite, kuten Aaronia SPECTRAN NF-5035 Spectral Analyzer. Nämä laitteet maksavat yleensä yli 2000 dollaria ja ovat suuria, eivätkä välttämättä pysty saavuttamaan kapeita tiloja, joissa kenttä on mitattava. Lisäksi näillä laitteilla on yleensä enemmän ominaisuuksia kuin mitä tarvitaan yksinkertaiseen kenttämittaukseen langattomissa voimansiirtojärjestelmissä. Pienemmän, halvemman version kehittäminen kenttämittauslaitteista olisi siten erittäin arvokasta.

Nykyinen projekti käsittää piirilevyn suunnittelun magneettikentän tunnistamista varten ja myös sellaisen lisälaitteen suunnittelun, joka voi käsitellä havaittuja magneettikentän arvoja ja näyttää ne OLED- tai LCD -näytöllä.

Vaihe 1: Vaatimukset

Laitteella on seuraavat vaatimukset:

1. Mittaa vuorottelevia magneettikenttiä alueella 10 - 300 kHz
2. Mittaa kentät tarkasti jopa 50 uT asti (ICNIRP: n asettama turvallisuusraja on 27 uT)
3. Mittaa kentät kaikilla kolmella akselilla ja hanki niiden tuloksena todellinen kenttä tietystä pisteestä
4. Näytä magneettikenttä käsimittarissa
5. Näytä varoitusilmaisin, kun kenttä ylittää ICNIRP: n asettamat standardit
6. Sisällytä paristokäyttö, jotta laite on todella kannettava

Vaihe 2: Järjestelmän yleiskatsaus

Vaihe 3: Komponenttien valinta

Tämä vaihe on luultavasti aikaa vievin vaihe, joka vaatii huomattavaa kärsivällisyyttä tämän projektin oikeiden komponenttien valitsemiseksi. Kuten useimmissa muissakin elektroniikkahankkeissa, komponenttien valinta edellyttää tietolomakkeiden huolellista tutkimista varmistaakseen, että kaikki komponentit ovat yhteensopivia keskenään ja toimivat halutulla alueella kaikista toimintaparametreista - tässä tapauksessa magneettikentistä, taajuuksista, jännitteistä jne.

Magneettikenttäanturin piirilevyyn valitut pääkomponentit ovat saatavilla oheisessa Excel -taulukossa. Kämmenlaitteessa käytetyt komponentit ovat seuraavat:

1. Tiva C TM4C123GXL -mikro -ohjain
2. SunFounder I2C Serial 20x4 LCD -näyttö
3. Cyclewet 3.3V-5V 4-kanavainen logiikan tasomuunnin, kaksisuuntainen vaihtokytkin
4. Painonappikytkin
5. 2 -asentoinen vaihtokytkin
6. 18650 Li-ion 3,7V-kenno
7. Adafruit PowerBoost 500 -laturi
8. Painetut piirilevyt (napsautettava SparkFun)
9. Seisokit
10. Johtojen yhdistäminen
11. Otsikon nastat

Tässä hankkeessa tarvittavat laitteet ovat seuraavat:

1. Juotoslaite ja juotoslanka
2. Porata
3. Lankaleikkuri

Vaihe 4: Piirin suunnittelu ja simulointi

Vaihe 5: Piirilevyn suunnittelu

Kun piirin toiminta on varmistettu LTSpicessa, piirilevy suunnitellaan. Kuparitasot on suunniteltu siten, että ne eivät häiritse magneettikenttäantureiden toimintaa. Piirilevyasettelukaavion korostettu harmaa alue näyttää piirilevyn kuparitasot. Oikealla on myös 3D -näkymä suunnitellusta piirilevystä.

Vaihe 6: Mikro -ohjaimen käyttöönotto

Tässä projektissa valittu mikro -ohjain on Tiva C TM4C123GXL. Koodi on kirjoitettu Energiassa, jotta voidaan käyttää olemassa olevia Arduino -mikrokontrolleriperheen LCD -kirjastoja. Tämän vuoksi tätä projektia varten kehitettyä koodia voidaan käyttää myös Arduino -mikrokontrollerin kanssa Tiva C: n sijasta (edellyttäen, että käytät oikeita nastamäärityksiä ja muokkaat koodia vastaavasti).

Vaihe 7: Näytön saaminen toimintaan

Näyttö ja mikro-ohjain on liitetty I2C-tiedonsiirron kautta, joka vaatii vain kaksi muuta johtoa kuin +5V syöttö ja maadoitus. Arduinon mikrokontrolleriperheen (LiquidCrystal -kirjastot) LCD -koodinpätkiä on siirretty ja käytetty Energiassa. Koodi annetaan liitteenä olevassa LCDTest1.ino -tiedostossa.

Seuraavassa videossa on joitain hyödyllisiä vinkkejä näyttöön:

www.youtube.com/watch?v=qI4ubkWI_f4

Vaihe 8: 3D -tulostus

Kämmenlaitteen kotelo on suunniteltu yllä olevan kuvan mukaisesti. Laatikko auttaa pitämään levyt paikallaan ja johdot häiriöttömästi. Laatikossa on kaksi katkaisua johtojen läpivientiin, yksi katkaisu akun merkkivaloille ja yksi vipukytkimelle ja painikekytkimelle. Tarvittavat tiedostot on liitetty.

Vaihe 9: Liitäntä kaikkiin komponentteihin

Mittaa kaikkien käytettävissä olevien osien mitat ja aseta ne käyttämällä graafista työkalua, kuten Microsoft Visio. Kun kaikkien komponenttien asettelu on suunniteltu, on hyvä yrittää sijoittaa ne paikoilleen saadakseen tunteen lopputuotteesta. On suositeltavaa testata liitännät jokaisen uuden komponentin lisäämisen jälkeen laitteeseen. Yleiskatsaus rajapintaprosessista näkyy yllä olevissa kuvissa. 3D -tulostettu laatikko antaa laitteelle puhtaan ilmeen ja suojaa myös sisällä olevaa elektroniikkaa.

Vaihe 10: Laitteen testaus ja esittely

Upotettu video näyttää laitteen toiminnan. Vaihtokytkin kytkee laitteen päälle ja painikkeella voidaan sekoittaa kahden näyttötilan välillä.