3-assige magnetische veldsensor - Ajarnpa

2025 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2025-01-23 15:01

Draadloze stroomoverdrachtsystemen zijn goed op weg om conventioneel bedraad opladen te vervangen. Van minuscule biomedische implantaten tot het draadloos opladen van enorme elektrische voertuigen. Een integraal onderdeel van het onderzoek naar draadloos vermogen is het minimaliseren van de magnetische velddichtheid. De International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection (ICNIRP) geeft wetenschappelijk advies en begeleiding over de gezondheids- en milieueffecten van niet-ioniserende straling (NIR) om mens en milieu te beschermen tegen schadelijke NIR-blootstelling. NIR verwijst naar elektromagnetische straling zoals ultraviolet, licht, infrarood en radiogolven, en mechanische golven zoals infrarood en ultrageluid. Draadloze oplaadsystemen produceren wisselende magnetische velden die schadelijk kunnen zijn voor mens en dier in de buurt. Om deze velden te kunnen detecteren en te minimaliseren in een echte testopstelling, is een magneetveldmeetapparaat zoals de Aaronia SPECTRAN NF-5035 Spectral Analyzer vereist. Deze apparaten kosten meestal meer dan $ 2000 en zijn omvangrijk en kunnen mogelijk geen nauwe ruimtes bereiken waar het veld moet worden gemeten. Bovendien hebben deze apparaten meestal meer functies dan nodig is voor eenvoudige veldmetingen in draadloze energieoverdrachtsystemen. Daarom zou het van grote waarde zijn om een kleinere, goedkopere versie van de veldmeetapparatuur te ontwikkelen.

Het huidige project omvat het ontwerp van een PCB voor magnetische velddetectie en ook het ontwerp van een extra apparaat dat de gedetecteerde magnetische veldwaarden kan verwerken en weergeven op een OLED- of LCD-scherm.

Stap 1: Vereisten

Het apparaat heeft de volgende vereisten:

1. Meet wisselende magnetische velden in het bereik van 10 – 300 kHz
2. Meet velden nauwkeurig tot 50 uT (Veiligheidslimiet ingesteld door ICNIRP is 27 uT)
3. Meet velden in alle drie de assen en krijg hun resultaat om het werkelijke veld op een bepaald punt te vinden
4. Geef het magnetische veld weer op een handmeter
5. Geef een waarschuwingsindicator weer wanneer het veld de normen overschrijdt die zijn vastgesteld door de ICNIRP
6. Gebruik batterijvoeding zodat het apparaat echt draagbaar is

Stap 2: Systeemoverzicht

Stap 3: Componenten kiezen

Deze stap is waarschijnlijk de meest tijdrovende stap en vereist veel geduld om de juiste componenten voor dit project te kiezen. Zoals bij de meeste andere elektronicaprojecten, vereist het kiezen van componenten een zorgvuldig onderzoek van datasheets om er zeker van te zijn dat alle componenten compatibel zijn met elkaar en werken in het gewenste bereik van alle bedrijfsparameters - in dit specifieke geval magnetische velden, frequenties, spanningen enz.

De belangrijkste componenten die zijn gekozen voor de printplaat van de magneetveldsensor zijn beschikbaar in het bijgevoegde Excel-blad. De componenten die voor het handheld-apparaat worden gebruikt, zijn als volgt:

1. Tiva C TM4C123GXL-microcontroller
2. SunFounder I2C Serieel 20x4 LCD-scherm
3. Cyclewet 3.3V-5V 4-kanaals logische niveau-omzetter bidirectionele schakelmodule
4. Drukknopschakelaar
5. 2 standen tuimelschakelaar
6. 18650 Li-ion 3.7V cel
7. Adafruit PowerBoost 500-oplader
8. Printplaten (SparkFun snapbaar)
9. afstanden
10. Draden aansluiten
11. Header pinnen

De benodigde apparatuur voor dit project is als volgt:

1. Soldeerapparaat en wat soldeerdraad
2. Oefening
3. Draadknipper

Stap 4: Circuitontwerp en simulatie

Stap 5: Het ontwerpen van de PCB

Nadat de werking van het circuit is geverifieerd in LTSpice, wordt een PCB ontworpen. Koperen vlakken zijn zo ontworpen dat ze de werking van de magnetische veldsensoren niet verstoren. Het gemarkeerde grijze gebied in het PCB-lay-outdiagram toont de koperen vlakken op de PCB. Aan de rechterkant wordt ook een 3D-weergave van de ontworpen print getoond.

Stap 6: De microcontroller instellen

De gekozen microcontroller voor dit project is de Tiva C TM4C123GXL. De code is geschreven in Energia om gebruik te maken van bestaande LCD-bibliotheken voor de Arduino-familie van microcontrollers. Daarom kan de voor dit project ontwikkelde code ook worden gebruikt met een Arduino-microcontroller in plaats van de Tiva C (mits je de juiste pintoewijzingen gebruikt en de code dienovereenkomstig aanpast).

Stap 7: Het beeldscherm aan het werk krijgen

Het display en de microcontroller zijn verbonden via I2C-communicatie waarvoor slechts twee andere draden nodig zijn dan de +5V-voeding en aarde. De LCD-codefragmenten die beschikbaar zijn voor de Arduino-familie van microcontrollers (LiquidCrystal-bibliotheken) zijn geporteerd en gebruikt in Energia. De code wordt gegeven in het bijgevoegde LCDTest1.ino-bestand.

Enkele handige tips voor de weergave vindt u in de volgende video:

www.youtube.com/watch?v=qI4ubkWI_f4

Stap 8: 3D printen

Een behuizingsdoos voor het handheld-apparaat is ontworpen zoals weergegeven in de bovenstaande afbeelding. De doos helpt de planken op hun plaats te houden en de draden ongestoord. De doos is ontworpen om twee uitsparingen te hebben voor de draden om door te gaan, één uitsparing voor de batterij-indicator-LED's en één voor de tuimelschakelaar en drukknopschakelaar. De benodigde bestanden zijn bijgevoegd.

Stap 9: Interfacing met alle componenten

Meet de afmetingen van alle beschikbare componenten en leg ze uit met een grafisch hulpmiddel zoals Microsoft Visio. Zodra de lay-out van alle componenten is gepland, is het een goed idee om ze op hun posities te plaatsen om een idee te krijgen van het eindproduct. Het wordt aanbevolen om de verbindingen te testen nadat elk nieuw onderdeel aan het apparaat is toegevoegd. Een overzicht van het interfacing-proces wordt getoond in de bovenstaande afbeeldingen. De 3D-geprinte doos geeft het apparaat een strakke uitstraling en beschermt ook de elektronica binnenin.

Stap 10: Apparaattesten en demonstratie

De embedded video toont de werking van het apparaat. De tuimelschakelaar schakelt het apparaat in en de drukknop kan worden gebruikt om door de twee weergavemodi te bladeren.