Sensor de campo magnético de 3 eixos: 10 etapas (com imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:38

Os sistemas de transferência de energia sem fio estão prestes a substituir o carregamento convencional com fio. Variando de minúsculos implantes biomédicos até a recarga sem fio de enormes veículos elétricos. Uma parte integrante da pesquisa sobre energia sem fio é minimizar a densidade do campo magnético. A Comissão Internacional de Proteção contra Radiação Não Ionizante (ICNIRP) fornece aconselhamento científico e orientação sobre os efeitos da radiação não ionizante na saúde e no meio ambiente (NIR) para proteger as pessoas e o meio ambiente da exposição prejudicial a NIR. NIR refere-se à radiação eletromagnética, como ultravioleta, luz, infravermelho e ondas de rádio, e ondas mecânicas, como infravermelho e ultrassom. Os sistemas de carregamento sem fio produzem campos magnéticos alternados que podem ser prejudiciais para os seres humanos e animais presentes nas proximidades. Para ser capaz de detectar esses campos e minimizá-los em uma configuração de teste do mundo real, um dispositivo de medição de campo magnético como o Analisador Espectral Aaronia SPECTRAN NF-5035 é necessário. Esses dispositivos geralmente custam mais de US $ 2.000 e são volumosos e podem não ser capazes de alcançar espaços estreitos onde o campo precisa ser medido. Além disso, esses dispositivos geralmente têm mais recursos do que o necessário para medições de campo simples em sistemas de transferência de energia sem fio. Portanto, desenvolver uma versão menor e mais barata dos dispositivos de medição de campo seria de grande valor.

O projeto atual envolve o design de um PCB para detecção de campo magnético e também o design de um dispositivo adicional que pode processar os valores do campo magnético detectado e exibi-los em um display OLED ou LCD.

Etapa 1: Requisitos

O dispositivo tem os seguintes requisitos:

1. Mede campos magnéticos alternados na faixa de 10 - 300 kHz
2. Medir os campos com precisão até 50 uT (o limite de segurança definido pelo ICNIRP é 27 uT)
3. Medir campos em todos os três eixos e obter sua resultante para encontrar o campo real em um determinado ponto
4. Exibir o campo magnético em um medidor portátil
5. Exibir um indicador de aviso quando o campo ultrapassar os padrões definidos pelo ICNIRP
6. Inclui operação com bateria para que o dispositivo seja verdadeiramente portátil

Etapa 2: Visão geral do sistema

Etapa 3: escolha de componentes

Esta etapa é provavelmente a mais demorada, exigindo considerável paciência para escolher os componentes certos para este projeto. Como acontece com a maioria dos outros projetos eletrônicos, a escolha de componentes requer um exame cuidadoso das planilhas de dados para garantir que todos os componentes sejam compatíveis entre si e funcionem na faixa desejada de todos os parâmetros operacionais - neste caso específico, campos magnéticos, frequências, tensões, etc.

Os principais componentes escolhidos para o sensor de campo magnético PCB estão disponíveis na planilha Excel anexa. Os componentes usados para o dispositivo portátil são os seguintes:

1. Microcontrolador Tiva C TM4C123GXL
2. Visor LCD SunFounder I2C Serial 20x4
3. Módulo de deslocamento bidirecional do conversor de nível lógico de 4 canais Cyclewet 3.3V-5V
4. Pressionar no interruptor
5. Interruptor de alternância de 2 posições
6. 18650 célula de íon-lítio 3,7 V
7. Carregador Adafruit PowerBoost 500
8. Placas de circuito impresso (SparkFun snappable)
9. Impasses
10. Fios de conexão
11. Pinos de cabeçalho

Os equipamentos necessários para este projeto são os seguintes:

1. Dispositivo de solda e algum fio de solda
2. Furar
3. Cortador de arame

Etapa 4: Design e simulação de circuito

Etapa 5: Projetando o PCB

Uma vez que a operação do circuito é verificada no LTSpice, um PCB é projetado. Os aviões de cobre são projetados de forma que não interfiram no funcionamento dos sensores de campo magnético. A região cinza destacada no diagrama de layout do PCB mostra os planos de cobre no PCB. À direita, uma vista 3D da PCB projetada também é mostrada.

Etapa 6: Configurando o Microcontrolador

O microcontrolador escolhido para este projeto é o Tiva C TM4C123GXL. O código é escrito em Energia para fazer uso de bibliotecas de LCD existentes para a família de microcontroladores Arduino. Consequentemente, o código desenvolvido para este projeto também pode ser usado com um microcontrolador Arduino em vez do Tiva C (desde que você use as atribuições de pino corretas e modifique o código de acordo).

Etapa 7: Fazendo o Display funcionar

O display e o microcontrolador têm interface via comunicação I2C, que requer apenas dois fios além da fonte de + 5 V e do aterramento. Os trechos de código LCD disponíveis para a família Arduino de microcontroladores (bibliotecas LiquidCrystal) foram portados e usados no Energia. O código é fornecido no arquivo LCDTest1.ino anexado.

Algumas dicas úteis para a tela podem ser encontradas no vídeo a seguir:

www.youtube.com/watch?v=qI4ubkWI_f4

Etapa 8: Impressão 3D

Uma caixa para o dispositivo portátil é projetada conforme mostrado na imagem acima. A caixa ajuda a manter as placas no lugar e os fios intactos. A caixa é projetada para ter dois recortes para os fios passarem, um recorte para os LEDs indicadores da bateria e um para cada chave seletora e botão de pressão. Os arquivos necessários estão anexados.

Etapa 9: Interface de todos os componentes

Meça as dimensões de todos os componentes disponíveis e faça o layout deles usando uma ferramenta gráfica como o Microsoft Visio. Depois de planejado o layout de todos os componentes, é uma boa ideia tentar colocá-los em suas posições para ter uma noção do produto final. Recomenda-se que as conexões sejam testadas após cada novo componente ser adicionado ao dispositivo. Uma visão geral do processo de interface é mostrada nas imagens acima. A caixa impressa em 3D dá uma aparência limpa ao dispositivo e também protege a parte eletrônica interna.

Etapa 10: Teste e demonstração do dispositivo

O vídeo embutido mostra a operação do dispositivo. O botão liga / desliga liga o dispositivo e o botão de pressão pode ser usado para alternar entre os dois modos de exibição.