เซ็นเซอร์สนามแม่เหล็ก 3 แกน: 10 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:07

ระบบถ่ายโอนพลังงานแบบไร้สายกำลังมาแทนที่การชาร์จแบบมีสายแบบเดิม ตั้งแต่การปลูกถ่ายชีวการแพทย์ขนาดเล็กไปจนถึงการชาร์จยานพาหนะไฟฟ้าขนาดใหญ่แบบไร้สาย ส่วนสำคัญของการวิจัยเกี่ยวกับพลังงานไร้สายคือการลดความหนาแน่นของสนามแม่เหล็กให้เหลือน้อยที่สุด International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection (ICNIRP) ให้คำแนะนำทางวิทยาศาสตร์และคำแนะนำเกี่ยวกับผลกระทบด้านสุขภาพและสิ่งแวดล้อมของรังสีที่ไม่ทำให้เกิดไอออน (NIR) เพื่อปกป้องผู้คนและสิ่งแวดล้อมจากการสัมผัส NIR ที่เป็นอันตราย NIR หมายถึงการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า เช่น อัลตราไวโอเลต แสงอินฟราเรด และคลื่นวิทยุ และคลื่นกล เช่น อินฟราเรดและอัลตราซาวนด์ ระบบชาร์จแบบไร้สายสร้างสนามแม่เหล็กไฟฟ้ากระแสสลับซึ่งอาจเป็นอันตรายต่อมนุษย์และสัตว์ที่อยู่ในบริเวณใกล้เคียง เพื่อให้สามารถตรวจจับสนามเหล่านี้และย่อให้เล็กสุดในการตั้งค่าการทดสอบในโลกแห่งความเป็นจริง จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์วัดสนามแม่เหล็กเช่น Aaronia SPECTRAN NF-5035 Spectral Analyzer อุปกรณ์เหล่านี้มักจะมีราคาสูงกว่า 2,000 ดอลลาร์และมีขนาดใหญ่และอาจเข้าถึงพื้นที่แคบ ๆ ที่ต้องการวัดพื้นที่ไม่ได้ นอกจากนี้ อุปกรณ์เหล่านี้มักจะมีคุณสมบัติมากกว่าที่จำเป็นสำหรับการวัดภาคสนามอย่างง่ายในระบบถ่ายโอนพลังงานแบบไร้สาย ดังนั้นการพัฒนาอุปกรณ์วัดภาคสนามรุ่นที่เล็กกว่าและราคาถูกกว่าจะคุ้มค่ามาก

โครงการปัจจุบันเกี่ยวข้องกับการออกแบบ PCB สำหรับการตรวจจับสนามแม่เหล็กและการออกแบบอุปกรณ์เพิ่มเติมที่สามารถประมวลผลค่าสนามแม่เหล็กที่สัมผัสได้และแสดงผลบนจอ OLED หรือ LCD

ขั้นตอนที่ 1: ข้อกำหนด

อุปกรณ์มีข้อกำหนดดังต่อไปนี้:

1. วัดสนามแม่เหล็กไฟฟ้ากระแสสลับในช่วง 10 – 300 kHz
2. วัดฟิลด์ได้อย่างแม่นยำถึง 50 uT (ขีดจำกัดความปลอดภัยที่กำหนดโดย ICNIRP คือ 27 uT)
3. วัดสนามทั้งสามแกนและรับผลลัพธ์เพื่อค้นหาสนามจริง ณ จุดที่กำหนด
4. แสดงสนามแม่เหล็กบนมิเตอร์แบบใช้มือถือ
5. แสดงตัวบ่งชี้คำเตือนเมื่อฟิลด์อยู่เหนือมาตรฐานที่กำหนดโดยICNIRP
6. รวมการทำงานของแบตเตอรี่เพื่อให้อุปกรณ์พกพาได้อย่างแท้จริง

ขั้นตอนที่ 2: ภาพรวมระบบ

ขั้นตอนที่ 3: การเลือกส่วนประกอบ

ขั้นตอนนี้น่าจะเป็นขั้นตอนที่ใช้เวลามากที่สุด ซึ่งต้องใช้ความอดทนอย่างมากในการเลือกส่วนประกอบที่เหมาะสมสำหรับโครงการนี้ เช่นเดียวกับโครงการอิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ ส่วนใหญ่ การเลือกส่วนประกอบต้องมีการตรวจสอบเอกสารข้อมูลอย่างรอบคอบเพื่อให้แน่ใจว่าส่วนประกอบทั้งหมดเข้ากันได้และทำงานในช่วงที่ต้องการของพารามิเตอร์การทำงานทั้งหมด - ในกรณีนี้ สนามแม่เหล็ก ความถี่ แรงดันไฟฟ้า ฯลฯ

ส่วนประกอบหลักที่เลือกสำหรับ PCB เซ็นเซอร์สนามแม่เหล็กมีอยู่ในแผ่นงาน Excel ที่แนบมา ส่วนประกอบที่ใช้สำหรับอุปกรณ์พกพามีดังนี้:

1. ไมโครคอนโทรลเลอร์ Tiva C TM4C123GXL
2. SunFounder I2C Serial 20x4 LCD display
3. Cyclewet 3.3V-5V ตัวแปลงระดับลอจิก 4 ช่องสัญญาณแบบสองทิศทาง
4. สวิตช์ปุ่มกด
5. สวิตช์สลับ 2 ตำแหน่ง
6. เซลล์ Li-ion 3.7V 18650
7. ที่ชาร์จ Adafruit PowerBoost 500
8. แผงวงจรพิมพ์ (SparkFun snappable)
9. ขัดแย้ง
10. สายต่อ
11. หมุดส่วนหัว

อุปกรณ์ที่จำเป็นสำหรับโครงการนี้มีดังนี้:

1. อุปกรณ์บัดกรีและลวดบัดกรีบางส่วน
2. เจาะ
3. เครื่องตัดลวด

ขั้นตอนที่ 4: การออกแบบวงจรและการจำลอง

ขั้นตอนที่ 5: การออกแบบ PCB

เมื่อตรวจสอบการทำงานของวงจรใน LTSpice แล้ว PCB จะถูกออกแบบ ระนาบทองแดงได้รับการออกแบบในลักษณะที่ไม่รบกวนการทำงานของเซ็นเซอร์สนามแม่เหล็ก พื้นที่สีเทาที่ไฮไลต์ในไดอะแกรมเค้าโครง PCB แสดงระนาบทองแดงบน PCB ทางด้านขวาจะแสดงมุมมอง 3 มิติของ PCB ที่ออกแบบไว้ด้วย

ขั้นตอนที่ 6: การตั้งค่าไมโครคอนโทรลเลอร์

ไมโครคอนโทรลเลอร์ที่เลือกสำหรับโครงการนี้คือ Tiva C TM4C123GXL รหัสนี้เขียนด้วย Energia เพื่อใช้ประโยชน์จากไลบรารี LCD ที่มีอยู่สำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์ตระกูล Arduino ดังนั้น โค้ดที่พัฒนาขึ้นสำหรับโครงการนี้สามารถใช้กับไมโครคอนโทรลเลอร์ Arduino แทน Tiva C ได้ (หากคุณใช้การกำหนดพินที่ถูกต้องและแก้ไขโค้ดตามนั้น)

ขั้นตอนที่ 7: ให้จอแสดงผลทำงาน

จอแสดงผลและไมโครคอนโทรลเลอร์เชื่อมต่อผ่านการสื่อสาร I2C ซึ่งต้องใช้เพียงสองสายนอกเหนือจากแหล่งจ่าย +5V และกราวด์ ข้อมูลโค้ด LCD สำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์ตระกูล Arduino (ไลบรารี LiquidCrystal) ได้รับการพอร์ตและใช้ใน Energia รหัสจะได้รับในไฟล์ LCDTest1.ino ที่แนบมา

คำแนะนำที่เป็นประโยชน์สำหรับการแสดงผลสามารถพบได้ในวิดีโอต่อไปนี้:

www.youtube.com/watch?v=qI4ubkWI_f4

ขั้นตอนที่ 8: การพิมพ์ 3 มิติ

กล่องหุ้มสำหรับอุปกรณ์พกพาได้รับการออกแบบตามที่แสดงในภาพด้านบน กล่องช่วยให้แผงเข้าที่และสายไฟไม่ถูกรบกวน กล่องได้รับการออกแบบให้มีช่องเจาะสองช่องสำหรับสายไฟที่จะผ่าน หนึ่งช่องสำหรับไฟ LED แสดงสถานะแบตเตอรี่ และอีกช่องหนึ่งสำหรับสวิตช์สลับและสวิตช์ปุ่มกด มีการแนบไฟล์ที่จำเป็น

ขั้นตอนที่ 9: เชื่อมต่อส่วนประกอบทั้งหมด

วัดขนาดของส่วนประกอบที่มีอยู่ทั้งหมดและจัดวางโดยใช้เครื่องมือกราฟิก เช่น Microsoft Visio เมื่อมีการวางแผนเลย์เอาต์ของส่วนประกอบทั้งหมดแล้ว จะเป็นความคิดที่ดีที่จะลองวางไว้ในตำแหน่งเพื่อให้รู้สึกถึงผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย ขอแนะนำให้ทดสอบการเชื่อมต่อหลังจากเพิ่มส่วนประกอบใหม่แต่ละรายการลงในอุปกรณ์แล้ว ภาพรวมของกระบวนการเชื่อมต่อจะแสดงในภาพด้านบน กล่องที่พิมพ์ 3 มิติทำให้อุปกรณ์ดูสะอาดตาและยังปกป้องอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ภายในอีกด้วย

ขั้นตอนที่ 10: การทดสอบและสาธิตอุปกรณ์

วิดีโอที่ฝังไว้แสดงการทำงานของอุปกรณ์ สวิตช์เปิดปิดจะเปิดอุปกรณ์และสามารถใช้ปุ่มกดเพื่อสลับโหมดการแสดงผลสองโหมดได้