Capteur de champ magnétique à 3 axes : 10 étapes (avec photos)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:09

Les systèmes de transfert d'énergie sans fil sont en passe de remplacer la recharge filaire conventionnelle. Cela va des minuscules implants biomédicaux à la recharge sans fil d'énormes véhicules électriques. La minimisation de la densité du champ magnétique fait partie intégrante de la recherche sur la puissance sans fil. La Commission internationale de protection contre les rayonnements non ionisants (ICNIRP) fournit des conseils et des orientations scientifiques sur les effets sur la santé et l'environnement des rayonnements non ionisants (NIR) afin de protéger les personnes et l'environnement contre une exposition NIR préjudiciable. NIR fait référence au rayonnement électromagnétique tel que l'ultraviolet, la lumière, l'infrarouge et les ondes radio, et les ondes mécaniques telles que les infra- et les ultrasons. Les systèmes de recharge sans fil produisent des champs magnétiques alternatifs qui pourraient être nocifs pour les êtres humains et les animaux présents à proximité. Pour pouvoir détecter ces champs et les minimiser dans une configuration de test réelle, un appareil de mesure de champ magnétique tel que l'analyseur spectral Aaronia SPECTRAN NF-5035 est requis. Ces appareils coûtent généralement plus de 2 000 $ et sont encombrants et peuvent ne pas être en mesure d'atteindre des espaces étroits où le champ doit être mesuré. De plus, ces appareils ont généralement plus de fonctionnalités que nécessaire pour une simple mesure de terrain dans les systèmes de transfert de puissance sans fil. Par conséquent, le développement d'une version plus petite et moins chère des appareils de mesure sur le terrain serait d'une grande valeur.

Le projet actuel implique la conception d'un PCB pour la détection de champ magnétique et également la conception d'un dispositif supplémentaire qui peut traiter les valeurs de champ magnétique détectées et les afficher sur un écran OLED ou LCD.

Étape 1: Exigences

L'appareil a les exigences suivantes:

1. Mesurer les champs magnétiques alternatifs dans la plage de 10 à 300 kHz
2. Mesurez les champs avec précision jusqu'à 50 uT (la limite de sécurité définie par l'ICNIRP est de 27 uT)
3. Mesurez les champs dans les trois axes et obtenez leur résultat pour trouver le champ réel à un point donné
4. Afficher le champ magnétique sur un appareil de mesure portable
5. Afficher un indicateur d'avertissement lorsque le champ dépasse les normes fixées par l'ICNIRP
6. Inclut le fonctionnement sur batterie pour que l'appareil soit vraiment portable

Étape 2: Présentation du système

Étape 3: Choix des composants

Cette étape est probablement l'étape qui prend le plus de temps, nécessitant une patience considérable pour choisir les bons composants pour ce projet. Comme pour la plupart des autres projets électroniques, le choix des composants nécessite un examen attentif des fiches techniques pour s'assurer que tous les composants sont compatibles les uns avec les autres et fonctionnent dans la plage souhaitée de tous les paramètres de fonctionnement - dans ce cas particulier, les champs magnétiques, les fréquences, les tensions, etc.

Les principaux composants choisis pour le circuit imprimé du capteur de champ magnétique sont disponibles dans la feuille Excel ci-jointe. Les composants utilisés pour l'appareil portatif sont les suivants:

1. Microcontrôleur Tiva C TM4C123GXL
2. Écran LCD SunFounder I2C série 20x4
3. Cyclewet 3.3V-5V 4 canaux convertisseur de niveau logique module de décalage bidirectionnel
4. Interrupteur à bouton-poussoir
5. Interrupteur à bascule à 2 positions
6. Cellule 18650 Li-ion 3.7V
7. Chargeur Adafruit PowerBoost 500
8. Circuits imprimés (SparkFun snappable)
9. impasses
10. Fils de connexion
11. Broches d'en-tête

Les équipements nécessaires à ce projet sont les suivants:

1. Appareil à souder et du fil à souder
2. Percer
3. Coupe-fil

Étape 4: Conception et simulation de circuits

Étape 5: Conception du PCB

Une fois le fonctionnement du circuit vérifié dans LTSpice, un PCB est conçu. Les avions en cuivre sont conçus de manière à ne pas interférer avec le fonctionnement des capteurs de champ magnétique. La zone grise en surbrillance dans le schéma de disposition du PCB montre les plans de cuivre sur le PCB. Sur la droite, une vue 3D du PCB conçu est également affichée.

Étape 6: Configuration du microcontrôleur

Le microcontrôleur choisi pour ce projet est le Tiva C TM4C123GXL. Le code est écrit en Energia afin d'utiliser les bibliothèques LCD existantes pour la famille de microcontrôleurs Arduino. Par conséquent, le code développé pour ce projet peut également être utilisé avec un microcontrôleur Arduino au lieu du Tiva C (à condition d'utiliser les bonnes affectations de broches et de modifier le code en conséquence).

Étape 7: faire fonctionner l'écran

L'affichage et le microcontrôleur sont interfacés via une communication I2C qui ne nécessite que deux fils autres que l'alimentation +5V et la masse. Les extraits de code LCD disponibles pour la famille de microcontrôleurs Arduino (bibliothèques LiquidCrystal) ont été portés et utilisés dans Energia. Le code est donné dans le fichier LCDTest1.ino joint.

Quelques conseils utiles pour l'affichage peuvent être trouvés dans la vidéo suivante:

www.youtube.com/watch?v=qI4ubkWI_f4

Étape 8: Impression 3D

Un boîtier pour l'appareil portable est conçu comme indiqué dans l'image ci-dessus. La boîte aide à maintenir les cartes en place et les fils intacts. La boîte est conçue pour avoir deux découpes pour le passage des fils, une découpe pour les voyants d'indicateur de batterie et une pour l'interrupteur à bascule et l'interrupteur à bouton-poussoir. Les fichiers nécessaires sont joints.

Étape 9: Interfaçage de tous les composants

Mesurez les dimensions de tous les composants disponibles et disposez-les à l'aide d'un outil graphique tel que Microsoft Visio. Une fois que la disposition de tous les composants est planifiée, c'est une bonne idée d'essayer de les placer dans leurs positions pour avoir une idée du produit final. Il est recommandé de tester les connexions après l'ajout de chaque nouveau composant à l'appareil. Un aperçu du processus d'interfaçage est présenté dans les images ci-dessus. La boîte imprimée en 3D donne un aspect épuré à l'appareil et protège également l'électronique à l'intérieur.

Étape 10: Test et démonstration de l'appareil

La vidéo intégrée montre le fonctionnement de l'appareil. L'interrupteur à bascule allume l'appareil et le bouton-poussoir peut être utilisé pour faire défiler les deux modes d'affichage.