Магнетизм как объёмное явление
Для магнетизма придумана формулировка «магнитное поле». В слове «поле» заложено контекстное базовое понятие «плоскость». Даже песня про поле «… русское поле, светит луна или падает снег…» подсознательно формирует «плоское» восприятие магнетизма.
Магнитная стрелка (компас) также наводит на мысль о плоскости, так как стрелка вращается в плоскости, и вертикальная составляющая магнетизма Земли не учитывается.
Такие неучтённые «мелочи» магнетизма, как объёмность, создают неточные толкования и во всех других проявлениях этого интересного явления. В дальнейшем описании будем использовать общее понятие «магнетизм», которое имеет три значения своей «силы», распределённых в пространстве по трём ортогональным осям. Ортогональность – это обобщённое понятие перпендикулярности в геометрии [1].
Существует множество программ, позволяющих моделировать магнетизм [2, 3] и изучать это явление. Однако такой способ изучения очень похож на анекдот про «обед по телефону» и имеет низкую эффективность понимания и запоминания. Нужна практическая привязка, нужен эксперимент в реальном масштабе времени на современном уровне с использованием доступных персональных компьютеров.
Аксонометрия придумана именно для того, чтобы перенести параметры «объёма» на плоскость. В нашей конкретной задаче параметры Nx, Ny, Nz, зависящие от «уровня магнетизма», отображаем на плоский треугольник, с осями 120 градусов. На осях фиксируется значение Nx, Ny, Nz, и по этим точкам строим треугольник, как показано на рис. 1.
Например, если вращать датчик магнетометра, то «вращается» и «треугольник», отображающий магнетизм. Реальное влияние перемещения на отображение позволяет уяснить взаимодействие составляющих компонентов Nx, Ny, Nz магнетизма.
Три датчика формируют три треугольника отображения магнетизма. Если датчики и треугольники отображения расставить в линию, то получим распределение магнетизма по данной линии. В идеальном случае эти треугольники должны быть одинаковые, но в реальности будут отклонения из-за погрешностей измерения. Также возможны и случаи значительных неоднородностей в магнетизме линейного расположения, что позволяет сделать выводы об используемых материалах исследуемого объекта или влиянии внешних воздействий.
Принципиальная схема и конструкция
Принципиальная схема адаптера для трёх магнетометров HMC5883L с фотографиями основных элементов представлена на рис. 2.
Схема построена по блочно-шинной структуре и содержит следующие элементы:
- блок usb-uart подключается через разъём J1. Он переводит интерфейс USB ПК в UART-сигналы. Передаются и принимаются команды для МК U1(12F629). Этот МК доступен и широко распространён, имеет подробную техническую документацию [4];
- МК U1 работает в режиме внутреннего RC-генератора на частоте 4 мГц, что достаточно для работы UART на скорости 1200 бод, а также позволяет использовать все доступные выводы МК;
- магнетометры HMC5883L(1–3) расположены на модульной печатной плате с элементами «подтяжки» и фильтрации питания [5, 6];
Для независимой работы трёх магнетометров HMC5883L объединён выход синхронизации интерфейса I2C. Выводы данных магнетометров подключены индивидуально к выводам МК;
- уровни «подтяжки» формируются через платы магнетометров, что позволяет упростить схему до минимального количества элементов. Конденсатор С1 выполняет импульсную фильтрацию по шине питания;
- питание МК и плат магнетометров с напряжением 3,3 вольта обеспечивает адаптер USB-UART. Потребляемый ток не превышает 10 миллиампер;
- поскольку схема сравнительно простая и предназначена для учебных целей, она выполнена на монтажной «разъёмной» плате. Собранный вариант доступен для просмотра по адресу [7];
- принципиальная схема (файл uart_hms5883l_12f629_n3.dch) подготовлена в редакторе DIP-TRACE и находится в каталоге [7] архива программы uart_mpole_v1.exe. Файлы извлекаются из программы при старте по клавише «4». Эта команда извлекает все составляющие программного обеспечения и сопутствующую документацию конструкции.
Программное обеспечение
Программное обеспечение подготовлено на языке Forht [8], находится в одном файле uart_mpole_v1.exe и содержит все составляющие для её развития или текущей работы. Первоначальный запуск программы вызовет стартовое меню, на котором необходимо выбрать требуемый режим работы и для этого нажать цифровые клавиши на выбор из четырёх: 1 – восстановить мини-файл uart_mpole_v1.ini, 2 – открыть файл помощи, 3 – восстановить всю информацию для дальнейшей модернизации, 4 – восстановить и скомпилировать новую программу.
Запуск программы в каталоге с наличием файла инициализации выполняется по опциям данного файла. Это текстовый файл, и он доступен для редактирования. Программа подготовлена для вариантов отображения с одним или тремя датчиками. Выбор количества отображений задаётся в окне консоли, это показано на рис. 3.
Перечислим последовательность включения режимов.
При нажатии цифровой клавиши «2» открывается окно настроек и цифрового отображения трёх магнетометров, как показано на рис. 4.
При нажатии клавиши «j» открывается окно визуализации отображения в аксонометрической модели, как показано на рис. 5.
Во всех окнах предусмотрено «перетаскивание» областей отображения за «левый верхний угол» по общему окну. Если подвести указатель «мышки», появится мигающий маркер «белый квадрат». Далее нажать левую клавишу «мышки», «захватить» область отображения и «перетащить» в требуемое место. При «захвате» выдаётся звуковой сигнал. В требуемом месте нажать правую клавишу «мышки», захват снимется и также прекратится звуковой сигнал. По адресу [7] расположен видеофайл помощи по настройке расстановки окон визуализации.
Цвета фона, знаков, треугольников магнетизма, осей определяются по установке в соответствующий квадрат выбранного цвета указателем «мышки» и дальнейшим нажатием левой клавиши.
Дополнительно имеются:
- выбор уровня чувствительности магнетометров;
- установка на одной линии всех трёх магнетометров;
- имитационный режим.
В каталоге forth_assmb_pik12 находятся файлы на языке forth-ассемблер программы работы МК. При компиляции общей программы они также компилируются и формируют в каталоге uart_mhc5538l_upr_mp_v1 файлы HEХ-кодов для записи в МК. Файлы для МК имеют расширение hex и записываются в МК любым доступным программатором.
Работа с МК построена на структуре AT-команд. Например, для получения 18 байт данных от трёх магнетометров передаём код из 6 байт:
«AT» (2 байта), x1E, x3F (режим на три датчика), x20 (чувствительность), x71 (вариант формата данных).
В ответ получаем 6 × 3 = 18 байт, содержащих уровни Nx, Ny, Nz соответствующего магнетометра.
Другие команды АТ подробно приведены в файле uart_mhc5538l_upr_mp_v1.f так, что доступно программировать и на других языках при обращении к МК.
Скорость обращения к МК выбрана в 1200 кбод в стандарте 8N1.
Подробности изучения магнетизма выходят за рамки данного изложения, но доступны для самостоятельного исследования.
Выводы
Возможность контролировать объёмные параметры магнетизма и увидеть «объём» на «плоскости» позволяет учитывать все составляющие воздействия этого явления.
Высокая чувствительность магнетометров даёт возможность определять все известные характеристики магнетизма Земли, а также влияние внешних полей на «объёмный» индикатор магнетизма.
Представляет интерес и использование позиционирования с помощью контроля объёмных параметров магнетизма. Магнетометры HCL5883L используются в гироскутерах, моноколёсах и других средствах индивидуального перемещения, где требуется «зафиксироваться» в горизонтальной плоскости.
Данная конструкция и метод отображения магнетизма аксонометрией в реальном масштабе времени предназначены для учебных целей, обучения студентов инженерному и критическому мышлению, чтобы в своей конструкторской деятельности они использовали больше измерений, чем моделирований.
Литература
- Ортогональное проецирование и аксонометрия. URL: https://k-a-t.ru/ing_grafika/ing_grafika_6/index.shtml.
- 3d-модели магнитов. URL: https://www.physicscurriculum.com/magnetism3d.
- 2d-модели магнетизма. URL: https://www.falstad.com/emstatic/index.html.
- Описание МК 12F629. URL: https://www.chipdip.ru/product/pic12f629-i-p.
- Описание MHC5883L. URL: http://wiki.sunfounder.cc/images/0/0a/HMC5883L_datasheet.pdf.
- Калибровка магнетометра. URL: https://robotclass.ru/articles/magnetometer-and-compass/?ysclid=mdfo1bhved497303306.
- Каталог программы. URL: http://90.189.213.191:4422/temp/uart_db106m_v1/prm_modul_giroskopa_HMC5883L_v1/test/.
- Описание языка Форт spf4.exe, автор версии А. Черезов. URL: http://www.forth.org.ru/.
© СТА-ПРЕСС, 2025
Если вам понравился материал, кликните значок - вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал - не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
