一种基于Arduino的三维磁场可视化方法

一种基于arduino的三维磁场可视化方法
技术领域
1.本发明属于教育教学以及消费电子产品磁场测量领域，尤其涉及一种基于arduino的三维磁场可视化方法。


背景技术：

2.由于磁场本质看不见，电磁学初学者一般难以想象磁场，而测量空间中的磁感应强度有很多种仪器，现在市面上销售的主要为高斯计和磁场仪。它们只能大致测出空间中某一点的磁感应强度的数值大小，无法有效地可视化描绘磁场。为了实现测量磁场分布新的实验手段，我们要设计开发一种磁场传感器，并将磁场传感器和磁场可视化技术结合，开发磁场测量的三维可视化系统。
3.本发明的目的在于克服现有技术不足，根据电磁场新型等效源理论在静态场中的应用，构建待测磁场多点等效源磁场分布模型，能够在保证准确性的前提下简化建模过程提高测量效率，完成基于mlx90393磁感应强度传感器与uno r3开发板的matlab仿真软件中磁场等效源磁场辐射计算模型的建立，保证其计算的准确性，并对典型磁体的磁场分布进行预测计算。通过硬件配置和软件功能测量三维空间中的磁感应强度，根据测量的磁场数据，利用可视化技术将其清晰、直观地反映。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种基于arduino的三维磁场可视化方法；所述可视化方法基于电磁场新型等效源理论在静态场中的应用，构建待测磁场多点等效源磁场分布模型，利用嵌入式磁传感器和arduino开发板和matlab仿真软件，开发上位机软件实现磁场传感器采集数据的可视化，得出三维磁场线，建立磁感应强度的三维模型。
5.所述三维磁场可视化方法可以精确测量三维空间内沿x轴、y轴和z轴3个分量方向上的磁感应强度，将其实时传输给计算机，并通过上位机软件处理绘制出磁场分布图来反映磁场的空间分布,满足特定领域对磁场强度测量的要求。所述方法的整个测量及数据处理均基于arduino平台的信息化处理,测量及显示过程都可以自动完成，具有较强的智能性和可变性。
6.所述三维磁场可视化方法具体包括以下步骤：
7.步骤1：获取磁感应强度以及相应位置坐标
8.在数据采集方面，采用三轴霍尔传感器测得空间中多点的磁场，得到沿x，y和z轴3个分量方向上的磁感应强度值。
9.步骤2：单片机与上位机的通讯与数据读取
10.在数据读取方面，采用arduino通过i2c联通传感器，接收传感器测得的数据并上传给计算机，并在计算机屏幕显示三轴霍尔值。
11.步骤3：数据处理与磁场可视化
12.在数据处理方面，通过matlab软件处理绘制出磁场分布图来反映磁场在三维空间
中的分布，使磁场可视化。
13.优选的，所述步骤1中研制的传感器板由嵌入式磁传感器和arduino开发板连接而成，将其置于被测点处，通过嵌入式磁传感器同时测量某点三轴方向的磁场强度。
14.优选的，所述步骤3将各点磁感应强度数据用网格化，进行颜色填充，用颜色深浅反映磁感应强度值的大小，用于直观显示磁场的强弱与分布，采取matlab绘制其点矢量图，在区域均匀选择大量散点，在这些散点上绘制箭头，用于表示某一固定点的磁感应强度大小和方向。
15.本发明的三维磁场可视化方法所在的系统包含数据采集模块，数据读取模块以及数据处理模块，其中所述数据采集模块与数据读取模块相连接，数据读取模块与数据处理模块相连接。
16.所述数据采集模块基于三轴霍尔传感器进行磁感应强度及相应位置坐标的获取；数据读取模块基于arduino以及i2c联通传感器进行单片机与上位机的通讯与数据读取；数据处理模块基于matlab进行磁场可视化。
17.同现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
18.基于该方法所设计的三维磁场可视化传感器系统具有实时显示和绘制空间场强、自动化程度高、灵活性强、测量盲区小等特点，可以适应不同环境下对测量磁场强度的要求。
附图说明
19.图1为本发明提出的一种基于arduino的三维磁场可视化方法的流程图；
20.图2为本发明的三维磁场可视化方法中传感器测得的部分磁场数值；
21.图3为本发明的三维磁场可视化方法的磁感应强度分布图；
22.图4为本发明的三维磁场可视化方法的磁场三维矢量分布图。
具体实施方式
23.为了能够进一步了解本发明的结构、特征及其他目的，现结合所附较佳实施例附以附图详细说明如下，本附图所说明的实施例仅用于说明本发明的技术方案，并非限定本发明。
24.下面结合附图和实例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
25.首先，如图1所示，图1是本发明提出的一种基于arduino的三维磁场可视化方法的流程图；所述三维磁场可视化方法具体包括以下步骤：
26.步骤1：获取磁感应强度及相应位置坐标，在数据采集方面，采用三轴霍尔传感器测得空间中多点的磁场，得到沿x、y和z轴3个分量方向上的磁感应强度值；
27.步骤2：单片机与上位机的通讯与数据读取，在数据读取方面，采用arduino通过i2c联通传感器，接收传感器测得的数据并上传给计算机，并在计算机屏幕显示三轴霍尔值；
28.步骤3：数据处理与磁场可视化，在数据处理方面，通过matlab软件处理绘制出磁场分布图来反映磁场在三维空间中的分布，使磁场可视化。
29.进一步地，所述步骤1中，在磁场测量方面，硬件部分采用霍尔传感器，它是基于霍
尔效应的磁场测量方法，灵敏度高、适应范围宽，可编程，能够准确测量沿x，y，z方向上的磁通密度变化。且其ic芯片在空闲时消耗电流仅为2.5μa，适用于微功耗的要求。将该传感器通过单片机控制，即可完成对实验数据的采集和输出，得到某点的磁感应强度bx，by和bz，通过矢量合成的方法即得到被测点的磁感应强度为：
[0030][0031]
所述步骤一中，研制的传感器板由嵌入式磁传感器和arduino开发板连接而成，将其置于被测点处，通过嵌入式磁传感器同时测量某点三轴方向的磁场强度。由于条形磁铁具有体积小，磁场分布已知等特点，易于检验所测结果正确性，在测量中采取条形磁铁进行三维可视化。
[0032]
此外，请参看图2，图2为本发明的三维磁场可视化方法中传感器测得的部分磁场数值；所述步骤2中，设计好取点路径，移动传感器在各个位置取点，传感器工作后将测得的数据传给单片机，单片机收到数据后，再将数据上传给计算机。改变传感器的空间位置，如此往复，直到将我们要测量的磁场空间全部扫描到。
[0033]
另外，请参看图3和图4，图3为本发明的三维磁场可视化方法的磁感应强度分布图；图4为本发明的三维磁场可视化方法的磁场三维矢量分布图。所述步骤3中，pc机对数据进行图形化和可视化，得出待测空间磁场的三维矢量分布图和磁感应强度分布图。
[0034]
将各点磁感应强度数据用网格化，进行颜色填充，用颜色深浅反映磁感应强度值的大小，能够直观显示磁场的强弱与分布，如图3所示。
[0035]
由于磁感应强度为矢量，采取matlab绘制其点矢量图，在区域均匀选择大量散点，在这些散点上绘制箭头，既表示出了某一固定点磁感应强度的大小，也反映了该点磁感应强度的方向，如图4所示。
[0036]
最后，本发明的一种基于arduino的三维磁场可视化方法，其具体的技术特点如下：
[0037]
本发明实际是利用磁传感器同时测量三轴方向的磁场强度，将测得的数据传给单片机；单片机收到数据后，将数据上传给计算机；pc机对数据进行图形化和可视化。此种方法可同时测得多点位置的磁场，并由开发上位机软件实现磁场传感器采集数据的可视化，得出三维磁场线，可以观察在三维空间中测量到的磁场。
[0038]
需要声明的是，上述发明内容及具体实施方式意在证明本发明所提供技术方案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理内，当可作各种修改、等同替换或改进。本发明的保护范围以所附权利要求书为准。