Неодимовый магнит 10x3мм, 3 штуки для Arduino

Общие сведения

Неодимовые магниты ⌀10 × 3 мм — три одинаковых магнита-диска диаметром 10 мм и толщиной 3 мм из сплава неодим — железо — бор (NdFeB). Это самый сильный вид постоянных магнитов из тех, что продаются: маленький диск держит гораздо крепче обычного ферритового магнита такого же размера.

В проектах на Arduino магнит — вторая половина датчика. Датчик Холла или геркон стоит неподвижно, а магнит едет вместе с дверью, колесом, кареткой или поплавком. Так узнают, закрыта ли дверь, сколько оборотов сделало колесо, дошла ли каретка до края (концевик без контакта ничего не истирает), поднялась ли вода. А ещё магнитом закрывают крышку корпуса без защёлок и держат датчик или плату на железе. Магнитов в упаковке три: хватит на датчик и защёлку или на столбик, если одного мало.

⌀10 × 3 мм — самый широкий из наших трёхмиллиметровых дисков: гнездо под него такой же глубины, как под ⌀5 × 3 и ⌀8 × 3, а держит он крепче и дальше достаёт до датчика. Его удобно вклеить в дверь, под крышку или на колесо. Из наших магнитов его чаще других берут вместе с датчиком Холла.

Характеристики

• Форма: сплошной диск, без отверстия под винт.
• Размер: ⌀10 × 3 мм — диаметр 10 мм, толщина 3 мм.
• Материал: неодимовый сплав NdFeB.
• Масса одного магнита: около 1,8 г (расчёт по размеру и плотности сплава).
• В упаковке: 3 магнита.
• Полюса: у магнитов-дисков такого размера обычно на плоских сторонах; как проверить — в разделе «Где какой полюс».
• Марка (N35…N52), покрытие и сила отрыва: неизвестны.
• Нагрев: не выше 65 °C.

Сколько держит и какой размер выбрать

Силу отрыва мы не пишем: данных по этим магнитам у нас нет, а у разных продавцов для одного и того же размера она расходится почти вдвое. Да и меряют её в идеальных условиях — отрывают магнит строго перпендикулярно от толстой шлифованной стальной плиты. В жизни держит слабее: тонкое железо хуже толстого, любой зазор (краска, скотч, пластик) ослабляет хватку. А вдоль стальной стены магнит начинает сползать уже под грузом в 15–25 % от силы отрыва; резина под магнитом поднимает это примерно до половины. К алюминию, меди, латуни и «пищевой» нержавейке 304 и 316 магнит почти не липнет, ферритная нержавейка магнитится.

Чем больше магнит, тем крепче держит и тем дальше его чувствует датчик. Столбик работает как один магнит общего размера: три диска ⌀10 × 3 мм — это почти цилиндр ⌀10 × 9 мм. Держит он крепче, и датчик замечает его дальше, чем один диск, — но не втрое. Не уверены с размером — возьмите два соседних и проверьте на месте.

⌀5, ⌀8 и ⌀10 одной толщины — 3 мм, гнездо под них одной глубины; ⌀12 × 5 толще. Масса в таблице — расчёт по размеру и плотности сплава. С какого расстояния датчик заметит магнит, зависит от марки магнита, а её мы не знаем, — проверьте на месте скетчем ниже: подводите магнит вдоль линейки и смотрите, где прибавится счётчик. Пластиковая крышка поле не ослабляет, её толщина просто входит в расстояние.

С датчиком Холла

Главная пара к магниту — датчик Холла (Trema-модуль). На нём аналоговый датчик SS49E: без магнита он выдаёт половину питания, около 2,5 В, это примерно 512 по analogRead(). Поднесёте магнит одной стороной — число растёт, другой — падает. Так Arduino узнаёт не только «есть магнит или нет», но и какой стороной он повёрнут и насколько близко.

• Подносите магнит плоской стороной к корпусу датчика — маленькой чёрной детали с тремя ножками, она лежит на плате модуля. Сбоку датчик чувствует гораздо слабее.
• Поле проходит сквозь бумагу, пластик и дерево: магнит можно спрятать внутри двери или корпуса. Сквозь железо датчик почти не видит.
• Вплотную датчик зашкаливает: SS49E рассчитан на поле до ±650…±1000 Гс, а у поверхности неодимового магнита поле в несколько раз сильнее. Датчику двери это не мешает — магнит всё равно замечен, а чтобы судить о расстоянии по числу, держите магнит дальше.

Скетч: полюс, расстояние и счёт проходов

Вывод S модуля — к A0, V — к 5 В, G — к GND; проще всего вставить модуль в Trema Shield. Монитор порта — на 9600. При запуске держите магнит подальше: первые полсекунды скетч запоминает «ноль».

// Магнит + датчик Холла (Trema-модуль на SS49E), вывод S — на A0.
// Монитор порта: 9600. При запуске магнит держите подальше:
// первые полсекунды скетч запоминает «ноль» — показание без магнита.

const uint8_t HALL_PIN   = A0;
const int     NEAR_LEVEL = 60;  // магнит подошёл: отклонение от нуля больше этого
const int     FAR_LEVEL  = 35;  // магнит ушёл: отклонение меньше этого
const int     SIDE       = 0;   // 0 — магнит любой стороной; 1 — только «сторона +»,
                                // -1 — только «сторона -» (для счёта оборотов)
const int     ZERO_FIXED = 0;   // 0 — мерить ноль при запуске; или впишите число
                                // «Ноль» из монитора, снятое без магнита

int zero;                       // показание без магнита, около 512
bool magnetNear = false;        // магнит сейчас рядом? (для датчика двери)
unsigned long passes = 0;       // сколько раз магнит подходил
unsigned long lastPrint = 0;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  if (ZERO_FIXED > 0) {
    zero = ZERO_FIXED;
  } else {
    long sum = 0;
    for (int i = 0; i < 50; i++) { // 50 замеров за полсекунды
      sum += analogRead(HALL_PIN);
      delay(10);
    }
    zero = sum / 50;
  }
  Serial.print(F("Ноль: "));
  Serial.println(zero);
}

void loop() {
  int d = analogRead(HALL_PIN) - zero;          // знак — какой стороной, величина — насколько близко
  int level = (SIDE == 0) ? abs(d) : d * SIDE;  // с SIDE чужая сторона даёт минус и не считается

  // считаем событие «магнит только что подошёл», а не состояние «магнит рядом»
  if (!magnetNear && level > NEAR_LEVEL) {
    magnetNear = true;
    passes++;
  } else if (magnetNear && level < FAR_LEVEL) {
    magnetNear = false;
  }

  // печатаем 5 раз в секунду, а меряем без остановки
  if (millis() - lastPrint >= 200) {
    lastPrint = millis();
    Serial.print(d);
    if (magnetNear) Serial.print(d > 0 ? F("  сторона +") : F("  сторона -"));
    Serial.print(F("  проходов: "));
    Serial.println(passes);
  }
}

• Пометить стороны. Поднесите магнит плоской стороной к корпусу датчика — монитор напишет «сторона +» или «сторона -». Отметьте маркером грань, которая смотрела на датчик. Знак верен для этого модуля, когда магнит над корпусом датчика; если поднести магнит с обратной стороны платы, знак сменится.
• Подобрать порог. Подводите магнит вдоль линейки и смотрите, где прибавится счётчик. Срабатывает слишком далеко — увеличьте NEAR_LEVEL, слишком близко — уменьшите. FAR_LEVEL держите меньше NEAR_LEVEL: этот разрыв не даёт счётчику дребезжать, когда магнит замер на границе.
• Датчик двери. Здесь нужен не счётчик, а состояние: magnetNear равно true, пока магнит у датчика, то есть дверь закрыта.
• Считать обороты. Приклейте магнит на колесо или вал, датчик поставьте рядом. Скетч считает событие «магнит подошёл», а не состояние «магнит рядом», поэтому медленное колесо лишнего не насчитает. Но у края магнита поле обратного знака: если магнит проходит в паре миллиметров от датчика, за один проход прибавится два-три. Для счёта впишите в SIDE сторону, которой магнит смотрит на датчик (1 для «+», -1 для «-»), — края тогда не считаются. Проверьте: медленный оборот — ровно одна единица.
• Готовое устройство. Если при включении магнит может стоять у датчика (дверь закрыта, колесо остановилось напротив), ноль запомнится неверно. Запустите скетч один раз без магнита и впишите число «Ноль» из монитора в ZERO_FIXED. Просто 512 не годится: ноль у SS49E бывает от 2,25 до 2,75 В, то есть от 460 до 563.

Как датчик Холла реагирует на магнит, видно в ролике из нашего обучающего набора:

Датчик SS49E есть и в нашем обучающем наборе «Максимальный», а магнита в наборе нет: в уроке про датчик Холла так и сказано, что магнит нужен свой. Эти подойдут.

С герконом и другими датчиками

Геркон — две упругие пластины из магнитного сплава в стеклянной колбе: магнит их намагничивает, и они смыкаются. Важно, как магнит повёрнут (рисунок выше):

• дальше всего геркон срабатывает, когда ось магнита идёт вдоль колбы. У диска с полюсами на плоских сторонах это значит: поставить его на ребро под серединой колбы, плоскими сторонами к её концам;
• плашмя, полюсом точно в середину колбы, — мёртвая зона: геркон не замкнётся даже вплотную;
• плашмя, но у конца колбы — сработает, хотя и ближе.

Если проводить магнит вдоль колбы совсем близко, геркон может замкнуться до трёх раз подряд, и счётчик насчитает лишнее. Чтобы замыкание было одно, ведите магнит чуть дальше от колбы. Готовый магнитный извещатель для двери и окна продаётся со своим магнитом в корпусе; наш диск пригодится, если магнит нужно спрятать внутри двери или крышки.

Цифровые датчики Холла бывают однополярные (A3144 и похожие) — срабатывают только от одного полюса: молчит — переверните магнит. А «защёлки» (US1881 и похожие) включаются одним полюсом и выключаются только другим; для них на колесо ставят магниты попеременно разными сторонами.

Магнитному энкодеру AS5600 нужен магнит, намагниченный поперёк: одна половина диска — север, другая — юг (в карточке энкодера это названо «горизонтальной полярностью N/S»). У диска с полюсами на плоских сторонах поле при повороте вокруг оси не меняется, и угла датчик не видит. Поэтому к AS5600 эти диски, скорее всего, не подойдут (как проверить — в разделе «Где какой полюс»): ищите магнит, намагниченный диаметрально.

Электронный компас — отдельный HMC5883 или магнитометр в IMU-9DOF — магнит сбивает. Ближе нескольких сантиметров компас зашкалит, и калибровка уже не поможет, поэтому держите магнит подальше. Если магнит неподвижно стоит в конструкции на расстоянии, откалибруйте компас после сборки.

Где какой полюс

1. Где полюса. Прижмите один магнит пальцем к столу, второй медленно подводите сверху плоской стороной и остановитесь, как только почувствуете, тянет его или толкает. Вплотную не сводите: верхний развернётся, схлопнется с нижним и может расколоться. Переверните верхний и поднесите снова. Одной стороной тянет, другой толкает, а поворот вокруг своей оси (как у ручки громкости) ничего не меняет — полюса на плоских сторонах, как у большинства магнитов-дисков. Тянет или толкает в зависимости от поворота вокруг оси — магнит намагничен поперёк.
2. Пометить все три (если полюса на плоских сторонах). Соберите магниты в столбик не с разгона: держите верхний крепко, приложите его ребром к краю нижнего и надвиньте сверху. Поставьте маркером точку на верхней грани. Сдвиньте верхний магнит, пометьте верхнюю грань следующего, затем последнего. Все точки — один и тот же полюс. С датчиком Холла ещё проще: скетч выше сам скажет, какой стороной магнит повёрнут.
3. Какой из них северный. Подносите магнит меткой к обычному компасу издалека и медленно. Повернулся к метке северный конец стрелки — метка на южном полюсе магнита, южный конец — на северном. Вплотную не подносите: сильный магнит может перемагнитить стрелку.

Как обращаться, чтобы не расколоть

• Неодимовые магниты хрупкие. Если дать им схлопнуться, они трескаются и колются, а острые осколки разлетаются, поэтому разнимать и собирать их лучше в очках.
• Разнимайте сдвигом вбок: прижмите нижний магнит к столу и столкните верхний через край. Не отрывайте и не поддевайте ножом. Снятый магнит не отпускайте рядом с другим — притянутся с разгона и могут расколоться. Собирайте так же, сдвигом, крепко держа верхний. Храните их с прокладкой из картона или пластика.
• От ударов друг о друга на краях бывают сколы, а на сколе со временем проступит ржавчина. Такой магнит лучше вклеить и закрыть эпоксидкой.
• Паять, сваривать, сверлить и точить нельзя: от нагрева магнит слабеет навсегда, сверло его колет, а мелкая пыль может загореться.
• Не грейте выше 65 °C. Обычные марки неодима терпят до 80 °C, а самая сильная из ходовых, N52, — до 65 °C. Марка этих неизвестна, поэтому считаем по нижней границе.
• Со временем магнит почти не слабеет: меньше 1 % за 10 лет, если не перегревать.

Как закрепить

• Эпоксидный клей (двухкомпонентный) держит лучше всего. Магнит и деталь обезжирьте спиртом и слегка зашкурьте. Секундный клей годится, когда магнит сидит в гнезде и клей только не даёт ему выпасть.
• Термоклей нельзя: горячий клей нагревает магнит выше допустимого.
• Двусторонний вспененный скотч — на гладкую поверхность, например на алюминиевый профиль, к которому магнит сам не прилипнет.
• Гнездо в 3D-печатной детали. Карман сделайте на 0,1–0,2 мм шире магнита и чуть глубже его толщины (магнит перемерьте штангенциркулем). Поставьте в слайсере паузу на слое, который закрывает карман, вложите магнит на каплю секундного клея и продолжайте печать. Без клея магнит может выдернуть к печатающей головке — в ней есть стальные винты. Стол для PLA (около 60 °C) магниту не страшен, а для PETG (85–90 °C) и ABS (около 100 °C) он горячее 65 °C: делайте гнездо подальше от стола или вклеивайте магнит в готовую деталь.
• Защёлка из двух магнитов. Частая ошибка — вклеить их одинаковыми полюсами навстречу, и крышка отталкивается. Сведите два магнита сдвигом, чтобы притянулись плоскими сторонами, пометьте обе наружные грани, разнимите и вклейте метками в дно гнёзд (рисунок выше). Или проще: в крышку магнит, в корпус — стальную пластинку чуть больше магнита, и путать полюса не придётся.
• На улице и в сырости закройте магнит целиком: вклейте в гнездо и залейте сверху эпоксидкой, чтобы сплав не ржавел.

Безопасность

• Не подносите магнит ближе 15 см к кардиостимулятору или имплантированному дефибриллятору.
• Держите магниты подальше от банковских карт с магнитной полосой, механических часов, слуховых аппаратов и стрелочных компасов.
• Не кладите магнит на включённую плату: он прилипнет к стальному корпусу разъёма или к винту и может замкнуть соседние выводы.
• Данным во флешке, на карте памяти и в плате Arduino маленький магнит не вредит: они хранятся не магнитным способом.

Что пригодится вместе

• Датчик Холла (Trema-модуль) — главная пара: чувствует оба полюса и расстояние, подключается к любому аналоговому входу;
• Trema Shield — подключить датчик к Arduino Uno без макетки и пайки;
• Обучающий набор «Максимальный» — в нём есть датчик Холла, но нет магнита;
• Магнитный извещатель (геркон) — готовый датчик двери и окна со своим магнитом;
• Концевик (Trema-модуль) — если нужен механический выключатель, который нажимает упор, а не магнит;
• магниты других размеров: ⌀5 × 3 мм, ⌀8 × 3 мм, ⌀12 × 5 мм.

Комплектация

• 3 × неодимовый магнит ⌀10 × 3 мм (на фото — общий вид одного магнита).