يقيس الحساس BMM150 المجال المغناطيسي المحيط به في ثلاثة محاور. وغالباً ما يكون ذلك المجال هو مجال الأرض نفسه، وهذا ما يجعله المكوّن الذي يمنح الدرون أو الروبوت أو الجهاز القابل للارتداء إحساسه بالاتجاه — القطعة التي تجيب عن سؤال "إلى أين أتجه؟" حين لا يستطيع نظام تحديد المواقع ذلك وحين ينحرف الجيروسكوب.

وهو حساس من Bosch، اختير لانخفاض ضجيجه واستهلاكه وصغر مساحته. ودقة تمييزه ٠٫٣ ميكروتسلا، وهي دقيقة بما يكفي لتحليل مجال الأرض (نحو ٢٥ إلى ٦٥ ميكروتسلا حسب الموقع) إلى اتجاه قابل للاستخدام، بمدى يمتد إلى ±١٣٠٠ ميكروتسلا على المحورين X و Y و±٢٥٠٠ على المحور Z — أي أبعد بكثير من مجال الأرض، فيكشف أيضاً المغانط القريبة والموصّلات الحاملة للتيار دون أن يتشبّع.

ويضيف لوح Waveshare محوّل مستوى مدمجاً فيعمل مع أنظمة ٣٫٣ و٥ فولت، ويُخرج واجهتي I2C و SPI معاً. وشفرة الأمثلة منشورة لراسبيري باي وأردوينو و ESP32 و Pico.

المواصفات

الحساس                    : Bosch BMM150
النوع                     : مقياس مغناطيسية ثلاثي المحاور
جهد التشغيل               : ٣٫٣ / ٥ فولت (محوّل مستوى مدمج)
الواجهات                  : I2C (افتراضياً) و SPI
عنوان I2C                 : 0x13 افتراضياً، ويُختار من 0x10 إلى 0x13
دقة التمييز                : ٠٫٣ ميكروتسلا
مدى القياس                : ±١٣٠٠ ميكروتسلا (المحوران X و Y)
                           ±٢٥٠٠ ميكروتسلا (المحور Z)
الخطية                    : أقل من ١٪ من المدى الكامل
خطأ الكسب                 : ±٢٪
انحراف نقطة الصفر          : ±٤٠ ميكروتسلا عند ٢٥ درجة مئوية
حساسية الانحراف الحراري     : ±٠٫٠١٪ لكل كلفن
معدل خرج البيانات          : ١٠ هرتز (الوضع العادي)
حرارة التشغيل             : من -٤٠ إلى +٨٥ درجة مئوية
الأبعاد                   : ٢٩ × ٢٠ ملم
شفرة الأمثلة              : راسبيري باي (لغة C وبايثون)، أردوينو، ESP32، Pico

وظائف الأطراف

VCC  : دخل التغذية (٣٫٣ أو ٥ فولت)
GND  : الأرضي
SDA  : بيانات I2C
SCL  : ساعة I2C
INT  : خرج المقاطعة
SDO  : خرج بيانات SPI (إلى دخل المضيف)
SDI  : دخل بيانات SPI (من خرج المضيف)
CS   : اختيار الشريحة
DRY  : إشارة جاهزية البيانات

أهم المزايا

• استشعار مغناطيسي ثلاثي المحاور بدقة ٠٫٣ ميكروتسلا، تكفي لتحليل مجال الأرض إلى اتجاه.

• واجهتا I2C و SPI — I2C افتراضياً، ويمكن التحويل إلى SPI بتغيير نقاط اللحام في زاوية اللوح.

• متوافق مع ٣٫٣ و٥ فولت — فمحوّل المستوى المدمج يجعله يعمل مع ESP32 ومع أردوينو ٥ فولت دون محوّل منفصل.

• مدى قياس واسع — ±١٣٠٠ و±٢٥٠٠ ميكروتسلا، أي أبعد بكثير من مجال الأرض، فلا تُشبعه المجالات المحلية القوية.

• أربعة عناوين I2C قابلة للاختيار — من 0x10 إلى 0x13، فتتشارك عدة أجهزة الناقل نفسه.

• استهلاك وضجيج منخفضان — فقد صممته Bosch للأجهزة القابلة للارتداء والعاملة بالبطارية.

• خرج مقاطعة وجاهزية بيانات — فتقرأ عند الحاجة بدل الاستعلام المستمر.

• مدى حراري صناعي — من -٤٠ إلى +٨٥ درجة مئوية.

• موثّق جيداً — تنشر Waveshare المخطط الكهربائي وورقة بيانات Bosch وشفرة أمثلة عاملة لأربع منصات.

الاستخدامات

• البوصلة الإلكترونية ومرجع الاتجاه

• ملاحة الدرونات والطائرات المسيّرة

• توجيه الروبوتات وتقدير الموقع

• الأجهزة القابلة للارتداء وأجهزة تتبع اللياقة

• وحدات تحديد المواقع ذات خرج الاتجاه

• كشف المعادن والأجسام الحديدية

• استشعار التيار عبر المجال المغناطيسي

• استشعار الأبواب والمواضع باستخدام المغانط

• أنظمة تحديد اتجاه المركبات

• أبحاث المغناطيسية الأرضية والتدريس

مهم: مقياس المغناطيسية وحده ليس بوصلة

هذا ما يكتشفه معظم الناس بعد الشراء، فيستحق الفهم قبله.

يقيس مقياس المغناطيسية المجال في إطاره المرجعي الخاص. فإن كان اللوح مستوياً تماماً، أعطتك المركّبات الأفقية للمجال الاتجاه مباشرة. أما إذا أملت اللوح فيصبح الاتجاه خاطئاً — إذ تتسرب المركّبة الرأسية لمجال الأرض إلى المحاور الأفقية فيتأرجح الاتجاه المحسوب مع ميل الجهاز ودورانه.

وللحصول على بوصلة صالحة تحتاج تعويض الميل، أي مقياس تسارع يخبرك باتجاه الجهاز نسبة للجاذبية، ليُدار القياس المغناطيسي رياضياً إلى المستوي الأفقي. ولهذا وُجدت وحدات القياس ذات التسع درجات حرية: ثلاثة محاور تسارع وثلاثة دوران وثلاثة مجال مغناطيسي، تُدمج معاً.

وماذا يعني ذلك عملياً:

• بوصلة محمولة تُمسك مستوية دائماً — يكفيها مقياس المغناطيسية وحده.

• درون أو روبوت أو هاتف أو أي شيء يميل — تحتاج مقياس تسارع إلى جانب هذا الحساس وخوارزمية دمج.

• اقرن هذا الحساس بوحدة قياس مثل BMI160 أو MPU6050، واستخدم مكتبة دمج (Madgwick أو Mahony أو مرشّح كالمان) للحصول على اتجاه مستقر.

ولا شيء من هذا عيب في الحساس، بل هي فيزياء، وهي سبب بيع مقاييس المغناطيسية عادة ضمن مجموعة حساسات لا منفردة.

المعايرة ليست اختيارية

انظر إلى رقمين في المواصفات معاً:

• مجال الأرض المغناطيسي: نحو ٢٥ إلى ٦٥ ميكروتسلا

• انحراف نقطة الصفر في هذا الحساس: ±٤٠ ميكروتسلا

فإزاحة الحساس نفسه قد تكون بحجم الإشارة التي تحاول قياسها. أضف إلى ذلك أي فولاذ أو مغانط أو محركات أو سماعات أو أسلاك حاملة للتيار قرب موضع التركيب، فتصبح القراءة الخام مهيمَناً عليها من كل شيء إلا الأرض.

التشويه بالحديد الصلب يأتي من مصادر مغناطيسية دائمة قرب الحساس — مغناطيس أو برغي ممغنط أو سماعة. وهو يزيح القياس كله بإزاحة ثابتة.

والتشويه بالحديد اللين يأتي من مادة حديدية تشوّه المجال المار بها — هيكل فولاذي أو حامل أو علبة بطارية. وهو يمطّ القياس إلى شكل بيضاوي بدل الكروي.

ويجب تعويض الاثنين، والمعايرة تخص التركيب لا الحساس. فالمعايرة على طاولة العمل ثم تركيب الحساس في صندوق معدني تُبطل كل شيء.

والإجراء المعتاد: مع تركيب الحساس في موضعه النهائي داخل المنتج النهائي، أدر التجميعة كلها ببطء عبر كل الاتجاهات — حركة الرقم ثمانية المألوفة التي تطلبها الهواتف. اجمع القراءات، وجد مركز وشكل السحابة الناتجة، واستخرج تصحيحات الإزاحة والمقياس. وكثير من مكتبات دمج الحساسات تتضمن إجراءات لذلك.

أبعده عن هذه الأشياء

يقيس الحساس المجالات المغناطيسية، أي أن كل ما ينتج مجالاً يشوّش عليه:

• المغانط الدائمة — بما فيها أقراص النيوديميوم المستخدمة في الصناديق والأغطية، فهذه تطغى على الحساس تماماً عن قرب.

• السماعات والأجراس — فهي تحتوي مغانط.

• المحركات — بمغانطها الداخلية وبتيار التبديل فيها.

• الأسلاك الحاملة للتيار، خصوصاً عالية التيار؛ فسلك يمرر عدة أمبيرات ينتج مجالاً قابلاً للقياس.

• الهياكل الفولاذية والحديدية — الشاسيهات والحوامل والبراغي وحوامل البطاريات.

• المحوّلات والملفات.

وقاعدة التصميم: ضع مقياس المغناطيسية بعيداً قدر الإمكان عن المحركات والسماعات وأسلاك القدرة والفولاذ، وأبقِ تلك المسافة ثابتة. فالحساس الذي تتغير علاقته بمحرك قريب — لأنه على ذراع متحرك مثلاً — لا يمكن معايرته بموثوقية.

التحويل بين I2C و SPI

يصلك اللوح في وضع I2C، وهو الخيار الأبسط وما تستخدمه شفرة الأمثلة الافتراضية.

وللتحويل إلى SPI، غيّر نقاط اختيار الوضع في الزاوية العلوية اليسرى من اللوح، ثم وصّل أطراف SDO و SDI و SCK و CS بمضيفك واضبط التعريف USE_I2C على صفر في شفرة الأمثلة.

وأيهما تستخدم: واجهة I2C تحتاج سلكين فقط وتتيح لعدة أجهزة مشاركتهما، وهي الخيار المعتاد. أما SPI فأسرع وتتجنب تعارض العناوين، وتستحق الاستخدام حين تقرأ بمعدلات عالية أو حين يكون ناقل I2C مزدحماً أصلاً.

عنونة I2C

العنوان الافتراضي 0x13، وتتوفر أربعة عناوين — 0x10 و0x11 و0x12 و0x13 — تُختار بمستوى المنطق على طرفي CS و SDO عبر نقاط العنونة.

شغّل الأمر i2cdetect -y 1 على راسبيري باي للتأكد من العنوان الذي يستجيب عليه لوحك فعلاً قبل بناء الكود حوله.

البدء بالاستخدام

راسبيري باي (I2C):

VCC -> ٣٫٣ أو ٥ فولت      SDA -> SDA
GND -> الأرضي             SCL -> SCL

فعّل I2C من raspi-config، وتأكد بالأمر i2cdetect -y 1، ثم حمّل أمثلة Waveshare وشغّل مثال لغة C أو بايثون.

أردوينو (I2C): وصّل VCC بـ ٥ فولت والأرضي و SDA و SCL بأطراف I2C في اللوحة، واضبط USE_I2C على ١، وافتح الشاشة التسلسلية على سرعة ١١٥٢٠٠.

ESP32 و Pico: شفرة الأمثلة وجداول التوصيل للاثنين منشورة على صفحة Waveshare، بما في ذلك مثال MicroPython لـ Pico.

اتركه يستقر. تشير وثائق Waveshare إلى أن القراءات المستقرة تحتاج وقتاً قصيراً بعد التشغيل، يصل إلى دقيقة في بعض التكوينات. فلا تحكم على الحساس من قراءاته الأولى.

تصحيح واحد لوصف الشركة المصنّعة

يصف نص Waveshare الحساس BMM150 بأنه مناسب لـ"تطبيقات تتبع الارتفاع" و"مقاييس الارتفاع الدقيقة". وهذا غير صحيح، ويبدو منقولاً من وصف حساس ضغط جوي.

فمقياس المغناطيسية يقيس المجال المغناطيسي ولا يستطيع قياس الارتفاع. وللارتفاع تحتاج حساس ضغط جوي مثل BMP280 أو BME280.