Detector simplu de metale Arduino: 8 pași (cu imagini)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:41

*** A fost postată o nouă versiune, care este și mai simplă: https://www.instructables.com/Minimal-Arduino-Metal-Detector/ ***

Detectarea metalelor este un timp extraordinar care te scoate în aer liber, descoperi locuri noi și poate găsești ceva interesant. Verificați reglementările locale despre cum să acționați în cazul unei eventuale descoperiri, în special în cazul obiectelor periculoase, relicve arheologice sau obiecte cu o valoare economică sau emoțională semnificativă.

Instrucțiunile pentru detectoarele de metale DIY sunt numeroase, dar această rețetă este deosebită în sensul că necesită foarte puține componente în plus față de un microcontroler Arduino: un condensator comun, o rezistență și o diodă formează miezul, împreună cu o bobină de căutare care constă din aproximativ 20 înfășurări ale cablului electric. Se adaugă apoi LED-uri, difuzor și / sau căști pentru semnalizarea prezenței metalului lângă bobina de căutare. Un avantaj suplimentar este că toate pot fi alimentate de la o singură alimentare de 5V, pentru care este suficientă o alimentare USB comună de 2000mAh și va dura multe ore.

Pentru a interpreta semnalele și pentru a înțelege la ce materiale și forme este sensibil senzorul, ajută cu adevărat să înțelegem fizica. De regulă, detectorul este sensibil la obiecte la o distanță sau adâncime până la raza bobinei. Este cel mai sensibil la obiectele în care poate curge un curent în planul bobinei, iar răspunsul va corespunde zonei buclei de curent din acel obiect. Astfel, un disc metalic în planul bobinei va da un răspuns mult mai puternic decât același disc metalic perpendicular pe bobină. Greutatea obiectului nu contează prea mult. O bucată subțire de folie de aluminiu orientată în planul unei bobine va da un răspuns mult mai puternic decât un șurub de metal greu.

Pasul 1: Principiul de lucru

Atunci când electricitatea începe să curgă printr-o bobină, ea acumulează un câmp magnetic. Conform legii inducției lui Faraday, un câmp magnetic în schimbare va avea ca rezultat un câmp electric care se opune schimbării câmpului magnetic. Astfel, se va dezvolta o tensiune pe bobină care se opune creșterii curentului. Acest efect se numește auto-inductanță, iar unitatea de inductanță este Henry, unde o bobină de 1 Henry dezvoltă o diferență de potențial de 1V când curentul se schimbă cu 1 ampere pe secundă. Inductanța unei bobine cu N înfășurări și o rază R este de aproximativ 5µH x N ^ 2 x R, cu R în metri.

Prezența unui obiect metalic lângă o bobină îi va schimba inductanța. În funcție de tipul de metal, inductanța poate crește sau scădea. Metalele nemagnetice, cum ar fi cuprul și aluminiul lângă o bobină, reduc inductanța, deoarece un câmp magnetic în schimbare va induce curenți turbionari în obiect care reduc intensitatea câmpului magnetic local. Materialele feromagnetice, cum ar fi fierul, lângă o bobină își măresc inductanța, deoarece câmpurile magnetice induse se aliniază cu câmpul magnetic extern.

Măsurarea inductanței unei bobine poate dezvălui astfel prezența metalelor în apropiere. Cu un Arduino, un condensator, o diodă și un rezistor, este posibil să se măsoare inductanța unei bobine: făcând bobina parte a unui filtru LR trece sus și alimentându-l cu o undă bloc, vor fi create vârfuri scurte la fiecare tranziție. Lungimea impulsului acestor vârfuri este proporțională cu inductanța bobinei. De fapt, timpul caracteristic al unui filtru LR este tau = L / R. Pentru o bobină de 20 înfășurări și un diametru de 10 cm, L ~ 5µH x 20 ^ 2 x 0,05 = 100µH. Pentru a proteja Arduino de supracurent, rezistența minimă este de 200Ohm. Ne așteptăm astfel la impulsuri cu o lungime de aproximativ 0,5 microsecunde. Acestea sunt dificil de măsurat direct cu precizie ridicată, dat fiind că frecvența ceasului Arduino este de 16 MHz.

În schimb, impulsul în creștere poate fi folosit pentru a încărca un condensator, care poate fi apoi citit cu analogul Arduino în convertit digital (ADC). Sarcina așteptată de la un impuls de 0,5 microsecunde de 25mA este de 12,5nC, ceea ce va da 1,25V pe un condensator de 10nF. Căderea de tensiune peste diodă va reduce acest lucru. Dacă pulsul se repetă de câteva ori, încărcarea condensatorului crește la ~ 2V. Acest lucru poate fi citit cu Arduino ADC folosind analogRead (). Condensatorul poate fi apoi descărcat rapid schimbând pinul de citire la ieșire și setându-l la 0V pentru câteva microsecunde. Întreaga măsurare durează aproximativ 200 de microsecunde, 100 pentru încărcarea și resetarea condensatorului și 100 pentru conversia ADC. Precizia poate fi mult îmbunătățită prin repetarea măsurătorii și medierea rezultatului: luarea medie a 256 de măsurători durează 50 ms și îmbunătățește precizia cu un factor 16. ADC pe 10 biți realizează astfel precizia unui ADC pe 14 biți.

Această măsurătoare obținută este foarte neliniară cu inductanța bobinei și, prin urmare, nu este adecvată pentru a măsura valoarea absolută a inductanței. Cu toate acestea, pentru detectarea metalelor suntem interesați doar de modificări relative minuscule ale inductanței bobinei datorită prezenței metalelor din apropiere, iar pentru aceasta această metodă este perfect potrivită.

Calibrarea măsurătorii se poate face automat în software. Dacă se poate presupune că de cele mai multe ori nu există metal lângă bobină, o abatere de la medie este un semnal că metalul s-a apropiat de bobină. Utilizarea diferitelor culori sau tonuri diferite permite discriminarea între o creștere bruscă sau o scădere bruscă a inductanței.

Pasul 2: Componente necesare

Nucleul electronic:

Scut prototip Arduino UNO R3 + SAU Arduino Nano cu placă prototip 5x7cm

Condensator 10nF

Diodă de semnal mică, de ex. 1N4148

Rezistor de 220 ohmi

Pentru putere:

Bancă de alimentare USB cu cablu

Pentru ieșire vizuală:

2 LED-uri de diferite culori, de ex. albastru și verde

2 rezistențe 220Ohm pentru a limita curenții

Pentru ieșirea sunetului:

Buzzer pasiv

Microswitch pentru a dezactiva sunetul

Pentru ieșirea pentru căști:

Conector pentru căști

Rezistor 1kOhm

Casti

Pentru a conecta / deconecta cu ușurință bobina de căutare:

Terminal cu șurub cu 2 pini

Pentru bobina de căutare:

~ 5 metri de cablu electric subțire

Structura de susținere a bobinei. Trebuie să fie rigid, dar nu trebuie să fie circular.

Pentru structură:

Stick de 1 metru, de exemplu lemn, plastic sau selfie stick.

Pasul 3: Bobina de căutare

Pentru bobina de căutare, am înfășurat ~ 4m de sârmă torsadată în jurul unui cilindru de carton cu diametrul de 9 cm, rezultând aproximativ 18 înfășurări. Tipul de cablu este irelevant, atâta timp cât rezistența ohmică este de cel puțin zece ori mai mică decât valoarea R din filtrul RL, deci asigurați-vă că rămâneți sub 20 Ohmi. Am măsurat 1 Ohm, deci este sigur. Doar să luați o rolă de sârmă de conectare de 10 m pe jumătate, de asemenea, funcționează!

Pasul 4: o versiune prototip

Având în vedere numărul mic de componente externe, este perfect posibil să se încadreze circuitele pe placa mică a unui scut prototip. Cu toate acestea, rezultatul final este destul de voluminos și nu foarte robust. Mai bine este să folosiți un Arduino nano și să-l lipiți cu componentele suplimentare pe o placă prototip de 5x7cm, (a se vedea pasul următor)

Doar 2 pini Arduino sunt utilizați pentru detectarea efectivă a metalului, unul pentru furnizarea impulsurilor la filtrul LR și unul pentru citirea tensiunii de pe condensator. Pulsarea se poate face de la orice pin de ieșire, dar citirea trebuie făcută cu unul dintre pinii analogici A0-A5. Încă 3 pini sunt utilizați pentru 2 LED-uri și pentru ieșirea sunetului.

Iată rețeta:

1. Pe panou, conectați rezistorul 220Ohm, dioda și condensatorul 10nF în serie, cu borna negativă a diodei (linia neagră) către condensator.
2. Conectați A0 la rezistor (capătul nu este conectat la diodă)
3. Conectați A1 la punctul transversal al diodei și condensatorului
4. Conectați terminalul neconectat al condensatorului la masă
5. Conectați un capăt al bobinei la punctul transversal al rezistorului-diodă
6. Conectați celălalt capăt al bobinei la masă
7. Conectați un LED cu borna sa pozitivă la pinul D12 și borna sa negativă printr-un rezistor de 220 Ohm la masă
8. Conectați celălalt LED cu borna sa pozitivă la pinul D11 și borna sa negativă printr-un rezistor de 220 Ohm la masă
9. Opțional, conectați o căști sau difuzor buzzer pasiv între pinul 10 și masă. Un condensator sau rezistor poate fi adăugat în serie pentru a reduce volumul

Asta e tot!

Pasul 5: o versiune lipită

Pentru a scoate detectorul de metale afară, va fi necesar să-l lipiți. O placă prototip comună de 7x5 cm se potrivește confortabil cu un Arduino nano și cu toate componentele necesare. Utilizați aceleași scheme ca în pasul anterior. Mi s-a părut util să adaug un comutator în serie cu buzzerul pentru a opri sunetul atunci când nu este necesar. Un terminal cu șurub permite să încercați diferite bobine fără a fi nevoie să lipiți. Totul este alimentat prin 5V furnizat la portul (mini sau micro-USB) al Arduino Nano.

Pasul 6: Software-ul

Schița Arduino utilizată este atașată aici. Încărcați-l și rulați-l. Am folosit Arduino 1.6.12 IDE. Este recomandat să îl rulați cu debug = true la început, pentru a regla numărul de impulsuri pe măsurare. Cel mai bun este să aveți o citire ADC între 200 și 300. Măriți sau micșorați numărul de impulsuri în cazul în care bobina dvs. oferă citiri drastic diferite.

Schița face un fel de auto-calibrare. Este suficient să lăsați bobina liniștită departe de metale pentru a o liniști. Vor fi urmate drifturi lente în inductanță, dar schimbările mari bruște nu vor afecta media pe termen lung.

Pasul 7: Montați-l pe un stick

Din moment ce nu ați vrea să vă faceți vânătoare de comori târându-vă pe podea, cele trei plăci, bobina și bateria ar trebui montate pe capătul unui stick. Un selfie-stick este ideal pentru aceasta, deoarece este ușor, pliabil și reglabil. Powerbank-ul meu de 5000 mAh s-a întâmplat să se potrivească pe stick-ul selfie. Placa poate fi apoi atașată cu legături de cablu sau elastice, iar bobina poate fi în mod similar fie cu bateria, fie cu stick-ul.

Pasul 8: Cum să-l utilizați

Pentru a stabili referința, este suficient să lăsați bobina ~ 5s departe de metale. Apoi, când bobina se apropie de un metal, LED-ul verde sau albastru va începe să clipească și vor fi emise bipuri în buzzer și / sau căști. Blițurile albastre și bipurile cu ton redus indică prezența metalelor neferomagnetice. Blițurile verzi și bipurile înalte indică prezența metalelor feromagnetice. Rețineți că, atunci când bobina este ținută mai mult de 5 secunde în apropierea metalului, va lua această citire ca referință și va începe să emită un bip atunci când detectorul este îndepărtat de metal. După câteva secunde de bip în aer, se va liniști din nou. Frecvența intermitentelor și a semnalelor sonore indică puterea semnalului. Vanatoare placuta!