Прост метален детектор Arduino: 8 стъпки (със снимки)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:50

*** Публикувана е нова версия, която е още по-проста: https://www.instructables.com/Minimal-Arduino-Metal-Detector/ ***

Откриването на метали е чудесно минало време, което ви изкарва на открито, откривате нови места и може би ще намерите нещо интересно. Проверете местните разпоредби за това как да действате в случай на евентуална находка, по -специално в случай на опасни предмети, археологически реликви или предмети със значителна икономическа или емоционална стойност.

Инструкциите за DIY металотърсачи са много, но тази рецепта е особена в смисъл, че изисква много малко компоненти в допълнение към микроконтролера Arduino: общ кондензатор, резистор и диод образуват ядрото, заедно с бобина за търсене, която се състои от около 20 намотки на електрически проводящ кабел. След това се добавят светодиоди, високоговорител и/или слушалки за сигнализиране на наличието на метал в близост до търсещата бобина. Допълнително предимство е, че всички могат да се захранват от една 5V мощност, за която е достатъчна обща 2000 mAh USB мощност и ще продължи много часове.

За да се интерпретират сигналите и да се разбере към какви материали и форми е чувствителен детекторът, това наистина помага да се разбере физиката. Като общо правило, детекторът е чувствителен към обекти на разстояние или дълбочина до радиуса на бобината. Той е най -чувствителен към обекти, в които може да тече ток в равнината на бобината, а отговорът ще съответства на площта на токовия контур в този обект. По този начин метален диск в равнината на бобината ще даде много по -силна реакция от същия метален диск, перпендикулярен на намотката. Теглото на обекта няма голямо значение. Тънко парче алуминиево фолио, ориентирано в равнината на бобина, ще даде много по -силна реакция от болт от тежък метал.

Стъпка 1: Принцип на работа

Когато електричеството започне да тече през намотка, то натрупва магнитно поле. Според закона на Фарадей за индукция, променящото се магнитно поле ще доведе до електрическо поле, което се противопоставя на промяната в магнитното поле. Така в бобината ще се развие напрежение, което се противопоставя на увеличаването на тока. Този ефект се нарича самоиндуктивност, а единицата за индуктивност е Хенри, където бобина от 1 Хенри развива потенциална разлика от 1V, когато токът се променя с 1 ампер в секунда. Индуктивността на бобина с N намотки и радиус R е приблизително 5µH x N^2 x R, с R в метри.

Наличието на метален предмет в близост до намотка ще промени неговата индуктивност. В зависимост от вида метал, индуктивността може да се увеличи или намали. Немагнитни метали като мед и алуминий в близост до бобина намаляват индуктивността, тъй като променящото се магнитно поле ще предизвика вихрови токове в обекта, които намаляват интензивността на локалното магнитно поле. Феромагнитните материали, като желязото, в близост до намотка увеличават своята индуктивност, тъй като индуцираните магнитни полета се подравняват с външното магнитно поле.

По този начин измерването на индуктивността на намотка може да разкрие наличието на метали наблизо. С Arduino, кондензатор, диод и резистор е възможно да се измери индуктивността на намотката: превръщането на бобината в част от високочестотен LR филтър и захранването й с блокова вълна ще се създадат къси шипове при всеки преход. Дължината на импулса на тези шипове е пропорционална на индуктивността на бобината. Всъщност, характерното време на LR филтър е tau = L/R. За намотка от 20 намотки и диаметър 10 cm, L ~ 5µH x 20^2 x 0.05 = 100 μH. За да предпазите Arduino от свръхток, минималното съпротивление е 200Ohm. По този начин очакваме импулси с дължина около 0,5 микросекунди. Те са трудни за измерване директно с висока точност, като се има предвид, че тактовата честота на Arduino е 16MHz.

Вместо това нарастващият импулс може да се използва за зареждане на кондензатор, който след това може да се отчете с аналоговия към цифров преобразуван (ADC) на Arduino. Очакваният заряд от 0.5 микросекунден импулс от 25mA е 12.5nC, което ще даде 1.25V на 10nF кондензатор. Спадът на напрежението върху диода ще намали това. Ако импулсът се повтори няколко пъти, зарядът на кондензатора се повишава до ~ 2V. Това може да бъде прочетено с Arduino ADC, използвайки analogRead (). След това кондензаторът може бързо да се разреди, като промените измервателния щифт на изход и го настроите на 0V за няколко микросекунди. Цялото измерване отнема около 200 микросекунди, 100 за зареждане и нулиране на кондензатора и 100 за преобразуване на ADC. Точността може да бъде значително подобрена чрез повтаряне на измерването и осредняване на резултата: вземането на средно 256 измервания отнема 50 ms и подобрява точността с коефициент 16. 10-битовият ADC постига прецизността на 14-битов ADC по този начин.

Полученото измерване е силно нелинейно с индуктивността на бобината и следователно не е подходящо за измерване на абсолютната стойност на индуктивността. За откриване на метали обаче се интересуваме само от малки относителни промени в индуктивността на бобината поради наличието на близки метали и за това този метод е напълно подходящ.

Калибрирането на измерването може да се извърши автоматично в софтуера. Ако може да се предположи, че през повечето време в близост до бобината няма метал, отклонението от средното е сигнал, че металът се е доближил до бобината. Използването на различни цветове или различни тонове позволява да се прави разлика между внезапно увеличаване или внезапно намаляване на индуктивността.

Стъпка 2: Необходими компоненти

Електронно ядро:

Arduino UNO R3 + прототип щит ИЛИ Arduino Nano с прототипна платка 5x7cm

10nF кондензатор

Диод с малък сигнал, напр. 1N4148

220-омов резистор

За захранване:

USB захранваща банка с кабел

За визуален изход:

2 светодиода с различен цвят напр. синьо и зелено

2 220Ohm резистора за ограничаване на токовете

За изход на звук:

Пасивен зумер

Микропревключвател за деактивиране на звука

За изход за слушалки:

Съединител за слушалки

1kOhm резистор

Слушалки

За лесно свързване/изключване на бобината за търсене:

2-пинов винтов терминал

За бобината за търсене:

~ 5 метра тънък електрически кабел

Структура за задържане на намотката. Трябва да е твърд, но не е задължително да е кръгъл.

За структурата:

1 метър пръчка, например дърво, пластмаса или селфи пръчка.

Стъпка 3: Търсещата бобина

За бобината за търсене навих ~ 4 м жила около картонен цилиндър с диаметър 9 см, което доведе до около 18 намотки. Типът кабел е без значение, стига омическото съпротивление да е поне десет пъти по -малко от стойността на R в RL филтъра, така че не забравяйте да останете под 20 ома. Измерих 1 ом, така че това е безопасно. Просто вземане на полуготово 10-милиметрово руло свързваща тел също работи!

Стъпка 4: Прототипна версия

Като се има предвид малкият брой външни компоненти, е напълно възможно да се монтира веригата върху малката платка на прототипния щит. Крайният резултат обаче е доста обемист и не много здрав. По -добре е да използвате Arduino nano и да го запоите с допълнителните компоненти на прототипна платка 5х7 см (вижте следващата стъпка)

Само 2 пина Arduino се използват за действителното откриване на метал, един за подаване на импулсите към LR филтъра и един за отчитане на напрежението на кондензатора. Импулсирането може да се извърши от всеки изходен извод, но отчитането трябва да се извърши с един от аналоговите щифтове A0-A5. Още 3 пина се използват за 2 светодиода и за изхода на звука.

Ето рецептата:

1. На макета свържете резистора 220Ohm, диода и 10nF кондензатора последователно, с отрицателния извод на диода (черната линия) към кондензатора.
2. Свържете A0 към резистор (краят не е свързан към диода)
3. Свържете A1 до мястото на пресичане на диода и кондензатора
4. Свържете несвързания извод на кондензатора към земята
5. Свържете единия край на бобината към резисторно-диодната кръстосана точка
6. Свържете другия край на бобината към земята
7. Свържете един светодиод с положителния му извод към щифт D12 и отрицателния му извод през резистор 220 Ома към земята
8. Свържете другия светодиод с положителния му извод към щифт D11 и отрицателния му извод през резистор 220 Ома към земята
9. По желание свържете пасивни зумер слушалки или високоговорител между щифт 10 и маса. Може да се добави последователно кондензатор или резистор, за да се намали силата на звука

Това е всичко!

Стъпка 5: Запоена версия

За да извадите металотърсача навън, ще е необходимо да го запоите. Една обикновена прототипна платка 7x5 см е удобна за Arduino nano и всички необходими компоненти. Използвайте същите схеми, както в предишната стъпка. Намерих за полезно да добавя последователно превключвател със зумера, за да изключа звука, когато не е необходим. Винтовият терминал позволява да се изпробват различни бобини, без да се налага запояване. Всичко се захранва чрез 5V, доставени към (мини- или микро-USB) порта на Arduino Nano.

Стъпка 6: Софтуерът

Използваната скица на Arduino е приложена тук. Качете и стартирайте. Използвах Arduino 1.6.12 IDE. Препоръчително е да го стартирате с debug = true в началото, за да настроите броя импулси на измерване. Най -добре е да имате ADC показания между 200 и 300. Увеличете или намалете броя на импулсите в случай, че бобината ви дава драстично различни показания.

Скицата прави някакъв вид самокалибриране. Достатъчно е да оставите бобината тиха далеч от металите, за да я накара да затихне. Ще се следват бавни отклонения в индуктивността, но внезапните големи промени няма да повлияят на дългосрочната средна стойност.

Стъпка 7: Монтирайте го на пръчка

Тъй като не бихте искали да търсите съкровища, пълзящи по пода, трите дъски, бобина и батерия трябва да бъдат монтирани на края на пръчка. Селфи стикът е идеален за това, тъй като е лек, сгъваем и регулируем. Моята 5000mAh powerbank случайно се побираше на пръчката за селфи. След това платката може да бъде прикрепена с кабелни връзки или ластици, а намотката може по същия начин да бъде или към батерията, или към пръчката.

Стъпка 8: Как да го използвате

За да се установи референтната стойност, е достатъчно да се остави намотката ~ 5s далеч от металите. След това, когато бобината се доближи до метал, зеленият или син светодиод ще започне да мига и ще се чуят звукови сигнали в зумера и/или слушалките. Сините светкавици и ниските звукови сигнали показват наличието на неферомагнитни метали. Зелените светкавици и високите звукови сигнали показват наличието на феромагнитни метали. Внимавайте, че когато бобината се държи повече от 5 секунди близо до метала, тя ще приеме това отчитане като ориентир и ще започне да издава звуков сигнал, когато детекторът бъде отстранен от метала. След няколко секунди звуков сигнал във въздуха, той отново ще стане тих. Честотата на миганията и звуковите сигнали показват силата на сигнала. Приятно ловуване!