Prosty wykrywacz metali Arduino: 8 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:27

*** Opublikowano nową wersję, która jest jeszcze prostsza: https://www.instructables.com/Minimal-Arduino-Metal-Detector/ ***

Wykrywanie metali to świetna rozrywka, dzięki której możesz spędzać czas na świeżym powietrzu, odkrywać nowe miejsca i być może znaleźć coś interesującego. Sprawdź lokalne przepisy, jak postępować w przypadku ewentualnego znaleziska, w szczególności w przypadku niebezpiecznych obiektów, reliktów archeologicznych lub obiektów o znacznej wartości ekonomicznej lub emocjonalnej.

Instrukcji dla wykrywaczy metali dla majsterkowiczów jest mnóstwo, ale ten przepis jest szczególny w tym sensie, że wymaga bardzo niewielu komponentów oprócz mikrokontrolera Arduino: wspólny kondensator, rezystor i dioda tworzą rdzeń wraz z cewką wyszukiwania, która składa się z około 20 uzwojenia kabla przewodzącego prąd elektryczny. Następnie dodawane są diody LED, głośnik i/lub słuchawki sygnalizujące obecność metalu w pobliżu cewki wyszukiwania. Dodatkową zaletą jest to, że wszystkie mogą być zasilane z jednego zasilacza 5V, dla którego wystarczy zwykłe zasilanie USB 2000mAh i wystarczy na wiele godzin.

Interpretacja sygnałów i zrozumienie, na jakie materiały i kształty jest czuły detektor, naprawdę pomaga zrozumieć fizykę. Z reguły wykrywacz jest czuły na obiekty znajdujące się w odległości lub na głębokości do promienia cewki. Jest najbardziej czuły na obiekty, w których prąd może płynąć w płaszczyźnie cewki, a odpowiedź będzie odpowiadać obszarowi pętli prądowej w tym obiekcie. Tak więc metalowa tarcza w płaszczyźnie cewki da znacznie silniejszą reakcję niż ta sama metalowa tarcza prostopadła do cewki. Waga przedmiotu nie ma większego znaczenia. Cienki kawałek folii aluminiowej zorientowany w płaszczyźnie cewki da znacznie silniejszą reakcję niż ciężka metalowa śruba.

Krok 1: Zasada działania

Kiedy prąd elektryczny zaczyna przepływać przez cewkę, wytwarza pole magnetyczne. Zgodnie z prawem indukcji Faradaya zmieniające się pole magnetyczne spowoduje powstanie pola elektrycznego, które przeciwstawia się zmianie pola magnetycznego. W ten sposób na cewce powstanie napięcie, które przeciwdziała wzrostowi prądu. Efekt ten nazywa się indukcyjnością własną, a jednostką indukcyjności jest Henry, gdzie cewka o wartości 1 Henry'a rozwija różnicę potencjałów 1 V, gdy prąd zmienia się o 1 Amper na sekundę. Indukcyjność cewki z N uzwojeń i promieniem R wynosi około 5µH x N^2 x R, przy czym R w metrach.

Obecność metalowego przedmiotu w pobliżu cewki zmieni jej indukcyjność. W zależności od rodzaju metalu indukcyjność może się zwiększać lub zmniejszać. Metale niemagnetyczne, takie jak miedź i aluminium w pobliżu cewki, zmniejszają indukcyjność, ponieważ zmieniające się pole magnetyczne indukuje prądy wirowe w obiekcie, które zmniejszają intensywność lokalnego pola magnetycznego. Materiały ferromagnetyczne, takie jak żelazo, w pobliżu cewki zwiększają jej indukcyjność, ponieważ indukowane pola magnetyczne dopasowują się do zewnętrznego pola magnetycznego.

Pomiar indukcyjności cewki może zatem ujawnić obecność w pobliżu metali. Za pomocą Arduino, kondensatora, diody i rezystora można zmierzyć indukcyjność cewki: tworząc z cewki część filtra górnoprzepustowego LR i zasilając ją falą blokową, co przemiana. Długość impulsu tych szpilek jest proporcjonalna do indukcyjności cewki. W rzeczywistości charakterystyczny czas filtra LR wynosi tau=L/R. Dla cewki o 20 zwojach i średnicy 10 cm L ~ 5µH x 20^2 x 0,05 = 100µH. Aby chronić Arduino przed przetężeniem, minimalna rezystancja wynosi 200 Ohm. Oczekujemy więc impulsów o długości około 0,5 mikrosekundy. Trudno je zmierzyć bezpośrednio z dużą precyzją, biorąc pod uwagę, że częstotliwość taktowania Arduino wynosi 16 MHz.

Zamiast tego rosnący impuls może być użyty do naładowania kondensatora, który można następnie odczytać za pomocą konwertera analogowo-cyfrowego Arduino (ADC). Oczekiwany ładunek z 0,5 mikrosekundowego impulsu 25mA wynosi 12,5nC, co daje 1,25V na kondensatorze 10nF. Spadek napięcia na diodzie zmniejszy to. Jeśli impuls zostanie powtórzony kilka razy, ładunek na kondensatorze wzrasta do ~2V. Można to odczytać za pomocą Arduino ADC za pomocą analogRead(). Kondensator można wtedy szybko rozładować, zmieniając pin odczytu na wyjście i ustawiając go na 0V na kilka mikrosekund. Cały pomiar trwa około 200 mikrosekund, 100 na ładowanie i resetowanie kondensatora i 100 na konwersję ADC. Precyzję można znacznie zwiększyć, powtarzając pomiar i uśredniając wynik: wykonanie średniej z 256 pomiarów zajmuje 50 ms i poprawia precyzję o współczynnik 16. 10-bitowy ADC osiąga w ten sposób precyzję 14-bitowego ADC.

Uzyskany pomiar jest wysoce nieliniowy w stosunku do indukcyjności cewki i dlatego nie nadaje się do pomiaru wartości bezwzględnej indukcyjności. Jednak w przypadku wykrywania metali interesują nas tylko niewielkie względne zmiany indukcyjności cewki spowodowane obecnością pobliskich metali, a do tego metoda ta doskonale się nadaje.

Kalibracja pomiaru może być wykonana automatycznie w oprogramowaniu. Jeśli można przyjąć, że przez większość czasu w pobliżu cewki nie ma metalu, odchylenie od średniej jest sygnałem, że metal zbliżył się do cewki. Używanie różnych kolorów lub różnych tonów pozwala odróżnić nagły wzrost lub nagły spadek indukcyjności.

Krok 2: Wymagane składniki

Rdzeń elektroniczny:

Arduino UNO R3 + osłona prototypowa LUB Arduino Nano z płytką prototypową 5x7cm

Kondensator 10nF

Mała dioda sygnalizacyjna m.in. 1N4148

Rezystor 220-omowy

Dla mocy:

Power bank USB z kablem

Dla wyjścia wizualnego:

2 diody LED o różnym kolorze np. niebieski i zielony

2 rezystory 220Ohm do ograniczenia prądów

Dla wyjścia dźwięku:

Brzęczyk pasywny

Mikroprzełącznik do wyłączania dźwięku

Wyjście słuchawkowe:

Złącze słuchawkowe

Rezystor 1kOhm

Słuchawki

Aby łatwo podłączyć/odłączyć cewkę wyszukiwania:

2-pinowy zacisk śrubowy

Dla cewki wyszukiwania:

~5 metrów cienkiego kabla elektrycznego

Struktura do trzymania cewki. Musi być sztywny, ale nie musi być okrągły.

Dla struktury:

1 metrowy kij, np. drewno, plastik lub kij do selfie.

Krok 3: Cewka wyszukiwania

W przypadku cewki poszukiwawczej nawinąłem około 4m drutu wokół tekturowego cylindra o średnicy 9 cm, co dało około 18 zwojów. Rodzaj kabla nie ma znaczenia, o ile rezystancja omowa jest co najmniej dziesięć razy mniejsza niż wartość R w filtrze RL, więc upewnij się, że nie przekraczasz 20 omów. Zmierzyłem 1 Ohm, więc to jest bezpieczne. Wystarczy wziąć na wpół wykończoną 10-metrową rolkę drutu przyłączeniowego!

Krok 4: Wersja prototypowa

Biorąc pod uwagę niewielką liczbę elementów zewnętrznych, idealnie możliwe jest umieszczenie obwodów na małej płytce prototypowej tarczy. Jednak ostateczny wynik jest dość obszerny i niezbyt solidny. Lepiej jest użyć Arduino nano i przylutować go z dodatkowymi komponentami na płytce prototypowej 5x7cm (patrz następny krok)

Tylko 2 piny Arduino służą do faktycznego wykrywania metalu, jeden do dostarczania impulsów do filtra LR i jeden do odczytu napięcia na kondensatorze. Pulsowanie można wykonać z dowolnego pinu wyjściowego, ale odczyt należy wykonać jednym z pinów analogowych A0-A5. 3 dodatkowe piny są używane dla 2 diod LED i wyjścia dźwięku.

Oto przepis:

1. Na płytce stykowej połącz szeregowo rezystor 220Ohm, diodę i kondensator 10nF, ujemnym biegunem diody (czarna linia) w kierunku kondensatora.
2. Podłącz A0 do rezystora (koniec nie podłączony do diody)
3. Podłącz A1 do punktu przecięcia diody i kondensatora
4. Podłącz niepodłączony zacisk kondensatora do uziemienia
5. Podłącz jeden koniec cewki do punktu krzyżowego rezystor-dioda
6. Podłącz drugi koniec cewki do ziemi
7. Podłącz jedną diodę LED z jej dodatnim zaciskiem do styku D12 i ujemnym zaciskiem przez rezystor 220 omów do masy
8. Podłącz drugą diodę LED z dodatnim zaciskiem do styku D11 i ujemnym zaciskiem przez rezystor 220 omów do masy
9. Opcjonalnie podłącz pasywną słuchawkę lub głośnik z brzęczykiem między stykiem 10 a masą. Kondensator lub rezystor można dodać szeregowo, aby zmniejszyć głośność

To wszystko!

Krok 5: Wersja lutowana

Aby wynieść wykrywacz metalu na zewnątrz, konieczne będzie jego przylutowanie. Zwykła płytka prototypowa 7x5 cm wygodna pasuje do Arduino nano i wszystkich wymaganych komponentów. Użyj tych samych schematów, co w poprzednim kroku. Uznałem za przydatne dodanie przełącznika szeregowo z brzęczykiem, aby wyłączyć dźwięk, gdy nie jest potrzebny. Zacisk śrubowy umożliwia wypróbowanie różnych cewek bez konieczności lutowania. Wszystko jest zasilane przez 5V dostarczane do portu (mini- lub micro-USB) Arduino Nano.

Krok 6: Oprogramowanie

Wykorzystany szkic Arduino znajduje się tutaj. Prześlij i uruchom. Użyłem Arduino 1.6.12 IDE. Zaleca się, aby na początku uruchomić go z debug=true, aby dostroić liczbę impulsów na pomiar. Najlepiej jest mieć odczyt ADC między 200 a 300. Zwiększ lub zmniejsz liczbę impulsów w przypadku, gdy cewka daje drastycznie różne odczyty.

Szkic dokonuje pewnego rodzaju samokalibracji. Wystarczy pozostawić cewkę cicho z dala od metali, aby była cicha. Będą obserwowane powolne dryfy indukcyjności, ale nagłe duże zmiany nie wpłyną na długoterminową średnią.

Krok 7: Montaż na patyku

Ponieważ nie chciałbyś szukać skarbów pełzających po podłodze, trzy deski, cewka i bateria powinny być zamontowane na końcu kija. Idealny do tego jest selfie-stick, ponieważ jest lekki, składany i regulowany. Mój powerbank 5000mAh zmieścił się na kijku do selfie. Płytkę można następnie przymocować za pomocą opasek kablowych lub gumek, a cewka może być podobnie jak bateria lub kij.

Krok 8: Jak z niego korzystać

Aby ustalić odniesienie wystarczy pozostawić cewkę ~5s z dala od metali. Następnie, gdy cewka zbliży się do metalu, zielona lub niebieska dioda LED zacznie migać, a w brzęczyku i/lub słuchawkach pojawią się sygnały dźwiękowe. Niebieskie błyski i niskie sygnały dźwiękowe wskazują na obecność metali nieferromagnetycznych. Zielone błyski i wysokie dźwięki wskazują na obecność metali ferromagnetycznych. Należy pamiętać, że gdy cewka jest trzymana przez ponad 5 sekund w pobliżu metalu, odczyta ten odczyt jako odniesienie i zacznie wydawać sygnał dźwiękowy, gdy detektor zostanie oderwany od metalu. Po kilku sekundach sygnału dźwiękowego w powietrzu znów się wyciszy. Częstotliwość błysków i sygnałów dźwiękowych wskazuje siłę sygnału. Pomyślnych łowów!