Ekologiczny wykrywacz metali - Arduino: 8 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:32

Wykrywanie metali to świetna zabawa. Jednym z wyzwań jest możliwość zawężenia dokładnego miejsca kopania, aby zminimalizować rozmiar pozostawionej dziury.

Ten wyjątkowy wykrywacz metali ma cztery cewki wyszukiwania, kolorowy ekran dotykowy do identyfikacji i wskazywania lokalizacji znaleziska.

Zawiera automatyczną kalibrację, akumulator USB z czterema różnymi trybami ekranu, regulacją częstotliwości i szerokości impulsu, co pozwala dostosować sposób wyszukiwania.

Po zlokalizowaniu skarbu pojedynczy otwór wyśrodkowany nad każdą cewką umożliwia użycie drewnianego szpikulca do wbicia w ziemię, dzięki czemu możesz zacząć kopać małą wtyczkę z ziemi, zmniejszając szkody w środowisku.

Każda cewka może precyzyjnie wykrywać monety i pierścionki na głębokości 7-10 cm, więc jest idealna do szukania zagubionych monet i pierścionków w parkach i plażach.

**********************************

Wielkie podziękowania - jeśli nacisnąłeś przycisk głosowania w prawym górnym rogu na konkursy „Wyzwanie wynalazków” i „Odkrywaj naukę”!!!

Wielkie dzięki, TechKiwi

**********************************

Krok 1: Nauka kryjąca się za wykrywaniem metali

Projekt wykrywania metali

Istnieje wiele odmian konstrukcji wykrywaczy metali. Ten szczególny rodzaj wykrywacza metalu to detektor impulsowy, który wykorzystuje oddzielne cewki nadawcze i odbiorcze.

Arduino wytwarza impuls, który jest podawany na cewkę nadawczą przez bardzo krótki czas (4uS) za pośrednictwem tranzystora. Ten prąd z impulsu powoduje nagłe powstanie pola magnetycznego wokół cewki, rozszerzające się i opadające pole indukuje napięcie w cewce odbiorczej. Ten odebrany sygnał jest wzmacniany przez tranzystor odbierający, a następnie przekształcany w czysty impuls cyfrowy przez komparator napięcia, a następnie próbkowany przez pin wejścia cyfrowego w Arduino. Arduino jest zaprogramowany do pomiaru szerokości impulsu odbieranego impulsu.

W tej konstrukcji odbierana szerokość impulsu jest określona przez indukcyjność cewki odbiorczej i kondensator. Przy braku obiektów w zasięgu, szerokość impulsu linii bazowej mierzy około 5000 uS. Gdy obce przedmioty metalowe znajdą się w zasięgu rozszerzającego się i zapadającego pola magnetycznego, powoduje to indukowanie części energii w obiekcie w postaci prądów wirowych. (Indukcja elektromagnetyczna)

Wynik netto jest taki, że odbierana szerokość impulsu jest zmniejszona, ta różnica w szerokości impulsu jest mierzona przez Arduino i wyświetlana na wyświetlaczu TFT w różnych formatach.

Opcja wyświetlania 1: Pozycja celu pod głowicą detektora

Moim zamiarem było użycie 4 cewek do triangulacji pozycji celu pod głowicą detektora. Nieliniowy charakter cewek wyszukiwania sprawił, że było to trudne, jednak animowany-g.webp

Opcja wyświetlania 2: Pokaż ślad sygnału dla każdej cewki wyszukiwania

Umożliwia to śledzenie, gdzie obiekt docelowy znajduje się pod głową, rysując na ekranie niezależny ślad siły sygnału dla każdej cewki wyszukiwania. Jest to przydatne do określenia, czy masz dwa cele blisko siebie pod głowicą detektora i ich względnej siły.

Praktyczne zastosowania

Takie podejście umożliwia użycie pierwszego widoku do identyfikacji celu, a drugiego widoku do wskazania go na kilka milimetrów, jak pokazano w klipie wideo.

Krok 2: Zbierz materiały

Zestawienie materiałów

1. Arduino Mega 2560 (elementy 1, 2 i 3 można kupić jako jedno zamówienie w pakiecie)
2. Ekran dotykowy TFT LCD 3,2" (zawieram kod dla 3 obsługiwanych wersji)
3. TFT 3,2 cala Mega Tarcza
4. Tranzystor BC548 x 8
5. Kondensator Greencap 0,047 uf x 4 (50 v)
6. Kondensator Greencap 0,1 uf x 1 (50 v)
7. Rezystor 1k x 4
8. 47 Rezystor x 4
9. Rezystor 10k x 4
10. Rezystor 1M x 4
11. Rezystor 2,2k x 4
12. SPST Mini przełącznik kołyskowy
13. Układ scalony Poczwórny komparator różnicowy LM339
14. Diody sygnałowe IN4148 x 4
15. Miedziana szpula drutu o średnicy 0,3 mm x 2
16. Dwużyłowy kabel ekranowany - średnica 4,0 mm - długość 5 m
17. Akumulator USB 4400mHa
18. Brzęczyk piezoelektryczny
19. Tablica Vero 80x100mm
20. Plastikowa obudowa minimalna wysokość 100 mm, głębokość 55 mm, szerokość 160 mm
21. Opaski
22. Drewno MDF 6-8mm Grubość - 23cm x 23cm kwadratowe kawałki x 2
23. Przedłużacz Micro USB 10cm
24. Kabel z wtyczką USB-A, który można przyciąć do 10 cm długości
25. Gniazdo słuchawkowe Audio Jack - stereo
26. Głowica wykrywacza różnych elementów dystansowych z drewna i tworzywa sztucznego
27. Rączka do miotły Speed Mop z regulowanym przegubem (tylko ruch w jednej osi - zobacz zdjęcia)
28. Jeden kawałek papieru A3
29. Klej w sztyfcie
30. Wyrzynarka elektryczna z wyrzynarką
31. Arkusz A4 Karton o grubości 3 mm do tworzenia formowania cewek dla cewek TX i Rx
32. Taśma klejąca
33. Pistolet na gorący klej
34. Klej elektryczny
35. 10 dodatkowych pinów nagłówka Arduino
36. Piny terminala PCB x 20
37. Dwuskładnikowy klej epoksydowy - czas schnięcia 5 minut
38. Nóż rzeźbiarski
39. 5mm plastikowa rurka o długości 30mm x 4 (użyłem rurki do podlewania ogrodu ze sklepu z narzędziami)
40. Wodoodporny uszczelniacz MDF (upewnij się, że nie zawiera metalu)
41. Elastyczny przewód elektryczny 60 cm - szary - średnica 25 mm

Krok 3: Zbuduj głowicę detektora

1. Konstruowanie zespołu głowicy

Uwaga: Zdecydowałem się zbudować dość złożony układ montażowy dla 8 cewek z drutu miedzianego, które są używane w głowicy detektora. Wiązało się to z wycięciem szeregu otworów z dwóch warstw MDF, jak widać na powyższych fotografiach. Teraz skompletowałem jednostkę, którą polecam użyć tylko jednego wyciętego koła o średnicy 23 cm i przymocować cewki do tej pojedynczej warstwy MDF za pomocą gorącego kleju. Skraca to czas budowy, a także oznacza, że głowica jest lżejsza.

Rozpocznij od wydrukowania dostarczonego szablonu na kartce papieru A3, a następnie przyklej go do płyty MDF, aby uzyskać wskazówki dotyczące pozycjonowania cewek.

Za pomocą wyrzynarki elektrycznej ostrożnie wytnij z płyty MDF okrąg o średnicy 23 cm.

2. Nawijanie cewek

Użyj kartonu, aby stworzyć dwa cylindry o długości 10 cm połączone taśmą klejącą. Średnica cewek nadawczych musi wynosić 7 cm, a cewek odbiorczych 4 cm.

Umieść szpulkę z drutu miedzianego na kolcu, aby mogła się swobodnie obracać. Przymocuj początek drutu miedzianego do tekturowego cylindra za pomocą taśmy klejącej. Wind 40 mocno skręca na cylinder, a następnie użyj taśmy klejącej, aby związać koniec.

Użyj kleju na gorąco, aby połączyć zwoje w co najmniej 8 punktach na obwodzie zwojów. Po ostygnięciu, palcami poluzuj cewkę, a następnie przymocuj ją do szablonu głowicy wykrywacza metali za pomocą kleju na gorąco. Wywierć dwa otwory w płycie MDF obok cewki i przełóż końce cewki na górną stronę głowicy wykrywacza metali.

Powtórz to ćwiczenie, aby zbudować i zamontować 4 cewki odbiorcze i 4 cewki nadawcze. Po zakończeniu przez górną część głowicy wykrywacza metalu powinno wystawać 8 par przewodów.

3. Podłącz kable ekranowane

Przeciąć ekranowany kabel dwużyłowy o długości 5 m na 8 odcinków. Zdejmij i przylutuj podwójny rdzeń do każdej cewki nadawczej i odbiorczej, pozostawiając ekran odłączony na końcu kabla z głowicą detektora.

Przetestuj cewki i połączenia kablowe na drugim końcu każdego kabla za pomocą omomierza. Każda cewka zarejestruje kilka omów i powinna być spójna odpowiednio dla wszystkich cewek odbiorczych i nadawczych.

Po przetestowaniu użyj pistoletu do klejenia na gorąco, aby przymocować 8 kabli do środka głowicy detektora, gotowych do zamocowania uchwytu i wykończenia głowicy.

Radzę rozebrać i ocynować każdy z ekranowanych rdzeni kabla na drugim końcu w ramach przygotowań do przyszłych testów. Podłącz przewód uziemiający do każdego ekranu kabla, ponieważ będzie on podłączony do uziemienia w jednostce głównej. To zatrzymuje zakłócenia między każdym kablem.

Użyj multimetru, aby określić, która cewka jest którą, i przyklej etykiety samoprzylepne, aby można je było łatwo zidentyfikować do przyszłego montażu.

Krok 4: Złóż obwód do testowania

1. Montaż płyty chlebowej

Moim zaleceniem jest użycie płytki do krojenia chleba, aby najpierw skonfigurować i przetestować obwód, zanim zdecydujesz się na płytkę Vero i obudowę. Daje to możliwość dostosowania wartości komponentów lub modyfikacji kodu, jeśli jest to wymagane ze względu na czułość i stabilność. Cewki nadawcze i odbiorcze muszą być połączone, aby były nawinięte w tym samym kierunku, co jest łatwiejsze do przetestowania na płytce stykowej przed oznaczeniem przewodów do przyszłego podłączenia do płytki Vero.

Zmontuj elementy zgodnie ze schematem obwodu i podłącz cewki głowicy detektora za pomocą przewodu połączeniowego.

Połączenia z Arduino najlepiej wykonać za pomocą przewodu do mocowania płytki chlebowej przylutowanej do ekranu TFT. W przypadku połączeń pinów cyfrowych i analogowych dodałem pin Header, który pozwolił mi uniknąć lutowania bezpośrednio do płytki Arduino. (Widzieć zdjęcie)

2. Biblioteki IDE

Muszą one zostać pobrane i dodane do IDE (zintegrowanego środowiska programistycznego), które działa na twoim komputerze, używanego do pisania i przesyłania kodu komputerowego na fizyczną płytkę. UTFT.h i URtouch.h znajdujące się w pliku zip poniżej

Podziękowania dla UTFT.h i URtouch.h należą do Rinky-Dink Electronics. Dołączyłem te pliki zip, ponieważ wydaje się, że witryna źródłowa nie działa.

3. Testowanie

Dołączyłem program testowy do obsługi początkowej konfiguracji, dzięki czemu możesz poradzić sobie z problemami z orientacją cewki. Załaduj kod testowy do Arduino IDE i prześlij do Mega. Jeśli wszystko działa, powinieneś zobaczyć ekran testowy jak powyżej. Każda cewka powinna wytwarzać wartość stanu ustalonego około 4600uS w każdym kwadrancie. Jeśli tak nie jest, odwróć polaryzację uzwojeń na cewce TX lub RX i przetestuj ponownie. Jeśli to nie zadziała, sugeruję sprawdzenie każdej cewki indywidualnie i powrót do obwodu w celu rozwiązania problemu. Jeśli masz już 2 lub 3 działające, porównaj je z cewkami/obwodami, które nie działają.

Uwaga: Dalsze testy wykazały, że kondensatory 0.047uf w obwodzie RX mają wpływ na całą czułość. Moja rada jest taka, że gdy obwód pracuje na płytce stykowej, spróbuj zwiększyć tę wartość i przetestować za pomocą monety, ponieważ odkryłem, że może to poprawić czułość.

Nie jest to obowiązkowe, jednak jeśli masz oscyloskop, możesz również obserwować TX Pulse i RX Pulse, aby upewnić się, że cewki są prawidłowo podłączone. Zobacz komentarze na zdjęciach, aby to potwierdzić.

UWAGA: W tej sekcji zamieściłem dokument PDF ze śladami oscyloskopu dla każdego etapu obwodu, aby pomóc w rozwiązaniu wszelkich problemów

Krok 5: Zbuduj obwód i obudowę

Gdy urządzenie zostanie przetestowane zgodnie z oczekiwaniami, możesz wykonać kolejny krok i zbudować płytkę drukowaną i obudowę.

1. Przygotuj obudowę

Rozłóż główne komponenty i umieść je w swoim przypadku, aby określić, jak wszystko będzie pasować. Wytnij płytkę Vero, aby pomieścić elementy, jednak upewnij się, że zmieścisz się w dolnej części obudowy. Uważaj na akumulatory, ponieważ mogą one być dość nieporęczne.

Wywierć otwory, aby zmieścić tylne wejście kabli głowy, włącznik zasilania, zewnętrzny port USB, port programowania Arduino i gniazdo słuchawkowe stereo.

Oprócz tego wywierć 4 otwory montażowe na środku przedniej strony obudowy, w której będzie uchwyt. Te otwory muszą być w stanie przełożyć przez nie opaskę kablową w przyszłych krokach.

2. Złóż tablicę Vero

Postępuj zgodnie ze schematem obwodu i obrazkiem powyżej, aby umieścić komponenty na płytce Vero.

Użyłem pinów zaciskowych PCB, aby umożliwić łatwe podłączenie kabli cewki głowicy do płytki drukowanej. Zamontuj Piezo Buzzer na płytce drukowanej wraz z układem scalonym i tranzystorami. Starałem się, aby komponenty TX, RX były wyrównane od lewej do prawej i upewniłem się, że wszystkie połączenia z zewnętrznymi cewkami znajdują się na jednym końcu Vero Boar. (zobacz układ na zdjęciach)

3. Podłącz kable cewki

Zbuduj uchwyt na kable dla przychodzących kabli ekranowanych z płyty MDF, jak pokazano na zdjęciach. Składa się z 8 otworów wywierconych w MDF, aby umożliwić ułożenie kabli wyrównane do pinów terminala PCB. Po dołączeniu każdej cewki opłaca się stopniowo testować obwód, aby zapewnić prawidłową orientację cewki.

4. Przetestuj urządzenie

Podłącz zasilacz USB, przełącznik zasilania, gniazdo słuchawkowe audio i umieść wszystkie przewody i kable, aby zapewnić ciasne dopasowanie do obudowy. Użyj kleju na gorąco, aby utrzymać przedmioty w miejscu, aby upewnić się, że nic nie może grzechotać. Tak jak w poprzednim kroku, załaduj kod testowy i upewnij się, że wszystkie cewki działają zgodnie z oczekiwaniami.

Sprawdź, czy zasilacz USB ładuje się prawidłowo, gdy jest podłączony zewnętrznie. Upewnij się, że jest wystarczająco dużo miejsca do podłączenia kabla Arduino IDE.

5. Wytnij apeturę ekranu

Ustaw ekran na środku pudełka i zaznacz krawędzie wyświetlacza LCD na przednim panelu, aby przygotować je do wycięcia otworu. Używając noża rzemieślniczego i metalowej linijki, ostrożnie natnij pokrywę obudowy i wytnij otwór.

Po wyszlifowaniu i zmieleniu w celu ukształtowania ostrożnie umieść pokrywę, upewniając się, że wszystkie elementy, płyty, przewody i ekran są utrzymywane na miejscu za pomocą przekładek i gorącego kleju.

7. Zbuduj osłonę przeciwsłoneczną

Znalazłem starą czarną obudowę, którą udało mi się wyciąć i wykorzystać jako osłonę przeciwsłoneczną, jak pokazano na powyższych zdjęciach. Przyklej to do przedniego panelu za pomocą dwuskładnikowej żywicy epoksydowej przez 5 minut.

Krok 6: Przymocuj uchwyt i futerał do głowicy detektora

Teraz, gdy elektronika i głowica detektora są już zbudowane, pozostaje tylko dokończyć montaż urządzenia w bezpieczny sposób.

1. Przymocuj głowę do uchwytu

Zmodyfikuj połączenie uchwytu, aby umożliwić przymocowanie go do głowy za pomocą dwóch śrub. Najlepiej, jeśli chcesz zminimalizować ilość metalu w pobliżu cewek, więc użyj małych wkrętów do drewna i dużej ilości 5-minutowego 2-częściowego kleju epoksydowego, aby przymocować do głowicy. Zobacz zdjęcia powyżej.

2. Zasznurować okablowanie głowy

Używając opasek kablowych ostrożnie splataj przewody, dodając opaskę kablową co 10 cm wzdłuż ekranowanego okablowania. Zadbaj o to, aby wypracować najlepszą pozycję etui, aby łatwo było zobaczyć ekran, sięgnąć do elementów sterujących i podłączyć słuchawki/wtyczki.

3. Przymocuj elektronikę do uchwytu

Zbuduj blok montażowy 45 stopni z płyty MDF, aby umożliwić przymocowanie obudowy pod kątem, co oznacza, że podczas przesuwania detektora po ziemi możesz łatwo zobaczyć wyświetlacz TFT. Zobacz zdjęcie powyżej.

Przymocuj obudowę elektroniki do uchwytu za pomocą opasek kablowych biegnących przez blok montażowy i do obudowy przez wcześniej wywiercone otwory montażowe.

4. Zakończ głowicę detektora

Cewki głowicy detektora muszą być mocowane bez ruchu w okablowaniu, więc jest to dobry moment na użycie kleju na gorąco w celu dokładnego zamocowania wszystkich cewek na miejscu.

Głowica detektora musi być również wodoodporna, dlatego ważne jest, aby spryskać płytę MDF przezroczystym uszczelniaczem (z oczywistych względów uszczelniacz nie zawiera metalu).

Wywierć otwory o średnicy 5 mm w środku każdej cewki i przeprowadź przez nią plastikową rurkę o wymiarach 5 mm x 30 mm, aby umożliwić wbijanie drewnianych szpikulców w glebę poniżej po wycelowaniu szpilką w cel. Użyj pistoletu do klejenia na gorąco, aby zablokować na miejscu.

Następnie pokryłem górną część głowy plastikową płytką, a spód grubą plastikową okładką książki, wykańczając krawędź elastycznym przewodem elektrycznym przyciętym i przyklejonym na gorąco.

Krok 7: Końcowy montaż i testowanie

1. Ładowanie

Umieść standardową ładowarkę do telefonu komórkowego w porcie Micro USB i upewnij się, że urządzenie jest odpowiednio naładowane.

2. Prześlij kod

Użyj Arduino IDE, aby przesłać załączony kod.

3. Przycisk wyciszania

Urządzenie domyślnie jest wyciszane po włączeniu zasilania. Jest to oznaczone czerwonym przyciskiem wyciszenia w dolnej lewej części ekranu. Aby włączyć dźwięk, naciśnij ten przycisk, a przycisk powinien zmienić kolor na zielony, co oznacza, że dźwięk jest włączony.

Po wyłączeniu wyciszenia wewnętrzny brzęczyk i zewnętrzne gniazdo telefoniczne audio będą wydawać dźwięk.

4. Kalibracja

Kalibracja przywraca ślad na dół ekranu poniżej linii progowych. Po pierwszym włączeniu urządzenie automatycznie się skalibruje. Urządzenie jest niezwykle stabilne, jednak jeśli istnieje potrzeba ponownej kalibracji, można to zrobić, dotykając przycisku kalibracji na ekranie, który dokona ponownej kalibracji w mniej niż sekundę.

5. Progi

Jeśli sygnał na dowolnym śladzie przekracza linię progową (linia przerywana na ekranie), a przycisk wyciszenia jest wyłączony, zostanie wygenerowany sygnał dźwiękowy.

Progi te można regulować w górę iw dół, dotykając ekranu powyżej lub poniżej każdej linii śledzenia.

6. Regulacja PW i DLY

Czas trwania impulsu do cewki i opóźnienie między impulsami można regulować za pomocą wyświetlacza dotykowego. Jest to naprawdę miejsce do eksperymentowania, dzięki czemu można przetestować różne środowiska i skarby, aby uzyskać najlepsze wyniki.

7. Typy wyświetlania

Istnieją 4 różne typy wyświetlaczy

Opcja wyświetlania 1: Pozycja celu pod głowicą detektora Moim zamiarem było użycie 4 cewek do triangulacji pozycji celu pod głowicą detektora. Nieliniowy charakter cewek wyszukiwania sprawił, że było to trudne, jednak animowany-g.webp

Opcja wyświetlania 2: Pokaż ślad sygnału dla każdej cewki wyszukiwania Umożliwia śledzenie położenia obiektu docelowego pod głową poprzez narysowanie na ekranie niezależnego śladu siły sygnału dla każdej cewki wyszukiwania. Jest to przydatne do określenia, czy masz dwa cele blisko siebie pod głowicą detektora i ich względnej siły.

Opcja wyświetlania 3: taka sama jak opcja 2, jednak grubsza linia ułatwia zauważenie.

Opcja wyświetlania 4: Taka sama jak opcja 2, jednak rysuje na 5 ekranach przed usunięciem śladu. Dobry do przechwytywania słabych sygnałów.

W ciągu najbliższych kilku tygodni będę testować w terenie, więc opublikuję wszelkie znaleziska skarbów.

Teraz idź się zabawić i znajdź jakiś skarb!!

Krok 8: Epilog: Wariacje cewki

Pojawiło się wiele dobrych, ciekawych pytań i sugestii dotyczących konfiguracji cewek. Podczas opracowywania tego instruktażu przeprowadzono wiele eksperymentów z różnymi konfiguracjami cewek, o których warto wspomnieć.

Powyższe zdjęcia pokazują niektóre cewki, które wypróbowałem przed ustaleniem obecnego projektu. Jeśli masz dodatkowe pytania, napisz do mnie.

Możesz dalej eksperymentować!

I Nagroda w Wyzwaniu Wynalazczości 2017

I nagroda w konkursie Explore Science 2017