Vienkāršs Arduino metāla detektors: 8 soļi (ar attēliem)

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:51

*** Ir ievietota jauna versija, kas ir vēl vienkāršāka: https://www.instructables.com/Minimal-Arduino-Metal-Detector/ ***

Metāla atklāšana ir lielisks laiks, kas ļauj izkļūt brīvā dabā, atklāt jaunas vietas un, iespējams, atrast kaut ko interesantu. Pārbaudiet vietējos noteikumus par to, kā rīkoties iespējama atraduma gadījumā, jo īpaši bīstamu priekšmetu, arheoloģisku relikviju vai objektu ar ievērojamu ekonomisku vai emocionālu vērtību gadījumā.

Metāla detektoru pašdarināšanas instrukcijas ir daudz, taču šī recepte ir īpaša tādā nozīmē, ka papildus Arduino mikrokontrolleram ir nepieciešami ļoti maz komponentu: kodolu veido kopīgs kondensators, rezistors un diode kopā ar meklēšanas spoli, kas sastāv no aptuveni 20 elektriski vadoša kabeļa tinumi. Pēc tam tiek pievienoti gaismas diodes, skaļrunis un/vai austiņas, lai signalizētu par metāla klātbūtni meklēšanas spoles tuvumā. Papildu priekšrocība ir tā, ka visu var darbināt no vienas 5 V strāvas, kurai pietiek ar kopēju 2000 mAh USB jaudu un ilgs daudzas stundas.

Lai interpretētu signālus un saprastu, uz kādiem materiāliem un formām detektors ir jutīgs, tas patiešām palīdz izprast fiziku. Kā īkšķis, detektors ir jutīgs pret objektiem, kas atrodas attālumā vai dziļumā līdz spoles rādiusam. Tas ir visjutīgākais pret objektiem, kuros spoles plaknē var plūst strāva, un reakcija atbildīs pašreizējā cilpas laukumam šajā objektā. Tādējādi metāla disks spoles plaknē sniegs daudz spēcīgāku atbildi nekā tas pats metāla disks, kas ir perpendikulārs spolei. Objekta svaram nav lielas nozīmes. Plāns alumīnija folijas gabals, kas orientēts spoles plaknē, sniegs daudz spēcīgāku atbildi nekā smagā metāla skrūve.

1. darbība. Darba princips

Kad elektrība sāk plūst caur spoli, tā veido magnētisko lauku. Saskaņā ar Faradeja indukcijas likumu, mainīga magnētiskā lauka rezultātā radīsies elektriskais lauks, kas iebilst pret magnētiskā lauka izmaiņām. Tādējādi visā spolē izveidosies spriegums, kas iebilst pret strāvas palielināšanos. Šo efektu sauc par pašinduktivitāti, un induktivitātes vienība ir Henrijs, kur 1 Henrija spole attīsta potenciālu starpību 1 V, kad strāva mainās par 1 ampēru sekundē. Spoles ar N tinumu un rādiusu R induktivitāte ir aptuveni 5 µH x N^2 x R, un R metros.

Metāla priekšmeta klātbūtne spoles tuvumā mainīs tā induktivitāti. Atkarībā no metāla veida induktivitāte var palielināties vai samazināties. Nemagnētiskie metāli, piemēram, varš un alumīnijs spoles tuvumā, samazina induktivitāti, jo mainīgs magnētiskais lauks objektā izraisīs virpuļstrāvas, kas samazina vietējā magnētiskā lauka intensitāti. Feromagnētiskie materiāli, piemēram, dzelzs, spoles tuvumā palielina tā induktivitāti, jo izraisītie magnētiskie lauki sakrīt ar ārējo magnētisko lauku.

Tādējādi spoles induktivitātes mērīšana var atklāt tuvumā esošo metālu klātbūtni. Izmantojot Arduino, kondensatoru, diodi un rezistoru, ir iespējams izmērīt spoles induktivitāti: padarot spoli par augstas caurlaidības LR filtra daļu un barojot to ar bloku, katru reizi tiks izveidoti īsi tapas. pāreja. Šo tapas impulsa garums ir proporcionāls spoles induktivitātei. Faktiski LR filtra raksturīgais laiks ir tau = L/R. 20 tinumu spolei un 10 cm diametram L ~ 5µH x 20^2 x 0,05 = 100µH. Lai aizsargātu Arduino no pārslodzes, minimālā pretestība ir 200 omi. Tādējādi mēs sagaidām impulsus, kuru garums ir aptuveni 0,5 mikrosekundes. Tos ir grūti izmērīt tieši ar augstu precizitāti, ņemot vērā, ka Arduino pulksteņa frekvence ir 16 MHz.

Tā vietā pieaugošo impulsu var izmantot, lai uzlādētu kondensatoru, ko pēc tam var nolasīt, izmantojot Arduino analogo ciparu pārveidoto (ADC). Paredzamais lādiņš no 0,5 mikrosekundes impulsa 25mA ir 12,5nC, kas uz 10nF kondensatora dos 1,25V. Sprieguma kritums virs diodes to samazinās. Ja impulsu atkārto dažas reizes, kondensatora uzlāde palielinās līdz ~ 2V. To var nolasīt, izmantojot Arduino ADC, izmantojot analogRead (). Pēc tam kondensatoru var ātri izlādēt, mainot nolasīšanas tapu uz izeju un iestatot to uz 0 V dažām mikrosekundēm. Viss mērījums aizņem apmēram 200 mikrosekundes, 100 - kondensatora uzlādēšanai un atiestatīšanai un 100 - ADC pārveidošanai. Precizitāti var ievērojami uzlabot, atkārtojot mērījumu un vidējo rezultātu: vidējo 256 mērījumu veikšana aizņem 50 ms un uzlabo precizitāti par 16 reizēm. Šādā veidā 10 bitu ADC sasniedz 14 bitu ADC precizitāti.

Šis iegūtais mērījums ir ļoti nelineārs ar spoles induktivitāti un tāpēc nav piemērots induktivitātes absolūtās vērtības mērīšanai. Tomēr metāla noteikšanai mūs interesē tikai nelielas spoles induktivitātes relatīvās izmaiņas tuvumā esošo metālu klātbūtnes dēļ, un šī metode ir lieliski piemērota.

Mērījumu kalibrēšanu var veikt automātiski, izmantojot programmatūru. Ja var pieņemt, ka lielākoties spoles tuvumā nav metāla, novirze no vidējās ir signāls, ka metāls ir nonācis spoles tuvumā. Dažādu krāsu vai dažādu toņu izmantošana ļauj izšķirt pēkšņu induktivitātes palielināšanos vai pēkšņu samazināšanos.

2. darbība. Nepieciešamās sastāvdaļas

Elektroniskais kodols:

Arduino UNO R3 + vairoga prototips VAI Arduino Nano ar 5x7 cm prototipa dēli

10nF kondensators

Maza signāla diode, piem. 1N4148

220 omu rezistors

Jaudai:

USB strāvas banka ar kabeli

Vizuālai izvadei:

2 dažādu krāsu gaismas diodes, piem. zils un zaļš

2 220 omi rezistori, lai ierobežotu strāvas

Skaņas izvadei:

Pasīvs skaņas signāls

Mikroslēdzis, lai atspējotu skaņu

Austiņu izvadei:

Austiņu savienotājs

1 kOhm rezistors

Austiņas

Lai viegli pievienotu/atvienotu meklēšanas spoli:

2-kontaktu skrūves terminālis

Meklēšanas spolei:

~ 5 metrus plāns elektriskais kabelis

Struktūra spoles turēšanai. Tam jābūt stingram, bet tam nav jābūt apļveida.

Par struktūru:

1 metra nūja, piemēram, koka, plastmasas vai pašbilde.

3. darbība: meklēšanas spole

Meklēšanas spolei es aptinu ~ 4 m vītā stieples ap kartona cilindru ar 9 cm diametru, kā rezultātā tika iegūti aptuveni 18 tinumi. Kabeļa veidam nav nozīmes, ja vien omiskā pretestība ir vismaz desmit reizes mazāka par R vērtību RL filtrā, tāpēc pārliecinieties, ka tā ir zemāka par 20 omiem. Es izmērīju 1 omu, tāpēc tas ir droši. Vienkārši paņemot arī puspabeigtu 10 m rullīti savienotājstieples!

4. solis: prototipa versija

Ņemot vērā nelielo ārējo komponentu skaitu, ir pilnīgi iespējams uzstādīt shēmu uz prototipa vairoga mazās maizes dēļa. Tomēr gala rezultāts ir diezgan apjomīgs un nav ļoti stabils. Labāk ir izmantot Arduino nano un pielodēt to ar papildu komponentiem uz 5x7 cm izmēra prototipa plates (skat. Nākamo soli)

Faktiskajai metāla noteikšanai tiek izmantotas tikai 2 Arduino tapas, viena impulsu nodrošināšanai LR filtram un otra - kondensatora sprieguma nolasīšanai. Pulsēšanu var veikt no jebkuras izejas tapas, bet nolasīšana jāveic ar vienu no analogajām tapām A0-A5. Vēl 3 tapas tiek izmantotas 2 gaismas diodēm un skaņas izvadīšanai.

Šeit ir recepte:

1. Uz maizes dēļa virknē pievienojiet 220 omu rezistoru, diode un 10 nF kondensatoru ar diodes negatīvo spaili (melno līniju) kondensatora virzienā.
2. Pievienojiet A0 rezistoram (gals nav pievienots diodei)
3. Savienojiet A1 ar diodes un kondensatora krustpunktu
4. Pievienojiet kondensatora nesavienoto spaili zemē
5. Savienojiet vienu spoles galu ar rezistora-diodes šķērspunktu
6. Pievienojiet spoles otru galu zemei
7. Pievienojiet vienu gaismas diodi ar pozitīvo spaili pie tapas D12 un negatīvo spaili ar 220 omu rezistoru pie zemes
8. Pievienojiet otru gaismas diodi ar pozitīvo spaili pie tapas D11 un negatīvo spaili caur 220 omu rezistoru pie zemes
9. Pēc izvēles pievienojiet pasīvās zvana austiņas vai skaļruni starp 10. tapu un zemi. Lai samazinātu skaļumu, sērijveidā var pievienot kondensatoru vai rezistoru

Tas ir viss!

5. solis: lodēta versija

Lai iznestu metāla detektoru ārā, tas būs jālodē. Parastā 7x5 cm izmēra tāfeles prototips ir piemērots Arduino nano un visām nepieciešamajām sastāvdaļām. Izmantojiet tādas pašas shēmas kā iepriekšējā solī. Man šķita noderīgi sērijveidā pievienot slēdzi ar skaņas signālu, lai izslēgtu skaņu, kad tas nav nepieciešams. Skrūves terminālis ļauj izmēģināt dažādas spoles bez lodēšanas. Viss tiek barots caur 5V, kas tiek piegādāts Arduino Nano (mini vai mikro-USB) portam.

6. darbība: programmatūra

Izmantotā Arduino skice ir pievienota šeit. Augšupielādējiet un palaidiet to. Es izmantoju Arduino 1.6.12 IDE. Ieteicams to palaist ar atkļūdošanu = true, lai noregulētu impulsu skaitu vienā mērījumā. Vislabāk ir, ja ADC rādījums ir no 200 līdz 300. Palieliniet vai samaziniet impulsu skaitu, ja jūsu spole sniedz krasi atšķirīgus rādījumus.

Skice veic sava veida paškalibrēšanu. Ir pietiekami atstāt spoli klusu prom no metāliem, lai tā klusētu. Tiks ievērotas lēnas induktivitātes novirzes, bet pēkšņas lielas izmaiņas neietekmēs vidējo ilgtermiņa rādītāju.

7. solis: uzstādīšana uz nūjas

Tā kā jūs nevēlaties nodarboties ar dārgumu meklēšanu, rāpojot pa grīdu, trīs dēlis, spole un akumulators ir jāuzstāda nūjas galā. Pašbildes ir ideāli piemērotas šim nolūkam, jo tās ir vieglas, saliekamas un regulējamas. Mana 5000mAh jaudas banka ietilpa selfiju nūjā. Pēc tam dēli var piestiprināt ar kabeļu saitēm vai elastīgām vielām, un spole var būt līdzīga akumulatoram vai nūjai.

8. darbība. Kā to izmantot

Lai noteiktu atsauci, pietiek atstāt spoli ~ 5s prom no metāliem. Tad, kad spole ir tuvu metālam, zaļā vai zilā gaismas diode sāks mirgot un skaņas signālā un/vai austiņās atskanēs pīkstieni. Zili mirgojoši signāli un zems skaņas signāls norāda uz neferomagnētiskiem metāliem. Zaļā mirgošana un skaņas signāli ar augstu signālu norāda uz feromagnētisko metālu klātbūtni. Uzmanieties, ka tad, ja spole tiek turēta pie metāla vairāk nekā 5 sekundes, tā tiks ņemta par atsauci un sāks pīkstēt, kad detektors tiks noņemts no metāla. Pēc dažām sekundēm pīkstot gaisā, tas atkal kļūs kluss. Mirgošanas un pīkstienu biežums norāda signāla stiprumu. Priecīgas medības!