Paprastas „Arduino“metalo detektorius: 8 žingsniai (su nuotraukomis)

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:44

*** Paskelbta nauja versija, kuri yra dar paprastesnė: https://www.instructables.com/Minimal-Arduino-Metal-Detector/ ***

Metalo aptikimas yra puikus praeities laikas, leidžiantis išeiti į lauką, atrasti naujų vietų ir galbūt rasti ką nors įdomaus. Pasitarkite su savo vietiniais teisės aktais, kaip elgtis aptikus galimą radinį, ypač jei tai pavojingi objektai, archeologinės relikvijos ar didelės ekonominės ar emocinės vertės objektai.

„Pasidaryk pats“metalo detektorių instrukcijų yra daug, tačiau šis receptas yra ypatingas ta prasme, kad be „Arduino“mikrovaldiklio jam reikia labai nedaug komponentų: bendras kondensatorius, rezistorius ir diodas sudaro šerdį kartu su paieškos ritine, kurią sudaro apie 20 elektros laidų kabelių apvijos. Tada pridedami šviesos diodai, garsiakalbis ir (arba) ausinės, signalizuojančios apie metalo buvimą šalia paieškos ritės. Papildomas pranašumas yra tas, kad visi gali būti maitinami iš vieno 5 V maitinimo šaltinio, kuriam pakanka bendros 2000 mAh USB galios ir ji truks daug valandų.

Norint suprasti signalus ir suprasti, kokioms medžiagoms ir formoms detektorius yra jautrus, tai tikrai padeda suprasti fiziką. Kaip taisyklė, detektorius yra jautrus objektams, esantiems atstumu arba gylyje iki ritės spindulio. Jis jautriausias objektams, kuriuose ritės plokštumoje gali tekėti srovė, o atsakas atitiks to objekto srovės kilpos plotą. Taigi metalinis diskas ritės plokštumoje duos daug stipresnį atsaką nei tas pats metalinis diskas, statmenas ritė. Objekto svoris neturi didelės reikšmės. Plonas aliuminio folijos gabalas, nukreiptas į ritės plokštumą, duos daug stipresnį atsaką nei sunkiojo metalo varžtas.

1 žingsnis: darbo principas

Kai elektra pradeda tekėti per ritę, ji sukuria magnetinį lauką. Pagal Faradėjaus indukcijos įstatymą, kintantis magnetinis laukas sukels elektrinį lauką, kuris priešinasi magnetinio lauko pokyčiui. Taigi, ritėje atsiras įtampa, kuri priešinasi srovės padidėjimui. Šis efektas vadinamas savaiminiu induktyvumu, o induktyvumo vienetas yra Henris, kur 1 Henrio ritė sukuria 1 V potencialų skirtumą, kai srovė keičiasi 1 amperu per sekundę. Ritės su N apvijomis ir spinduliu R induktyvumas yra maždaug 5µH x N^2 x R, o R metrais.

Metalinio objekto buvimas šalia ritės pakeis jo induktyvumą. Priklausomai nuo metalo tipo, induktyvumas gali padidėti arba sumažėti. Nemagnetiniai metalai, tokie kaip varis ir aliuminis šalia ritės, sumažina induktyvumą, nes kintantis magnetinis laukas sukels sūkurines sroves objekte, mažindamas vietinio magnetinio lauko intensyvumą. Feromagnetinės medžiagos, tokios kaip geležis, šalia ritės padidina jos induktyvumą, nes sukelti magnetiniai laukai sutampa su išoriniu magnetiniu lauku.

Taigi ritės induktyvumo matavimas gali atskleisti metalų buvimą šalia. Naudojant „Arduino“, kondensatorių, diodą ir rezistorių, galima išmatuoti ritės induktyvumą: paverčiant ritę aukšto dažnio LR filtro dalimi ir paduodant jį blokine banga, kiekvienu atveju bus sukurti trumpi šuoliai perėjimas. Šių smaigalių impulsų ilgis yra proporcingas ritės induktyvumui. Tiesą sakant, būdingas LR filtro laikas yra tau = L/R. Kai 20 apvijų ritė yra 10 cm skersmens, L ~ 5µH x 20^2 x 0,05 = 100µH. Siekiant apsaugoti „Arduino“nuo viršsrovių, minimalus atsparumas yra 200 omų. Taigi mes tikimės impulsų, kurių ilgis yra apie 0,5 mikrosekundės. Juos sunku tiksliai išmatuoti, atsižvelgiant į tai, kad „Arduino“laikrodžio dažnis yra 16 MHz.

Vietoj to, kylantį impulsą galima naudoti kondensatoriui įkrauti, kurį vėliau galima nuskaityti naudojant „Arduino“analoginį skaitmeninį konvertavimą (ADC). Numatomas įkrovimas iš 0,5 mikrosekundinio 25 mA impulsų yra 12,5 nC, o tai suteiks 1,25 V įtampą 10 nF kondensatoriuje. Įtampos kritimas virš diodo tai sumažins. Jei impulsas kartojamas kelis kartus, kondensatoriaus krūvis pakyla iki ~ 2V. Tai galima perskaityti naudojant „Arduino ADC“naudojant analogRead (). Tada kondensatorių galima greitai iškrauti, pakeitus skaitymo kaištį į išėjimą ir nustatant jį į 0 V kelioms mikrosekundėms. Visas matavimas užtrunka apie 200 mikrosekundžių, 100 - įkrovimui ir iš naujo nustatymui, o 100 - ADC konversijai. Tikslumą galima labai padidinti pakartojant matavimą ir apskaičiuojant rezultato vidurkį: 256 matavimų vidurkis užtrunka 50 ms, o tikslumas padidėja 16 kartų. Tokiu būdu 10 bitų ADC pasiekia 14 bitų ADC tikslumą.

Šis gautas matavimas yra labai netiesinis su ritės induktyvumu, todėl netinka absoliučiai induktyvumo vertei matuoti. Tačiau metalo aptikimui mus domina tik nedideli santykiniai ritės induktyvumo pokyčiai dėl netoliese esančių metalų, todėl šis metodas puikiai tinka.

Matavimo kalibravimas gali būti atliekamas automatiškai programinėje įrangoje. Jei galima daryti prielaidą, kad dažniausiai šalia ritės nėra metalo, nukrypimas nuo vidurkio yra signalas, kad metalas priartėjo prie ritės. Naudojant skirtingas spalvas ar skirtingus tonus, galima atskirti staigų induktyvumo padidėjimą ar staigų sumažėjimą.

2 žingsnis: reikalingi komponentai

Elektroninė šerdis:

„Arduino UNO R3 +“skydo prototipas ARBA „Arduino Nano“su 5x7 cm prototipo lenta

10nF kondensatorius

Mažas signalo diodas, pvz. 1N4148

220 omų rezistorius

Dėl galios:

USB maitinimo bankas su kabeliu

Vaizdinei išeičiai:

2 skirtingų spalvų šviesos diodai, pvz. mėlyna ir žalia

2 220 omų rezistoriai srovėms apriboti

Garso išėjimui:

Pasyvus garsinis signalas

Mikrojungiklis garsui išjungti

Ausinių išvestis:

Ausinių jungtis

1 kOhm rezistorius

Ausinės

Norėdami lengvai prijungti/atjungti paieškos ritę:

2 kontaktų varžtas

Paieškos ritė:

~ 5 metrų plono elektros kabelio

Konstrukcija, skirta laikyti ritę. Turi būti standus, bet nereikia būti apskrito.

Dėl struktūros:

1 metro lazda, pvz., Medinė, plastikinė ar asmenukių lazda.

3 žingsnis: paieškos ritė

Paieškos ritės atveju aš apvyniojau ~ 4 m vielos vielos aplink 9 cm skersmens kartoninį cilindrą, todėl susidarė apie 18 apvijų. Kabelio tipas yra nesvarbus, jei ominė varža yra bent dešimt kartų mažesnė už R reikšmę RL filtre, todėl įsitikinkite, kad jis yra mažesnis nei 20 omų. Aš išmatavau 1 omą, todėl tai yra saugu. Tiesiog paėmus pusiau baigtą 10 m ritinio sujungimo laidą, taip pat veikia!

4 žingsnis: prototipo versija

Atsižvelgiant į nedidelį išorinių komponentų skaičių, visiškai įmanoma grandinę sumontuoti ant mažos skydo prototipo lentos. Tačiau galutinis rezultatas yra gana didelis ir nėra labai tvirtas. Geriau naudoti „Arduino nano“ir lituoti jį su papildomais komponentais ant 5x7 cm prototipo plokštės (žr. Kitą žingsnį)

Tik metalo aptikimui naudojami tik 2 „Arduino“kaiščiai, vienas impulsams tiekti į LR filtrą, o kitas - kondensatoriaus įtampai nuskaityti. Pulsavimas gali būti atliekamas iš bet kurio išvesties kaiščio, tačiau rodmenis reikia atlikti naudojant vieną iš analoginių kaiščių A0-A5. Dar 3 kaiščiai naudojami 2 šviesos diodams ir garsui išvesti.

Štai receptas:

1. Prie duonos lentos prijunkite 220 omų rezistorių, diodą ir 10 nF kondensatorių nuosekliai, su neigiamu diodo gnybtu (juoda linija) link kondensatoriaus.
2. Prijunkite A0 prie rezistoriaus (galas neprijungtas prie diodo)
3. Prijunkite A1 prie diodo ir kondensatoriaus kryžminio taško
4. Prijunkite neprijungtą kondensatoriaus gnybtą prie žemės
5. Prijunkite vieną ritės galą prie rezistoriaus-diodo kryžminio taško
6. Prijunkite kitą ritės galą prie žemės
7. Prijunkite vieną šviesos diodą su teigiamu gnybtu prie kaiščio D12 ir jo neigiamą gnybtą per 220 omų rezistorių prie žemės
8. Prijunkite kitą šviesos diodą su teigiamu gnybtu prie kaiščio D11 ir jo neigiamą gnybtą per 220 omų rezistorių prie žemės
9. Pasirinktinai prijunkite pasyvias garsines ausines arba garsiakalbį tarp 10 kaiščio ir žemės. Norint sumažinti garsumą, galima nuosekliai pridėti kondensatorių arba rezistorių

Tai viskas!

5 žingsnis: Lituota versija

Norint išnešti metalo detektorių į lauką, reikės jį lituoti. Įprasta patogi 7x5 cm dydžio prototipo plokštė tinka „Arduino nano“ir visiems reikalingiems komponentams. Naudokite tas pačias schemas kaip ir ankstesniame žingsnyje. Man pasirodė naudinga pridėti jungiklį su garsiniu signalu, kad išjungtumėte garsą, kai to nereikia. Sraigtinis gnybtas leidžia išbandyti skirtingus ritinius, nereikia lituoti. Viskas maitinama per 5 V maitinimą, tiekiamą į „Arduino Nano“(mini arba mikro-USB) prievadą.

6 žingsnis: programinė įranga

Naudotas „Arduino“eskizas pridedamas čia. Įkelkite ir paleiskite. Aš naudoju „Arduino 1.6.12 IDE“. Norint sureguliuoti impulsų skaičių per matavimą, rekomenduojama jį paleisti naudojant debug = true. Geriausia, kad ADC rodmuo būtų nuo 200 iki 300. Padidinkite arba sumažinkite impulsų skaičių, jei jūsų ritė parodys labai skirtingus rodmenis.

Eskizas atlieka tam tikrą savikalibravimą. Pakanka palikti ritę tylią nuo metalų, kad ji tylėtų. Bus stebimas lėtas induktyvumo nukrypimas, tačiau staigūs dideli pokyčiai neturės įtakos ilgalaikiam vidurkiui.

7 žingsnis: pritvirtinkite jį prie lazdos

Kadangi nenorėtumėte savo lobių medžioklės šliaužiodami per grindis, trys lentos, ritė ir baterija turėtų būti sumontuoti ant lazdos galo. „Selfie“lazda tam idealiai tinka, nes yra lengva, sulankstoma ir reguliuojama. Mano 5000 mAh galios bankas tilpo ant asmenukės lazdos. Plokštę galima pritvirtinti kabelių raišteliais arba elastinėmis medžiagomis, o ritė taip pat gali būti pritvirtinta prie akumuliatoriaus arba lazdos.

8 žingsnis: kaip juo naudotis

Norint nustatyti atskaitos tašką, pakanka ritę palikti ~ 5s nuo metalų. Tada, kai ritė priartės prie metalo, žalias arba mėlynas šviesos diodas pradės mirksėti ir garsiniame signale ir (arba) ausinėse pasigirs pyptelėjimas. Mėlyni blyksniai ir žemo dažnio pyptelėjimai rodo neferomagnetinių metalų buvimą. Žali blyksniai ir aukšto garso signalai rodo feromagnetinių metalų buvimą. Saugokitės, kad kai ritė bus laikoma ilgiau nei 5 sekundes šalia metalo, šis rodmuo bus laikomas atskaitos tašku ir pradės pypsėti, kai detektorius bus pašalintas iš metalo. Po kelių sekundžių pypsėjimo ore jis vėl nutils. Mirksėjimų ir pyptelėjimų dažnis rodo signalo stiprumą. Laimingos medžioklės!