Jednostavan Arduino detektor metala: 8 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:32

*** Objavljena je nova verzija koja je još jednostavnija: https://www.instructables.com/Minimal-Arduino-Metal-Detector/ ***

Otkrivanje metala sjajno je vrijeme koje vas vodi napolje, otkrivate nova mjesta i možda pronađete nešto zanimljivo. Provjerite lokalne propise o tome kako postupiti u slučaju eventualnog nalaza, osobito u slučaju opasnih predmeta, arheoloških relikvija ili predmeta od značajne gospodarske ili emocionalne vrijednosti.

Upute za DIY metal detektore su brojne, ali ovaj recept je poseban u smislu da osim Arduino mikrokontrolera zahtijeva vrlo malo komponenti: zajednički kondenzator, otpornik i dioda čine jezgru, zajedno sa zavojnicom za pretraživanje koja se sastoji od oko 20 namota električno provodljivog kabela. Zatim se dodaju LED diode, zvučnik i/ili slušalice za signalizaciju prisutnosti metala u blizini zavojnice za pretraživanje. Dodatna prednost je što se svi mogu napajati iz jednog napona od 5 V, za što je dovoljna uobičajena USB napajanje od 2000 mAh i trajat će mnogo sati.

Za tumačenje signala i razumijevanje na koje materijale i oblike je detektor osjetljiv, zaista pomaže razumjeti fiziku. Zlatno pravilo, detektor je osjetljiv na objekte na udaljenosti ili dubini do radijusa zavojnice. Najosjetljiviji je na objekte u kojima u ravnini zavojnice može teći struja, a odziv će odgovarati području strujne petlje u tom objektu. Tako će metalni disk u ravnini zavojnice dati mnogo jači odziv od istog metalnog diska okomitog na zavojnicu. Težina predmeta nije važna. Tanak komad aluminijske folije orijentiran u ravnini zavojnice dat će mnogo jači odgovor od vijka od teškog metala.

Korak 1: Princip rada

Kad struja počne teći kroz zavojnicu, ona stvara magnetsko polje. Prema Faradayevom zakonu indukcije, promjenjivo magnetsko polje rezultirat će električnim poljem koje se protivi promjeni magnetskog polja. Tako će se na zavojnici razviti napon koji se protivi povećanju struje. Taj se učinak naziva samoinduktivitet, a jedinica induktivnosti je Henry, gdje zavojnica od 1 Henry razvija razliku potencijala od 1V kad se struja promijeni za 1 Amper u sekundi. Induktivnost zavojnice s N namota i polumjerom R je približno 5µH x N^2 x R, s R u metrima.

Prisutnost metalnog predmeta u blizini zavojnice promijenit će njegovu induktivnost. Ovisno o vrsti metala, induktivitet se može povećati ili smanjiti. Ne-magnetski metali poput bakra i aluminija u blizini zavojnice smanjuju induktivnost, jer će promjenjivo magnetsko polje izazvati vrtložne struje u objektu koje smanjuju intenzitet lokalnog magnetskog polja. Feromagnetni materijali, poput željeza, u blizini zavojnice povećavaju njenu induktivnost jer se inducirana magnetska polja poravnavaju s vanjskim magnetskim poljem.

Mjerenje induktiviteta zavojnice može tako otkriti prisutnost metala u blizini. S Arduinom, kondenzatorom, diodom i otpornikom moguće je mjeriti induktivitet zavojnice: čineći zavojnicu dijelom visokopropusnog LR filtra i napajajući je blok-valom, stvorit će se kratki šiljci pri svakom tranzicija. Duljina impulsa ovih šiljaka proporcionalna je induktivnosti zavojnice. Zapravo, karakteristično vrijeme LR filtra je tau = L/R. Za zavojnicu od 20 namota i promjera 10 cm, L ~ 5µH x 20^2 x 0,05 = 100µH. Za zaštitu Arduina od prekomjerne struje, minimalni otpor je 200Ohm. Očekujemo stoga impulse duljine oko 0,5 mikrosekundi. Teško ih je izravno mjeriti velikom preciznošću, s obzirom na to da je frekvencija takta Arduina 16MHz.

Umjesto toga, rastući impuls može se koristiti za punjenje kondenzatora, koji se zatim može očitati s Arduino analogno -digitalno pretvorenim (ADC). Očekivano punjenje od 0,5 mikrosekundnog impulsa od 25 mA je 12,5 nC, što će dati 1,25 V na kondenzatoru od 10 nF. Pad napona na diodi to će smanjiti. Ako se impuls ponovi nekoliko puta, naboj na kondenzatoru raste na ~ 2V. To se može očitati s Arduino ADC -om pomoću analogRead (). Kondenzator se tada može brzo isprazniti promjenom igle za očitavanje na izlaz i postavljanjem na 0V na nekoliko mikrosekundi. Cijelo mjerenje traje oko 200 mikrosekundi, 100 za punjenje i resetiranje kondenzatora i 100 za ADC konverziju. Preciznost se može uvelike ponoviti ponavljanjem mjerenja i usrednjavanjem rezultata: prosječno 256 mjerenja traje 50 ms i poboljšava preciznost za faktor 16. 10-bitni ADC na ovaj način postiže preciznost 14-bitnog ADC-a.

Dobiveno mjerenje izrazito je nelinearno s induktivnošću zavojnice i stoga nije prikladno za mjerenje apsolutne vrijednosti induktiviteta. Međutim, za detekciju metala zanimaju nas samo male relativne promjene induktivnosti zavojnice zbog prisutnosti obližnjih metala, pa je za to ova metoda savršeno prikladna.

Kalibracija mjerenja može se automatski izvršiti u softveru. Ako se može pretpostaviti da većinu vremena u blizini zavojnice nema metala, odstupanje od prosjeka je signal da se metal približio zavojnici. Korištenje različitih boja ili različitih tonova omogućuje razlikovanje između naglog povećanja ili naglog smanjenja induktivnosti.

Korak 2: Potrebne komponente

Elektronička jezgra:

Arduino UNO R3 + prototip štita ILI Arduino Nano s prototipnom pločom 5x7 cm

10nF kondenzator

Mala signalna dioda, npr. 1N4148

220-ohmski otpornik

Za napajanje:

USB banka za napajanje s kabelom

Za vizualni ispis:

2 LED diode različite boje npr. plava i zelena

2 220Ohm otpornika za ograničavanje struja

Za izlaz zvuka:

Pasivni zujalica

Mikroprekidač za onemogućavanje zvuka

Za izlaz na slušalice:

Priključak za slušalice

1kOhm otpornik

Slušalice

Za jednostavno povezivanje/odvajanje zavojnice za pretraživanje:

2-polni vijčani terminal

Za zavojnicu za pretraživanje:

~ 5 metara tankog električnog kabela

Konstrukcija za držanje zavojnice. Mora biti krut, ali ne mora biti kružnog oblika.

Za strukturu:

Štap od 1 metra, npr. Drvo, plastika ili štapić za selfie.

Korak 3: Zavojnica za pretraživanje

Za zavojnicu za pretraživanje namotao sam oko 4 m namotane žice oko kartonskog cilindra promjera 9 cm, što je rezultiralo s oko 18 namota. Vrsta kabela nije bitna, sve dok je omski otpor najmanje deset puta manji od vrijednosti R u RL filtru, stoga pazite da ostane ispod 20 Ohma. Izmjerio sam 1 Ohm, tako da je to sigurno. Također samo uzimanje poluzavršenog rola spojne žice od 10 metara također funkcionira!

Korak 4: Verzija prototipa

S obzirom na mali broj vanjskih komponenti, savršeno je moguće postaviti krug na malu ploču prototipnog štita. Međutim, konačni rezultat je prilično glomazan i nije jako robustan. Bolje je koristiti Arduino nano i lemiti ga s dodatnim komponentama na prototipnu ploču 5x7 cm (vidi sljedeći korak)

Za stvarno otkrivanje metala koriste se samo 2 Arduino pina, jedan za davanje impulsa LR filteru i jedan za očitavanje napona na kondenzatoru. Pulsiranje se može obaviti s bilo kojeg izlaznog pina, ali očitavanje se mora obaviti jednim od analognih pinova A0-A5. Još 3 pina se koriste za 2 LED diode i za izlaz zvuka.

Evo recepta:

1. Na matičnoj ploči spojite 220Ohm otpornik, diodu i kondenzator od 10nF, s negativnim priključkom diode (crna linija) prema kondenzatoru.
2. Spojite A0 na otpornik (kraj nije spojen na diodu)
3. Spojite A1 na mjesto ukrštanja diode i kondenzatora
4. Spojite nepovezani priključak kondenzatora na masu
5. Spojite jedan kraj zavojnice na križnu točku otpornika i diode
6. Drugi kraj zavojnice spojite na masu
7. Spojite jednu LED sa pozitivnim kontaktom na pin D12, a negativni terminal preko otpornika od 220Ohm na masu
8. Drugu LED diodu s pozitivnim priključkom spojite na pin D11, a negativni terminal preko otpornika od 220 Ohma na masu
9. Po želji, spojite pasivne zujalice ili zvučnik između pina 10 i mase. Kondenzator ili otpornik mogu se dodati serijski za smanjenje glasnoće

To je sve!

Korak 5: Lemljena verzija

Da biste detektor metala iznijeli van, bit će ga potrebno lemiti. Uobičajena prototipna ploča dimenzija 7x5 cm udobno pristaje uz Arduino nano i sve potrebne komponente. Koristite iste sheme kao u prethodnom koraku. Bilo mi je korisno dodati prekidač u nizu sa zujalicom za isključivanje zvuka kada to nije potrebno. Vijčani terminal omogućuje isprobavanje različitih zavojnica bez lemljenja. Sve se napaja putem 5 V isporučenih na (mini- ili mikro-USB) priključak Arduino Nano.

Korak 6: Softver

Ovdje je priložena korištena Arduino skica. Prenesite i pokrenite ga. Koristio sam Arduino 1.6.12 IDE. Preporučuje se da ga pokrenete s debug = true na početku, kako biste podesili broj impulsa po mjerenju. Najbolje je imati ADC očitanje između 200 i 300. Povećajte ili smanjite broj impulsa u slučaju da vaša zavojnica daje drastično različita očitanja.

Skica vrši neku vrstu samokalibracije. Dovoljno je ostaviti zavojnicu mirnu od metala kako bi se utišala. Uslijedit će polagani pomaci u induktivnosti, ali nagle velike promjene neće utjecati na dugoročni prosjek.

Korak 7: Montirajte ga na štap

Budući da ne biste htjeli loviti blago puzeći po podu, tri ploče, zavojnicu i bateriju trebali biste postaviti na kraj štapa. Selfie štapić je idealan za to jer je lagan, sklopiv i podesiv. Moja powerbank od 5000 mAh slučajno je stala na štapić za selfie. Ploča se tada može pričvrstiti kabelskim vezicama ili elastikama, a zavojnica može biti na bateriju ili na štap.

Korak 8: Kako ga koristiti

Za uspostavu referentne vrijednosti dovoljno je zavojnicu ostaviti ~ 5s dalje od metala. Zatim, kada se zavojnica približi metalu, zelena ili plava LED dioda će početi treptati, a u zujalici i/ili slušalicama će se čuti zvučni signal. Plavi treptaji i niski zvučni signali ukazuju na prisutnost neferomagnetskih metala. Zeleni treptaji i visoki zvučni signali ukazuju na prisutnost feromagnetnih metala. Pazite da kada se zavojnica drži više od 5 sekundi u blizini metala, to će očitanje uzeti kao referencu, a zvučni signal će početi piskati kada se detektor odvoji od metala. Nakon nekoliko sekundi zvučnog signala u zraku, ponovno će se utišati. Učestalost bljeskova i zvučnih signala ukazuju na jačinu signala. Sretan lov!