Ekološki prihvatljiv detektor metala - Arduino: 8 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:37

Otkrivanje metala jako je zabavno. Jedan od izazova je mogućnost sužavanja točnog mjesta za iskopavanje kako bi se smanjila veličina rupe koja je ostala.

Ovaj jedinstveni detektor metala ima četiri zavojnice za pretraživanje, zaslon u boji osjetljiv na dodir za identifikaciju i određivanje lokacije vašeg pronalaska.

Uključuje automatsku kalibraciju, USB punjivo napajanje, s četiri različita načina zaslona, podešavanjem frekvencije i širine impulsa što vam omogućuje prilagodbu načina pretraživanja.

Nakon što odredite blago, jedna rupa centrirana iznad svake zavojnice omogućuje vam da koristite drveni ražanj za uguravanje u zemlju, tako da možete početi iskopati mali utikač sa zemlje smanjujući štetu po okoliš.

Svaka zavojnica može precizno otkriti novčiće i prstenove na dubini od 7-10 cm, pa je idealna za traženje izgubljenih novčića i prstenova po parkovima i plažama.

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

Veliko hvala - ako ste pritisnuli gumb za glasovanje u gornjem desnom kutu za natjecanja "Invention Challenge" i "Explore Science" !!!

puno hvala, TechKiwi

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

Korak 1: Znanost iza otkrivanja metala

Dizajn otkrivanja metala

Postoji više varijacija dizajna detektora metala. Ova posebna vrsta detektora metala je detektor s impulsnom indukcijom koji koristi odvojene zavojnice za prijenos i prijem.

Arduino proizvodi impuls koji se primjenjuje na zavojnicu odašiljača kroz vrlo kratko vrijeme (4uS) putem tranzistora. Ova struja iz impulsa uzrokuje naglo stvaranje magnetskog polja oko zavojnice, polje koje se širi i urušava inducira napon u prijemnoj zavojnici. Taj primljeni signal pojačava prijemni tranzistor, a zatim pomoću naponskog usporednika pretvara u čisti digitalni impuls, a zatim uzorkuje digitalnim ulaznim pinom na Arduinu. Arduino je programiran za mjerenje širine impulsa primljenog impulsa.

U ovom dizajnu, širina primljenog impulsa određena je induktivitetom prijemne zavojnice i kondenzatorom. Bez objekata u dosegu, osnovna širina impulsa mjeri približno 5000 uS. Kada strani metalni predmeti dođu u doseg rastućeg i kolabirajućeg magnetskog polja, to uzrokuje da se dio energije unese u objekt u obliku vrtložnih struja. (Elektromagnetska indukcija)

Neto rezultat je smanjenje primljene širine impulsa, ta razlika u širini impulsa mjeri se Arduinom i prikazuje se na TFT zaslonu u različitim formatima.

Opcija prikaza 1: Položaj cilja ispod glave detektora

Namjera mi je bila koristiti 4 zavojnice za triangulaciju položaja mete ispod glave detektora. Nelinearna priroda zavojnica za pretraživanje učinila je ovo izazovnim, no gornji animirani-g.webp

Opcija prikaza 2: Prikaži trag signala za svaku zavojnicu za pretraživanje

To vam omogućuje da pratite gdje se ciljni objekt nalazi ispod glave crtanjem neovisnog traga jačine signala na zaslonu za svaku zavojnicu za pretraživanje. Ovo je korisno za utvrđivanje imate li dvije mete blizu jedno ispod drugog detektora i relativnu snagu.

Praktične upotrebe

Ovaj pristup omogućuje vam da koristite prvi prikaz za identifikaciju mete, a drugi pogled da ga usmjerite na nekoliko milimetara kako je prikazano u videoisječku.

Korak 2: Prikupite materijale

Prednacrt materijala

1. Arduino Mega 2560 (Stavke 1, 2 i 3 mogu se kupiti kao jedna paketna narudžba)
2. 3.2 "TFT LCD zaslon osjetljiv na dodir (Ive uključeni kod za 3 podržane varijacije)
3. TFT 3.2 -inčni Mega štit
4. Tranzistor BC548 x 8
5. 0,047uf Greencap kondenzator x 4 (50v)
6. 0,1uf Greencap kondenzator x 1 (50v)
7. 1k otpornik x 4
8. 47 Otpornik x 4
9. 10k otpornik x 4
10. 1M otpornik x 4
11. 2.2k otpornik x 4
12. SPST Mini prekidač za ljuljanje
13. Četverodiferencijalni usporednik s integriranim krugom LM339
14. Signalne diode IN4148 x 4
15. Bakrena WireSpool promjera 0,3 mm x 2
16. Dvožilni ekranizirani kabel - promjera 4,0 mm - duljine 5M
17. USB punjiva Powerbank 4400mHa
18. Piezo zujalica
19. Vero ploča 80x100 mm
20. Plastično kućište minimalno 100 mm visine, 55 mm dubine, 160 mm širine
21. Kabelske veze
22. MDF drvo debljine 6-8 mm - kvadratni komadi 23 cm x 23 cm x 2
23. Micro USB produžni kabel 10 cm
24. USB-A utični kabel pogodan za rezanje na 10 cm duljine
25. Audio Jack Point za slušalice - stereo
26. Detektorska glava raznih razmaka od drva i plastike
27. Speed Mop ručka za metlu s podesivim zglobom (samo jednoosno kretanje - pogledajte fotografije)
28. Jedan komad papira A3
29. Ljepilo
30. Rezač električne ubodne pile
31. A4 list kartona debljine 3 mm za stvaranje zavojnica za TX i Rx zavojnice
32. Ljepljiva traka
33. Pištolj za vruće ljepilo
34. Električno ljepilo
35. 10 dodatnih Arduino iglica zaglavlja
36. Priključci na PCB -u x 20
37. Epoksidno ljepilo TwoPart - vrijeme sušenja 5 minuta
38. Zanatski nož
39. Plastična cijev od 5 mm duljine 30 mm x 4 (koristio sam cijevi za zalijevanje vrta iz željezne trgovine)
40. MDF Vodootporno brtvilo (Pazite da ne sadrži metal)
41. Fleksibilni električni vod 60 cm - sivi - promjera 25 mm

Korak 3: Izgradite glavu detektora

1. Konstrukcija sklopa glave

Napomena: Odlučio sam izgraditi prilično složen način montaže za 8 zavojnica bakrene žice koje se koriste u glavi detektora. To je uključivalo izrezivanje niza rupa iz dva sloja MDF -a, kao što se može vidjeti na gornjim fotografijama. Sada sam završio jedinicu koju preporučujem pomoću samo jednog izrezanog kruga promjera 23 cm i pričvršćivanjem zavojnica na ovaj jednostruki sloj MDF -a vrućim ljepilom. Time se skraćuje vrijeme izrade, a također znači da je glava svjetlija.

Počnite ispisivanjem priložene matrice na komad papira A3, a zatim je zalijepite na MDF ploču kako biste dobili vodič za postavljanje zavojnica.

Električnom ubodnom pilom pažljivo izrežite krug promjera 23 cm iz MDF -a.

2. Namotavanje zavojnica

Pomoću kartona stvorite dva cilindra duljine 10 cm koji se drže zajedno s ljepljivom trakom. Promjer prijenosnih zavojnica mora biti 7 cm, a prijemnih zavojnica 4 cm.

Klekulicu od bakrene žice postavite na šiljak tako da se može slobodno okretati. Pričvrstite početak bakrene žice na kartonski cilindar ljepljivom trakom. Vjetar 40 čvrsto se okreće prema cilindru, a zatim pomoću ljepljive vrpce zavežite kraj.

Vrućim ljepilom pričvrstite zavojnice zajedno na najmanje 8 točaka po obodu zavojnica. Kad se ohladi, prstima olakšajte zavojnicu, a zatim je vrućim ljepilom pričvrstite na predložak glave detektora metala. Izbušite dvije rupe kroz MDF pored zavojnice i provucite krajeve zavojnice do gornje strane glave detektora metala.

Ponovite ovu vježbu da biste izgradili i montirali 4 x prijemne zavojnice i 4 prijenosne zavojnice. Kad završi, kroz vrh glave detektora metala trebalo bi proviriti 8 parova žica.

3. Priključite zaštićene kabele

Isecite 5M duljinu oklopljenog dvožilnog kabela na 8 duljina. Odvojite i lemite dvostruku jezgru na svaku zavojnicu za odašiljanje i primanje ostavljajući štit odspojen na kraju kabela s glavom detektora.

Testirajte zavojnice i spojeve kabela na drugom kraju svakog kabela pomoću Ohm mjerača. Svaka zavojnica registrirat će nekoliko ohma i trebala bi biti dosljedna za sve prijemne i prijenosne zavojnice.

Nakon testiranja, pištoljem za vruće ljepilo pričvrstite 8 kabela u središte glave detektora spremno za pričvršćivanje ručke i dovršavanje glave.

Moj savjet je da skinete i kosite svaku od zaštićenih žica kabela na drugom kraju u pripremi za buduća ispitivanja. Priključite žicu za uzemljenje na svaki oklop kabela jer će to biti spojeno na uzemljenje u glavnoj jedinici. Time se zaustavljaju smetnje između svakog kabela.

Pomoću multimetra odredite koja je zavojnica i pričvrstite ljepljive naljepnice tako da se mogu lako identificirati za buduću montažu.

Korak 4: Sastavite krug za testiranje

1. Sklop Breadboard -a

Moja preporuka je da upotrijebite ploču za prvo postavljanje i testiranje kruga prije predaje na Vero Board i kućište. To vam daje priliku prilagoditi vrijednosti komponenti ili izmijeniti kôd ako je potrebno radi osjetljivosti i stabilnosti. Zavojnice za odašiljanje i primanje moraju biti povezane tako da su namotane u istom smjeru, a to je lakše testirati na ploči prije označavanja žica za buduće spajanje na Vero Board.

Sastavite komponente prema dijagramu kruga i pričvrstite zavojnice glave detektora pomoću spojne žice.

Priključci na Arduino najbolje se izvode pomoću žice za spajanje ploče za kruh lemljene na TFT štit. Za digitalnu i analognu pin vezu dodao sam Header Pin koji mi je omogućio izbjegavanje lemljenja izravno na Arduino ploču. (Vidi sliku)

2. IDE knjižnice

Treba ih preuzeti i dodati u IDE (Integrirano razvojno okruženje) koje se izvodi na vašem računalu, za pisanje i prijenos računalnog koda na fizičku ploču. UTFT.h i URtouch.h koji se nalaze u donjoj zip datoteci

Zasluge za UTFT.h i URtouch.h pripadaju tvrtki Rinky-Dink Electronics Uključio sam ove zip datoteke jer se čini da je izvorna web stranica nedostupna.

3. Testiranje

Uključio sam testni program za rukovanje početnim postavljanjem kako biste se mogli nositi s problemima orijentacije zavojnice. Učitajte testni kod u Arduino IDE i prenesite u Mega. Ako sve radi, trebali biste vidjeti testni ekran kao gore. Svaka zavojnica trebala bi proizvesti stabilnu vrijednost od približno 4600uS u svakom kvadrantu. Ako to nije slučaj, promijenite polaritet namota na zavojnici TX ili RX i ponovno provjerite. Ako to ne uspije, predlažem da provjerite svaku zavojnicu pojedinačno i vratite se kroz krug za rješavanje problema. Ako već imate 2 ili 3 rade, usporedite ih sa zavojnicama/krugovima koji ne rade.

Napomena: Daljnja ispitivanja otkrila su da kondenzatori od 0,047uf u RX krugu utječu na svu osjetljivost. Moj savjet je kad jednom sklop radite na ploči, pokušajte povećati ovu vrijednost i testirajte novčićem jer sam otkrio da to može poboljšati osjetljivost.

Nije obavezno, međutim, ako imate osciloskop, možete promatrati i TX impuls i RX impuls kako biste bili sigurni da su zavojnice ispravno spojene. Da biste to potvrdili, pogledajte komentare na slikama.

NAPOMENA: U ovaj odjeljak uključio sam PDF dokument sa osciloskopskim tragovima za svaku fazu kruga kako bih pomogao u rješavanju problema

Korak 5: Izgradite krug i kućište

Nakon što je jedinica testirana na vaše zadovoljstvo, možete poduzeti sljedeći korak i izgraditi pločicu i kućište.

1. Pripremite kućište

Rasporedite glavne komponente i postavite ih u svoj slučaj kako biste utvrdili kako će sve stati. Izrežite Vero ploču kako biste smjestili komponente, međutim, pobrinite se da možete stati u dno kućišta. Budite oprezni s punjivim napajanjem jer oni mogu biti prilično glomazni.

Izbušite rupe za smještaj stražnjih ulaza kabela za glavu, prekidača za napajanje, vanjskog USB priključka, Arduino priključka za programiranje i audio priključka za stereo slušalice.

Osim ove bušilice, 4 rupe za pričvršćivanje u sredini prednje strane kućišta na kojoj će se nalaziti ručka. Ove rupe moraju u sljedećim koracima moći provući kabelsku vezicu kroz njih.

2. Sastavite Vero ploču

Slijedite dijagram kruga i gornju sliku za postavljanje komponenti na Vero ploču.

Koristio sam terminalne igle za PCB kako bih omogućio jednostavno spajanje kabela zavojnice glave na PCB. Montirajte Piezo Buzzer na PCB zajedno s IC -om i tranzistorima. Pokušao sam držati TX, RX komponente poravnane slijeva nadesno i osigurao da su sve veze s vanjskim zavojnicama na jednom kraju Vero Vepra. (pogledajte izgled na fotografijama)

3. Pričvrstite kabele zavojnice

Izgradite držač kabela za ulazne oklopljene kabele od MDF -a kako je prikazano na slikama. Sastoji se od 8 rupa izbušenih u MDF -u kako bi se omogućilo da kabeli sjednu poravnati s priključnim iglama PCB -a. Dok pričvršćujete svaku zavojnicu, isplati se postupno testirati krug kako biste osigurali ispravnu orijentaciju zavojnice.

4. Testirajte jedinicu

Priključite USB napajanje, prekidač za napajanje, audio utičnicu za telefon i postavite sve ožičenje i kabele kako biste osigurali dobro prianjanje u kućište. Vrućim ljepilom držite predmete na mjestu kako biste bili sigurni da nema ničega što može zveckati. Prema prethodnom koraku, učitajte ispitni kôd i pobrinite se da sve zavojnice rade kako se očekuje.

Provjerite da li se USB napajanje ispravno puni kada je spojeno izvana. Provjerite ima li dovoljno slobodnog prostora za priključivanje Arduino IDE kabela.

5. Izrežite izgled zaslona

Postavite zaslon na sredinu kutije i označite rubove LCD zaslona na prednjoj ploči spremni za izrezivanje otvora. Pomoću zanatskog noža i metalnog ravnala pažljivo zarežite poklopac kućišta i izrežite otvor.

Nakon brušenja i turpijanja za pažljivo oblikovanje poklopca, pazeći pritom da se sve komponente, ploče, ožičenje i zaslon drže na mjestu pomoću odstojnika i vrućeg ljepila.

7. Napravite štitnik od sunca

Pronašao sam staro crno kućište koje sam uspio izrezati u oblik i koristiti kao štitnik za sunce kao što je prikazano na gornjim fotografijama. Zalijepite ovo na prednju ploču dvodijelnim epoksidom od 5 minuta.

Korak 6: Pričvrstite ručku i kućište na glavu detektora

Sada kada su elektronika i glava detektora izgrađeni, preostaje samo sigurno dovršiti montažu jedinice.

1. Pričvrstite glavu na ručku

Izmijenite spoj ručke kako biste ga mogli pričvrstiti na glavu pomoću dva vijka. U idealnom slučaju, želite minimizirati količinu metala u blizini zavojnica pa upotrijebite male vijke za drvo i puno 5 -minutnog 2 -dijelnog epoksidnog ljepila za pričvršćivanje na glavu. Pogledajte fotografije iznad.

2. Ožičenje glave čipkom

Korištenjem kabelskih vezica pažljivo ožičite ožičenje dodavanjem kabelske vezice svakih 10 cm duž oklopljenog ožičenja. Pobrinite se da osigurate najbolji položaj za kućište kako biste lako vidjeli zaslon, došli do kontrola i priključili slušalice/utikače.

3. Priključite elektroniku na ručku

Izradite montažni blok od 45 stupnjeva od MDF -a kako biste mogli pričvrstiti kućište pod kutom, što znači da ćete, dok pomerate detektor po tlu, lako vidjeti TFT zaslon. Pogledajte gornju sliku.

Pričvrstite elektroničko kućište na ručku pomoću kabelskih vezica koje prolaze kroz montažni blok i u kućište kroz prethodno izbušene montažne rupe.

4. Dovršite glavu detektora

Zavojnice glave detektora moraju biti fiksirane bez pomicanja u ožičenju, pa je ovo dobro vrijeme za korištenje vrućeg ljepila za temeljito pričvršćivanje svih zavojnica na mjestu.

Glava detektora također mora biti vodootporna pa je važno raspršiti MDF prozirnim brtvilom (iz očiglednih razloga brtvilo ne sadrži metal).

Izbušite rupe od 5 mm u središtu svake zavojnice i provucite plastične cijevi dimenzija 5 mm x 30 mm da biste mogli gurnuti drvene ražnjeve u tlo ispod kad zašiljete metu. Pištoljem za vruće ljepilo pričvrstite ga na mjesto.

Zatim sam gornji dio glave pokrio plastičnom pločom, a donji dio debelim plastičnim omotom za knjige, dok sam rub završio s fleksibilnom cijevi za električni vod izrezanom i vruće zalijepljenom na mjesto.

Korak 7: Završna montaža i testiranje

1. Punjenje

Stavite standardni punjač za mobitele u Micro USB priključak i provjerite je li jedinica dovoljno napunjena.

2. Kôd za prijenos

Za učitavanje priloženog koda upotrijebite Arduino IDE.

3. Gumb za isključivanje zvuka

Jedinica se prema zadanim postavkama isključuje pri uključivanju. To je označeno crvenim gumbom za isključivanje zvuka u donjem LHS -u zaslona. Da biste omogućili zvuk, pritisnite ovaj gumb i gumb bi trebao postati zelen označavajući omogućen zvuk.

Kad isključite zvuk, unutarnji zvučni signal i vanjska audio telefonska utičnica proizvest će zvuk.

4. Kalibracija

Kalibracija vraća trag na dno zaslona ispod linija praga. Prilikom prvog uključivanja uređaj će se automatski kalibrirati. Uređaj je izuzetno stabilan, no ako postoji potreba za ponovnom kalibracijom, to se može učiniti dodirom gumba za kalibriranje na ekranu koji će se ponovno kalibrirati za manje od sekunde.

5. Pragovi

Ako signal na bilo kojem tragu prelazi liniju praga (isprekidana linija na zaslonu), a tipka za isključivanje zvuka isključena, tada će se proizvesti audio signal.

Ti se pragovi mogu podešavati gore i dolje dodirivanjem zaslona iznad ili ispod svake crte traga.

6. Podešavanje PW i DLY

Trajanje impulsa do zavojnice i kašnjenje između impulsa mogu se podesiti putem zaslona osjetljivog na dodir. Ovo je stvarno mjesto za eksperimentiranje tako da se različita okruženja i blaga mogu testirati za najbolje rezultate.

7. Vrste prikaza

Postoje 4 različite vrste prikaza

Opcija prikaza 1: Položaj mete ispod glave detektora Moja namjera je bila koristiti 4 zavojnice za triangulaciju položaja mete ispod glave detektora. Nelinearna priroda zavojnica za pretraživanje učinila je ovo izazovnim, no gornji animirani-g.webp

Opcija prikaza 2: Prikaži trag signala za svaku zavojnicu za pretraživanje Ovo vam omogućuje da pratite gdje se ciljani objekt nalazi ispod glave crtanjem neovisnog traga jačine signala na zaslonu za svaku zavojnicu za pretraživanje. Ovo je korisno za utvrđivanje imate li dvije mete blizu jedno ispod drugog detektora i relativnu snagu.

Opcija prikaza 3: Isto kao opcija 2, međutim, s debljom linijom olakšava pregled.

Opcija prikaza 4: Isto kao opcija 2, međutim, crta preko 5 zaslona prije brisanja traga. Dobro za hvatanje slabih signala.

Testiram na terenu sljedećih nekoliko tjedana pa ću objavljivati sve nalaze blaga.

Sada se idite zabaviti i pronađite blago !!

Korak 8: Epilog: Varijacije zavojnica

Bilo je puno dobrih, zanimljivih pitanja i prijedloga o konfiguracijama zavojnica. U razvoju ovog instruktora bilo je mnogo eksperimenata s različitim konfiguracijama zavojnica koje je vrijedno spomenuti.

Gornje slike prikazuju neke zavojnice koje sam probao prije nego što sam se odlučio za trenutni dizajn. Ako imate dodatnih pitanja, pošaljite mi poruku.

Na vama je da eksperimentirate dalje!

Prva nagrada u Invention Challengeu 2017

Prva nagrada na istraživačkom znanstvenom natjecanju 2017