Απλός ανιχνευτής μετάλλων Arduino: 8 βήματα (με εικόνες)

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:32

*** Έχει δημοσιευτεί μια νέα έκδοση που είναι ακόμα πιο απλή: https://www.instructables.com/Minimal-Arduino-Metal-Detector/ ***

Η ανίχνευση μετάλλων είναι ένας υπέροχος χρόνος που σας οδηγεί σε εξωτερικούς χώρους, ανακαλύπτετε νέα μέρη και ίσως βρείτε κάτι ενδιαφέρον. Ελέγξτε τους τοπικούς κανονισμούς σχετικά με τον τρόπο δράσης σε περίπτωση ενδεχόμενου ευρήματος, ιδίως σε περίπτωση επικίνδυνων αντικειμένων, αρχαιολογικών κειμηλίων ή αντικειμένων σημαντικής οικονομικής ή συναισθηματικής αξίας.

Οι οδηγίες για τους ανιχνευτές μετάλλων DIY είναι πολλές, αλλά αυτή η συνταγή είναι ιδιαίτερη με την έννοια ότι απαιτεί πολύ λίγα συστατικά εκτός από έναν μικροελεγκτή Arduino: ένας πυκνωτής, μια αντίσταση και μια δίοδος αποτελούν τον πυρήνα, μαζί με ένα πηνίο αναζήτησης που αποτελείται από περίπου 20 περιελίξεις ηλεκτρικά αγώγιμου καλωδίου. Στη συνέχεια προστίθενται LED, ηχείο ή/και ακουστικά για να σηματοδοτήσουν την παρουσία μετάλλου κοντά στο πηνίο αναζήτησης. Ένα επιπλέον πλεονέκτημα είναι ότι όλα μπορούν να τροφοδοτηθούν από μία μόνο ισχύ 5V, για την οποία αρκεί μια κοινή ισχύς 2000mAh USB και θα διαρκέσει πολλές ώρες.

Για να ερμηνεύσετε τα σήματα και να καταλάβετε σε ποια υλικά και σχήματα είναι ευαίσθητος ο ανιχνευτής, βοηθά πραγματικά στην κατανόηση της φυσικής. Κατά κανόνα, ο ανιχνευτής είναι ευαίσθητος σε αντικείμενα σε απόσταση ή βάθος μέχρι την ακτίνα του πηνίου. Είναι πιο ευαίσθητο σε αντικείμενα στα οποία ένα ρεύμα μπορεί να ρέει στο επίπεδο του πηνίου και η απόκριση θα αντιστοιχεί στην περιοχή του τρέχοντος βρόχου σε αυτό το αντικείμενο. Έτσι ένας μεταλλικός δίσκος στο επίπεδο του πηνίου θα δώσει πολύ ισχυρότερη απόκριση από τον ίδιο μεταλλικό δίσκο κάθετο στο πηνίο. Το βάρος του αντικειμένου δεν έχει μεγάλη σημασία. Ένα λεπτό κομμάτι φύλλου αλουμινίου προσανατολισμένο στο επίπεδο ενός πηνίου θα δώσει πολύ ισχυρότερη απόκριση από ένα μπουλόνι βαρέων μετάλλων.

Βήμα 1: Αρχή εργασίας

Όταν ο ηλεκτρισμός αρχίζει να ρέει μέσω ενός πηνίου, δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο. Σύμφωνα με τον νόμο επαγωγής του Faraday, ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο θα έχει ως αποτέλεσμα ένα ηλεκτρικό πεδίο που αντιτίθεται στην αλλαγή του μαγνητικού πεδίου. Έτσι, θα αναπτυχθεί μια τάση στο πηνίο που αντιτίθεται στην αύξηση του ρεύματος. Αυτό το αποτέλεσμα ονομάζεται αυτο-επαγωγή και η μονάδα επαγωγής είναι Henry, όπου ένα πηνίο 1 Henry αναπτύσσει μια διαφορά δυναμικού 1V όταν το ρεύμα αλλάζει κατά 1 Ampere ανά δευτερόλεπτο. Η επαγωγή ενός πηνίου με περιελίξεις Ν και ακτίνα R είναι περίπου 5μH x N^2 x R, με R σε μέτρα.

Η παρουσία ενός μεταλλικού αντικειμένου κοντά σε ένα πηνίο θα αλλάξει την επαγωγή του. Ανάλογα με τον τύπο του μετάλλου, η επαγωγή μπορεί είτε να αυξηθεί είτε να μειωθεί. Μη μαγνητικά μέταλλα όπως ο χαλκός και το αλουμίνιο κοντά σε ένα πηνίο μειώνουν την επαγωγή, επειδή ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο θα προκαλέσει στροβιλιστικά ρεύματα στο αντικείμενο που μειώνουν την ένταση του τοπικού μαγνητικού πεδίου. Τα σιδηρομαγνητικά υλικά, όπως ο σίδηρος, κοντά σε ένα πηνίο αυξάνουν την επαγωγή του επειδή τα επαγόμενα μαγνητικά πεδία ευθυγραμμίζονται με το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο.

Η μέτρηση της επαγωγής ενός πηνίου μπορεί έτσι να αποκαλύψει την παρουσία μετάλλων κοντά. Με ένα Arduino, έναν πυκνωτή, μια δίοδο και μια αντίσταση είναι δυνατό να μετρηθεί η επαγωγή ενός πηνίου: καθιστώντας το πηνίο μέρος ενός φίλτρου LR υψηλής διέλευσης και τροφοδοτώντας το με ένα κύμα μπλοκ, θα δημιουργηθούν σύντομες αιχμές σε κάθε μετάβαση. Το μήκος παλμού αυτών των αιχμών είναι ανάλογο με την επαγωγή του πηνίου. Στην πραγματικότητα, ο χαρακτηριστικός χρόνος ενός φίλτρου LR είναι tau = L/R. Για ένα πηνίο 20 περιελίξεων και διάμετρο 10 cm, L ~ 5μH x 20^2 x 0,05 = 100μH. Για να προστατέψετε το Arduino από υπερβολικό ρεύμα, η ελάχιστη αντίσταση είναι 200Ohm. Αναμένουμε έτσι παλμούς με μήκος περίπου 0,5 μικροδευτερόλεπτα. Είναι δύσκολο να μετρηθούν απευθείας με υψηλή ακρίβεια, δεδομένου ότι η συχνότητα ρολογιού του Arduino είναι 16MHz.

Αντ 'αυτού, ο ανερχόμενος παλμός μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη φόρτιση ενός πυκνωτή, ο οποίος στη συνέχεια μπορεί να διαβαστεί με το αναλογικό σε ψηφιακό μετατροπέα Arduino (ADC). Η αναμενόμενη φόρτιση από παλμό 0,5 μικροδευτερολέπτων 25mA είναι 12,5nC, η οποία θα δώσει 1,25V σε πυκνωτή 10nF. Η πτώση τάσης πάνω από τη δίοδο θα το μειώσει. Εάν ο παλμός επαναληφθεί μερικές φορές, το φορτίο στον πυκνωτή ανεβαίνει στα ~ 2V. Αυτό μπορεί να διαβαστεί με το Arduino ADC χρησιμοποιώντας το analogRead (). Ο πυκνωτής μπορεί στη συνέχεια να αποφορτιστεί γρήγορα αλλάζοντας τον πείρο ανάγνωσης στην έξοδο και ρυθμίζοντάς τον σε 0V για λίγα μικροδευτερόλεπτα. Η όλη μέτρηση διαρκεί περίπου 200 μικροδευτερόλεπτα, 100 για τη φόρτιση και την επαναφορά του πυκνωτή και 100 για τη μετατροπή ADC. Η ακρίβεια μπορεί να αυξηθεί σημαντικά επαναλαμβάνοντας τη μέτρηση και υπολογίζοντας το μέσο όρο του αποτελέσματος: η λήψη του μέσου όρου των 256 μετρήσεων απαιτεί 50ms και βελτιώνει την ακρίβεια κατά ένα συντελεστή 16. Το ADC 10-bit επιτυγχάνει την ακρίβεια ενός ADC 14-bit με αυτόν τον τρόπο.

Αυτή η μέτρηση που λαμβάνεται είναι εξαιρετικά μη γραμμική με την επαγωγή του πηνίου και επομένως δεν είναι κατάλληλη για τη μέτρηση της απόλυτης τιμής της επαγωγής. Ωστόσο, για την ανίχνευση μετάλλων μας ενδιαφέρουν μόνο οι μικρές σχετικές αλλαγές της επαγωγής του πηνίου λόγω της παρουσίας κοντινών μετάλλων και γι 'αυτό αυτή η μέθοδος είναι απολύτως κατάλληλη.

Η βαθμονόμηση της μέτρησης μπορεί να γίνει αυτόματα στο λογισμικό. Εάν κάποιος μπορεί να υποθέσει ότι τις περισσότερες φορές δεν υπάρχει μέταλλο κοντά στο πηνίο, μια απόκλιση από τον μέσο όρο είναι ένα σήμα ότι το μέταλλο έχει πλησιάσει στο πηνίο. Η χρήση διαφορετικών χρωμάτων ή διαφορετικών τόνων επιτρέπει τη διάκριση μεταξύ απότομης αύξησης ή απότομης μείωσης της επαγωγής.

Βήμα 2: Απαιτούμενα εξαρτήματα

Ηλεκτρονικός πυρήνας:

Arduino UNO R3 + πρωτότυπο ασπίδα Ar Arduino Nano με πρωτότυπο πίνακα 5x7cm

Πυκνωτής 10nF

Μικρή δίοδος σήματος, π.χ. 1Ν4148

Αντίσταση 220 ohm

Για ισχύ:

USB power bank με καλώδιο

Για οπτική έξοδο:

2 LED διαφορετικού χρώματος π.χ. μπλε και πράσινο

2 αντιστάσεις 220Ohm για περιορισμό των ρευμάτων

Για έξοδο ήχου:

Παθητικός βομβητής

Μικροδιακόπτης για απενεργοποίηση ήχου

Για έξοδο ακουστικών:

Υποδοχή ακουστικών

Αντίσταση 1kOhm

Ακουστικά

Για εύκολη σύνδεση/αποσύνδεση του πηνίου αναζήτησης:

Βιδωτός ακροδέκτης 2 ακίδων

Για το πηνίο αναζήτησης:

~ 5 μέτρα λεπτό ηλεκτρικό καλώδιο

Δομή για να συγκρατεί το πηνίο. Πρέπει να είναι άκαμπτο αλλά δεν χρειάζεται να είναι κυκλικό.

Για τη δομή:

Ραβδί 1 μέτρου, π.χ. ξύλο, πλαστικό ή ραβδί selfie.

Βήμα 3: Το πηνίο αναζήτησης

Για το πηνίο αναζήτησης, έβγαλα m 4m από συρματόσχοινο γύρω από έναν κύλινδρο από χαρτόνι με διάμετρο 9 cm, με αποτέλεσμα περίπου 18 περιελίξεις. Ο τύπος καλωδίου είναι άσχετος, εφόσον η ωμική αντίσταση είναι τουλάχιστον δέκα φορές μικρότερη από την τιμή του R στο φίλτρο RL, οπότε φροντίστε να παραμείνετε κάτω από 20 Ohms. Μέτρησα 1 Ohm, οπότε είναι ασφαλές. Μόνο η λήψη ενός μισοτελειωμένου ρολού καλωδίου σύνδεσης 10 μέτρων λειτουργεί επίσης!

Βήμα 4: Έκδοση πρωτότυπου

Δεδομένου του μικρού αριθμού εξωτερικών εξαρτημάτων, είναι απολύτως δυνατό να τοποθετήσετε το κύκλωμα στη μικρή σανίδα ενός πρωτότυπου ασπίδας. Ωστόσο, το τελικό αποτέλεσμα είναι μάλλον ογκώδες και όχι πολύ στιβαρό. Καλύτερα να χρησιμοποιήσετε ένα Arduino nano και να το κολλήσετε με τα επιπλέον εξαρτήματα σε έναν πίνακα πρωτοτύπων 5x7cm, (δείτε το επόμενο βήμα)

Μόνο 2 ακίδες Arduino χρησιμοποιούνται για την πραγματική ανίχνευση μετάλλων, μία για την παροχή των παλμών στο φίλτρο LR και μία για την ανάγνωση της τάσης στον πυκνωτή. Ο παλμός μπορεί να γίνει από οποιονδήποτε πείρο εξόδου, αλλά η ανάγνωση πρέπει να γίνει με έναν από τους αναλογικούς πείρους A0-A5. Χρησιμοποιούνται ακόμη 3 ακίδες για 2 LED και για την έξοδο ήχου.

Ιδού η συνταγή:

1. Στο ψωμί, συνδέστε την αντίσταση 220Ohm, τη δίοδο και τον πυκνωτή 10nF σε σειρά, με τον αρνητικό ακροδέκτη της διόδου (τη μαύρη γραμμή) προς τον πυκνωτή.
2. Συνδέστε το A0 στην αντίσταση (το άκρο δεν είναι συνδεδεμένο στη δίοδο)
3. Συνδέστε το A1 στο σημείο όπου βρίσκεται το σταυροειδές σημείο της διόδου και ο πυκνωτής
4. Συνδέστε τον μη συνδεδεμένο ακροδέκτη του πυκνωτή στη γείωση
5. Συνδέστε το ένα άκρο του πηνίου στο σταυροειδές σημείο αντίστασης-διόδου
6. Συνδέστε το άλλο άκρο του πηνίου στη γείωση
7. Συνδέστε ένα LED με τον θετικό ακροδέκτη του στον πείρο D12 και τον αρνητικό του ακροδέκτη μέσω αντίστασης 220Ohm στη γείωση
8. Συνδέστε το άλλο LED με τον θετικό ακροδέκτη του στον πείρο D11 και τον αρνητικό του ακροδέκτη μέσω αντίστασης 220Ohm στη γείωση
9. Προαιρετικά, συνδέστε ένα παθητικό ακουστικό βομβητή ή ηχείο μεταξύ του ακροδέκτη 10 και της γείωσης. Ένας πυκνωτής ή αντίσταση μπορεί να προστεθεί σε σειρά για να μειωθεί η ένταση

Αυτό είναι όλο!

Βήμα 5: Μια συγκολλημένη έκδοση

Για να βγάλετε τον ανιχνευτή μετάλλων έξω, θα χρειαστεί να τον κολλήσετε. Ένας κοινός πρωτότυπος πίνακας 7x5 cm ταιριάζει άνετα σε ένα Arduino nano και σε όλα τα απαιτούμενα εξαρτήματα. Χρησιμοποιήστε τα ίδια σχήματα όπως στο προηγούμενο βήμα. Βρήκα χρήσιμο να προσθέσω έναν διακόπτη σε σειρά με το βομβητή για να απενεργοποιήσετε τον ήχο όταν δεν χρειάζεται. Ένας βιδωτός ακροδέκτης επιτρέπει να δοκιμάσετε διαφορετικά πηνία χωρίς να χρειάζεται να κολλήσετε. Όλα τροφοδοτούνται μέσω του 5V που παρέχεται στη θύρα (μίνι ή μικρο-USB) του Arduino Nano.

Βήμα 6: Το Λογισμικό

Το σκίτσο Arduino που χρησιμοποιείται επισυνάπτεται εδώ. Ανεβάστε και εκτελέστε το. Χρησιμοποίησα το Arduino 1.6.12 IDE. Συνιστάται να το εκτελέσετε με debug = true στην αρχή, για να ρυθμίσετε τον αριθμό των παλμών ανά μέτρηση. Το καλύτερο είναι να έχετε μια ένδειξη ADC μεταξύ 200 και 300. Αυξήστε ή μειώστε τον αριθμό των παλμών σε περίπτωση που το πηνίο σας δίνει δραστικά διαφορετικές ενδείξεις.

Το σκίτσο κάνει κάποιο είδος αυτο-βαθμονόμησης. Αρκεί να αφήσετε το πηνίο ήσυχο μακριά από μέταλλα για να γίνει αθόρυβο. Θα ακολουθηθούν αργές μετατοπίσεις στην επαγωγή, αλλά ξαφνικές μεγάλες αλλαγές δεν θα επηρεάσουν τον μακροπρόθεσμο μέσο όρο.

Βήμα 7: Τοποθετήστε το σε ένα ραβδί

Δεδομένου ότι δεν θα θέλατε να κάνετε το κυνήγι θησαυρού σας να σέρνεται στο πάτωμα, οι τρεις σανίδες, το πηνίο και η μπαταρία πρέπει να τοποθετηθούν στο άκρο ενός ραβδιού. Ένα selfie-stick είναι ιδανικό για αυτό, αφού είναι ελαφρύ, πτυσσόμενο και ρυθμιζόμενο. Το powerbank μου 5000mAh έτυχε να χωρέσει στο selfie stick. Ο πίνακας μπορεί στη συνέχεια να στερεωθεί με συνδέσμους καλωδίων ή ελαστικά και το πηνίο μπορεί παρομοίως να είναι είτε στην μπαταρία είτε στο ραβδί.

Βήμα 8: Πώς να το χρησιμοποιήσετε

Για να καθοριστεί η αναφορά, αρκεί να αφήσετε το πηνίο ~ 5s μακριά από μέταλλα. Στη συνέχεια, όταν το πηνίο πλησιάσει σε ένα μέταλλο, το πράσινο ή το μπλε LED θα αρχίσει να αναβοσβήνει και θα παράγονται μπιπ στον βομβητή ή/και στα ακουστικά. Μπλε αναλαμπές και ηχητικά σήματα χαμηλής έντασης υποδεικνύουν την παρουσία μη σιδηρομαγνητικών μετάλλων. Πράσινα φλας και μπιπ υψηλής έντασης υποδηλώνουν την παρουσία σιδηρομαγνητικών μετάλλων. Προσέξτε ότι όταν το πηνίο διατηρείται για περισσότερο από 5 δευτερόλεπτα κοντά στο μέταλλο, θα χρειαστεί αυτή η ένδειξη ως σημείο αναφοράς και θα ξεκινήσει το μπιπ όταν αφαιρεθεί ο ανιχνευτής από το μέταλλο. Μετά από μερικά δευτερόλεπτα μπιπ στον αέρα, θα ησυχάσει ξανά. Η συχνότητα των αναβοσβήνει και τα ηχητικά σήματα υποδεικνύουν την ισχύ του σήματος. Καλο κυνηγι!