Arduino Based Pulse Induction Detector - Flip Coil: 5 βήματα (με εικόνες)

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:37

Η ιδέα

Έχοντας κατασκευάσει κάποιους ανιχνευτές μετάλλων στο παρελθόν με διαφορετικά αποτελέσματα, ήθελα να διερευνήσω τις δυνατότητες του Arduino προς αυτή την κατεύθυνση.

Υπάρχουν μερικά καλά παραδείγματα για το πώς να φτιάξετε ανιχνευτές μετάλλων με το Arduino, μερικά εδώ ως οδηγίες. Αλλά όταν τα κοιτάζουμε, συνήθως απαιτούν είτε αρκετά εξωτερικά εξαρτήματα για την επεξεργασία αναλογικού σήματος είτε η ευαισθησία είναι αρκετά χαμηλή.

Όταν σκεφτόμαστε ανιχνευτές μετάλλων, το κύριο θέμα είναι πώς να αντιληφθούμε τις μικρές αλλαγές τάσης στα σήματα που σχετίζονται με το πηνίο αναζήτησης. Αυτές οι αλλαγές είναι συνήθως πολύ μικρές. Η πιο προφανής προσέγγιση θα ήταν η χρήση των αναλογικών εισόδων του ATmega328. Όμως, κοιτάζοντας τις προδιαγραφές, υπάρχουν δύο βασικά προβλήματα: είναι (συχνά) αργά και η ανάλυση είναι (στις περισσότερες περιπτώσεις) χαμηλή.

Από την άλλη πλευρά, το Arduino λειτουργεί στα 16MHz και έχει αρκετές δυνατότητες χρονισμού i. μι. ανάλυση 0,0625µS εάν χρησιµοποιείτε ταχύτητα ρολογιού. Έτσι, αντί να χρησιμοποιείτε την αναλογική είσοδο για ανίχνευση, ο απλούστερος τρόπος ανίχνευσης μικρών δυναμικών αλλαγών στην τάση είναι να συγκρίνετε τη μεταβολή της πτώσης τάσης με την πάροδο του χρόνου σε μια σταθερή τάση αναφοράς.

Για το σκοπό αυτό, το ATmega328 έχει το καθαρό χαρακτηριστικό ενός εσωτερικού συγκριτή μεταξύ D6 και D7. Αυτός ο συγκριτής είναι σε θέση να ενεργοποιήσει μια διακοπή, επιτρέποντας τον ακριβή χειρισμό συμβάντων. Αφήνοντας δίπλα τις τακτικά κωδικοποιημένες ρουτίνες χρονισμού όπως millis () και micos () και μπαίνοντας στο εσωτερικό χρονόμετρο του ATmega328 με πολύ υψηλότερη ανάλυση, το Arduino είναι μια εξαιρετική βάση για προσεγγίσεις ανίχνευσης μετάλλων.

Επομένως, από την άποψη του πηγαίου κώδικα, μια καλή αρχή θα ήταν να προγραμματίσετε τον εσωτερικό συγκριτή για "αλλαγή" στην πολικότητα των εισόδων και να χρησιμοποιήσετε έναν εσωτερικό μετρητή με την υψηλότερη δυνατή ταχύτητα για αλλαγή στο χρονοδιάγραμμα των αλλαγών.

Ο γενικός κώδικας στο Arduido για να επιτευχθεί αυτό είναι:

// Καθορισμός όλων των απαιτούμενων προ -μεταβλητών κλπ. Και ρύθμιση των καταχωρητών

ανυπόγραφο ρολόι charSelectBits = _BV (CS10); // χωρίς προεπιλογή, πλήρες xtal void setup () {pinMode (6, INPUT); // + του συγκριτή - ορίζοντάς τα ως INPUT, είναι // ρυθμισμένα σε pinMode υψηλής αντίστασης (7, INPUT). // - του συγκριτή - ορίζοντάς τα ως INPUT, είναι // ρυθμισμένα σε υψηλή σύνθετη αντίσταση cli (); // διακοπή διακοπών TCCR1A = 0; // ορίστε ολόκληρο τον μητρώο TCCR1A σε 0 TCCR1B = 0; // το ίδιο για TCCR1B -> κανονική λειτουργίαTCNT1 = 0; // αρχικοποίηση της αντίθετης τιμής στο 0. TCCR1B | = clockSelectBits; // ρυθμίζει τον προκατασκευαστή και ξεκινά το ρολόι TIMSK1 = _BV (TOIE1); // ορίζει τη διακοπή υπερχείλισης χρονοδιακόπτη ενεργοποίησης bit sei (); // επιτρέψτε διακοπές ACSR = (0 << ACD) | // Αναλογική σύγκριση: Ενεργοποιημένη (0 << ACBG) | // Analog Comparator Bandgap Select: Το AIN0 εφαρμόζεται στη θετική είσοδο (0 << ACO) | // Αναλογική σύγκριση εξόδου: Απενεργοποιημένη (1 << ACI) | // Σημαία διακοπής αναλογικού συγκριτή: Διακοπή σε εκκρεμότητα σε εκκρεμότητα (1 << ACIE) | // Αναλογική σύγκριση σύγκρισης: Ενεργοποιημένη (0 << ACIC) | // Καταγραφή εισόδου αναλογικού συγκριτή: Απενεργοποιημένη (0 << ACIS1 | 0 << ACIS0 // διακοπή στην εναλλαγή εξόδου // (0 << ACIS1 | 1 << ACIS0 // δεσμευμένη // (1 << ACIS1 | 0 << ACIS0 // διακοπή στην πτώση της άκρης εξόδου // (1 << ACIS1 | 1 << ACIS0 // διακοπή στην ανερχόμενη άκρη εισόδου;}

// αυτή η ρουτίνα καλείται κάθε φορά που ο συγκριτής δημιουργεί μια διακοπή

ISR (ANALOG_COMP_vect) {oldSREG = SREG; cli (); timeStamp = TCNT1; SREG = oldSREG; }

// αυτή η ρουτίνα καλείται κάθε φορά που υπάρχει υπερχείλιση στον εσωτερικό μετρητή

ISR (TIMER1_OVF_vect) {timer1_overflow_count ++; }

// αυτή η ρουτίνα χρησιμοποιείται για την επαναφορά του χρονοδιακόπτη στο 0

void resetTimer (void) {oldSREG = SREG; cli (); // Απενεργοποίηση διακοπών TCNT1 = 0; // αρχικοποίηση της αντίθετης τιμής σε 0 SREG = oldSREG; // Επαναφορά μητρώου κατάστασης TCCR1B | = clockSelectBits; // ρυθμίζει τον προκαταρκτικό χρονοδιακόπτη και ξεκινά το ρολόι timer1_overflow_count = 0; // επαναφέρει τον μετρητή υπερχείλισης}

Φυσικά αυτή η ιδέα δεν είναι εντελώς νέα. Το κύριο μέρος αυτού του κώδικα μπορεί να βρεθεί αλλού. Μια καλή εφαρμογή μιας τέτοιας προσέγγισης για έναν μικροελεγκτή που βρίσκεται στην αρχική σελίδα του TPIMD - Tiny Pulse Induction Metal Detector.

www.miymd.com/index.php/projects/tpimd/ (δυστυχώς αυτή η σελίδα δεν είναι πλέον συνδεδεμένη, υπάρχει προς το παρόν αντίγραφο ασφαλείας του ιστότοπου στη διεύθυνση www.basic4mcu.com, αναζήτηση για "TPIMD").

Βήμα 1: Ιδέα επαγωγής Arduino Pulse - Flip Coil

Η ιδέα είναι να χρησιμοποιήσετε το Arduino ως ανιχνευτή επαγωγής παλμών, όπως στο TPIMD, καθώς η ιδέα χρονισμού της καμπύλης αποσύνθεσης φαίνεται να λειτουργεί αρκετά καλά. Το πρόβλημα με τους ανιχνευτές επαγωγής σφυγμού είναι ότι κανονικά χρειάζονται διαφορετική τάση για να λειτουργήσουν. Μία τάση για την τροφοδοσία του πηνίου και μια ξεχωριστή τάση για την αντιμετώπιση της καμπύλης αποσύνθεσης. Αυτές οι δύο πηγές τάσης καθιστούν τους ανιχνευτές επαγωγής παλμών πάντα λίγο περίπλοκους.

Κοιτάζοντας την τάση του πηνίου σε έναν ανιχνευτή PI, η προκύπτουσα καμπύλη μπορεί να χωριστεί σε δύο διαφορετικά στάδια. Το πρώτο στάδιο είναι ο ίδιος ο παλμός που τροφοδοτεί το πηνίο και δημιουργεί το μαγνητικό πεδίο (1). Το δεύτερο στάδιο είναι η καμπύλη διάσπασης τάσης, ξεκινώντας από την κορυφή τάσης, και στη συνέχεια στρέφεται γρήγορα προς την τάση "μη ισχύος" του πηνίου (2). Το πρόβλημα είναι ότι το πηνίο αλλάζει την πολικότητά του μετά τον παλμό. Είναι ο παλμός θετικός (Var 1. στη συνημμένη εικόνα) η καμπύλη αποσύνθεσης είναι αρνητική. Είναι ο παλμός αρνητικός, η καμπύλη αποσύνθεσης θα είναι θετική (Var 2. στη συνημμένη εικόνα)

Για να λυθεί αυτό το βασικό πρόβλημα, το πηνίο πρέπει να "αναποδογυριστεί" ηλεκτρονικά μετά τον παλμό. Σε αυτή την περίπτωση ο παλμός μπορεί να είναι θετικός και η καμπύλη αποσύνθεσης να είναι επίσης θετική.

Για να επιτευχθεί αυτό, το πηνίο πρέπει να απομονωθεί από το Vcc και το GND μετά τον παλμό. Αυτή τη στιγμή, υπάρχει μόνο ένα ρεύμα που ρέει μέσω μιας αντίστασης απόσβεσης. Αυτό το απομονωμένο σύστημα πηνίου και αντίστασης απόσβεσης μπορεί να «προσανατολιστεί» σε οποιαδήποτε τάση αναφοράς. Αυτό, θεωρητικά, θα δημιουργήσει τη συνδυασμένη θετική καμπύλη (κάτω μέρος του σχεδίου)

Αυτή η θετική καμπύλη μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί μέσω του συγκριτή για τον εντοπισμό του χρονικού σημείου όπου η τάση διάσπασης «διασχίζει» μια τάση αναφοράς. Σε περίπτωση θησαυρών κοντά στο πηνίο, η καμπύλη αποσύνθεσης αλλάζει και το χρονικό σημείο που διασχίζει την τάση αναφοράς αλλάζει. Αυτή η αλλαγή μπορεί να ανιχνευθεί.

Μετά από κάποιους πειραματισμούς, το παρακάτω κύκλωμα αποδείχθηκε ότι λειτουργεί.

Το κύκλωμα αποτελείται από μια μονάδα Arduino Nano. Αυτή η μονάδα οδηγεί δύο τρανζίστορ MOSFET που τροφοδοτούν το πηνίο (στο SV3) μέσω D10. Όταν τελειώσει ο παλμός στο D10, και τα δύο MOSFET απομονώνουν το πηνίο από 12V και GND. Η εξοικονομημένη ενέργεια στο πηνίο αιμορραγεί μέσω R2 (220 Ohms). Ταυτόχρονα, το R1 (560 Ohms) συνδέει την προηγούμενη θετική πλευρά του πηνίου με το GND. Αυτό αλλάζει την καμπύλη αρνητικής διάσπασης στο R5 (330 Ohms) σε θετική καμπύλη. Οι δίοδοι προστατεύουν τον πείρο εισόδου του Arduino.

Το R7 είναι διανομέας τάσης περίπου 0,04V. Αυτή τη στιγμή η καμπύλη διάσπασης στο D7 γίνεται πιο αρνητική από το 0,04 στο D6 μια διακοπή ενεργοποιείται και η διάρκεια μετά το τέλος του παλμού αποθηκεύεται.

Σε περίπτωση μετάλλου κοντά στο πηνίο, η καμπύλη αποσύνθεσης διαρκεί περισσότερο και ο χρόνος μεταξύ του τέλους του παλμού και της διακοπής γίνεται μεγαλύτερος.

Βήμα 2: Χτίζοντας τον ανιχνευτή (Breadboard)

Η κατασκευή του ανιχνευτή είναι αρκετά εύκολη. Αυτό μπορεί να γίνει είτε σε ένα breadboard (κολλώντας στο αρχικό κύκλωμα) είτε με συγκόλληση των εξαρτημάτων σε ένα PCB.

Το LED D13 στον πίνακα Arduino Nano χρησιμοποιείται ως ένδειξη για μέταλλο

Η αφαίρεση μιας σανίδας είναι ο γρηγορότερος τρόπος για τον ανιχνευτή που λειτουργεί. Απαιτείται αρκετά καλωδίωση, αλλά αυτό μπορεί να γίνει με ένα μικρό σανίδι. Στις εικόνες αυτό φαίνεται σε 3 βήματα καθώς το Arduino και το MOSFET κρύβουν μερικά από τα καλώδια. Κατά τη δοκιμή αποσύνδεσα τις διόδους με κάποιο τρόπο χωρίς να το παρατηρήσω στην αρχή. Αυτό δεν είχε καμία αρνητική επίδραση στη συμπεριφορά του ανιχνευτή. Στην έκδοση PCB του κυκλώματος τα άφησα εντελώς εκτός.

Οι εικόνες δεν εμφανίζονται στις συνδέσεις με μια οθόνη OLED 0,96. Αυτή η οθόνη είναι συνδεδεμένη:

Vcc - 5V (στον πείρο Arduino, όχι την τάση τροφοδοσίας !!!)

GND - GND

SCL - A5

SDA - A4

Αυτή η οθόνη OLED είναι απαραίτητη για την αρχική βαθμονόμηση του ανιχνευτή. Αυτό γίνεται ρυθμίζοντας τη σωστή τάση στο PIN6 του Arduino. Αυτή η τάση πρέπει να είναι περίπου 0,04V. Η οθόνη βοηθά στη ρύθμιση της σωστής τάσης.

Η έκδοση του breadboard λειτουργεί αρκετά καλά, αν και μάλλον δεν είναι κατάλληλη για να πάτε στην άγρια φύση.

Βήμα 3: Μετάβαση στο PCB

Όσον αφορά τη συγκόλληση, δεν μου αρέσει πολύ το PCB υψηλής τεχνολογίας διπλής όψης, οπότε τροποποίησα το κύκλωμα για να ταιριάζει σε ένα PCB μονής όψης.

Έγιναν οι ακόλουθες τροποποιήσεις:

1. οι δίοδοι έμειναν εκτός.

2. οι πύλες των MOSFET πήραν αντίσταση 10 Ohm

3. η τάση τροφοδοσίας για το διαχωριστή τάσης στο D6 δίνεται από ένα σήμα Υ HIGHΗΛΟΥ επιπέδου στο D8

4. Η καρφίτσα του προγράμματος οδήγησης για τα MOSFET άλλαξε.

Με αυτόν τον τρόπο θα μπορούσε να δημιουργηθεί ένα PCB μονής όψης το οποίο μπορεί να κολληθεί σε καθολικά PCB. Χρησιμοποιώντας αυτό το κύκλωμα θα έχετε έναν ανιχνευτή PI που λειτουργεί μόνο με 8-10 εξωτερικά εξαρτήματα (ανάλογα με το αν χρησιμοποιείται η οθόνη OLED ή/και ηχείο).

Βήμα 4: Ρύθμιση και χρήση του ανιχνευτή

Εάν ο ανιχνευτής είναι σωστά κατασκευασμένος και το πρόγραμμα είναι γραμμένο στο Arduino, ο ευκολότερος (αν όχι ο μόνος) τρόπος για να ρυθμίσετε τη μονάδα είναι να χρησιμοποιήσετε μια οθόνη OLED. Η οθόνη είναι προσαρτημένη σε 5V, GND, A4, A5. Η οθόνη πρέπει να δείχνει «βαθμονόμηση» μετά την ενεργοποίηση της μονάδας. Μετά από μερικά δευτερόλεπτα θα πρέπει να λέει "βαθμονόμηση ολοκληρώθηκε" και τρεις αριθμοί πρέπει να εμφανίζονται στην οθόνη.

Ο πρώτος αριθμός είναι η «τιμή αναφοράς» που προσδιορίζεται κατά τη βαθμονόμηση. Η δεύτερη τιμή είναι η τελευταία μετρούμενη τιμή και η τρίτη τιμή μια μέση τιμή των τελευταίων 32 μετρήσεων.

Αυτές οι τρεις τιμές πρέπει να είναι πάνω κάτω οι ίδιες (στις περιπτώσεις δοκιμών μου κάτω από 1000). Η μεσαία τιμή θα πρέπει να είναι περισσότερο ή λιγότερο σταθερή.

Για να ξεκινήσετε την αρχική εγκατάσταση, δεν πρέπει να υπάρχει μέταλλο κοντά στο πηνίο.

Τώρα ο διαιρέτης τάσης (ποτενσιόμετρο περικοπής) πρέπει να κοπεί έτσι ώστε οι δύο χαμηλότερες τιμές να ρυθμιστούν στο μέγιστο, ενώ παράλληλα να παρέχεται σταθερή ένδειξη. Υπάρχει μια κρίσιμη ρύθμιση, όπου η μεσαία τιμή αρχίζει να δίνει περίεργες αναγνώσεις. Γυρίστε πίσω το τρίμερ για να αποκτήσετε ξανά σταθερές τιμές.

Μπορεί να συμβεί, να παγώσει η οθόνη. Απλώς πατήστε το κουμπί επαναφοράς και ξεκινήστε από την αρχή.

Για τη ρύθμιση μου (πηνίο: 18 στροφές @ 20cm) η σταθερή τιμή είναι περίπου 630-650. Μόλις ρυθμιστεί, πατήστε το κουμπί επαναφοράς, η μονάδα επαναβαθμονομείται και όλες οι τιμές δέντρου θα πρέπει να βρίσκονται ξανά στο ίδιο εύρος. Εάν το μέταλλο είναι τώρα σε σπείρα, η λυχνία LED στο Arduino-Board (D13) πρέπει να ανάψει. Ένα συνημμένο ηχείο δίνει κάποιους θορύβους κλικ (υπάρχει χώρος για βελτίωση στον προγραμματισμό εκεί).

Για να αποφύγετε τις υψηλές προσδοκίες:

Ο ανιχνευτής ανιχνεύει κάποια πράγματα, αλλά παραμένει ένας πολύ απλός και περιορισμένος ανιχνευτής.

Για να δώσει μια εικόνα των δυνατοτήτων, έκανε κάποιες ανιχνεύσεις αναφοράς με διαφορετικούς άλλους ανιχνευτές. Κοιτάζοντας τα αποτελέσματα, είναι ακόμα αρκετά εντυπωσιακό για έναν ανιχνευτή με μόνο 8 εξωτερικά μέρη, αλλά δεν ταιριάζει με τους επαγγελματικούς ανιχνευτές.

Κοιτάζοντας το κύκλωμα και το πρόγραμμα, υπάρχουν πολλά περιθώρια βελτίωσης. Οι τιμές των αντιστάσεων βρέθηκαν από την εμπειρία, ο χρόνος παλμού των 250ms επιλέχθηκε τυχαία, οι παράμετροι του πηνίου επίσης. Αν έχετε ιδέες για βελτιώσεις, θα χαρώ πολύ να τις συζητήσω.

Καλα να περνατε!

Βήμα 5: Ενημέρωση 1: Χρήση LCD 16x2

Βελτιώσεις

Κατά τη διάρκεια περαιτέρω δοκιμών συνειδητοποίησα ότι η βιβλιοθήκη για την οθόνη OLED I2C χρησιμοποιούσε σημαντικό χρόνο. Έτσι αποφάσισα να χρησιμοποιήσω μια οθόνη 16x2 με μετατροπέα I2C.

Έτσι υιοθέτησα το πρόγραμμα στην οθόνη LCD προσθέτοντας μερικές χρήσιμες δυνατότητες. Η πρώτη γραμμή της οθόνης δείχνει τώρα την ισχύ του σήματος μιας πιθανής ένδειξης. Η δεύτερη γραμμή δείχνει τώρα δύο τιμές. Η γροθιά έδειξε την τρέχουσα απόκλιση σήματος σε σύγκριση με την τιμή βαθμονόμησης. Αυτή η τιμή πρέπει να είναι "0". Εάν αυτή η τιμή είναι συνεχώς αρνητική ή θετική, ο ανιχνευτής θα πρέπει να βαθμονομηθεί ξανά πατώντας το κουμπί επαναφοράς. Οι θετικές τιμές δείχνουν μέταλλο κοντά στο πηνίο.

Η δεύτερη τιμή δείχνει την πραγματική τιμή καθυστέρησης της καμπύλης αποσύνθεσης. Αυτή η τιμή κανονικά δεν είναι τόσο ενδιαφέρουσα, αλλά απαιτείται για την αρχική ρύθμιση του ανιχνευτή.

Το πρόγραμμα επιτρέπει τώρα πολλαπλές διάρκειες παλμών σε μια ακολουθία (μέσα πειραματισμού / βελτίωσης της απόδοσης). Δεν πέτυχα κανένα σπάσιμο. Επομένως, η προεπιλογή έχει οριστεί σε μία διάρκεια παλμού.

Αρχική ρύθμιση του ανιχνευτή

Κατά τη ρύθμιση του ανιχνευτή, η δεύτερη τιμή της δεύτερης γραμμής είναι σχετική (η πρώτη μπορεί να αγνοηθεί). Αρχικά η τιμή μπορεί να είναι "ασταθής" (βλέπε εικόνα). Γυρίστε την αντίσταση περικοπής έως ότου η τιμή φτάσει σε σταθερή ένδειξη. Στη συνέχεια, γυρίστε το για να αυξήσετε την τιμή σε μια μέγιστη σταθερή τιμή. Πατήστε το κουμπί επαναφοράς για επαναβαθμονόμηση και ο ανιχνευτής είναι έτοιμος για χρήση.

Είχα την εντύπωση ότι ορίζοντας τη μέγιστη σταθερή τιμή, έχασα την ευαισθησία για τα μη σιδηρούχα μέταλλα. Σως αξίζει να πειραματιστείτε με τις ρυθμίσεις για να έχετε καλή ευαισθησία για αντικείμενα που δεν είναι σιδερένια.

Πηνία

Κατασκευάζω 3 πηνία για περαιτέρω δοκιμές

1 -> 18 στροφές @ 200mm

2 -> 25 στροφές @ 100mm

3 -> 48 στροφές @ 100mm

Είναι ενδιαφέρον ότι όλα τα πηνία λειτούργησαν αρκετά καλά, με σχεδόν την ίδια απόδοση (νόμισμα 20 καρατίων στα 40-50mm στον αέρα). Αυτή μπορεί να είναι μια πολύ υποκειμενική παρατήρηση.