Egyszerű Arduino fémdetektor: 8 lépés (képekkel)

2025 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2025-01-23 14:47

*** Egy új verzió került közzétételre, amely még egyszerűbb: https://www.instructables.com/Minimal-Arduino-Metal-Detector/ ***

A fémdetektor egy nagyszerű időtöltés, amely a szabadban, új helyek felfedezésében és talán valami érdekes találásban van. Ellenőrizze a helyi szabályokat, hogyan kell eljárni esetleges lelet esetén, különösen veszélyes tárgyak, régészeti emlékek vagy jelentős gazdasági vagy érzelmi értékű tárgyak esetén.

A barkácsfémdetektorokra vonatkozó utasítások bőven megtalálhatók, de ez a recept különösen abban az értelemben, hogy az Arduino mikrokontroller mellett nagyon kevés összetevőre van szükség: egy közös kondenzátor, ellenállás és dióda alkotja a magot, valamint egy keresőtekercs, amely kb. elektromosan vezető kábel tekercselése. LED -eket, hangszórót és/vagy fejhallgatót adnak hozzá, amelyek jelzik a fém jelenlétét a keresőtekercs közelében. További előny, hogy mindegyiket egyetlen 5 V -os tápfeszültségről lehet táplálni, ehhez elegendő egy közös, 2000 mAh -s USB -tápellátás, amely sok órán át tart.

A jelek értelmezéséhez és annak megértéséhez, hogy az érzékelő milyen anyagokra és formákra érzékeny, valóban segít megérteni a fizikát. Hüvelykujjszabályként az érzékelő érzékeny a tekercs sugarára eső távolságra vagy mélységben lévő tárgyakra. A legérzékenyebb azokra az objektumokra, amelyekben áram folyhat a tekercs síkjában, és a válasz megfelel az adott hurok területének az adott objektumban. Így a tekercs síkjában lévő fémtárcsa sokkal erősebb választ ad, mint a tekercsre merőleges ugyanaz a fémtárcsa. A tárgy súlya nem sokat számít. A tekercs síkjában orientált vékony alumínium fólia sokkal erősebb választ ad, mint egy nehézfém csavar.

1. lépés: Működési elv

Amikor az elektromos áram egy tekercsen keresztül áramlik, mágneses mezőt hoz létre. Faraday indukciós törvénye szerint a változó mágneses mező elektromos mezőt eredményez, amely ellenáll a mágneses tér változásának. Így a tekercsen feszültség alakul ki, amely ellenzi az áram növekedését. Ezt a hatást öninduktivitásnak nevezik, az induktivitás mértékegysége pedig Henry, ahol egy 1 hengeres tekercs 1 V potenciálkülönbséget fejleszt ki, amikor az áram másodpercenként 1 amperrel változik. Az N tekercselésű és R sugarú tekercs induktivitása megközelítőleg 5µH x N^2 x R, R méterben.

Fémtárgy jelenléte a tekercs közelében megváltoztatja az induktivitását. A fém típusától függően az induktivitás növekedhet vagy csökkenhet. A nem mágneses fémek, például a réz és az alumínium egy tekercs közelében csökkentik az induktivitást, mivel a változó mágneses mező örvényáramokat indukál a tárgyban, amelyek csökkentik a helyi mágneses mező intenzitását. A ferromágneses anyagok, például a vas, tekercs közelében növelik induktivitását, mivel az indukált mágneses mezők igazodnak a külső mágneses mezőhöz.

A tekercs induktivitásának mérése így felfedheti a közeli fémek jelenlétét. Az Arduino, a kondenzátor, a dióda és az ellenállás segítségével meg lehet mérni a tekercs induktivitását: a tekercset egy felüláteresztő LR szűrő részévé kell tenni, és ezt blokkhullámmal kell táplálni, mindenhol rövid tüskék keletkeznek átmenet. Ezen tüskék impulzushossza arányos a tekercs induktivitásával. Valójában az LR szűrő jellemző ideje tau = L/R. 20 tekercsből és 10 cm átmérőjű tekercs esetén L ~ 5µH x 20^2 x 0,05 = 100µH. Az Arduino túláram elleni védelme érdekében a minimális ellenállás 200 Ohm. Így körülbelül 0,5 mikroszekundumos impulzusokat várunk. Ezeket nehéz nagy pontossággal közvetlenül mérni, mivel az Arduino órajele 16 MHz.

Ehelyett a növekvő impulzust kondenzátor töltésére lehet használni, amelyet az Arduino analógból digitális konvertálású (ADC) segítségével ki lehet olvasni. A várható töltés egy 0,5 mikroszekundumos, 25 mA -es impulzusból 12,5 nC, ami 10 nF kondenzátoron 1,25 V -ot ad. A dióda feletti feszültségcsökkenés ezt csökkenti. Ha az impulzust néhányszor megismétlik, a kondenzátor töltése ~ 2V -ra emelkedik. Ezt ki lehet olvasni az Arduino ADC -vel az analogRead () használatával. A kondenzátor ezután gyorsan lemeríthető, ha a kiolvasó csapot kimenetre változtatja, és néhány mikroszekundumra 0 V -ra állítja. A teljes mérés körülbelül 200 mikroszekundumot vesz igénybe, 100 -at a kondenzátor töltésére és visszaállítására, és 100 -at az ADC -átalakításra. A pontosság nagymértékben növelhető a mérés megismétlésével és az eredmény átlagolásával: a 256 mérés átlagának elkészítése 50 ms-ot vesz igénybe, és 16-szorosára javítja a pontosságot. A 10 bites ADC így éri el a 14 bites ADC pontosságát.

Ez a mérés nagyon nemlineáris a tekercs induktivitásával, ezért nem alkalmas az induktivitás abszolút értékének mérésére. Fémérzékelésre azonban csak a tekercs induktivitásának apró relatív változásai érdekelnek a közeli fémek jelenléte miatt, és ez a módszer tökéletesen megfelel.

A mérés kalibrálása automatikusan elvégezhető a szoftverben. Ha feltételezhetjük, hogy legtöbbször nincs fém a tekercs közelében, akkor az átlagtól való eltérés azt jelzi, hogy a fém közel került a tekercshez. Különböző színek vagy különböző hangok használata lehetővé teszi az induktivitás hirtelen növekedése vagy hirtelen csökkenése közötti különbséget.

2. lépés: Szükséges összetevők

Elektronikus mag:

Arduino UNO R3 + prototípuspajzs VAGY Arduino Nano 5x7 cm -es prototípus táblával

10nF kondenzátor

Kis jel dióda, pl. 1N4148

220 ohmos ellenállás

A teljesítményhez:

USB tápegység kábellel

Vizuális kimenethez:

2 különböző színű LED, pl. kék és zöld

2 220 Ohm ellenállás az áramok korlátozására

Hangkimenethez:

Passzív hangjelző

Mikrokapcsoló a hang letiltásához

Fülhallgató kimenethez:

Fülhallgató csatlakozó

1 kOhm ellenállás

Fülhallgató

A keresőtekercs egyszerű csatlakoztatása/leválasztása:

2 tűs csavaros kapocs

A keresőtekercshez:

~ 5 méter vékony elektromos kábel

A tekercs tartására szolgáló szerkezet. Merevnek kell lennie, de nem kell kör alakúnak lennie.

A szerkezethez:

1 méteres bot, például fa, műanyag vagy szelfibot.

3. lépés: A keresési tekercs

A keresőtekercshez ~ 4 m sodrott huzalt tekergettem egy 9 cm átmérőjű kartonhenger köré, ami körülbelül 18 tekercset eredményezett. A kábel típusa lényegtelen, amennyiben az ohmos ellenállás legalább tízszer kisebb, mint az RL szűrő R értéke, ezért ügyeljen arra, hogy 20 ohm alatt maradjon. 1 Ohm -ot mértem, így biztonságos. Csak egy félkész 10 m-es tekercs bekötése is működik!

4. lépés: Prototípus verzió

Tekintettel a kis számú külső komponensre, tökéletesen lehetséges az áramkör felszerelése a prototípus pajzs kis kenyérlapjára. A végeredmény azonban meglehetősen terjedelmes és nem túl robusztus. Jobb, ha egy Arduino nano -t használ, és forrasztja az extra alkatrészekkel egy 5x7 cm -es prototípus táblára, (lásd a következő lépést)

A tényleges fémérzékeléshez csak 2 Arduino csap használható, az egyik az impulzusok ellátására az LR szűrőhöz, a másik pedig a kondenzátor feszültségének leolvasásához. Az impulzus bármely kimeneti csapból elvégezhető, de a leolvasást az A0-A5 analóg érintkezők egyikével kell elvégezni. További 3 érintkezőt használnak 2 LED -hez és a hangkimenethez.

Íme a recept:

1. A kenyértáblán kösse sorba a 220 Ohm ellenállást, a diódát és a 10nF kondenzátort, a dióda negatív kivezetésével (a fekete vonal) a kondenzátor felé.
2. Csatlakoztassa az A0 -t az ellenálláshoz (a vége nincs csatlakoztatva a diódához)
3. Csatlakoztassa az A1-t a dióda és a kondenzátor keresztpontjához
4. Csatlakoztassa a kondenzátor nem csatlakoztatott terminálját a földhöz
5. Csatlakoztassa a tekercs egyik végét az ellenállás-dióda keresztpontjához
6. Csatlakoztassa a tekercs másik végét a földhöz
7. Csatlakoztasson egy LED -et a pozitív kapcsával a D12 érintkezőhöz, és a negatív kivezetését egy 220 ohmos ellenálláson keresztül a földhöz
8. Csatlakoztassa a másik LED -et pozitív csatlakozójával a D11 érintkezőhöz, és a negatív kivezetését egy 220 ohmos ellenálláson keresztül a földhöz
9. Opcionálisan csatlakoztasson passzív zümmögő fejhallgatót vagy hangszórót a 10. tű és a föld közé. A hangerő csökkentése érdekében sorban kondenzátort vagy ellenállást lehet hozzáadni

Ez minden!

5. lépés: Forrasztott verzió

A fémdetektor kivezetéséhez forrasztani kell. Egy közös 7x5 cm -es prototípus tábla kényelmesen illeszkedik az Arduino nano -hoz és az összes szükséges alkatrészhez. Használja ugyanazokat a sémákat, mint az előző lépésben. Hasznosnak találtam egy kapcsolót sorozatban hozzáadni a hangjelzővel, hogy kikapcsolja a hangot, ha nincs rá szükség. A csavaros kapocs lehetővé teszi a különböző tekercsek kipróbálását forrasztás nélkül. Mindent az Arduino Nano (mini- vagy mikro-USB) portjához szállított 5 V-ról táplálnak.

6. lépés: A szoftver

A felhasznált Arduino vázlat itt található. Töltse fel és futtassa. Arduino 1.6.12 IDE -t használtam. Javasoljuk, hogy a debug = true paranccsal futtassa az elején, hogy a mérésenkénti impulzusszámot hangolja. A legjobb, ha az ADC -érték 200 és 300 között van. Növelje vagy csökkentse az impulzusok számát, ha a tekercs drasztikusan eltérő értékeket ad.

A vázlat valamilyen önkalibrálást végez. Elég, ha a tekercset csendben hagyja a fémektől, hogy csendes legyen. Az induktivitás lassú eltolódását követik, de a hirtelen nagy változások nem befolyásolják a hosszú távú átlagot.

7. lépés: Rögzítése botra

Mivel nem szeretné, hogy kincskeresését a padlón mászkálva végezze, a három táblát, tekercset és akkumulátort egy bot végére kell felszerelni. A szelfibot ideális erre, mivel könnyű, összecsukható és állítható. Az 5000mAh teljesítményű bankom véletlenül elfért a szelfiboton. A táblát ezután kábelkötegelőkkel vagy elasztikus anyagokkal lehet rögzíteni, és a tekercs hasonlóan lehet az akkumulátorhoz vagy a bothoz.

8. lépés: Hogyan kell használni

A referencia megállapításához elegendő a tekercset ~ 5s távol tartani a fémektől. Ezután, amikor a tekercs közel kerül egy fémhez, a zöld vagy kék LED villogni kezd, és hangjelzés hallatszik a hangjelzőben és/vagy a fejhallgatóban. A kék villanások és a halk hangjelzések nem ferromágneses fémek jelenlétét jelzik. A zöld villanások és a magas hangjelzések a ferromágneses fémek jelenlétét jelzik. Vigyázzon, hogy ha a tekercset több mint 5 másodpercig a fém közelében tartja, akkor ezt az értéket veszi referenciaként, és elkezd sípolni, amikor az érzékelőt eltávolítják a fémből. Néhány másodpercnyi hangjelzés után ismét csendes lesz. A villogások és a sípolások gyakorisága jelzi a jel erősségét. Boldog vadászatot!