Enkel Arduino metaldetektor: 8 trin (med billeder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:25

*** En ny version er blevet sendt, der er endnu enklere: https://www.instructables.com/Minimal-Arduino-Metal-Detector/ ***

Metaldetektering er en fantastisk tidligere tid, der får dig til at være udendørs, opdage nye steder og måske finde noget interessant. Tjek dine lokale regler for, hvordan du skal handle i tilfælde af et eventuelt fund, især i tilfælde af farlige genstande, arkæologiske relikvier eller genstande af betydelig økonomisk eller følelsesmæssig værdi.

Instruktioner til DIY metaldetektorer er rigelige, men denne opskrift er særlig i den forstand, at den kræver meget få komponenter ud over en Arduino mikrokontroller: en fælles kondensator, modstand og diode danner kernen sammen med en søgespole, der består af cirka 20 viklinger af elektrisk ledende kabel. LED'er, en højttaler og/eller hovedtelefon tilføjes derefter for at signalere tilstedeværelsen af metal nær søgespolen. En yderligere fordel er, at alle kan drives af en enkelt 5V strøm, som en almindelig 2000mAh USB -strøm er tilstrækkelig til og vil vare mange timer.

At fortolke signalerne og forstå, hvilke materialer og former detektoren er følsom over for, hjælper det virkelig at forstå fysikken. Som tommelfingerregel er detektoren følsom over for objekter i en afstand eller dybde op til spolens radius. Det er mest følsomt over for objekter, hvor en strøm kan strømme i spolens plan, og svaret svarer til området for den aktuelle sløjfe i det objekt. Således vil en metalskive i spolens plan give en meget stærkere respons end den samme metalskive vinkelret på spolen. Objektets vægt betyder ikke meget. Et tyndt stykke aluminiumsfolie orienteret i spolens plan vil give en meget stærkere respons end en tungmetalbolt.

Trin 1: Arbejdsprincip

Når elektricitet begynder at strømme gennem en spole, opbygger det et magnetfelt. Ifølge Faradays induktionslov vil et ændret magnetfelt resultere i et elektrisk felt, der modsætter sig ændringen i magnetfeltet. Således vil der udvikles en spænding på tværs af spolen, der modsætter sig stigningen i strøm. Denne effekt kaldes selvinduktans, og induktansens enhed er Henry, hvor en spole på 1 Henry udvikler en potentiel forskel på 1V, når strømmen ændres med 1 ampere i sekundet. Induktansen af en spole med N -viklinger og en radius R er cirka 5µH x N^2 x R, med R i meter.

Tilstedeværelsen af en metalgenstand nær en spole vil ændre dens induktans. Afhængigt af metaltypen kan induktansen enten stige eller falde. Ikke-magnetiske metaller som kobber og aluminium i nærheden af en spole reducerer induktansen, fordi et ændret magnetfelt vil fremkalde hvirvelstrømme i objektet, der reducerer intensiteten af det lokale magnetfelt. Ferromagnetiske materialer, såsom jern, nær en spole øger dens induktans, fordi de inducerede magnetfelter flugter med det ydre magnetfelt.

Målingen af en spoles induktans kan således afsløre tilstedeværelsen af metaller i nærheden. Med en Arduino, en kondensator, en diode og en modstand er det muligt at måle en spoles induktans: ved at gøre spolen til en del af et højpas LR-filter og fodre denne med en blokbølge, vil der blive skabt korte pigge ved hver overgang. Pulslængden af disse pigge er proportional med spolens induktans. Faktisk er den karakteristiske tid for et LR -filter tau = L/R. For en spole på 20 viklinger og en diameter på 10 cm, L ~ 5µH x 20^2 x 0,05 = 100µH. For at beskytte Arduino mod overstrøm er minimummodstanden 200Ohm. Vi forventer således pulser med en længde på ca. 0,5 mikrosekund. Disse er vanskelige at måle direkte med høj præcision, i betragtning af at urfrekvensen for Arduino er 16MHz.

I stedet kan den stigende puls bruges til at oplade en kondensator, som derefter kan aflæses med Arduino analog til digital converter (ADC). Den forventede ladning fra en 0,5 mikrosekund puls på 25mA er 12,5nC, hvilket giver 1,25V på en 10nF kondensator. Spændingsfaldet over dioden reducerer dette. Hvis pulsen gentages et par gange, stiger ladningen på kondensatoren til ~ 2V. Dette kan aflæses med Arduino ADC ved hjælp af analogRead (). Kondensatoren kan derefter hurtigt aflades ved at ændre udlæsningstappen til output og indstille den til 0V i et par mikrosekunder. Hele målingen tager omkring 200 mikrosekunder, 100 for opladning og nulstilling af kondensatoren og 100 for ADC -konvertering. Præcisionen kan forbedres kraftigt ved at gentage målingen og beregne et gennemsnit af resultatet: at tage et gennemsnit på 256 målinger tager 50 ms og forbedrer præcisionen med en faktor 16. 10-bit ADC opnår præcisionen af en 14-bit ADC på denne måde.

Denne opnåede måling er meget ulinær med spolens induktans og derfor ikke egnet til at måle den absolutte værdi af induktansen. Til metaldetektering er vi imidlertid kun interesserede i bittesmå relative ændringer af spoleinduktansen på grund af tilstedeværelsen af nærliggende metaller, og derfor er denne metode perfekt egnet.

Kalibreringen af målingen kan foretages automatisk i software. Hvis man kan antage, at der for det meste ikke er metal i nærheden af spolen, er en afvigelse fra gennemsnittet et signal om, at metal er kommet tæt på spolen. Brug af forskellige farver eller forskellige toner gør det muligt at skelne mellem en pludselig stigning eller et pludseligt fald i induktansen.

Trin 2: Påkrævede komponenter

Elektronisk kerne:

Arduino UNO R3 + prototypeskærm ELLER Arduino Nano med 5x7cm prototypebræt

10nF kondensator

Lille signaldiode, f.eks. 1N4148

220 ohm modstand

For strøm:

USB powerbank med kabel

Til visuelt output:

2 lysdioder i forskellig farve f.eks. blå og grøn

2 220Ohm modstande for at begrænse strømmen

For lydudgang:

Passiv summer

Mikrokontakt for at deaktivere lyd

Til hovedtelefonudgang:

Høretelefon stik

1kOhm modstand

Høretelefoner

For let at tilslutte/afbryde søgespolen:

2-polet skrueterminal

Til søgespolen:

~ 5 meter tyndt elektrisk kabel

Struktur til at holde spolen. Skal være stiv, men behøver ikke at være cirkulær.

Til strukturen:

1 meter pind, fx træ, plast eller selfiestang.

Trin 3: Søgespolen

Til søgespolen viklede jeg ~ 4 m strandet tråd omkring en papcylinder med en diameter på 9 cm, hvilket resulterede i omkring 18 viklinger. Kabeltypen er irrelevant, så længe den ohmiske modstand er mindst ti gange mindre end værdien af R i RL -filteret, så sørg for at forblive under 20 ohm. Jeg målte 1 Ohm, så det er sikkert. Bare det at tage en halvfærdig 10 m rulle tilslutningstråd virker også!

Trin 4: En prototypeversion

I betragtning af det lille antal eksterne komponenter er det helt muligt at montere kredsløbet på det lille brødbræt på et prototypeskærm. Det endelige resultat er dog temmelig omfangsrigt og ikke særlig robust. Bedre er at bruge en Arduino nano og lodde den med de ekstra komponenter på et 5x7cm prototype bord, (se næste trin)

Kun 2 Arduino -ben bruges til selve metaldetekteringen, en til levering af pulser til LR -filteret og en til aflæsning af spændingen på kondensatoren. Pulseringen kan foretages fra en hvilken som helst udgangsstift, men aflæsningen skal foretages med en af de analoge ben A0-A5. 3 ben bruges til 2 lysdioder og til lydudgangen.

Her er opskriften:

1. På brødbrættet forbindes 220Ohm -modstanden, dioden og 10nF -kondensatoren i serie med den negative terminal på dioden (den sorte linje) mod kondensatoren.
2. Tilslut A0 til modstand (enden er ikke forbundet til dioden)
3. Tilslut A1 til hvor krydspunktet for dioden og kondensatoren
4. Tilslut kondensatorens ikke-tilsluttede terminal til jord
5. Tilslut den ene ende af spolen til modstandsdiodens tværpunkt
6. Tilslut den anden ende af spolen til jorden
7. Tilslut en LED med dens positive terminal til pin D12 og dens negative terminal gennem en 220Ohm modstand til jord
8. Tilslut den anden LED med dens positive terminal til pin D11 og dens negative terminal gennem en 220Ohm modstand til jord
9. Du kan eventuelt tilslutte en passiv summer -hovedtelefon eller højttaler mellem pin 10 og jord. En kondensator eller modstand kan tilføjes i serie for at reducere lydstyrken

Det er alt!

Trin 5: En loddet version

For at tage metaldetektoren udenfor, vil det være nødvendigt at lodde det. Et almindeligt 7x5 cm prototypebord, der er behageligt, passer til en Arduino nano og alle de nødvendige komponenter. Brug de samme skemaer som i det foregående trin. Jeg fandt det nyttigt at tilføje en switch i serie med summeren for at slukke lyden, når det ikke er nødvendigt. En skrueterminal gør det muligt at afprøve forskellige spoler uden at skulle lodde. Alt drives via den 5V, der leveres til (mini- eller mikro-USB) porten på Arduino Nano.

Trin 6: Softwaren

Den anvendte Arduino -skitse er vedhæftet her. Upload og kør det. Jeg brugte Arduino 1.6.12 IDE. Det anbefales at køre det med debug = true i begyndelsen for at justere antallet af pulser pr. Måling. Bedst er at have en ADC -aflæsning mellem 200 og 300. Forøg eller reducer antallet af pulser, hvis din spole giver drastisk forskellige aflæsninger.

Skitsen foretager en slags selvkalibrering. Det er tilstrækkeligt at lade spolen være stille væk fra metaller for at få den til at gå stille. Langsom drift i induktansen vil blive fulgt, men pludselige store ændringer vil ikke påvirke det langsigtede gennemsnit.

Trin 7: Montering på en pind

Da du ikke vil foretage dine skattejagter og kravle hen over gulvet, bør de tre brædder, spoler og batterier monteres på enden af en pind. En selfie-stick er ideel til dette, da den er let, sammenklappelig og justerbar. Min 5000mAh powerbank passede tilfældigt på selfiestangen. Pladen kan derefter fastgøres med kabelbindere eller elastikker, og spolen kan på samme måde være til enten batteriet eller pinden.

Trin 8: Sådan bruges den

For at fastslå referencen er det tilstrækkeligt at lade spolen ~ 5s væk fra metaller. Når spolen kommer tæt på et metal, begynder den grønne eller blå lysdiode at blinke, og der lyder bip i summer og/eller hovedtelefoner. Blå blink og bip med lav tone indikerer tilstedeværelsen af ikke-ferromagnetiske metaller. Grønne blink og høje bip indikerer tilstedeværelsen af ferromagnetiske metaller. Vær opmærksom på, at når spolen holdes i mere end 5 sekunder i nærheden af metallet, vil den tage denne læsning som en reference og begynde at bippe, når detektoren tages væk fra metallet. Efter et par sekunders bip i luften bliver det stille igen. Blinkfrekvensen og bipene angiver signalets styrke. God jagt!