Enkel Arduino metalldetektor: 8 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:37

*** En ny version har publicerats som är ännu enklare: https://www.instructables.com/Minimal-Arduino-Metal-Detector/ ***

Metaldetektering är en fantastisk förfluten tid som tar dig utomhus, upptäcker nya platser och kanske hittar något intressant. Kontrollera dina lokala bestämmelser om hur du ska agera vid en eventuell upptäckt, i synnerhet vid farliga föremål, arkeologiska reliker eller föremål av betydande ekonomiskt eller känslomässigt värde.

Instruktioner för DIY -metalldetektorer är många, men det här receptet är särskilt i den meningen att det kräver väldigt få komponenter utöver en Arduino -mikrokontroller: en gemensam kondensator, motstånd och diod utgör kärnan, tillsammans med en sökspole som består av cirka 20 lindningar av elektriskt ledande kabel. Lysdioder, en högtalare och/eller hörlurar läggs sedan till för att signalera närvaron av metall nära sökspolen. En ytterligare fördel är att alla kan drivas från en enda 5V effekt, för vilken en vanlig 2000mAh USB -ström är tillräcklig och kommer att hålla i många timmar.

Att tolka signalerna och förstå vilka material och former detektorn är känslig för, det hjälper verkligen att förstå fysiken. Som tumregel är detektorn känslig för föremål på avstånd eller djup upp till spolens radie. Det är mest känsligt för objekt där en ström kan flöda i spolens plan, och svaret kommer att motsvara området för strömslingan i det objektet. Således kommer en metallskiva i spolens plan att ge ett mycket starkare svar än samma metallskiva vinkelrätt mot spolen. Objektets vikt spelar inte så stor roll. En tunn bit aluminiumfolie orienterad i spolens plan ger ett mycket starkare svar än en tungmetallbult.

Steg 1: Arbetsprincip

När elektricitet börjar strömma genom en spole, bygger det upp ett magnetfält. Enligt Faradays induktionslag kommer ett föränderligt magnetfält att resultera i ett elektriskt fält som motsätter sig förändringen av magnetfältet. Således kommer en spänning att utvecklas över spolen som motsätter sig ökningen av ström. Denna effekt kallas självinduktans, och induktansenheten är Henry, där en spole på 1 Henry utvecklar en potentialskillnad på 1V när strömmen ändras med 1 ampere per sekund. Induktansen för en spole med N -lindningar och en radie R är ungefär 5µH x N^2 x R, med R i meter.

Närvaron av ett metallföremål nära en spole kommer att ändra dess induktans. Beroende på metalltyp kan induktansen antingen öka eller minska. Icke-magnetiska metaller som koppar och aluminium nära en spole minskar induktansen, eftersom ett förändrat magnetfält kommer att framkalla virvelströmmar i objektet som minskar intensiteten hos det lokala magnetfältet. Ferromagnetiska material, såsom järn, nära en spole ökar dess induktans eftersom de inducerade magnetfälten ligger i linje med det yttre magnetfältet.

Mätningen av spolens induktans kan således avslöja närvaron av metaller i närheten. Med en Arduino, en kondensator, en diod och ett motstånd är det möjligt att mäta spolens induktans: att göra spolen till en del av ett högpass LR-filter och mata den med en blockvåg, korta spikar kommer att skapas vid varje övergång. Pulslängden på dessa spikar är proportionell mot spolens induktans. Faktum är att den karakteristiska tiden för ett LR -filter är tau = L/R. För en spole med 20 lindningar och en diameter på 10 cm, L ~ 5µH x 20^2 x 0,05 = 100µH. För att skydda Arduino från överström är minimimotståndet 200Ohm. Vi förväntar oss alltså pulser med en längd av cirka 0,5 mikrosekund. Dessa är svåra att mäta direkt med hög precision, med tanke på att klockfrekvensen för Arduino är 16MHz.

Istället kan den stigande pulsen användas för att ladda en kondensator, som sedan kan avläsas med Arduino -analog till digital omvandlad (ADC). Den förväntade laddningen från en 0,5 mikrosekundpuls på 25mA är 12,5nC, vilket ger 1,25V på en 10nF kondensator. Spänningsfallet över dioden kommer att minska detta. Om pulsen upprepas några gånger, stiger laddningen på kondensatorn till ~ 2V. Detta kan avläsas med Arduino ADC med analogRead (). Kondensatorn kan sedan snabbt urladdas genom att ändra avläsningsstiftet till utgång och ställa in det till 0V under några mikrosekunder. Hela mätningen tar cirka 200 mikrosekunder, 100 för laddning och återställning av kondensatorn och 100 för ADC -omvandlingen. Precisionen kan förbättras kraftigt genom att upprepa mätningen och göra ett genomsnitt av resultatet: att ta genomsnittet på 256 mätningar tar 50 ms och förbättrar precisionen med en faktor 16. 10-bitars ADC uppnår precisionen för en 14-bitars ADC på detta sätt.

Denna erhållna mätning är mycket olinjär med spolens induktans och därför inte lämplig för att mäta induktansens absoluta värde. För metalldetektering är vi dock bara intresserade av små relativa förändringar av spoleinduktansen på grund av närvaron av närliggande metaller, och för detta är denna metod perfekt lämpad.

Kalibreringen av mätningen kan göras automatiskt i programvara. Om man kan anta att det oftast inte finns någon metall nära spolen, är en avvikelse från genomsnittet en signal om att metall har kommit nära spolen. Genom att använda olika färger eller olika toner kan man skilja mellan en plötslig ökning eller en plötslig minskning av induktansen.

Steg 2: Obligatoriska komponenter

Elektronisk kärna:

Arduino UNO R3 + prototypsköld ELLER Arduino Nano med 5x7cm prototypkort

10nF kondensator

Liten signaldiod, t.ex. 1N4148

220 ohm motstånd

För kraft:

USB powerbank med kabel

För visuell utmatning:

2 lysdioder i olika färger t.ex. blått och grönt

2 220Ohm motstånd för att begränsa strömmarna

För ljudutmatning:

Passiv summer

Mikrobrytare för att inaktivera ljud

För hörlursutgång:

Hörlurskontakt

1kOhm motstånd

Hörlurar

För att enkelt ansluta/koppla bort sökspolen:

2-polig skruvterminal

För sökspolen:

~ 5 meter tunn elektrisk kabel

Struktur för att hålla spolen. Måste vara stel men behöver inte vara cirkulär.

För strukturen:

1 meter stick, t.ex. trä, plast eller selfiepinne.

Steg 3: Sökspolen

För sökspolen lindade jag ~ 4 m strängad tråd runt en pappcylinder med 9 cm diameter, vilket resulterade i cirka 18 lindningar. Kabeltypen är irrelevant, så länge det ohmiska motståndet är minst tio gånger mindre än värdet på R i RL -filtret, så se till att hålla dig under 20 ohm. Jag mätte 1 Ohm, så det är säkert. Bara att ta en halvfärdig rulle på 10 meter med anslutningstråd fungerar också!

Steg 4: En prototypversion

Med tanke på det lilla antalet externa komponenter är det fullt möjligt att montera kretsarna på den lilla brödbrädan på en prototypsköld. Slutresultatet är dock ganska skrymmande och inte särskilt robust. Bättre är att använda en Arduino nano och lödda den med extra komponenter på ett 5x7cm prototypkort, (se nästa steg)

Endast 2 Arduino -stift används för själva metalldetekteringen, en för att ge pulserna till LR -filtret och en för att läsa ut spänningen på kondensatorn. Pulseringen kan göras från valfri utgångsstift men avläsningen måste göras med en av de analoga stiften A0-A5. Ytterligare 3 stift används för 2 lysdioder och för ljudutmatning.

Här är receptet:

1. På brödbrädet, anslut 220Ohm -motståndet, dioden och 10nF -kondensatorn i serie, med den negativa terminalen på dioden (den svarta linjen) mot kondensatorn.
2. Anslut A0 till motstånd (änden är inte ansluten till dioden)
3. Anslut A1 till där diodens och kondensatorns tvärpunkt
4. Anslut kondensatorns icke-anslutna terminal till jord
5. Anslut ena änden av spolen till motståndsdiodens tvärpunkt
6. Anslut den andra änden av spolen till jord
7. Anslut en lysdiod med dess positiva terminal till stift D12 och dess negativa terminal genom ett 220Ohm motstånd till jord
8. Anslut den andra lysdioden med dess positiva terminal till stift D11 och dess negativa terminal genom ett 220Ohm motstånd till jord
9. Anslut eventuellt en passiv summer -hörlur eller högtalare mellan stift 10 och jord. En kondensator eller ett motstånd kan läggas till i serie för att minska volymen

Det är allt!

Steg 5: En lodad version

För att ta metalldetektorn utanför måste det lödas. En vanlig 7x5 cm prototypbräda passar bekvämt till en Arduino nano och alla nödvändiga komponenter. Använd samma schema som i föregående steg. Jag tyckte att det var användbart att lägga till en switch i serie med summern för att stänga av ljudet när det inte behövs. En skruvterminal gör det möjligt att prova olika spolar utan att behöva lödas. Allt drivs via 5V som levereras till (mini- eller mikro-USB) porten på Arduino Nano.

Steg 6: Programvaran

Den använda Arduino -skissen bifogas här. Ladda upp och kör det. Jag använde Arduino 1.6.12 IDE. Det rekommenderas att köra det med debug = true i början för att justera antalet pulser per mätning. Bäst är att ha en ADC -avläsning mellan 200 och 300. Öka eller minska antalet pulser om din spole ger drastiskt olika avläsningar.

Skissen gör någon sorts självkalibrering. Det är tillräckligt att lämna spolen tyst borta från metaller för att få den att gå tyst. Långsam drift i induktansen kommer att följas, men plötsliga stora förändringar påverkar inte det långsiktiga genomsnittet.

Steg 7: Montera den på en pinne

Eftersom du inte vill göra dina skattjakter som kryper över golvet, bör de tre brädorna, spolen och batteriet monteras på slutet av en pinne. En selfie-stick är idealisk för detta, eftersom den är lätt, hopfällbar och justerbar. Min 5000mAh powerbank råkade passa på selfiepinnen. Brädan kan sedan fästas med buntband eller resår och spolen kan på samma sätt vara antingen till batteriet eller stickan.

Steg 8: Hur man använder den

För att fastställa referensen är det tillräckligt att lämna spolen ~ 5s från metaller. När spolen närmar sig en metall börjar den gröna eller blå lysdioden blinka och pip hörs i summern och/eller hörlurarna. Blå blinkningar och låga pip indikerar förekomsten av icke-ferromagnetiska metaller. Gröna blinkar och pip med hög tonhöjd indikerar närvaron av ferromagnetiska metaller. Var uppmärksam på att när spolen hålls i mer än 5 sekunder nära metallen, kommer den att ta den avläsningen som en referens och börja pipa när detektorn tas bort från metallen. Efter några sekunder av pipande i luften blir det tyst igen. Blinkarnas frekvens och pip indikerar signalstyrkan. Glad jakt!