Miljövänlig metalldetektor - Arduino: 8 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:46

Metaldetektering är mycket roligt. En av utmaningarna är att kunna begränsa den exakta platsen att gräva för att minimera storleken på det kvarvarande hålet.

Denna unika metalldetektor har fyra sökspolar, en pekskärm i färg för att identifiera och identifiera platsen för ditt fynd.

Innehåller automatisk kalibrering, ett uppladdningsbart USB -paket, med fyra olika skärmlägen, frekvens och pulsbreddsjustering som gör att du kan anpassa hur du söker.

När du väl har identifierat skatten kan ett enda hål centrerat ovanför varje spole använda ett träspett för att trycka ner i jorden så att du kan börja gräva en liten plugg från marken, vilket minskar skador på miljön.

Varje spole kan identifiera mynt och ringar på 7-10 cm djup, så det är perfekt för att leta efter förlorade mynt och ringar runt parker och stränder.

**********************************

Ett stort tack - Om du tryckte på röstknappen i det övre högra hörnet för tävlingarna "Invention Challenge" och "Explore Science" !!!

tack så mycket, TechKiwi

**********************************

Steg 1: Vetenskapen bakom metalldetektering

Metaldetekteringsdesign

Det finns flera varianter av metalldetektorns design. Denna speciella typ av metalldetektor är en pulsinduktionsdetektor som använder separata sändnings- och mottagningsspolar.

Arduino producerar en puls som appliceras på sändspolen under en mycket kort tid (4uS) via en transistor. Denna ström från pulsen gör att ett plötsligt magnetfält bildas runt spolen, det expanderande och kollapsande fältet inducerar en spänning i mottagningsspolen. Denna mottagna signal förstärks av den mottagande transistorn och förvandlas sedan till en ren digital puls av en spänningskomparator och samplas i sin tur av en digital ingångsstift på Arduino. Arduino är programmerad att mäta pulsbredden för den mottagna pulsen.

I denna design bestäms den mottagna pulsbredden av mottagningsspoleinduktansen och en kondensator. Utan några objekt inom räckvidden mäter baslinjens pulsbredd cirka 5000 uS. När främmande metallföremål kommer inom området för det expanderande och kollapsande magnetfältet orsakar detta att en del av energin induceras i objektet i form av virvelströmmar. (Elektromagnetisk induktion)

Nettoresultatet är att den mottagna pulsbredden reduceras, denna skillnad i pulsbredd mäts av Arduino och visas på en TFT -display i olika format.

Displayalternativ 1: Målets position under detektorhuvudet

Min avsikt var att använda de fyra spolarna för att triangulera målets position under detektorhuvudet. Sökpolarnas olinjära karaktär gjorde detta utmanande, men den animerade GIF: n ovan visar att resultaten är tillräckligt användbara för att visa målets relativa position under huvudet samt signalens styrka.

Displayalternativ 2: Visa signalspårning för varje sökspole

Detta gör att du kan spåra var objektet är under huvudet genom att dra en oberoende signalstyrka på skärmen för varje sökspole. Detta är användbart för att avgöra om du har två mål nära varandra under detektorhuvudet och den relativa styrkan.

Praktiska användningsområden

Detta tillvägagångssätt gör att du kan använda den första vyn för att identifiera ett mål och den andra vyn för att peka den till några millimeter som visas i videoklippet.

Steg 2: Samla materialet

Materialförteckning

1. Arduino Mega 2560 (artiklarna 1, 2 och 3 kan köpas som en medföljande beställning)
2. 3,2 "TFT LCD -pekskärm (har inkluderat kod för tre variationer som stöds)
3. TFT 3,2 tums Mega Shield
4. Transistor BC548 x 8
5. 0.047uf Greencap -kondensator x 4 (50v)
6. 0.1uf Greencap -kondensator x 1 (50v)
7. 1k motstånd x 4
8. 47 Motstånd x 4
9. 10k motstånd x 4
10. 1M motstånd x 4
11. 2,2 k motstånd x 4
12. SPST Mini Rocker Switch
13. Integrerad krets LM339 Quad Differential Comparator
14. Signaldioder IN4148 x 4
15. Copper WireSpool 0,3 mm Diameter x 2
16. Två kärnor skärmad kabel - 4,0 mm diameter - 5 M längd
17. USB uppladdningsbar Powerbank 4400mHa
18. Piezo summer
19. Vero Board 80x100mm
20. Plastfodral minst 100 mm höjd, 55 mm djup, 160 mm bredd
21. Buntband
22. MDF -trä 6-8 mm tjocklek - 23 cm x 23 cm fyrkantiga bitar x 2
23. Micro USB förlängningskabel 10 cm
24. USB-A-pluggkabel lämplig att klippa ner till 10 cm längd
25. Hörlurar Audio Jack Point - Stereo
26. Olika trä- och plastdistansdetektorhuvuden
27. Speed Mop kvasthandtag med justerbar led (endast en axelrörelse - se bilder)
28. En bit A3 -papper
29. Lim stift
30. Electic Jig Saw cutter
31. A4 -ark 3 mm tjocklek för att skapa en spiralformare för TX- och Rx -spolar
32. Silvertejp
33. Lim pistol
34. Ellim
35. 10 ytterligare Arduino Header Pins
36. Kretskortsplintar x 20
37. TwoPart Epoxy Lim - 5 min torktid
38. Hantverkskniv
39. 5 mm plaströrslängd 30 mm x 4 (jag använde trädgårdsvattensystemrör från järnaffär)
40. MDF vattentät tätningsmedel (se till att den inte innehåller metall)
41. 60 cm flexibel elektrisk ledning - grå - 25 mm diameter

Steg 3: Bygg detektorhuvudet

1. Konstruera huvudmontering

Obs: Jag valde att bygga ett ganska komplext monteringsarrangemang för de 8 koppartrådspolarna som används i detektorhuvudet. Detta innebar att man klippte ut en serie hål ur två lager MDF som kan ses på fotografierna ovan. Nu har jag slutfört enheten, jag rekommenderar att du bara använder en enda utskurna cirkel med en diameter på 23 cm och fäster spolarna på detta enda lager av MDF med varmt lim. Detta minskar byggtiden och innebär också att huvudet är lättare.

Börja med att skriva ut stencilen på ett A3 -papper och limma sedan på MDF -kortet för att ge dig en guide för placering av spolarna.

Skär försiktigt ut en cirkel med en diameter på 23 cm från MDF med en elektrisk jigsåg.

2. Lindning av spolarna

Använd kartongen för att skapa två 10 cm långa cylindrar som hålls ihop med kanaltape. Sändspolarnas diameter måste vara 7 cm och mottagningsspolarna 4 cm.

Placera koppartrådsspolen på en spik så att den kan vridas fritt. Fäst början av koppartråden på pappcylindern med hjälp av tejp. Vind 40 vänder fast på cylindern och använd sedan tejp för att binda av änden.

Använd Hot Lim för att fästa spolarna på minst 8 punkter runt spolarnas omkrets. När du har svalnat, använd fingrarna för att lindra spolen och fäst den sedan på metalldetektorhuvudmallen med hjälp av Hot Lim. Borra två hål genom MDF bredvid spolen och för ändarna av spolen till ovansidan av metalldetektorhuvudet.

Upprepa denna övning för att bygga och montera 4 x Receive Coils och 4 Transmit coils. När det är klart ska det finnas 8 par trådar som sticker ut genom toppen av metalldetektorhuvudet.

3. Fäst de skärmade kablarna

Skär 5M längden på den skärmade dubbelkärnkabeln i 8 längder. Ta bort och löd dubbelkärnan till varje sändnings- och mottagningsspole och lämna skärmen frånkopplad vid kabelns detektorhuvudände.

Testa spolarna och kabelanslutningarna i den andra änden av varje kabel med en Ohm -mätare. Varje spole registrerar några ohm och bör vara konsekvent för alla mottagnings- och sändningsspolar.

När den är testad, använd den heta limpistolen för att fästa de 8 kablarna i mitten av detektorhuvudet redo att fästa handtaget och avsluta huvudet.

Mitt råd är att ta bort och tina var och en av de skärmade kabelkärnorna i andra änden som förberedelse för den framtida testningen. Anslut en jordkabel till varje kabelskärm eftersom den ansluts till jord i huvudenheten. Detta stoppar störningar mellan varje kabel.

Använd en multimeter för att identifiera vilken spole som är och fäst klisterlappar så att de lätt kan identifieras för framtida montering.

Steg 4: Montera krets för testning

1. Brödbräda

Min rekommendation är att använda en brödbräda för att först sätta upp och testa kretsen innan du går till Vero Board och ett hölje. Detta ger dig möjlighet att anpassa komponentvärden eller ändra koden om det behövs för känslighet och stabilitet. Sändnings- och mottagningsspolarna måste anslutas så att de lindas i samma riktning och detta är lättare att testa på en brödbräda innan trådarna märks för framtida anslutning till Vero Board.

Montera komponenterna enligt kretsschemat och fäst detektorhuvudspolarna med anslutningstråd.

Anslutningarna till Arduino görs bäst med hjälp av en brödkrokskabel som löds till TFT -skölden. För digitala och analoga stiftanslutningar lade jag till en rubrikstift som gjorde att jag kunde undvika att lödas direkt på Arduino -kortet. (Se bild)

2. IDE Libraries

Dessa måste laddas ner och läggas till i IDE (Integrated Development Environment) som körs på din dator, som används för att skriva och ladda upp datorkod till det fysiska kortet. UTFT.h och URtouch.h finns i zip -filen nedan

Kredit för UTFT.h och URtouch.h går till Rinky-Dink Electronics Jag har inkluderat dessa zip-filer eftersom det verkar som källans webbplats är nere.

3. Testning

Jag har inkluderat ett testprogram för att hantera den första installationen så att du kan hantera problem med spolorientering. Ladda testkoden i Arduino IDE och ladda upp till Mega. Om allt fungerar bör du se testskärmen enligt ovan. Varje spole bör producera ett steady state -värde på cirka 4600uS i varje kvadrant. Om så inte är fallet vänd polariteten på lindningarna på TX- eller RX -spolen och testa igen. Om detta inte fungerar föreslår jag att du kontrollerar varje spole individuellt och arbetar tillbaka genom kretsen för att felsöka. Om du redan har 2 eller 3 som fungerar jämför dem med spolarna/kretsarna som inte fungerar.

Obs: Ytterligare tester har avslöjat att 0,047uf kondensatorer på RX -kretsen påverkar all känslighet. Mitt råd är när du har kretsen som arbetar på en brödbräda, försök öka detta värde och testa med ett mynt eftersom jag har funnit att detta kan förbättra känsligheten.

Det är inte obligatoriskt men om du har ett oscilloskop kan du också observera TX Pulse och RX Pulse för att säkerställa att spolarna är korrekt anslutna. Se kommentarerna på bilderna för att bekräfta detta.

OBS: Jag har inkluderat ett PDF -dokument i det här avsnittet med oscilloskopspår för varje steg i kretsen för att hjälpa till att felsöka eventuella problem

Steg 5: Bygg kretsen och höljet

När enheten har testats till din belåtenhet kan du ta nästa steg och bygga kretskortet och höljet.

1. Förbered kapslingen

Layout de viktigaste komponenterna och placera dem i ditt fall för att avgöra hur allt kommer att passa. Klipp Vero -kortet för att rymma komponenterna, men se till att du får plats i botten av höljet. Var försiktig med det uppladdningsbara kraftpaketet eftersom det kan vara ganska skrymmande.

Borra hål för att rymma bakre ingången på huvudkablarna, strömbrytare, extern USB -port, Arduino -programmeringsport och stereohörlurar.

Förutom denna borr 4 monteringshål i mitten av framsidan av fodralet där handtaget kommer att vara, Dessa hål måste kunna passera ett buntband genom dem i framtida steg.

2. Montera Vero Board

Följ kretsdiagrammet och bilden ovan för att placera komponenterna på Vero -kortet.

Jag använde PCB Terminal Pins för att möjliggöra enkel anslutning av huvudspolskablarna till PCB. Montera Piezo Buzzer på kretskortet tillsammans med IC och transistorer. Jag försökte hålla TX, RX -komponenterna inriktade från vänster till höger och såg till att alla anslutningar till externa spolar fanns i ena änden av Vero Boar. (se layout på bilder)

3. Fäst spolkablarna

Bygg en kabelhållare för inkommande skärmade kablar av MDF som visas på bilderna. Denna består av 8 hål som är borrade i MDF för att göra det möjligt för kablarna att ligga i linje med PCB -terminalpinnar. När du fäster varje spole lönar det sig att testa kretsen successivt för att säkerställa korrekt spolorientering.

4. Testa enheten

Anslut USB Power Pack, strömbrytare, ljudtelefonkontakt och placera alla kablar och kablar för att säkerställa att det sitter ordentligt i fodralet. Använd Hot Lim för att hålla föremål på plats för att säkerställa att det inte finns något som kan skramla runt. Enligt föregående steg, ladda testkoden och se till att alla spolar fungerar som förväntat.

Testa att USB Power Pack laddas korrekt när den är ansluten externt. Se till att det finns tillräckligt med utrymme för att fästa Arduino IDE -kabeln.

5. Klipp ut skärmappeturen

Placera skärmen i mitten av lådan och markera kanterna på LCD -skärmen på frontpanelen redo för att klippa ut en bländare. Använd en hantverkskniv och en metalllinjal för att försiktigt få locket på locket och skär ut bländaren.

När det är slipat och arkiverat för att noggrant placera locket samtidigt som du säkerställer att alla komponenter, brädor, ledningar och skärm hålls på plats med distanser och varmt lim.

7. Bygg solskydd

Jag hittade ett gammalt svart hölje som jag kunde klippa i form och använda som solskydd som visas på bilderna ovan. Limma detta på frontpanelen med 5 min två delar epoxi.

Steg 6: Fäst handtaget och fodralet på detektorhuvudet

Nu när detektorelektroniken och huvudet är byggt återstår det bara att montera enheten på ett säkert sätt.

1. Fäst huvudet på handtaget

Ändra handtaget så att du kan fästa detta på huvudet med två skruvar. Helst vill du minimera mängden metall nära spolarna, så använd små träskruvar och mycket 5 minuters 2 -deligt epoxilim för att fästa vid huvudet. Se bilderna ovan.

2. Snörning av huvudkablar

Använd kabelband för att försiktigt snöra upp kablarna genom att lägga till ett kabelband var 10: e cm längs den skärmade ledningen. Var noga med att se till att du hittar den bästa positionen för fodralet så att det är lätt att se skärmen, nå kontrollerna och sätta på hörlurar/kontakter.

3. Fäst elektroniken i handtaget

Bygg ett 45 graders monteringsblock från MDF så att du kan fästa fodralet i en vinkel som betyder att när du sveper detektorn över marken kan du enkelt se TFT -skärmen. Se bilden ovan.

Fäst elektronikhuset på handtaget med kabelband som löper genom monteringsblocket och in i höljet genom de tidigare borrade monteringshålen.

4. Avsluta detektorhuvudet

Detektorhuvudspolarna måste fixeras utan rörelse i ledningarna, så det är en bra tid att använda Hot Lim för att fästa alla spolarna ordentligt.

Detektorhuvudet måste också vara vattentätt så det är viktigt att spraya MDF med en klar tätningsmedel (se till att tätningsmedel inte innehåller metall av uppenbara skäl).

Borra 5 mm hål i mitten av varje spole och passera 5 mm x 30 mm plaströr så att du kan skjuta in träspett i jorden nedanför när du har stiftat ett mål. Använd en varm limpistol för att låsa på plats.

Jag täckte sedan toppen av huvudet med en plastplatta och botten med ett tjockt plastbokomslag medan jag avslutade kanten med flexibla elektriska rörslangar och varmlimmade på plats.

Steg 7: Slutmontering och testning

1. Laddning

Sätt en vanlig mobiltelefonladdare i Micro USB -porten och se till att enheten är tillräckligt laddad.

2. Ladda upp kod

Använd Arduino IDE för att ladda upp den bifogade koden.

3. Stäng av knappen

Enheten är som standard avstängd vid uppstart. Detta markeras med en röd ljudknapp i skärmens nedre LHS. För att aktivera ljud, tryck på den här knappen och knappen ska bli grön för att markera att ljudet är aktiverat.

När ljudet är avstängt kommer den interna summern och det externa ljudtelefonuttaget att producera ljud.

4. Kalibrering

Kalibrering returnerar spåret till botten av skärmen under tröskelraderna. När enheten först slås på kalibreras den automatiskt. Enheten är anmärkningsvärt stabil men om det finns ett behov av omkalibrering kan detta göras genom att trycka på kalibreringsknappen på skärmen som kalibreras om på mindre än en sekund.

5. trösklar

Om signalen på någon spår överskrider tröskelvärdet (den streckade linjen på skärmen) och ljudknappen är avstängd kommer en ljudsignal att produceras.

Dessa trösklar kan justeras upp och ner genom att peka på skärmen ovanför eller under varje spårrad.

6. Justering av PW och DLY

Pulsens längd till spolen och fördröjningen mellan pulserna kan justeras via pekskärmen. Detta är verkligen på plats för att experimentera med så olika miljöer och skatter kan testas för bästa resultat.

7. Displaytyper

Det finns 4 olika skärmtyper

Displayalternativ 1: Målets position under detektorhuvud Min avsikt var att använda de 4 spolarna för att triangulera positionen för målet under detektorhuvudet. Söklinjernas olinjära karaktär gjorde detta utmanande men den animerade GIF: n ovan visar att resultaten är tillräckligt användbara för att visa målets relativa position under huvudet samt signalens styrka.

Displayalternativ 2: Visa signalspårning för varje sökspole Detta gör att du kan spåra var objektet ligger under huvudet genom att dra en oberoende signalstyrka på skärmen för varje sökspole. Detta är användbart för att avgöra om du har två mål nära varandra under detektorhuvudet och den relativa styrkan.

Displayalternativ 3: Samma som alternativ 2, men med tjockare linje gör det lättare att se.

Displayalternativ 4: Samma som alternativ 2, men drar över 5 skärmar innan spårning tas bort. Bra för att fånga upp svaga signaler.

Jag testar fältet under de närmaste veckorna så kommer att publicera eventuella skattfynd.

Nu ska du ha kul och hitta lite skatt !!

Steg 8: Epilog: Coilvarianter

Det har varit många bra, intressanta frågor och förslag om spolkonfigurationer. I utvecklingen av denna instruerbara, det fanns många experiment med olika spolkonfigurationer som är värda att nämna.

Bilderna ovan visar några av spolarna jag försökte innan jag bestämde mig för den nuvarande designen. Meddela mig om du har fler frågor.

Över till dig för att experimentera vidare!

Första priset i uppfinningsutmaningen 2017

Första priset i Explore Science Contest 2017