Оглавление:
2025 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2025-01-13 06:58
*** Выложена новая версия, которая еще проще: https://www.instructables.com/Minimal-Arduino-Metal-Detector/ ***
Обнаружение металлов - отличное времяпрепровождение, которое позволит вам выйти на улицу, открыть для себя новые места и, возможно, найти что-нибудь интересное. Ознакомьтесь с местными законами о том, как действовать в случае возможной находки, особенно в случае опасных предметов, археологических реликвий или предметов, имеющих значительную экономическую или эмоциональную ценность.
Инструкций для самодельных металлоискателей предостаточно, но этот рецепт особенный в том смысле, что для него требуется очень мало компонентов в дополнение к микроконтроллеру Arduino: общий конденсатор, резистор и диод образуют сердечник вместе с поисковой катушкой, состоящей примерно из 20 элементов. обмотки электропроводящего кабеля. Затем добавляются светодиоды, динамик и / или наушники для сигнализации о наличии металла рядом с поисковой катушкой. Дополнительным преимуществом является то, что все они могут питаться от одного источника питания 5 В, для чего достаточно обычного USB-накопителя емкостью 2000 мАч, который прослужит много часов.
Чтобы интерпретировать сигналы и понять, к каким материалам и формам чувствителен детектор, это действительно помогает понять физику. Как правило, детектор чувствителен к объектам на расстоянии или глубине до радиуса катушки. Он наиболее чувствителен к объектам, в которых ток может течь в плоскости катушки, и реакция будет соответствовать области токовой петли в этом объекте. Таким образом, металлический диск в плоскости катушки даст гораздо более сильный отклик, чем такой же металлический диск, перпендикулярный катушке. Вес объекта особого значения не имеет. Тонкий кусок алюминиевой фольги, ориентированный в плоскости катушки, даст гораздо более сильный отклик, чем тяжелый металлический болт.
Шаг 1: принцип работы
Когда электричество начинает проходить через катушку, оно создает магнитное поле. Согласно закону индукции Фарадея, изменение магнитного поля приведет к возникновению электрического поля, которое противодействует изменению магнитного поля. Таким образом, на катушке будет возникать напряжение, препятствующее увеличению тока. Этот эффект называется самоиндукцией, а единица индуктивности - Генри, где катушка 1 Генри развивает разность потенциалов 1 В при изменении тока на 1 Ампер в секунду. Индуктивность катушки с N обмотками и радиусом R составляет приблизительно 5 мкГн x N ^ 2 x R, R в метрах.
Присутствие металлического объекта рядом с катушкой изменяет ее индуктивность. В зависимости от типа металла индуктивность может как увеличиваться, так и уменьшаться. Немагнитные металлы, такие как медь и алюминий, рядом с катушкой уменьшают индуктивность, потому что изменяющееся магнитное поле вызывает в объекте вихревые токи, которые уменьшают интенсивность местного магнитного поля. Ферромагнитные материалы, такие как железо, рядом с катушкой увеличивают ее индуктивность, поскольку индуцированные магнитные поля совпадают с внешним магнитным полем.
Таким образом, измерение индуктивности катушки может выявить присутствие металлов поблизости. С помощью Arduino, конденсатора, диода и резистора можно измерить индуктивность катушки: сделав катушку частью фильтра верхних частот LR и подавая на нее блочную волну, короткие всплески будут создаваться на каждом шагу. переход. Длина импульса этих пиков пропорциональна индуктивности катушки. Фактически, характерное время фильтра LR составляет tau = L / R. Для катушки из 20 витков и диаметром 10 см L ~ 5 мкГн x 20 ^ 2 x 0,05 = 100 мкГн. Для защиты Arduino от перегрузки по току минимальное сопротивление составляет 200 Ом. Таким образом, мы ожидаем импульсов длительностью около 0,5 микросекунды. Их сложно измерить напрямую с высокой точностью, учитывая, что тактовая частота Arduino составляет 16 МГц.
Вместо этого нарастающий импульс можно использовать для зарядки конденсатора, который затем может быть считан с помощью аналогово-цифрового преобразования (АЦП) Arduino. Ожидаемый заряд от 0,5 микросекундного импульса 25 мА составляет 12,5 нКл, что дает 1,25 В на конденсаторе 10 нФ. Падение напряжения на диоде уменьшит это. Если импульс повторяется несколько раз, заряд конденсатора возрастает до ~ 2В. Это можно прочитать с помощью АЦП Arduino с помощью analogRead (). Затем конденсатор можно быстро разрядить, переключив вывод считывания на выход и установив его на 0 В. На несколько микросекунд. Все измерение занимает около 200 микросекунд, 100 для зарядки и сброса конденсатора и 100 для преобразования АЦП. Точность может быть значительно повышена путем повторения измерения и усреднения результата: взятие среднего из 256 измерений занимает 50 мс и повышает точность в 16. Таким образом 10-битный АЦП достигает точности 14-битного АЦП.
Это полученное измерение сильно нелинейно с индуктивностью катушки и поэтому не подходит для измерения абсолютного значения индуктивности. Однако для обнаружения металлов нас интересуют лишь крошечные относительные изменения индуктивности катушки из-за присутствия близлежащих металлов, и для этого этот метод идеально подходит.
Калибровка измерения может выполняться автоматически в программном обеспечении. Если можно предположить, что большую часть времени рядом с катушкой нет металла, отклонение от среднего значения является сигналом о том, что металл подошел близко к катушке. Использование разных цветов или разных тонов позволяет различать внезапное увеличение или внезапное уменьшение индуктивности.
Шаг 2: Необходимые компоненты
Электронное ядро:
Arduino UNO R3 + прототип экрана ИЛИ Arduino Nano с макетной платой 5x7 см
Конденсатор 10 нФ
Диод слабого сигнала, например 1N4148
Резистор 220 Ом
Для власти:
Внешний аккумулятор USB с кабелем
Для визуального вывода:
2 светодиода разного цвета, например синий и зеленый
2 резистора 220 Ом для ограничения токов
Для вывода звука:
Пассивный зуммер
Микровыключатель для отключения звука
Для выхода на наушники:
Разъем для наушников
Резистор 1кОм
Наушники
Чтобы легко подключить / отключить поисковую катушку:
2-контактный винтовой зажим
Для поисковой катушки:
~ 5 метров тонкого электрического кабеля
Конструкция для удержания катушки. Должен быть жестким, но не круглым.
Для конструкции:
1-метровая палка, например деревянная, пластиковая или селфи-палка.
Шаг 3: поисковая катушка
Для поисковой катушки я намотал около 4 м многожильного провода на картонный цилиндр диаметром 9 см, в результате получилось около 18 витков. Тип кабеля не имеет значения, если омическое сопротивление как минимум в десять раз меньше, чем значение R в фильтре RL, поэтому убедитесь, что оно не превышает 20 Ом. Я измерил 1 Ом, так что это безопасно. Достаточно просто взять полуготовый 10-метровый рулон соединительного провода!
Шаг 4: версия прототипа
Учитывая небольшое количество внешних компонентов, вполне возможно разместить схему на небольшой макетной плате прототипа экрана. Однако конечный результат получается довольно громоздким и не очень надежным. Лучше использовать Arduino nano и припаять его с дополнительными компонентами на макетной плате 5x7 см (см. Следующий шаг)
Только 2 контакта Arduino используются для фактического обнаружения металла, один для подачи импульсов на фильтр LR, а другой для считывания напряжения на конденсаторе. Импульсный сигнал может производиться с любого выходного вывода, но считывание должно производиться с помощью одного из аналоговых выводов A0-A5. Еще 3 контакта используются для 2 светодиодов и вывода звука.
Вот рецепт:
- На макетной плате последовательно подключите резистор 220 Ом, диод и конденсатор 10 нФ с отрицательной клеммой диода (черная линия) по направлению к конденсатору.
- Подключите A0 к резистору (конец не подключен к диоду)
- Подключите A1 к точке пересечения диода и конденсатора.
- Подключите неподключенный вывод конденсатора к земле.
- Подключите один конец катушки к точке пересечения резистора и диода.
- Подключите другой конец катушки к земле.
- Подключите один светодиод положительной клеммой к контакту D12, а отрицательную клемму через резистор 220 Ом к земле.
- Подключите другой светодиод положительной клеммой к контакту D11, а отрицательной клеммой через резистор 220 Ом к земле.
- При желании подключите наушники с пассивным зуммером или динамик между контактом 10 и землей. Для уменьшения громкости можно последовательно добавить конденсатор или резистор.
Это все!
Шаг 5: припаянная версия
Чтобы вынести металлоискатель на улицу, необходимо его припаять. Обычная макетная плата размером 7x5 см подходит для Arduino nano и всех необходимых компонентов. Используйте те же схемы, что и на предыдущем шаге. Я счел полезным добавить переключатель последовательно с зуммером, чтобы выключать звук, когда он не нужен. Винтовой зажим позволяет опробовать различные катушки без пайки. Все питается от 5 В, подаваемого на порт (mini- или micro-USB) Arduino Nano.
Шаг 6: Программное обеспечение
Используемый скетч Arduino прилагается. Загрузите и запустите его. Я использовал Arduino 1.6.12 IDE. Рекомендуется запускать его с debug = true в начале, чтобы настроить количество импульсов на измерение. Лучше всего иметь показания АЦП от 200 до 300. Увеличивайте или уменьшайте количество импульсов, если ваша катушка дает совершенно разные показания.
Скетч выполняет своего рода самокалибровку. Достаточно оставить катушку бесшумной вдали от металлов, чтобы она стала бесшумной. Будет наблюдаться медленный дрейф индуктивности, но внезапные большие изменения не повлияют на долгосрочное среднее значение.
Шаг 7: Установка на палку
Поскольку вы не захотите искать сокровища, ползая по полу, три платы, катушка и батарея должны быть установлены на конце палки. Для этого идеально подойдет селфи-палка, так как она легкая, складная и регулируемая. Мой внешний аккумулятор на 5000 мАч поместился на палку для селфи. Затем плата может быть прикреплена с помощью кабельных стяжек или резинок, а катушка может быть аналогичным образом подключена либо к батарее, либо к палке.
Шаг 8: как его использовать
Для установления эталона достаточно оставить катушку на расстоянии ~ 5 с от металлов. Затем, когда катушка приближается к металлу, зеленый или синий светодиод начинает мигать, и раздаются звуковые сигналы в зуммере и / или наушниках. Синие вспышки и низкие звуковые сигналы указывают на присутствие неферромагнитных металлов. Зеленые вспышки и высокие звуковые сигналы указывают на присутствие ферромагнитных металлов. Помните, что когда катушка находится рядом с металлом более 5 секунд, она будет принимать это показание в качестве эталона и начнет издавать звуковой сигнал, когда детектор оторвется от металла. После нескольких секунд звукового сигнала в воздухе он снова стихнет. Частота миганий и звуковых сигналов указывает на силу сигнала. Хорошей охоты!