Карманный металлический локатор - Arduino: 8 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:53

Автор TechKiwiGadgetsTechKiwiGadgets в Instagram Подпишитесь на другие сообщения автора:

О себе: Без ума от технологий и возможностей, которые они могут дать. Мне нравится создавать уникальные вещи. Моя цель - сделать технологии интересными, актуальными для повседневной жизни и помочь людям создавать крутые… Подробнее о TechKiwiGadgets »

Этот крутой маленький карманный металлический локатор достаточно чувствителен, чтобы идентифицировать маленькие гвозди и кнопки в дереве, и достаточно компактен, чтобы поместиться в неудобных местах, что делает его удобным для переноски и использования для поиска металла.

Устройство оснащено четырьмя независимыми поисковыми катушками и цветными светодиодными индикаторами, позволяющими быстро охватить большую область поиска и при этом точно идентифицировать цель.

Это изящное маленькое устройство автоматически калибруется нажатием одной кнопки, заряжается через порт USB и использует цветные светодиоды, звук и вибрацию для индикации силы цели.

В руководство включены все проекты, тестирование, код и 3D-файлы, необходимые для самостоятельной сборки. Надеюсь, вам понравится строить и использовать это так же, как и мне !!

Шаг 1. Список материалов и принцип работы

1. Как это работает

В карманном металлическом локаторе используются четыре независимых поисковых катушки с импульсной индукцией, питаемые от Arduino Pro Mini. Каждая поисковая катушка состоит из отдельных катушек TX и RX, где в катушку TX индуцируется импульс, который создает электромагнитное поле вокруг катушки RX. Изменяющееся поле индуцирует напряжение в катушке RX, которое обнаруживается и усиливается до того, как ширина импульса сигнала будет считана Arduino.

Алгоритм сглаживания в коде Arduino используется для удаления шума из действительных импульсов, что делает его очень стабильным.

Алгоритм калибровки в коде берет среднее значение показаний за короткий период запуска и устанавливает ряд пороговых значений для сравнения сигнала.

Когда металлический объект попадает в зону действия электромагнитного поля, поле разрушается, и часть энергии от приемной катушки переходит в «токи Эдди», которые образуются в целевом объекте. Этот паразитный эффект целевого объекта приводит к уменьшению ширины импульса, обнаруживаемой в приемной катушке. По сути, мы измеряем потерю мощности в целевом объекте.

Когда ширина импульса, обнаруженная в катушке RX, опускается ниже порогового значения, загораются светодиоды, включается зуммер и запускается двигатель тактильной обратной связи - в зависимости от заранее определенного размера целевого сигнала.

Схема для этого превратилась за последний год в очень стабильный и надежно работающий детектор. Конфигурация и ориентация катушки были специально разработаны для обеспечения максимальной стабильности и обнаружения глубины.

2. Список материалов

1. Литий-полимерная батарея 3,7 В, 350 мАч Размер: 38 мм x 20 мм x 7,5 мм
2. Зарядное устройство для литий-полимерных аккумуляторов USB TP4056
3. Резистор 4,7 кОм для ограничения тока заряда LiPo аккумулятора до уровня ниже 300 мА
4. Arduino Pro Mini
5. FTDI USB-последовательный модуль для программирования Mini Pro
6. Интегральная схема четырехдифференциального компаратора LM339
7. Доска Vero - 2 куска, разрезанные на отверстия 20x9 и 34x9 (см. Фото для правильной ориентации)
8. BC548 NPN транзистор x 4
9. Переключатель 2N7000 MOSFET x 5
10. Пьезо-зуммер
11. Монетный вибрационный двигатель для тактильной обратной связи
12. Светодиодный модуль WS2812 RGB x 4
13. Резистор 1 кОм x 4
14. Резистор 10 кОм x 4
15. Резистор 47 Ом x 4
16. Резистор 2,2 кОм x 4
17. Керамический конденсатор 150 пФ x 8
18. 0,18 мкФ полиэфирный конденсатор x 4
19. Рулон эмалированной медной проволоки 0,3 мм (обычно в рулонах примерно 25 г веса)
20. Кнопочный переключатель, установленный на печатной плате
21. Пистолет для горячего клея
22. Сверло 10 мм
23. Ручная дрель
24. Пистолет для этикеток или липкая лента, подходящая для маркировки 16 отдельных проводов Монтажный провод
25. Доступ к 3D-принтеру

3. Работа компаратора

У меня был ряд вопросов о работе LM339, поэтому я подумал, что дам более четкое объяснение.

LM339 работает исключительно как компаратор напряжения, сравнивая дифференциальное напряжение между положительным и отрицательным выводами и выводя низкий или высокий логический импеданс (высокий логический уровень с подтягиванием) в зависимости от полярности входного дифференциального сигнала.

В этой схеме положительный вход компаратора подключен к линии Vcc, а подтягивающий резистор к Vcc подключен к выходу компаратора. В этой конфигурации на практике выходное напряжение компаратора остается высоким до тех пор, пока входное напряжение на отрицательном входе не превысит 3,5 В.

Операция может быть объяснена из таблицы данных LM339, в которой указан «диапазон входного напряжения» от 0 В до Vsup-1,5 В.

Когда оба IN– и IN + находятся в пределах синфазного диапазона, если IN– ниже IN + и напряжения смещения, выход имеет высокий импеданс и выходной транзистор не проводит ток.

Когда IN– выше синфазного режима, а IN + находится в синфазном режиме, на выходе низкий уровень, и выходной транзистор потребляет ток. Ссылка на лист данных и объяснение ниже

Шаг 2: Распечатайте футляр

Корпус, напечатанный на 3D-принтере, был сделан с использованием 5 отдельных отпечатков. Размеры и 3D-файлы можно найти здесь, на Thingiverse. Конструкция была сконцентрирована на том, чтобы устройство было легко держать в руке, а поисковые катушки находились как можно ближе к исследуемой области.

Аккуратно распечатайте корпус и удалите лишний пластик. Важно сделать этот шаг сейчас, чтобы электронные компоненты можно было выровнять в корпусе перед окончательным подключением и тестированием.

Я включил изображение нескольких различных дизайнов корпусов, которые я тестировал, прежде чем остановился на окончательном дизайне, который был более компактным и эргономичным для хранения.

Шаг 3: Соберите и установите поисковые катушки

Возьмите печатные формирователи катушек и намотайте на каждый по 25 витков медной проволоки. Убедитесь, что у вас осталось 20 см дополнительного медного провода для подключения к основному устройству.

Используйте отверстия, напечатанные в формирователях, чтобы обеспечить постоянный ветер и ориентацию катушек для каждого формирователя. При этом переверните шаблон вверх дном и постепенно приклейте его к основанию.

Следуйте фото сборки, как показано, в результате 8 катушек, установленных в сборке катушек со всеми проводами, ориентированными последовательно, и достаточно длинными, чтобы подключиться к блоку основной платы в верхнем корпусе.

Используйте два блока направляющих для проводов, в которых есть отверстия для каждой катушки на печатной основе, чтобы отслеживать каждую конкретную катушку.

Я разместил провода для внутренних катушек вверху, а внешние катушки - внизу блока проводов, чтобы я мог отслеживать каждую конкретную катушку, что упрощает подключение к основной плате.

Шаг 4: Постройте схему

Устройство имеет четыре ключевые схемы, которые можно построить независимо - плата драйвера, основная плата, светодиодный блок и аккумулятор. На этом этапе мы построим плату драйвера и основную плату.

1. Плата водителя

Используйте нож для поделок, чтобы вырезать кусок доски Vero Board вдоль отверстий 22x11, в результате получится кусок доски Vero Board с отверстиями 20x9, ориентированными согласно прилагаемому рисунку. Лучше всего несколько раз продеть отверстия по обеим сторонам доски, а затем аккуратно отломить лишнюю доску. Убедитесь, что плата сидит в основании корпуса с достаточным зазором с обеих сторон.

Используя фотографии и сверло 10 мм вручную, осторожно сломайте кнопки, показанные на нижней части доски Vero Board. Соблюдайте электрическую схему и фото компонентов, чтобы собрать печатную плату, соблюдая осторожность, чтобы не было короткого замыкания дорожек.

Отложите эту доску для тестирования позже.

2. Главный совет

Используйте нож для поделок, чтобы вырезать кусок доски Vero Board вдоль отверстий 36x11, в результате получится кусок доски Vero Board с отверстиями 34x9, ориентированными согласно прилагаемому рисунку. Лучше всего несколько раз продеть отверстия по обеим сторонам доски, а затем аккуратно отломить лишнюю доску. Убедитесь, что плата сидит в основании корпуса с достаточным зазором с обеих сторон.

Используя фотографии и сверло диаметром 10 мм вручную, осторожно сломайте кнопки, показанные на нижней части доски Vero Board.

Следуйте принципиальной схеме и фото компоновки микросхемы Arduino и LM339, а также других компонентов, чтобы собрать печатную плату, соблюдая осторожность, чтобы не было короткого замыкания дорожек.

Отложите эту доску для тестирования позже.

Шаг 5: Добавьте светодиодные индикаторы

Я использовал светодиоды WS2182, которые имеют встроенную интегральную схему, которая позволяет им обращаться к Arduino с использованием трех отдельных проводов, однако можно создать широкий диапазон цветов и яркости, отправив команду на светодиод. Это делается с помощью специальной библиотеки, загружаемой в IDE Arduino, описанной в разделе тестирования.

1. Установка светодиодов в крышку корпуса катушки

Осторожно расположите четыре светодиода так, чтобы они были правильно сориентированы, чтобы соединения VCC и GND были выровнены и находились в центре отверстий.

Используйте горячий клей, чтобы закрепить светодиоды.

2. Подключение светодиодов

Осторожно зачистите и протяните три одножильных провода длиной 25 см поперек контактов светодиодов.

Припаяйте их на место и убедитесь, что центральный провод передачи данных подключен к контактам IN и OUT, как показано на фотографии.

3. Проверка выравнивания корпуса

Убедитесь, что крышка корпуса находится заподлицо с корпусом катушки, затем используйте горячий клей, чтобы удерживать провода на месте на нижнем конце крышки.

Отложите это для тестирования позже.

Шаг 6: Сборка и тестирование устройства

1. Подготовка к сборке

Перед сборкой мы будем постепенно тестировать каждую плату, чтобы упростить поиск и устранение неисправностей.

Arduino Pro Mini требует последовательной USB-платы для программирования на вашем ПК. Это позволяет уменьшить размер платы, поскольку на ней нет последовательного интерфейса. Чтобы запрограммировать эти платы, вам нужно будет приобрести плату, как указано в списке деталей.

Перед загрузкой кода Arduino вам необходимо добавить библиотеку «FastLED.h» в качестве библиотеки для управления светодиодами WS2182. Для устранения неполадок в случае возникновения проблем предоставлен ряд осциллографических кривых.

Также есть снимок экрана последовательного вывода данных IDE с использованием функции Graph Plot, который показывает выходную ширину импульса каждого из каналов, а также пороговое значение. Это полезно во время тестирования, так как вы можете увидеть, работает ли каждый канал с одинаковыми уровнями чувствительности.

Я приложил две копии кода. У одного есть тестовая последовательная потоковая передача данных для устранения неполадок.

ПРИМЕЧАНИЕ. Не подключайте блок LiPo батареи до самого последнего шага, так как случайное замыкание во время сборки может привести к перегреву блока или даже возгоранию.

2. Протестируйте главную плату

Перед подключением основной платы к чему-либо рекомендуется подключить последовательный кабель Arduino и убедиться, что код загружается.

Это просто проверит, правильно ли физически подключен Arduino и что IDE и библиотеки загружены. Загрузите код через IDE, который должен загружаться без ошибок, и никакие компоненты не должны выходить дымом !!

3. Подключите плату драйвера

Следуя принципиальной схеме, подключите плату драйвера к основной плате и физически разместите устройство в корпусе, чтобы все элементы поместились внутри корпуса. Это метод проб и ошибок, требующий настойчивости.

Загрузите код через IDE, который должен загружаться без ошибок, и никакие компоненты не должны выходить дымом !!

4. Подсоедините катушки. Следуйте принципиальной схеме, чтобы подключить катушки к основной плате и физически расположите блок в корпусе, чтобы обеспечить правильную посадку элементов. Тщательно убедитесь, что катушки выровнены с входами платы драйвера и основной платы в соответствии с принципиальной схемой.

Когда тестовый код загружен, последовательный порт будет отображать ширину импульса на приемной катушке где-то между 5000-7000 мкс. Это также можно просмотреть с помощью графоплоттера IDE.

Это позволит вам устранить неполадки в каждом из каналов, а также увидеть эффект перемещения монеты рядом с поисковой катушкой, что должно уменьшить ширину импульса по мере приближения цели к поисковой катушке.

Если у вас есть осциллограф, вы также можете проверить формы сигналов на различных этапах схемы для диагностики проблем.

После того, как все каналы будут работать в соответствии с ожидаемым положением, провода должны быть правильно собраны и закрыты.

5. Подключите светодиоды

Осторожно возьмите три провода от светодиодов корпуса катушки и подключите их к основной плате. Загрузите код и убедитесь, что светодиоды работают правильно. С помощью клея закрепите крышку корпуса змеевика на месте.

Шаг 7: Подключение аккумуляторной батареи

ЗАМЕТКА:

1. Не подключайте блок LiPo батареи до самого последнего шага, так как случайное замыкание во время сборки может привести к перегреву блока или даже возгоранию.

2. При обращении с аккумулятором и зарядным устройством соблюдайте осторожность, чтобы не закоротить контакты аккумулятора.

3. LiPo аккумуляторы не похожи на другие перезаряжаемые аккумуляторы, и зарядка от сверхтока может быть опасной, поэтому убедитесь, что вы правильно настроили схему зарядки.

4. Не подключайте последовательный кабель Arduino к устройству, когда кнопка питания нажата, иначе батарея может быть повреждена.

1. Измените предел тока зарядного устройства

В карманном металлическом локаторе используется LiPo аккумулятор, который можно заряжать с помощью зарядного устройства для телефона с разъемом Micro USB. Плата зарядного устройства TP4056 USB LiPo Batt сначала модифицирована резистором 4,7 кОм, чтобы ограничить ток заряда до менее 300 мА. Инструкцию о том, как это можно сделать, можно найти здесь.

Это требует, чтобы вы удалили существующий резистор поверхностного монтажа и заменили резистором, как показано на фотографии. После установки защитите любое незапланированное перемещение резистора горячим клеевым пистолетом.

Перед подключением к основной плате проверьте правильность работы зарядного устройства, подключив зарядное устройство сотового телефона к порту Micro USB. При правильной работе должен загореться красный индикатор зарядки.

2. Установите кнопочный переключатель питания

Убедитесь, что кнопка установлена в правильном положении, чтобы она выступала через центр крышки корпуса, затем припаяйте кнопку на место. Подключите провода между кнопочным переключателем и выходом зарядного устройства и линией VCC на Arduino в соответствии с принципиальной схемой.

При правильной установке нажатие переключателя активирует устройство.

Закрепите аккумулятор на месте с помощью горячего клея и убедитесь, что разъем Micro USB совмещен с отверстием в крышке корпуса, чтобы его можно было зарядить.

Шаг 8: Заключительное тестирование и эксплуатация

1. Физическая сборка

Последний шаг - аккуратно переставить провода, чтобы корпус правильно закрывался. Используйте горячий клей, чтобы прикрепить материнскую плату к крышке, а затем закройте крышку на место.

2. Эксплуатация устройства

Устройство работает путем калибровки после нажатия и удержания кнопки питания. Все светодиоды будут мигать, когда устройство будет готово к использованию. Во время поиска удерживайте кнопку нажатой. Светодиоды меняют цвет с сине-зеленого на красный, фиолетовый в зависимости от силы целевого объекта. Тактильная обратная связь возникает, когда светодиоды становятся фиолетовыми.

Вы не готовы к использованию на практике !!