Экологичный металлоискатель - Arduino: 8 шагов (с изображениями)

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

Обнаружение металла - это очень весело. Одна из проблем - это возможность сузить точное место для копания, чтобы минимизировать размер оставшейся ямы.

Этот уникальный металлоискатель оснащен четырьмя поисковыми катушками и цветным сенсорным экраном для определения и определения местоположения вашей находки.

Включает автокалибровку, перезаряжаемый USB-блок питания с четырьмя различными режимами экрана, настройкой частоты и ширины импульса, что позволяет вам настраивать поиск.

После того, как вы обнаружите сокровище, одно отверстие в центре над каждой катушкой позволяет вам использовать деревянную шпажку, чтобы вдавить ее в землю, чтобы вы могли начать выкапывать небольшую пробку из земли, уменьшая ущерб окружающей среде.

Каждая катушка может точно определять монеты и кольца на глубине 7-10 см, поэтому идеально подходит для поиска потерянных монет и колец в парках и пляжах.

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

Большое спасибо - если вы нажали кнопку голосования в правом верхнем углу для конкурсов "Invention Challenge" и "Explore Science" !!!

огромное спасибо, TechKiwi

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

Шаг 1. Наука, лежащая в основе обнаружения металлов

Дизайн обнаружения металлов

Есть несколько вариантов конструкции металлоискателей. Этот конкретный тип металлоискателя представляет собой детектор с импульсной индукцией, в котором используются отдельные передающие и приемные катушки.

Arduino генерирует импульс, который подается на передающую катушку в течение очень короткого периода времени (4 мкс) через транзистор. Этот импульсный ток вызывает внезапное формирование магнитного поля вокруг катушки, расширяющееся и сжимающееся поле индуцирует напряжение в приемной катушке. Этот принятый сигнал усиливается приемным транзистором, а затем преобразуется в чистый цифровой импульс компаратором напряжения и, в свою очередь, дискретизируется выводом цифрового входа на Arduino. Arduino запрограммирован на измерение ширины полученного импульса.

В этой конструкции ширина принимаемого импульса определяется индуктивностью приемной катушки и конденсатором. При отсутствии объектов в пределах досягаемости ширина базового импульса составляет приблизительно 5000 мкс. Когда посторонние металлические предметы попадают в зону действия расширяющегося и схлопывающегося магнитного поля, это вызывает индуцирование части энергии в объекте в виде вихревых токов. (Электромагнитная индукция)

В конечном итоге ширина принимаемого импульса уменьшается, эта разница в ширине импульса измеряется Arduino и отображается на TFT-дисплее в различных форматах.

Вариант отображения 1: положение цели под детекторной головкой

Я намеревался использовать 4 катушки для триангуляции положения цели под детекторной головкой. Нелинейный характер поисковых катушек усложнял эту задачу, однако приведенный выше анимированный-g.webp

Вариант отображения 2: отображение трассы сигнала для каждой поисковой катушки

Это позволяет отслеживать, где целевой объект находится под головой, путем рисования независимой кривой мощности сигнала на экране для каждой поисковой катушки. Это полезно, чтобы определить, есть ли две цели близко друг к другу под детекторной головкой, и определить относительную силу.

Практическое использование

Этот подход позволяет вам использовать первый вид для идентификации цели, а второй вид - для точного наведения на нее с точностью до нескольких миллиметров, как показано в видеоклипе.

Шаг 2: Соберите материалы

Ведомость материалов

1. Arduino Mega 2560 (элементы 1, 2 и 3 можно приобрести в одном комплекте)
2. Сенсорный ЖК-экран TFT с диагональю 3,2 дюйма (я включил код для 3 поддерживаемых вариантов)
3. TFT 3,2-дюймовый мега-экран
4. Транзистор BC548 x 8
5. Конденсатор Greencap 0,047 мкФ x 4 (50 В)
6. Конденсатор Greencap 0,1 мкФ x 1 (50 В)
7. Резистор 1 кОм x 4
8. 47 Резистор x 4
9. Резистор 10 кОм x 4
10. Резистор 1M x 4
11. Резистор 2,2 кОм x 4
12. Миниатюрный кулисный переключатель SPST
13. Четырехдифференциальный компаратор на интегральной схеме LM339
14. Сигнальные диоды IN4148 x 4
15. Катушка с медной проволокой диаметром 0,3 мм x 2
16. Двухжильный экранированный кабель - диаметр 4,0 мм - длина 5 м
17. Перезаряжаемый внешний аккумулятор USB 4400mHa
18. Пьезо-зуммер
19. Доска Vero 80x100мм
20. Пластиковый корпус минимум 100 мм высота, 55 мм глубина, 160 мм ширина
21. Кабельные стяжки
22. Древесина МДФ толщиной 6-8 мм - 2 квадратных элемента 23 см x 23 см
23. Удлинительный кабель Micro USB 10 см
24. Кабель с разъемом USB-A можно урезать до 10 см длины
25. Разъем для наушников - стерео
26. Головка детектора с проставками из дерева и пластика
27. Рукоятка Speed Mop Broom с регулируемым шарниром (движение только по одной оси - см. Фотографии)
28. Один лист бумаги формата А3
29. Клей-карандаш
30. Электрическая лобзиковая пила
31. Листовой картон А4 толщиной 3 мм для создания формирователя катушек для катушек TX и Rx.
32. Скотч
33. Пистолет для горячего клея
34. Электрический клей
35. 10 дополнительных выводов заголовка Arduino
36. Клеммные штыри для печатной платы x 20
37. Двухкомпонентный эпоксидный клей - время высыхания 5 мин.
38. Ремесленный нож
39. Пластиковая трубка 5 мм, длина 30 мм x 4 (я использовал трубку системы полива сада из хозяйственного магазина)
40. Водонепроницаемый герметик МДФ (убедитесь, что он не содержит металла)
41. Гибкий электрический кабелепровод 60 см - серый - диаметр 25 мм

Шаг 3: Соберите детекторную головку

1. Сборка головки в сборе

Примечание: я решил построить довольно сложную монтажную схему для 8 катушек из медных проводов, которые используются в головке детектора. Для этого нужно было вырезать серию отверстий в двух слоях МДФ, как это видно на фотографиях выше. Теперь, когда я закончил устройство, я рекомендую использовать только один вырезанный круг диаметром 23 см и прикрепить катушки к этому единственному слою МДФ с помощью горячего клея. Это сокращает время сборки, а также означает, что голова легче.

Начните с распечатки предоставленного трафарета на листе бумаги формата A3, а затем приклейте его на доску МДФ, чтобы предоставить вам руководство по размещению катушек.

Используя электрическую лобзиковую пилу, аккуратно вырежьте из МДФ круг диаметром 23 см.

2. Намотка катушек

Из картона создайте два цилиндра длиной 10 см, скрепленных изолентой. Диаметр передающих катушек должен составлять 7 см, а принимающих катушек - 4 см.

Поместите катушку с медной проволокой на штырь, чтобы он мог свободно вращаться. Прикрепите начало медной проволоки к картонному цилиндру изолентой. Плотно намотайте 40 оборотов на цилиндр, а затем закрепите конец изолентой.

Используйте горячий клей, чтобы скрепить катушки вместе как минимум в 8 точках по окружности катушек. Когда катушка остынет, пальцами ослабьте ее, а затем прикрепите к шаблону головки металлоискателя с помощью горячего клея. Просверлите два отверстия в MDF рядом с катушкой и проденьте концы катушки через верхнюю часть головки металлоискателя.

Повторите это упражнение, чтобы построить и установить 4 приемных катушки и 4 передающих катушки. По завершении через верхнюю часть головки металлоискателя должно выходить 8 пар проводов.

3. Подсоедините экранированные кабели

Разрежьте экранированный двухжильный кабель длиной 5 м на 8 отрезков. Зачистите и припаяйте сдвоенный сердечник к каждой передающей и приемной катушке, оставляя экран отключенным на конце кабеля детекторной головки.

Проверьте катушки и кабельные соединения на другом конце каждого кабеля с помощью омметра. Каждая катушка будет регистрировать несколько Ом и должна быть согласована для всех катушек приема и передачи соответственно.

После тестирования используйте пистолет для горячего клея, чтобы закрепить 8 кабелей в центре головки детектора, готовые к прикреплению ручки и отделке головки.

Я советую зачистить и залудить каждую из экранированных жил кабеля на другом конце для подготовки к будущим испытаниям. Прикрепите заземляющий провод к экрану каждого кабеля, так как он будет соединен с землей в основном блоке. Это устраняет помехи между каждым кабелем.

Используйте мультиметр, чтобы определить, какая катушка какая, и прикрепите липкие ярлыки, чтобы их можно было легко идентифицировать для будущей сборки.

Шаг 4: соберите схему для тестирования

1. Сборка макета

Я рекомендую использовать макетную плату для первой настройки и тестирования схемы, прежде чем переходить к плате Vero и корпусу. Это дает вам возможность адаптировать значения компонентов или изменить код, если это необходимо для повышения чувствительности и стабильности. Передающие и принимающие катушки должны быть подключены таким образом, чтобы они были намотаны в одном направлении, и это легче проверить на макетной плате, прежде чем маркировать провода для будущего подключения к плате Vero.

Соберите компоненты в соответствии с принципиальной схемой и прикрепите катушки детекторной головки с помощью соединительного провода.

Подключения к Arduino лучше всего выполнять с помощью провода для подключения макетной платы, припаянного к экрану TFT. Для цифровых и аналоговых выводов я добавил вывод заголовка, который позволил мне избежать пайки непосредственно на плате Arduino. (См. Картинку)

2. Библиотеки IDE

Их необходимо загрузить и добавить в IDE (интегрированную среду разработки), работающую на вашем компьютере, для записи и загрузки компьютерного кода на физическую плату. UTFT.h и URtouch.h находятся в zip-файле ниже

Кредит для UTFT.h и URtouch.h принадлежит Rinky-Dink Electronics. Я включил эти zip-файлы, так как кажется, что исходный веб-сайт не работает.

3. Тестирование

Я включил тестовую программу для обработки начальной настройки, чтобы вы могли решить проблемы с ориентацией катушки. Загрузите тестовый код в Arduino IDE и загрузите в Mega. Если все работает, вы должны увидеть тестовый экран, как показано выше. Каждая катушка должна обеспечивать стабильное значение около 4600 мкс в каждом квадранте. Если это не так, поменяйте полярность обмоток на катушке TX или RX и проверьте снова. Если это не сработает, я предлагаю вам проверить каждую катушку индивидуально и вернуться к схеме для устранения неполадок. Если у вас уже есть 2 или 3 работающих, сравните их с неработающими катушками / цепями.

Примечание. Дальнейшие испытания показали, что конденсаторы 0,047 мкФ в цепи RX влияют на всю чувствительность. Мой совет: когда схема работает на макетной плате, попробуйте увеличить это значение и протестировать с помощью монеты, поскольку я обнаружил, что это может улучшить чувствительность.

Однако это не обязательно, если у вас есть осциллограф, вы также можете наблюдать за импульсами TX и RX, чтобы убедиться, что катушки подключены правильно. См. Комментарии на фотографиях, чтобы подтвердить это.

ПРИМЕЧАНИЕ. В этот раздел я включил PDF-документ с осциллограммами для каждой ступени схемы, чтобы помочь в поиске и устранении неисправностей

Шаг 5: Постройте схему и корпус

После того, как устройство было проверено на ваше удовлетворение, вы можете сделать следующий шаг и построить печатную плату и корпус.

1. Подготовьте корпус

Разложите основные компоненты и разместите их в своем футляре, чтобы определить, как все подойдет. Обрежьте плату Vero Board для размещения компонентов, однако убедитесь, что вы можете поместиться в нижней части корпуса. Будьте осторожны с аккумулятором, так как он может быть довольно громоздким.

Просверлите отверстия для заднего входа кабелей головы, выключателя питания, внешнего порта USB, порта программирования Arduino и аудиоразъема для стереонаушников.

В дополнение к этому просверлите 4 монтажных отверстия в центре передней стороны корпуса, где будет ручка. Эти отверстия должны быть в состоянии пропустить через них кабельную стяжку на следующих этапах.

2. Соберите доску Vero

Следуйте принципиальной схеме и изображению выше, чтобы расположить компоненты на плате Vero.

Я использовал клеммные штыри для печатной платы, чтобы облегчить подключение кабелей катушки головы к печатной плате. Установите пьезозуммер на печатную плату вместе с микросхемой и транзисторами. Я попытался выровнять компоненты TX и RX слева направо и убедился, что все подключения к внешним катушкам находятся на одном конце Vero Boar. (см. макет на фото)

3. Присоедините кабели катушки

Постройте держатель кабеля для входящих экранированных кабелей из МДФ, как показано на рисунках. Он состоит из 8 отверстий, просверленных в МДФ, чтобы кабели можно было совместить с выводами печатной платы. По мере того, как вы присоединяете каждую катушку, стоит постепенно проверять схему, чтобы гарантировать правильную ориентацию катушки.

4. Протестируйте устройство

Подключите USB-блок питания, выключатель питания, аудиоразъем для телефона и расположите всю проводку и кабели так, чтобы они плотно прилегали к корпусу. Используйте горячий клей, чтобы удерживать предметы на месте, чтобы ничего не дребезжать. Как и в предыдущем шаге, загрузите тестовый код и убедитесь, что все катушки работают должным образом.

Убедитесь, что USB Power Pack заряжается правильно при внешнем подключении. Убедитесь, что есть достаточно места для подключения кабеля IDE Arduino.

5. Отключите экран

Расположите экран в центре коробки и отметьте края ЖК-дисплея на передней панели, готовые для вырезания апертуры. С помощью ножа и металлической линейки аккуратно надрежьте крышку корпуса и вырежьте отверстие.

После шлифовки и подпиливания для придания формы аккуратно установите крышку, убедившись, что все компоненты, платы, проводка и экран удерживаются на месте с помощью прокладок и горячего клея.

7. Постройте солнцезащитный козырек

Я нашел старый черный корпус, который мне удалось придать форму и использовать в качестве солнцезащитного козырька, как показано на фотографиях выше. Приклейте это на переднюю панель, используя 5-минутную двухкомпонентную эпоксидную смолу.

Шаг 6: прикрепите ручку и футляр к головке детектора

Теперь, когда электроника детектора и головка собраны, остается только завершить надежную установку устройства.

1. Присоедините головку к ручке

Измените соединение ручки, чтобы вы могли прикрепить его к головке с помощью двух винтов. В идеале вы хотите минимизировать количество металла рядом с катушками, поэтому используйте маленькие шурупы для дерева и много 5-минутного двухкомпонентного эпоксидного клея для крепления к головке. Смотрите фото выше.

2. Зашнуруйте проводку головы

Используя кабельные стяжки, аккуратно зашнуруйте проводку, добавляя кабельную стяжку через каждые 10 см вдоль экранированной проводки. Позаботьтесь о том, чтобы вы выбрали лучшее положение для футляра, чтобы было легко видеть экран, дотянуться до элементов управления и прикрепить наушники / штекеры.

3. Присоедините электронику к ручке

Постройте монтажный блок под углом 45 градусов из МДФ, чтобы вы могли прикрепить корпус под углом, что означает, что когда вы проводите детектор по земле, вы можете легко видеть TFT-дисплей. См. Картинку выше.

Прикрепите корпус электроники к ручке с помощью кабельных стяжек, проходящих через монтажный блок и внутрь корпуса через ранее просверленные монтажные отверстия.

4. Прикончите детекторную головку

Катушки детекторной головки необходимо закрепить так, чтобы проводка не двигалась, поэтому сейчас самое время использовать горячий клей для тщательного закрепления всех катушек на месте.

Детекторная головка также должна быть водонепроницаемой, поэтому важно нанести на МДФ прозрачный герметик (по очевидным причинам убедитесь, что герметик не содержит металла).

Просверлите 5-миллиметровые отверстия в центре каждой катушки и проденьте через них пластиковую трубку 5 мм x 30 мм, чтобы вы могли протолкнуть деревянные шпажки в почву внизу, как только вы наведете булавку на цель. Используйте пистолет для горячего клея, чтобы зафиксировать положение.

Затем я накрыл верх головы пластиковой пластиной, а нижнюю - толстой пластиковой обложкой для книги, обработав край гибкой электрической трубкой, отрезанной и приклеенной горячим клеем.

Шаг 7: Окончательная сборка и тестирование

1. Зарядка

Вставьте стандартное зарядное устройство сотового телефона в порт Micro USB и убедитесь, что устройство достаточно заряжено.

2. Загрузить код

Используйте IDE Arduino для загрузки прилагаемого кода.

3. Кнопка отключения звука

По умолчанию звук устройства отключается при включении питания. Это обозначается красной кнопкой отключения звука в нижней левой части экрана. Чтобы включить звук, нажмите эту кнопку, и кнопка должна стать зеленой, что означает, что звук включен.

При отключении звука внутренний зуммер и разъем для внешнего аудиотелефона будут воспроизводить звук.

4. Калибровка

Калибровка возвращает кривую в нижнюю часть экрана под пороговыми линиями. При первом включении устройство автоматически откалибруется. Устройство замечательно стабильно, однако, если есть необходимость в повторной калибровке, это можно сделать, нажав кнопку калибровки на экране, которая выполнит повторную калибровку менее чем за секунду.

5. пороги

Если сигнал на какой-либо кривой превышает пороговую линию (пунктирная линия на экране) и кнопка отключения звука выключена, то будет произведен звуковой сигнал.

Эти пороговые значения можно регулировать вверх и вниз, касаясь экрана над или под каждой линией кривой.

6. Регулировка PW и DLY

Длительность импульса, поступающего на катушку, и задержку между импульсами можно регулировать с помощью сенсорного дисплея. Это действительно подходит для экспериментов, чтобы можно было тестировать различные среды и сокровища для получения наилучших результатов.

7. Типы дисплеев

Есть 4 разных типа дисплея

Вариант отображения 1: положение цели под детекторной головкой Мое намерение состояло в том, чтобы использовать 4 катушки для триангуляции положения цели под детекторной головкой. Нелинейный характер поисковых катушек усложнял эту задачу, однако анимированный GIF-файл выше показывает, что результаты достаточно полезны, чтобы показать относительное положение цели под головой, а также силу сигнала.

Вариант отображения 2: Показать трассу сигнала для каждой поисковой катушки. Это позволяет отслеживать, где находится целевой объект под головой, путем рисования независимой кривой мощности сигнала на экране для каждой поисковой катушки. Это полезно, чтобы определить, есть ли две цели близко друг к другу под детекторной головкой, и определить относительную силу.

Вариант отображения 3: То же, что и вариант 2, но с более толстой линией, что облегчает просмотр.

Вариант отображения 4: То же, что и вариант 2, однако перед удалением трассировки отображается более 5 экранов. Подходит для улавливания слабых сигналов.

Я буду проводить полевые испытания в течение следующих нескольких недель, поэтому буду публиковать любые находки сокровищ.

А теперь иди, повеселись и найди какое-нибудь сокровище !!

Шаг 8: Эпилог: Вариации катушки

Было много хороших, интересных вопросов и предложений по конфигурации катушек. При разработке этого руководства было проведено множество экспериментов с различными конфигурациями катушек, о которых стоит упомянуть.

На фотографиях выше показаны некоторые из катушек, которые я пробовал до того, как остановился на текущем дизайне. Если у вас есть дополнительные вопросы, напишите мне.

Готовьтесь к дальнейшим экспериментам!

Первый приз Invention Challenge 2017

Первый приз конкурса Explore Science 2017