Jednoduchý detektor kovov Arduino: 8 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:55

*** Bola zverejnená nová verzia, ktorá je ešte jednoduchšia: https://www.instructables.com/Minimal-Arduino-Metal-Detector/ ***

Detekcia kovov je skvelý čas, ktorý vás dostane von, objavíte nové miesta a možno nájdete niečo zaujímavé. Overte si miestne predpisy o tom, ako postupovať v prípade náhodného nálezu, najmä v prípade nebezpečných predmetov, archeologických pamiatok alebo predmetov s významnou ekonomickou alebo emocionálnou hodnotou.

Návodov na DIY detektory kovov je veľa, ale tento recept je konkrétny v tom zmysle, že okrem mikrokontroléra Arduino vyžaduje veľmi málo komponentov: jadro tvorí spoločný kondenzátor, odpor a dióda spolu s vyhľadávacou cievkou, ktorá pozostáva z približne 20 vinutia elektricky vodivého kábla. Potom sa pridajú diódy LED, reproduktor a/alebo slúchadlá na signalizáciu prítomnosti kovu v blízkosti vyhľadávacej cievky. Ďalšou výhodou je, že všetko je možné napájať z jedného 5V zdroja, na ktorý postačuje bežný 2000mAh USB výkon a vydrží mnoho hodín.

Interpretácia signálov a pochopenie, na aké materiály a tvary je detektor citlivý, skutočne pomáha porozumieť fyzike. Spravidla je detektor citlivý na objekty vo vzdialenosti alebo hĺbke až do polomeru cievky. Je najcitlivejší na objekty, v ktorých môže prúd prúdiť v rovine cievky, a odozva bude zodpovedať oblasti prúdovej slučky v tomto objekte. Kovový kotúč v rovine cievky teda poskytne oveľa silnejšiu odozvu ako ten istý kovový kotúč kolmý na cievku. Na hmotnosti predmetu veľmi nezáleží. Tenký kus hliníkovej fólie orientovaný v rovine cievky poskytne oveľa silnejšiu odozvu ako skrutka z ťažkého kovu.

Krok 1: Princíp práce

Keď elektrina začne prúdiť cievkou, vytvára magnetické pole. Podľa Faradayovho indukčného zákona bude mať meniace sa magnetické pole za následok vznik elektrického poľa, ktoré je proti zmene magnetického poľa. Na cievke sa teda vyvinie napätie, ktoré je proti zvýšeniu prúdu. Tento efekt sa nazýva vlastná indukčnosť a jednotkou indukčnosti je Henry, kde cievka 1 Henryho vyvinie potenciálny rozdiel 1 V, keď sa prúd zmení o 1 ampér za sekundu. Indukčnosť cievky s N vinutím a polomerom R je približne 5 µH x N^2 x R, pričom R je v metroch.

Prítomnosť kovového predmetu v blízkosti cievky zmení jeho indukčnosť. V závislosti od druhu kovu sa indukčnosť môže zvýšiť alebo znížiť. Nemagnetické kovy, ako je meď a hliník v blízkosti cievky, znižujú indukčnosť, pretože meniace sa magnetické pole vyvolá v objekte vírivé prúdy, ktoré znižujú intenzitu miestneho magnetického poľa. Feromagnetické materiály, ako je železo, v blízkosti cievky zvyšujú svoju indukčnosť, pretože indukované magnetické polia sú v súlade s vonkajším magnetickým poľom.

Meranie indukčnosti cievky môže teda odhaliť prítomnosť kovov v okolí. S Arduinom, kondenzátorom, diódou a odporom je možné merať indukčnosť cievky: keď sa cievka stane súčasťou vysokopriepustného LR filtra a napája ju blokovou vlnou, pri každom sa vytvoria krátke hroty prechod. Dĺžka impulzu týchto hrotov je úmerná indukčnosti cievky. V skutočnosti je charakteristický čas filtra LR tau = L/R. Pre cievku s 20 vinutiami a priemerom 10 cm L ~ 5 µH x 20^2 x 0,05 = 100 µH. Na ochranu Arduina pred nadprúdom je minimálny odpor 200Ohm. Očakávame teda impulzy s dĺžkou asi 0,5 mikrosekundy. Je ťažké ich priamo merať s vysokou presnosťou, pretože hodinová frekvencia Arduina je 16 MHz.

Rastúci impulz možno namiesto toho použiť na nabíjanie kondenzátora, ktorý je potom možné odčítať pomocou analógovo -digitálne konvertovaného (ADC) Arduino. Očakávaný náboj z 0,5 mikrosekundového impulzu 25mA je 12,5 nC, čo na kondenzátore 10nF poskytne 1,25 V. Pokles napätia na dióde to zníži. Ak sa impulz niekoľkokrát zopakuje, náboj na kondenzátore stúpne na ~ 2V. Toto je možné odčítať pomocou Arduino ADC pomocou analogRead (). Kondenzátor potom môžete rýchlo vybiť tak, že zmeníte výstupný kolík na výstup a nastavíte ho na 0 V na niekoľko mikrosekúnd. Celé meranie trvá asi 200 mikrosekúnd, 100 na nabíjanie a resetovanie kondenzátora a 100 na konverziu ADC. Presnosť je možné výrazne zvýšiť opakovaním merania a spriemerovaním výsledku: vykonanie priemeru 256 meraní trvá 50 ms a presnosť sa zvýši o faktor 16. 10-bitový ADC dosahuje presnosť 14-bitového ADC týmto spôsobom.

Toto získané meranie je vysoko nelineárne s indukčnosťou cievky, a preto nie je vhodné na meranie absolútnej hodnoty indukčnosti. Na detekciu kovov nás však zaujímajú iba malé relatívne zmeny indukčnosti cievky v dôsledku prítomnosti blízkych kovov, a preto je táto metóda úplne vhodná.

Kalibráciu merania je možné vykonať automaticky v softvéri. Ak možno predpokladať, že väčšinu času v blízkosti cievky nie je žiadny kov, odchýlka od priemeru je signálom, že sa kov priblížil k cievke. Použitie rôznych farieb alebo rôznych tónov umožňuje rozlišovať medzi náhlym zvýšením alebo náhlym znížením indukčnosti.

Krok 2: Požadované súčasti

Elektronické jadro:

Prototypový štít Arduino UNO R3 + ALEBO Arduino Nano s prototypovou doskou 5x7cm

10nF kondenzátor

Malá signálna dióda, napr. 1N4148

Odpor 220 ohmov

Na napájanie:

USB power banka s káblom

Pre vizuálny výstup:

2 LED diódy rôznej farby napr. modrá a zelená

2 220Ohm odpory na obmedzenie prúdov

Pre zvukový výstup:

Pasívny bzučiak

Mikrospínač na vypnutie zvuku

Pre výstup pre slúchadlá:

Konektor pre slúchadlá

Odpor 1 kOhm

Slúchadlá

Ak chcete ľahko pripojiť/odpojiť vyhľadávaciu cievku:

2-pólový skrutkový terminál

Pre vyhľadávaciu cievku:

~ 5 metrov tenkého elektrického kábla

Štruktúra na uchytenie cievky. Musí byť tuhý, ale nemusí byť kruhový.

Pre štruktúru:

1 meter tyč, napríklad drevená, plastová alebo selfie tyč.

Krok 3: Hľadacia cievka

Pre vyhľadávaciu cievku som navinul ~ 4 m splietaného drôtu okolo kartónového valca s priemerom 9 cm, čo malo za následok asi 18 vinutí. Typ kábla nie je relevantný, pokiaľ je ohmický odpor najmenej desaťkrát menší ako hodnota R vo filtri RL, uistite sa, že zostanete pod 20 ohmov. Meral som 1 Ohm, takže je to bezpečné. Fungovanie polovične pripraveného 10-metrového zvitku drôtu tiež funguje!

Krok 4: Prototypová verzia

Vzhľadom na malý počet externých komponentov je úplne možné namontovať obvody na malú dosku prototypu štítu. Konečný výsledok je však dosť objemný a nie veľmi robustný. Lepšie je použiť nano Arduino a spájkovať ho s ďalšími komponentmi na doske prototypu 5 x 7 cm, (pozri ďalší krok)

Na skutočnú detekciu kovov sa používajú iba 2 piny Arduino, jeden na dodávanie impulzov do filtra LR a jeden na čítanie napätia na kondenzátore. Pulzáciu je možné vykonať z akéhokoľvek výstupného kolíka, ale odpočítanie je potrebné vykonať pomocou jedného z analógových pinov A0-A5. Na 2 LED diódy a na výstup zvuku sú použité ďalšie 3 piny.

Tu je recept:

1. Na doske zapojte odpor 220 Ohm, diódu a kondenzátor 10nF do série so záporným pólom diódy (čierna čiara) smerom ku kondenzátoru.
2. Pripojte A0 k odporu (koniec nie je pripojený k dióde)
3. Pripojte A1 k miestu krížového bodu diódy a kondenzátora
4. Pripojte nepripojený terminál kondenzátora k zemi
5. Pripojte jeden koniec cievky k krížovému bodu rezistora a diódy
6. Pripojte druhý koniec cievky k zemi
7. Pripojte jednu LED diódu s kladným pólom na pin D12 a jeho záporný pól cez odpor 220 Ohm k zemi
8. Pripojte druhú LED diódu s jej kladným pólom na pin D11 a jeho záporný pól cez odpor 220Ohm k zemi
9. Voliteľne môžete medzi pin 10 a uzemnenie pripojiť pasívne bzučiakové slúchadlá alebo reproduktor. Na zníženie hlasitosti je možné do série pridať kondenzátor alebo odpor

To je všetko!

Krok 5: Spájkovaná verzia

Aby sa detektor kovov dostal von, bude potrebné ho spájkovať. Bežná prototypová doska 7 x 5 cm sa pohodlne zmestí do Arduino nano a všetkých požadovaných komponentov. Použite rovnakú schému ako v predchádzajúcom kroku. Považovalo sa za užitočné pridať do série spínač s bzučiakom na vypnutie zvuku, keď to nie je potrebné. Skrutkový terminál umožňuje vyskúšať rôzne cievky bez nutnosti spájkovania. Všetko je napájané z 5 V dodávaného do (mini- alebo micro-USB) portu Arduino Nano.

Krok 6: Softvér

Tu je použitá skica Arduina. Nahrajte a spustite. Použil som Arduino 1.6.12 IDE. Na začiatku sa odporúča spustiť ho s debug = true, aby sa vyladil počet impulzov na meranie. Najlepšie je odčítať ADC medzi 200 a 300. Zvýšte alebo znížte počet impulzov v prípade, že vaša cievka poskytuje drasticky odlišné hodnoty.

Náčrt robí nejaký druh samokalibrácie. Aby cievka stíchla, stačí nechať cievku v tichosti mimo kovov. Pomalé drifty v indukčnosti sa budú sledovať, ale náhle veľké zmeny neovplyvnia dlhodobý priemer.

Krok 7: Namontujte ho na tyč

Pretože by ste nechceli hľadať poklady plaziac sa po podlahe, mali by ste dosku s tromi doskami, cievkou a batériou namontovať na koniec palice. Na to je ideálna selfie tyč, pretože je ľahká, skladacia a nastaviteľná. Moja powerbanka s kapacitou 5 000 mAh sa náhodou zmestila na selfie tyč. Dosku je potom možné pripevniť sťahovacími páskami alebo gumičkami a cievka môže byť podobne ako batéria alebo tyč.

Krok 8: Ako ho používať

Na stanovenie referencie stačí nechať cievku ~ 5 s mimo kovov. Potom, keď sa cievka priblíži ku kovu, zelená alebo modrá LED dióda začne blikať a v bzučiaku a/alebo slúchadlách zaznie pípnutie. Modré blikanie a nízke tóny signalizujú prítomnosť neferomagnetických kovov. Zelené blikanie a vysoké tóny upozorňujú na prítomnosť feromagnetických kovov. Dávajte si pozor, že keď je cievka držaná viac ako 5 sekúnd v blízkosti kovu, bude to považovať za referenciu a začne pípať, keď sa detektor vyberie z kovu. Po niekoľkých sekundách pípania vo vzduchu sa opäť stíši. Frekvencia bliknutí a pípnutí indikuje silu signálu. Šťastný lov!