Ekologický detektor kovov - Arduino: 8 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 12:00

Detekcia kovov je veľmi zábavná. Jednou z výziev je možnosť zúžiť presné miesto kopania, aby sa minimalizovala veľkosť diery, ktorá tu zostala.

Tento jedinečný detektor kovov má štyri vyhľadávacie cievky, farebnú dotykovú obrazovku na identifikáciu a presné určenie polohy vášho nálezu.

Vrátane automatickej kalibrácie, nabíjateľného napájacieho zdroja USB, so štyrmi rôznymi režimami obrazovky, nastavením frekvencie a šírky impulzu, ktoré vám umožňujú prispôsobiť spôsob hľadania.

Keď určíte poklad, jeden otvor v strede nad každou cievkou vám umožní pomocou drevenej špajle zatlačiť do zeme, aby ste mohli začať kopať malú zátku zo zeme, čím znížite škody na životnom prostredí.

Každá cievka dokáže presne určiť mince a prstene v hĺbke 7-10 cm, takže je ideálna na hľadanie stratených mincí a prsteňov v okolí parkov a pláží.

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

Veľká vďaka - Ak ste stlačili tlačidlo hlasovania v pravom hornom rohu pre súťaže „Vynálezná výzva“a „Preskúmajte vedu“!!!

veľká vďaka, TechKiwi

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

Krok 1: Veda za detekciou kovov

Detekcia kovov

Existuje niekoľko variácií prevedenia detektora kovov. Tento konkrétny typ detektora kovov je pulzný indukčný detektor, ktorý používa oddelené vysielacie a prijímacie cievky.

Arduino vytvára impulz, ktorý je na transmisnú cievku aplikovaný veľmi krátku dobu (4uS) prostredníctvom tranzistora. Tento prúd z impulzu spôsobí, že sa okolo cievky vytvorí náhle magnetické pole, rozpínajúce sa a kolabujúce pole indukuje napätie do prijímacej cievky. Tento prijatý signál je zosilnený prijímacím tranzistorom a potom je pomocou porovnávača napätia premenený na čistý digitálny impulz a následne je vzorkovaný pinom digitálneho vstupu na Arduine. Arduino je naprogramované tak, aby meralo šírku impulzu prijatého impulzu.

V tomto prevedení je šírka prijatého impulzu určená indukčnosťou prijímacej cievky a kondenzátorom. Keďže v dosahu nie sú žiadne objekty, základná šírka impulzu meria približne 5 000 uS. Keď sa cudzie kovové predmety dostanú do dosahu expandujúceho a kolabujúceho magnetického poľa, spôsobí to, že časť energie sa do objektu indukuje vo forme vírivých prúdov. (Elektromagnetická indukcia)

Čistým výsledkom je, že šírka prijatého impulzu sa zníži, tento rozdiel v šírke impulzu meria Arduino a zobrazuje ho na displeji TFT v rôznych formátoch.

Možnosť zobrazenia 1: Poloha cieľa pod hlavou detektora

Mojím zámerom bolo použiť 4 cievky na trianguláciu polohy cieľa pod hlavou detektora. Nelineárna povaha vyhľadávacích cievok to robila náročným, avšak vyššie uvedený animovaný-g.webp

Možnosť zobrazenia 2: Zobraziť stopu signálu pre každú vyhľadávaciu cievku

To vám umožní sledovať, kde je cieľový objekt pod hlavou, nakreslením nezávislej stopy sily signálu na obrazovku pre každú vyhľadávaciu cievku. Je to užitočné zistiť, či máte pod hlavou detektora dva ciele blízko seba a relatívnu silu.

Praktické použitie

Tento prístup vám umožňuje použiť prvý pohľad na identifikáciu cieľa a druhý pohľad ho zamerať na niekoľko milimetrov, ako je znázornené vo videoklipe.

Krok 2: Zhromaždite materiály

Kusovník

1. Arduino Mega 2560 (položky 1, 2 a 3 je možné zakúpiť ako jednu balíkovú objednávku)
2. 3,2 palcový dotykový displej TFT LCD (zahrnoval som kód pre 3 podporované variácie)
3. TFT 3,2 palcový mega štít
4. Tranzistor BC548 x 8
5. 0,047uf Greencap kondenzátor x 4 (50v)
6. 0,1uf Greencap kondenzátor x 1 (50v)
7. 1k odpor x 4
8. 47 odpor x 4
9. 10k odpor x 4
10. 1M odpor x 4
11. Rezistor 2,2k x 4
12. Kolískový spínač SPST Mini
13. Štvornásobný diferenciálny komparátor s integrovaným obvodom LM339
14. Signálne diódy IN4148 x 4
15. Medený drôtový valec s priemerom 0,3 mm x 2
16. Dvojžilový tienený kábel s priemerom 4,0 mm a dĺžkou 5 m
17. USB nabíjateľná powerbanka 4400 mHa
18. Piezo bzučiak
19. Vero Board 80x100mm
20. Plastové puzdro s minimálnou výškou 100 mm, hĺbkou 55 mm a šírkou 160 mm
21. Sťahovacie pásky
22. MDF drevo, hrúbka 6 - 8 mm - 23 cm x 23 cm štvorcové kusy x 2
23. Micro USB predlžovací kábel 10 cm
24. Zástrčkový kábel USB-A vhodný na skrátenie na dĺžku 10 cm
25. Zvukový konektor pre slúchadlá - stereofónny
26. Hlava detektora rôznych rozperiek z dreva a plastu
27. Rukoväť metly Speed Mop s nastaviteľným kĺbom (iba pohyb v jednej osi - viď fotografie)
28. Jeden kus papiera A3
29. Lepidlo
30. Elektrická rezačka priamočiarych píl
31. Kartónový papier formátu A4 s hrúbkou 3 mm na vytvorenie cievkovača pre cievky TX a Rx
32. Lepiaca páska
33. Horúca lepiaca pištoľ
34. Elektrické lepidlo
35. 10 ďalších kolíkov záhlavia Arduino
36. Svorkovnice PCB x 20
37. Epoxidové lepidlo TwoPart - doba schnutia 5 minút
38. Remeselný nôž
39. 5 mm plastová rúrka s dĺžkou 30 mm x 4 (použil som hadičky do záhradného zavlažovacieho systému z železiarstva)
40. Vodotesný tesniaci materiál MDF (Uistite sa, že neobsahuje kov)
41. Flexibilné elektrické vedenie 60 cm - sivé - priemer 25 mm

Krok 3: Zostavte hlavu detektora

1. Konštrukcia zostavy hlavy

Poznámka: Rozhodol som sa postaviť pomerne zložité montážne usporiadanie pre 8 cievok z medeného drôtu, ktoré sa používajú v hlave detektora. To zahŕňalo vyrezanie série otvorov z dvoch vrstiev MDF, ako je vidieť na vyššie uvedených fotografiách. Teraz som dokončil jednotku, ktorú odporúčam použiť iba jeden vystrihnutý kruh s priemerom 23 cm a cievky pripevniť horúcim lepidlom na túto jednu vrstvu MDF. To skracuje dobu stavby a tiež znamená, že hlava je ľahšia.

Začnite vytlačením dodanej šablóny na papier formátu A3 a potom ju prilepte na dosku MDF, aby ste získali návod na umiestnenie cievok.

Elektrickou priamočiarou pílou opatrne vystrihnite kruh s priemerom 23 cm z MDF.

2. Navíjanie cievok

Z kartónu vytvorte dva 10 cm dlhé valce, ktoré sú spojené lepiacou páskou. Priemer vysielacích cievok musí byť 7 cm a prijímacích cievok 4 cm.

Umiestnite cievku z medeného drôtu na hrot, aby sa mohol voľne otáčať. Začiatok medeného drôtu pripevnite na lepenkový valec pomocou lepiacej pásky. Naviňte 40 závitov pevne na valec a potom pomocou lepiacej pásky odviažte koniec.

Pomocou horúceho lepidla upevnite cievky k sebe najmenej na 8 bodoch po obvode cievok. Po vychladnutí cievku uvoľnite prstami a potom ju pripevnite k šablóne hlavy detektora kovov pomocou horúceho lepidla. Vyvŕtajte dva otvory do MDF vedľa cievky a konce cievky prevlečte na hornú stranu hlavy detektora kovov.

Opakujte toto cvičenie a postavte a namontujte 4 prijímacie cievky a 4 vysielacie cievky. Po dokončení by malo cez vrch hlavy detektora kovov vyčnievať 8 párov drôtov.

3. Pripojte tienené káble

Odrežte 5 m dlhý tienený dvojžilový kábel na 8 dĺžok. Odizolujte a spájkujte dvojžilové jadro do každej vysielacej a prijímacej cievky a ponechajte štít odpojený na konci kábla hlavy detektora.

Otestujte cievky a káblové spojenia na druhom konci každého kábla pomocou merača ohmu. Každá cievka zaregistruje niekoľko ohmov a mala by byť konzistentná pre všetky prijímacie a vysielacie cievky.

Po testovaní pomocou horúcej lepiacej pištole pripevnite 8 káblov do stredu hlavy detektora pripravenej na pripevnenie rukoväte a dokončenie hlavy.

Moja rada je v rámci prípravy na budúce testovanie odizolovať a pocínovať každé z tienených káblových jadier na druhom konci. Pripojte uzemňovací vodič ku každému káblovému tieneniu, pretože bude spojený so zemou v hlavnej jednotke. Tým sa zastaví rušenie medzi každým káblom.

Pomocou multimetra identifikujte, ktorá cievka je a pripevnite lepiace štítky, aby ich bolo možné ľahko identifikovať pre budúcu montáž.

Krok 4: Zostavte obvod na testovanie

1. Zostava Breadboard

Moje odporúčanie je použiť nepájivú dosku na prvé nastavenie a testovanie obvodu predtým, ako sa zapojíte do dosky Vero Board a krytu. To vám dáva možnosť prispôsobiť hodnoty komponentov alebo upraviť kód, ak je to potrebné pre citlivosť a stabilitu. Vysielacie a prijímacie cievky musia byť prepojené tak, aby boli navinuté rovnakým smerom, a to je jednoduchšie otestovať na doske pred označením vodičov pre budúce pripojenie k doske Vero.

Zostavte súčasti podľa schémy zapojenia a cievky hlavy detektora pripevnite pomocou drôtu.

Pripojenia k Arduinu sa najlepšie uskutočňujú pomocou pripájacieho drôtu na chlebovej doske spájkovaného na štít TFT. Pre digitálne a analógové pinové pripojenia som pridal kolíkový konektor, ktorý mi umožnil vyhnúť sa spájkovaniu priamo na dosku Arduino. (Pozri obrázok)

2. Knižnice IDE

Tieto je potrebné stiahnuť a pridať do IDE (Integrated Development Environment), ktoré beží na vašom počítači, a ktoré slúži na zápis a odosielanie počítačového kódu na fyzickú dosku. UTFT.h a URtouch.h umiestnené v súbore zip nižšie

Kredit za UTFT.h a URtouch.h putuje spoločnosti Rinky-Dink Electronics Tieto zip súbory som zahrnul, pretože sa zdá, že zdrojový web je nefunkčný.

3. Testovanie

Zahrnul som testovací program na zvládnutie počiatočného nastavenia, aby ste sa mohli vysporiadať s problémami orientácie cievky. Vložte testovací kód do Arduino IDE a nahrajte do Mega. Ak všetko funguje, mali by ste vidieť testovaciu obrazovku ako vyššie. Každá cievka by mala produkovať hodnotu ustáleného stavu približne 4600 us v každom kvadrante. Ak tomu tak nie je, otočte polaritu vinutí na cievke TX alebo RX a znova vyskúšajte. Ak to nefunguje, navrhujem, aby ste skontrolovali každú cievku jednotlivo a pracovali späť v obvode na riešenie problémov. Ak už máte 2 alebo 3 pracovné, porovnajte ich s cievkami/obvodmi, ktoré nefungujú.

Poznámka: Ďalšie testovanie odhalilo, že kondenzátory 0,047uf v obvode RX ovplyvňujú všetku citlivosť. Moja rada je, keď obvod začne pracovať na doske, skúste zvýšiť túto hodnotu a testovať mincou, pretože som zistil, že to môže zlepšiť citlivosť.

Nie je to povinné, ale ak máte osciloskop, môžete tiež sledovať TX Pulse a RX Pulse, aby ste sa presvedčili, že cievky sú správne zapojené. Potvrďte to v komentároch na obrázkoch.

POZNÁMKA: Do tejto časti som zahrnul dokument PDF so stopami osciloskopu pre každú fázu obvodu, aby som pomohol vyriešiť akékoľvek problémy

Krok 5: Zostavte obvod a kryt

Keď je jednotka testovaná k vašej spokojnosti, môžete urobiť ďalší krok a postaviť dosku s plošnými spojmi a kryt.

1. Pripravte si prílohu

Rozložte hlavné komponenty a umiestnite ich vo svojom prípade, aby ste určili, ako bude všetko pasovať. Dosku Vero odrežte, aby sa do nej zmestili súčasti, uistite sa však, že sa zmestí do spodnej časti krytu. Buďte opatrní s nabíjateľným napájacím balíkom, pretože môžu byť dosť objemné.

Vyvŕtajte otvory tak, aby vyhovovali zadnému vstupu káblov hlavy, vypínača, externého portu USB, programovacieho portu Arduino a stereo konektora pre slúchadlá.

Okrem tohto vyvŕtajte 4 upevňovacie otvory v strede prednej strany puzdra, kde bude rukoväť, tieto otvory musia byť schopné v budúcich krokoch previesť cez ne káblový zväzok.

2. Zostavte Vero Board

Podľa schémy zapojenia a obrázku vyššie umiestnite komponenty na dosku Vero.

Použil som koncové kolíky dosky plošných spojov, aby bolo možné ľahké pripojenie káblov cievky hlavy k doske plošných spojov. Namontujte Piezo bzučiak na dosku plošných spojov spolu s integrovanými obvodmi a tranzistormi. Snažil som sa udržať komponenty TX, RX zarovnané zľava doprava a zaistil som, aby všetky pripojenia k externým cievkam boli na jednom konci Vero Boar. (pozri rozloženie na fotografiách)

3. Pripojte cievkové káble

Postavte držiak káblov pre prichádzajúce tienené káble z MDF, ako je znázornené na obrázkoch. Skladá sa z 8 otvorov vyvŕtaných do MDF, aby káble mohli sedieť zarovnané s koncovými kolíkmi dosky plošných spojov. Pri pripájaní každej cievky sa oplatí postupne testovať obvod, aby ste zaistili správnu orientáciu cievky.

4. Otestujte jednotku

Pripojte napájací zdroj USB, vypínač, konektor zvukového telefónu a umiestnite všetky káble a káble tak, aby v puzdre dobre sedeli. Pomocou horúceho lepidla držte položky na mieste, aby ste sa uistili, že v okolí nemôže nič rachotiť. Podľa predchádzajúceho kroku načítajte testovací kód a zaistite, aby všetky cievky pracovali podľa očakávania.

Pri externom pripojení vyskúšajte, či sa USB napájací zdroj správne nabíja. Zaistite dostatočný priestor na pripojenie kábla Arduino IDE.

5. Vystrihnite obrazovku

Umiestnite obrazovku do stredu škatule a označte okraje LCD displeja na prednom paneli pripravené na vystrihnutie clony. Pomocou remeselného noža a kovového pravítka opatrne narovnajte viečko puzdra a vyrežte otvor.

Po vybrúsení a naformátovaní opatrne umiestnite veko a zaistite, aby boli všetky diely, dosky, vedenie a obrazovka zaistené na mieste pomocou rozperiek a horúceho lepidla.

7. Zostavte slnečnú clonu

Našiel som starý čierny kryt, ktorý som dokázal vyrezať do tvaru a použiť ako slnečnú clonu, ako je to znázornené na fotografiách vyššie. Prilepte to na predný panel pomocou 5 -minútového dvojzložkového epoxidu.

Krok 6: Pripojte rukoväť a puzdro k hlave detektora

Teraz, keď sú elektronika detektora a hlava skonštruované, zostáva už len bezpečne namontovať jednotku.

1. Pripojte hlavu k držadlu

Upravte kĺb rukoväte tak, aby vám ho umožňoval pripevniť k hlave pomocou dvoch skrutiek. V ideálnom prípade chcete minimalizovať množstvo kovu v blízkosti cievok, takže na pripevnenie k hlave použite malé skrutky do dreva a veľa 5 -minútového 2 -dielneho epoxidového lepidla. Viď fotky vyššie.

2. Šnurovacie vedenie hlavy

Pomocou káblových úchytiek opatrne šnurujte káble tak, že každých 10 cm pozdĺž tieneného vedenia zapojíte káblový zväzok. Dbajte na to, aby ste si vypracovali najlepšiu polohu puzdra, aby ste na obrazovku dobre videli, dosiahli na ovládacie prvky a pripojili slúchadlá/zástrčky.

3. Pripojte elektroniku k držadlu

Postavte 45 -stupňový montážny blok z MDF, ktorý vám umožní pripevniť puzdro pod uhlom, čo znamená, že keď zametáte detektorom po zemi, môžete ľahko vidieť TFT displej. Pozrite sa na obrázok vyššie.

Pripojte puzdro elektroniky k rukoväti pomocou káblových úchytiek vedených cez montážny blok a do puzdra cez predtým vyvŕtané montážne otvory.

4. Dokončite hlavu detektora

Cievky hlavy detektora je potrebné upevniť tak, aby nedošlo k žiadnemu pohybu v kabeláži, takže je načase použiť horúce lepidlo na dôkladné upevnenie všetkých cievok na mieste.

Hlava detektora musí byť tiež vodotesná, preto je dôležité MDF nastriekať čírym tesniacim prostriedkom (zaistite, aby tesniaci prostriedok zo zrejmých dôvodov neobsahoval kov).

V strede každej cievky vyvŕtajte 5 mm otvory a prevlečte plastové rúrky 5 mm x 30 mm, aby ste mohli zatlačiť drevené špajle do pôdy nižšie, akonáhle špicatým terčom ukážete. Na zaistenie polohy použite horúcu lepiacu pištoľ.

Potom som pokryl hornú časť hlavy plastovou doskou a spodnú časť hrubým plastovým obalom na knihu, pričom som okraj dokončil orezaním flexibilných hadičiek elektrického vedenia a zalepením za tepla.

Krok 7: Konečná montáž a testovanie

1. Nabíjanie

Vložte štandardnú nabíjačku mobilného telefónu do portu Micro USB a zaistite, aby bola jednotka dostatočne nabitá.

2. Nahrajte kód

Na odoslanie priloženého kódu použite IDE Arduino.

3. Tlačidlo stlmenia

Jednotka je pri zapnutí predvolene stlmená. Toto je označené červeným tlačidlom stlmenia v dolnom LHS obrazovky. Ak chcete zapnúť zvuk, stlačte toto tlačidlo a tlačidlo by malo zostať zelené, čo znamená, že zvuk je povolený.

Ak nie je vypnutý, interný bzučiak a externý zvukový telefónny konektor budú vydávať zvuk.

4. Kalibrácia

Kalibrácia vráti stopu do spodnej časti obrazovky pod prahové hodnoty. Pri prvom zapnutí sa prístroj automaticky kalibruje. Jednotka je pozoruhodne stabilná, ale ak je potrebná rekalibrácia, je to možné vykonať stlačením tlačidla kalibrácie na obrazovke, ktoré sa znova nakalibruje za menej ako sekundu.

5. Prahové hodnoty

Ak signál na akejkoľvek stope prekročí prahovú čiaru (bodkovaná čiara na obrazovke) a tlačidlo Stlmiť je vypnuté, bude vydaný zvukový signál.

Tieto prahové hodnoty je možné nastaviť nahor a nadol dotykom obrazovky nad alebo pod každou čiarou sledovania.

6. Úprava PW a DLY

Trvanie impulzu do cievky a oneskorenie medzi impulzmi je možné nastaviť pomocou dotykového displeja. To je skutočne na mieste, aby ste experimentovali s rôznymi prostrediami a pokladmi, ktoré je možné testovať na dosiahnutie najlepších výsledkov.

7. Typy zobrazenia

Existujú 4 rôzne typy zobrazení

Možnosť zobrazenia 1: Poloha cieľa pod hlavou detektora Mojím zámerom bolo použiť 4 cievky na trianguláciu polohy cieľa pod hlavou detektora. Nelineárna povaha vyhľadávacích cievok to robila náročným, avšak vyššie uvedený animovaný-g.webp

Možnosť zobrazenia 2: Zobraziť stopu signálu pre každú vyhľadávaciu cievku To vám umožní sledovať, kde sa cieľový objekt nachádza pod hlavou nakreslením nezávislej stopy sily signálu na obrazovku pre každú vyhľadávaciu cievku. Je to užitočné zistiť, či máte pod hlavou detektora dva ciele blízko seba a relatívnu silu.

Možnosť zobrazenia 3: Je rovnaká ako možnosť 2, ale vďaka hrubšej čiare je lepšie vidieť.

Možnosť zobrazenia 4: Rovnaká ako možnosť 2, ale pred odstránením stopy vykreslí viac ako 5 obrazoviek. Dobré na zachytenie slabých signálov.

Nasledujúce týždne budem testovať v teréne, takže budem zverejňovať všetky nálezy pokladov.

Teraz sa choďte zabaviť a nájsť nejaký poklad !!

Krok 8: Epilog: Variácie cievok

Existuje veľa dobrých, zaujímavých otázok a návrhov o konfiguráciách cievok. Pri vývoji tohto návodu bolo veľa experimentov s rôznymi konfiguráciami cievok, ktoré stoja za zmienku.

Vyššie uvedené obrázky zobrazujú niektoré cievky, ktoré som vyskúšal pred usadením sa na súčasnom dizajne. Ak máte ďalšie otázky napíšte mi.

Na vás, aby ste experimentovali ďalej!

Prvá cena vo vynálezeckej výzve 2017

Prvá cena v súťaži Explore Science Contest 2017