Preprost detektor kovin Arduino: 8 korakov (s slikami)

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:02

*** Objavljena je nova različica, ki je še enostavnejša: https://www.instructables.com/Minimal-Arduino-Metal-Detector/ ***

Odkrivanje kovin je odličen čas, ki vas spravi na prosto, odkrijete nova mesta in morda najdete kaj zanimivega. Preverite lokalne predpise, kako ravnati v primeru morebitne najdbe, zlasti v primeru nevarnih predmetov, arheoloških relikvij ali predmetov velike gospodarske ali čustvene vrednosti.

Navodila za detektorje kovin DIY je veliko, vendar je ta recept poseben v tem smislu, da poleg mikrokrmilnika Arduino potrebuje zelo malo komponent: skupni kondenzator, upor in dioda tvorijo jedro skupaj z iskalno tuljavo, ki je sestavljena iz približno 20 navitja električno prevodnega kabla. Nato se doda LED, zvočnik in/ali slušalke za signalizacijo prisotnosti kovine v bližini iskalne tuljave. Dodatna prednost je, da se vse napaja iz enega samega 5V napajanja, za kar zadostuje skupna moč USB 2000mAh in bo trajala več ur.

Za razlago signalov in razumevanje, na katere materiale in oblike je detektor občutljiv, resnično pomaga razumeti fiziko. Dejansko je detektor občutljiv na predmete na razdalji ali globini do polmera tuljave. Najbolj občutljiv je na predmete, pri katerih lahko v ravnini tuljave teče tok, odziv pa bo ustrezal območju tokovne zanke v tem objektu. Tako bo kovinski disk v ravnini tuljave dal veliko močnejši odziv kot isti kovinski disk, pravokoten na tuljavo. Teža predmeta ni pomembna. Tanek kos aluminijaste folije, usmerjen v ravnino tuljave, bo dal veliko močnejši odziv kot vijak iz težke kovine.

1. korak: Načelo delovanja

Ko elektrika začne teči skozi tuljavo, ustvari magnetno polje. Po Faradayjevem zakonu indukcije bo spreminjanje magnetnega polja povzročilo električno polje, ki nasprotuje spremembi magnetnega polja. Tako se bo na tuljavi razvila napetost, ki nasprotuje povečanju toka. Ta učinek se imenuje samoinduktivnost, enota induktivnosti pa je Henry, kjer tuljava 1 Henry razvije potencialno razliko 1V, ko se tok spremeni za 1 amper na sekundo. Induktivnost tuljave z N navitji in polmerom R je približno 5µH x N^2 x R, pri čemer je R v metrih.

Prisotnost kovinskega predmeta v bližini tuljave bo spremenila njegovo induktivnost. Odvisno od vrste kovine se lahko induktivnost poveča ali zmanjša. Nemagnetne kovine, kot sta baker in aluminij v bližini tuljave, zmanjšujejo induktivnost, ker bo spreminjajoče se magnetno polje povzročilo vrtinčne tokove v predmetu, ki bodo zmanjšali intenzivnost lokalnega magnetnega polja. Feromagnetni materiali, kot je železo, v bližini tuljave povečajo njeno induktivnost, ker se inducirana magnetna polja poravnajo z zunanjim magnetnim poljem.

Meritev induktivnosti tuljave lahko tako razkrije prisotnost kovin v bližini. Z Arduinom, kondenzatorjem, diodo in uporom je mogoče izmeriti induktivnost tuljave: tuljava postane del visokoprepustnega LR filtra in jo napaja z blokovskim valom, pri vsakem se ustvarijo kratki trni prehod. Dolžina impulza teh konic je sorazmerna z induktivnostjo tuljave. Dejansko je značilni čas LR filtra tau = L/R. Za tuljavo z 20 navitji in premerom 10 cm, L ~ 5µH x 20^2 x 0,05 = 100 μH. Za zaščito Arduina pred prekomernim tokom je minimalni upor 200Ohm. Tako pričakujemo impulze z dolžino približno 0,5 mikrosekunde. Te je težko meriti neposredno z visoko natančnostjo, glede na to, da je taktna frekvenca Arduina 16MHz.

Namesto tega lahko naraščajoči impulz uporabimo za polnjenje kondenzatorja, ki ga lahko nato preberemo z analogno v digitalno pretvorjeno (ADC) Arduino. Pričakovani naboj pri 0,5 mikrosekundnem impulzu 25 mA je 12,5 nC, kar bo dalo 1,25 V na 10nF kondenzatorju. Padec napetosti na diodi bo to zmanjšal. Če se impulz nekajkrat ponovi, se naboj na kondenzatorju dvigne na ~ 2V. To lahko preberete z ADC Arduino z uporabo analogRead (). Kondenzator lahko nato hitro izpraznite tako, da spremenite odčitavalni zatič na izhod in ga za nekaj mikrosekund nastavite na 0 V. Celotna meritev traja približno 200 mikrosekund, 100 za polnjenje in ponastavitev kondenzatorja in 100 za pretvorbo ADC. Natančnost je mogoče močno povečati s ponovitvijo meritve in povprečjem rezultata: povprečno 256 meritev traja 50 ms in izboljša natančnost za faktor 16. 10-bitni ADC na ta način doseže natančnost 14-bitnega ADC.

Dobljena meritev je zelo nelinearna glede na induktivnost tuljave in zato ni primerna za merjenje absolutne vrednosti induktivnosti. Za odkrivanje kovin pa nas zanimajo le majhne relativne spremembe induktivnosti tuljave zaradi prisotnosti bližnjih kovin, zato je ta metoda popolnoma primerna.

Umerjanje meritev je mogoče samodejno izvesti v programski opremi. Če lahko domnevamo, da v bližini tuljave večinoma ni kovine, je odstopanje od povprečja signal, da se je kovina približala tuljavi. Uporaba različnih barv ali različnih tonov omogoča razlikovanje med nenadnim povečanjem ali nenadnim zmanjšanjem induktivnosti.

2. korak: Potrebne komponente

Elektronsko jedro:

Arduino UNO R3 + prototipni ščit ALI Arduino Nano s 5 x 7 cm prototipno ploščo

10nF kondenzator

Majhna signalna dioda, npr. 1N4148

220-ohmski upor

Za moč:

Napajalnik USB s kablom

Za vizualni izhod:

2 LED različni barvi npr. modra in zelena

2 upora 220Ohm za omejevanje tokov

Za izhod zvoka:

Pasivni zvočni signal

Mikro stikalo za onemogočanje zvoka

Za izhod za slušalke:

Priključek za slušalke

1kOhm upor

Slušalke

Če želite preprosto povezati/odklopiti iskalno tuljavo:

2-polni vijačni priključek

Za iskalno tuljavo:

~ 5 metrov tankega električnega kabla

Struktura za držanje tuljave. Biti mora trd, ni pa nujno, da je okrogel.

Za strukturo:

1 metrska palica, na primer lesena, plastična ali selfie palica.

3. korak: Iskalna tuljava

Za iskalno tuljavo sem okoli kartonske jeklenke s premerom 9 cm navijal ~ 4 m žice, kar je povzročilo približno 18 navitij. Vrsta kabla ni pomembna, če je ohmski upor vsaj desetkrat manjši od vrednosti R v filtru RL, zato se držite pod 20 ohmov. Izmeril sem 1 ohm, tako da je to varno. Deluje tudi samo vzeti napol dokončan 10-metrski zvitek priključne žice!

4. korak: prototipna različica

Glede na majhno število zunanjih komponent je povsem mogoče namestiti vezje na majhno ploščo prototipnega ščita. Končni rezultat pa je precej obsežen in ni zelo robusten. Bolje je uporabiti Arduino nano in ga spajkati z dodatnimi komponentami na 5 x 7 cm prototipno ploščo (glej naslednji korak)

Za dejansko odkrivanje kovin se uporabljata samo 2 zatiča Arduino, eden za dovajanje impulzov na LR filter in eden za odčitavanje napetosti na kondenzatorju. Impulziranje se lahko izvede s katerega koli izhodnega zatiča, vendar je treba odčitavanje opraviti z enim od analognih zatičev A0-A5. Za 2 LED in za zvočni izhod se uporabljajo še 3 zatiči.

Tukaj je recept:

1. Na matični plošči zaporedno priključite upor 220Ohm, diodo in kondenzator 10nF z negativnim priključkom diode (črna črta) proti kondenzatorju.
2. Priključite A0 na upor (konec ni povezan z diodo)
3. Priključite A1 na mesto, kjer je presečišče diode in kondenzatorja
4. Nepovezan priključek kondenzatorja priključite na ozemljitev
5. En konec tuljave povežite z navzkrižno točko upora-diode
6. Drugi konec tuljave priključite na ozemljitev
7. Priključite eno LED s pozitivnim kontaktom na pin D12 in njegov negativni priključek preko upora 220Ohm na maso
8. Priključite drugo LED s pozitivnim priključkom na pin D11, negativni priključek pa preko upora 220Ohm na ozemljitev
9. Neobvezno priključite pasivne slušalke ali zvočnik med pin 10 in maso. Za zmanjšanje glasnosti lahko zaporedno dodate kondenzator ali upor

To je vse!

5. korak: Spajkana različica

Če želite detektor kovin odnesti ven, ga boste morali spajkati. Navadna prototipna plošča 7x5 cm se udobno prilega Arduino nano in vsem potrebnim komponentam. Uporabite iste sheme kot v prejšnjem koraku. Zdelo se mi je koristno, da skupaj z zvočnikom dodam stikalo za izklop zvoka, kadar to ni potrebno. Vijačni priključek omogoča preizkušanje različnih tuljav brez spajkanja. Vse se napaja prek 5V, ki so dobavljene na (mini- ali mikro-USB) vrata Arduino Nano.

6. korak: programska oprema

Uporabljena skica Arduino je priložena tukaj. Naložite in zaženite. Uporabil sem Arduino 1.6.12 IDE. Priporočljivo je, da ga na začetku zaženete z debug = true, da nastavite število impulzov na meritev. Najbolje je, da ADC odčita med 200 in 300. Povečajte ali zmanjšajte število impulzov, če vaša tuljava daje drastično drugačne odčitke.

Skica naredi nekakšno samo-kalibracijo. Dovolj je, da tuljavo pustite tiho stran od kovin, da se umiri. Sledili bodo počasni premiki induktivnosti, vendar nenadne velike spremembe ne bodo vplivale na dolgoročno povprečje.

7. korak: Namestite ga na palico

Ker svojega iskanja zaklada ne bi želeli plaziti po tleh, je treba tri plošče, tuljavo in baterijo namestiti na konec palice. Za to je idealen selfie-stick, saj je lahek, zložljiv in nastavljiv. Moja baterija za 5000 mAh se je slučajno prilegala palici za selfi. Ploščo lahko nato pritrdite s kabelskimi vezicami ali elastikami, tuljava pa je lahko podobna bodisi na baterijo bodisi na palico.

8. korak: Kako ga uporabiti

Če želite določiti referenco, je dovolj, da tuljavo pustite ~ 5 s stran od kovin. Ko se tuljava približa kovini, bo zelena ali modra LED lučka začela utripati, v zvočniku in/ali slušalkah pa se bodo oglasili piski. Modri utripi in piski z nizkim korakom kažejo na prisotnost neferomagnetnih kovin. Zeleni utripi in piski visokega tona kažejo na prisotnost feromagnetnih kovin. Pazite, da bo tuljava več kot 5 sekund v bližini kovine, to odčitavanje bo upoštevalo kot referenco in začelo piskati, ko detektor odvzamete iz kovine. Po nekaj sekundah piskanja v zraku se bo spet utišalo. Pogostost utripov in piskov označujeta moč signala. Vesel lov!