Sisällysluettelo:
2025 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2025-01-13 06:57
*** Uusi versio on vielä yksinkertaisempi: https://www.instructables.com/Minimal-Arduino-Metal-Detector/ ***
Metallin tunnistus on loistava menneisyys, joka vie sinut ulos, löytää uusia paikkoja ja ehkä löytää jotain mielenkiintoista. Tarkista paikalliset määräyksesi siitä, miten toimia mahdollisen löydön sattuessa, erityisesti vaarallisten esineiden, arkeologisten jäänteiden tai esineiden osalta, joilla on merkittävää taloudellista tai emotionaalista arvoa.
Ohjeita DIY -metallinilmaisimille on paljon, mutta tämä resepti on erityisen tärkeä siinä mielessä, että se vaatii hyvin vähän komponentteja Arduino -mikrokontrollerin lisäksi: yhteinen kondensaattori, vastus ja diodi muodostavat ytimen sekä hakukela, joka koostuu noin 20 sähköä johtavan kaapelin käämit. LEDit, kaiutin ja/tai kuulokkeet lisätään sitten osoittamaan metallin läsnäoloa hakukelan lähellä. Lisäetuna on, että kaikki voidaan syöttää yhdestä 5 V: n virtalähteestä, jolle yhteinen 2000 mAh: n USB -virta riittää ja kestää monta tuntia.
Signaalien tulkitseminen ja sen tunnistaminen, mihin materiaaleihin ja muotoihin ilmaisin on herkkä, auttaa todella ymmärtämään fysiikkaa. Nyrkkisääntönä ilmaisin on herkkä kohteille, jotka ovat etäisyydellä tai syvyydestä kelan säteeseen asti. Se on herkin kohteille, joissa virta voi virrata kelan tasossa, ja vaste vastaa kohteen nykyisen silmukan aluetta. Siten metallikiekko kelan tasossa antaa paljon voimakkaamman vasteen kuin sama metallilevy, joka on kohtisuorassa kelaan nähden. Esineen painolla ei ole väliä. Ohut alumiinifoliopala, joka on suunnattu kelan tasoon, antaa paljon vahvemman vasteen kuin raskasmetallipultti.
Vaihe 1: Toimintaperiaate
Kun sähkö alkaa virrata kelan läpi, se muodostaa magneettikentän. Faradayn induktiolain mukaan muuttuva magneettikenttä johtaa sähkökenttään, joka vastustaa magneettikentän muutosta. Siten kelan yli kehittyy jännite, joka vastustaa virran kasvua. Tätä vaikutusta kutsutaan itseinduktanssiksi, ja induktanssin yksikkö on Henry, jossa 1 Henryn kela kehittää 1 V: n potentiaalieron, kun virta muuttuu 1 ampeeria sekunnissa. Kelan, jonka säde on R, induktanssi on noin 5 µH x N^2 x R, R metreinä.
Metalliesineen läsnäolo kelan lähellä muuttaa sen induktanssia. Metallityypistä riippuen induktanssi voi joko kasvaa tai pienentyä. Ei-magneettiset metallit, kuten kupari ja alumiini kelan lähellä, vähentävät induktanssia, koska muuttuva magneettikenttä saa aikaan pyörteitä, jotka vähentävät paikallisen magneettikentän voimakkuutta. Ferromagneettiset materiaalit, kuten rauta, lähellä kelaa lisäävät sen induktanssia, koska indusoidut magneettikentät ovat linjassa ulkoisen magneettikentän kanssa.
Kelan induktanssin mittaus voi siten paljastaa lähellä olevien metallien läsnäolon. Arduinon, kondensaattorin, diodin ja vastuksen avulla on mahdollista mitata kelan induktanssi: tekemällä kela osaksi ylipäästös LR-suodatinta ja syöttämällä se lohko-aallolla, joka kerta syntyy lyhyitä piikkejä siirtyminen. Näiden piikkien pulssin pituus on verrannollinen kelan induktanssiin. Itse asiassa LR -suodattimen ominaisaika on tau = L/R. 20 käämin kelalle ja halkaisijaltaan 10 cm L ~ 5µH x 20^2 x 0,05 = 100µH. Arduinon suojaamiseksi ylivirralta vähimmäisvastus on 200 ohmia. Odotamme siten pulsseja, joiden pituus on noin 0,5 mikrosekuntia. Näitä on vaikea mitata suoraan suurella tarkkuudella, koska Arduinon kellotaajuus on 16 MHz.
Sen sijaan nousevaa pulssia voidaan käyttää kondensaattorin lataamiseen, joka voidaan sitten lukea Arduinon analogisesta digitaaliseen muunnokseen (ADC). Odotettu varaus 0,5 mikrosekunnin pulssilta 25 mA on 12,5 nC, mikä antaa 1,25 V 10 nF kondensaattorilla. Jännitteen lasku diodin päällä vähentää tätä. Jos pulssi toistetaan muutaman kerran, kondensaattorin varaus nousee ~ 2 V. Tämä voidaan lukea Arduino ADC: n avulla käyttäen analogRead () -toimintoa. Kondensaattori voidaan sitten purkaa nopeasti vaihtamalla lukutappi ulostuloon ja asettamalla se 0 V: ksi muutaman mikrosekunnin ajaksi. Koko mittaus kestää noin 200 mikrosekuntia, 100 kondensaattorin lataamiseen ja nollaamiseen ja 100 ADC -muunnokseen. Tarkkuutta voidaan parantaa huomattavasti toistamalla mittaus ja laskemalla tulos keskimäärin: 256 mittauksen keskiarvon ottaminen kestää 50 ms ja parantaa tarkkuutta 16 kertaa. 10-bittinen ADC saavuttaa 14-bittisen ADC: n tarkkuuden tällä tavalla.
Tämä saatu mittaus on erittäin epälineaarinen kelan induktanssin kanssa, joten se ei sovellu induktanssin absoluuttisen arvon mittaamiseen. Metallin havaitsemista varten olemme kuitenkin kiinnostuneita vain pienistä suhteellisista muutoksista kelan induktanssissa, jotka johtuvat lähellä olevien metallien läsnäolosta, ja tämä menetelmä on täysin sopiva.
Mittauksen kalibrointi voidaan tehdä automaattisesti ohjelmistolla. Jos voidaan olettaa, että useimmiten kelan lähellä ei ole metallia, poikkeama keskiarvosta on merkki siitä, että metalli on tullut kelan lähelle. Käyttämällä eri värejä tai eri sävyjä voit erottaa induktanssin äkillisen kasvun tai äkillisen vähenemisen.
Vaihe 2: Tarvittavat komponentit
Elektroninen ydin:
Arduino UNO R3 + prototyyppisuojus TAI Arduino Nano 5x7 cm: n prototyyppikortilla
10 nF kondensaattori
Pieni signaalidiodi, esim. 1N4148
220 ohmin vastus
Virta:
USB -virtapankki kaapelilla
Visuaalinen lähtö:
2 eriväristä LEDiä, esim. sininen ja vihreä
2 220 ohmin vastukset virtojen rajoittamiseksi
Äänilähtö:
Passiivinen summeri
Mikrokytkin äänen poistamiseksi käytöstä
Kuulokelähtö:
Kuulokeliitäntä
1 kOhm vastus
Kuulokkeet
Voit helposti kytkeä/irrottaa hakukelan seuraavasti:
2-napainen ruuviliitin
Hakukäämille:
~ 5 metriä ohutta sähkökaapelia
Rakenne kelan pitämiseksi. Sen on oltava jäykkä, mutta sen ei tarvitse olla pyöreä.
Rakenteelle:
1 metrin tikku, esim. Puu, muovi tai selfiekeppi.
Vaihe 3: Hakukela
Etsintäkelaa varten kelasin ~ 4 m kierrelankaa halkaisijaltaan 9 cm: n pahvisen sylinterin ympärille, jolloin saatiin noin 18 käämiä. Kaapelin tyypillä ei ole merkitystä, kunhan ohmisvastus on vähintään kymmenen kertaa pienempi kuin RL -suodattimen R -arvo, joten muista pysyä alle 20 ohmin. Mittasin 1 ohmia, joten se on turvallista. Vain puolivalmisteen 10 metrin rulla kytkentäjohdon ottaminen toimii myös!
Vaihe 4: Prototyyppiversio
Kun otetaan huomioon pieni määrä ulkoisia komponentteja, on täysin mahdollista asentaa piirit prototyyppikilven pienelle leipälevylle. Lopputulos on kuitenkin melko iso ja ei kovin kestävä. Parempi on käyttää Arduino nanoa ja juottaa se lisäkomponenttien kanssa 5x7 cm: n prototyyppikortille, (katso seuraava vaihe)
Vain 2 Arduino -nastaa käytetään varsinaiseen metallin havaitsemiseen, yksi pulssien syöttämiseen LR -suodattimelle ja toinen kondensaattorin jännitteen lukemiseen. Pulssi voidaan tehdä mistä tahansa lähtönastasta, mutta lukeminen on tehtävä jollakin analogisista nastoista A0-A5. Kaksi LED -valoa ja äänilähtöä käytetään vielä 3 nastaa.
Tässä resepti:
- Liitä leipälevyllä 220 ohmin vastus, diodi ja 10 nF: n kondensaattori sarjaan diodin negatiivisen liittimen (musta viiva) kohti kondensaattoria.
- Liitä A0 vastukseen (päätä ei ole kytketty diodiin)
- Liitä A1 diodin ja kondensaattorin poikkipisteeseen
- Kytke kondensaattorin liittämätön liitin maahan
- Liitä kelan toinen pää vastuksen diodin poikkipisteeseen
- Liitä kelan toinen pää maahan
- Yhdistä yksi LED positiivisella liittimellään nastaan D12 ja negatiivinen napa 220 ohmin vastuksen kautta maahan
- Kytke toinen LED positiivisella liittimellään nastaan D11 ja negatiivinen napa 220 ohmin vastuksen kautta maahan
- Vaihtoehtoisesti voit liittää passiiviset summeri -kuulokkeet tai kaiuttimen nastan 10 ja maan väliin. Kondensaattori tai vastus voidaan lisätä sarjaan äänenvoimakkuuden vähentämiseksi
Siinä kaikki!
Vaihe 5: Juotettu versio
Jos haluat viedä metallinilmaisimen ulos, sinun on juotettava se. Yleinen 7x5 cm: n prototyyppikortti sopii Arduino -nanolle ja kaikille tarvittaville komponenteille. Käytä samoja kaavioita kuin edellisessä vaiheessa. Minusta oli hyödyllistä lisätä kytkin sarjaan summerin kanssa sammuttaakseen äänen, kun sitä ei tarvita. Ruuviliitin mahdollistaa erilaisten kelojen kokeilun ilman juottamista. Kaikki saa virtaa 5 V: n kautta, joka toimitetaan Arduino Nanon (mini- tai mikro-USB) porttiin.
Vaihe 6: Ohjelmisto
Käytetty Arduino -luonnos on liitetty tähän. Lataa ja suorita se. Käytin Arduinoa 1.6.12 IDE. On suositeltavaa suorittaa se debug = true alussa, jotta voidaan virittää pulssien määrä mittausta kohden. Paras on, että ADC -lukema on välillä 200–300. Lisää tai vähennä pulssien määrää, jos kela antaa lukemat dramaattisesti erilaiset.
Luonnos suorittaa jonkinlaisen itsekalibroinnin. Riittää, että kela jätetään hiljaa metallien ulkopuolelle, jotta se hiljenee. Induktanssia seurataan hitaasti, mutta äkilliset suuret muutokset eivät vaikuta pitkän aikavälin keskiarvoon.
Vaihe 7: Asenna se tikkuun
Koska et halua tehdä aarteenetsintääsi ryömimällä lattian yli, kolme lautaa, kela ja akku on asennettava tikun päähän. Selfiekeppi on ihanteellinen tähän, koska se on kevyt, kokoontaitettava ja säädettävä. 5000 mAh: n virtapankki mahtui selfiekeppiin. Levy voidaan sitten kiinnittää nippusiteillä tai kuminauhoilla ja kela voi samoin olla joko akku tai tikku.
Vaihe 8: Kuinka sitä käytetään
Vertailun määrittämiseksi riittää, että kela jätetään ~ 5 sekunnin päähän metalleista. Kun kela lähestyy metallia, vihreä tai sininen LED -valo alkaa vilkkua ja merkkiääni kuuluu summerissa ja/tai kuulokkeissa. Siniset vilkut ja matalat äänimerkit osoittavat ei-ferromagneettisten metallien läsnäoloa. Vihreät vilkkumiset ja korkeat äänimerkit osoittavat ferromagneettisten metallien läsnäoloa. Varo, että kun kelaa pidetään yli 5 sekuntia metallin lähellä, tämä lukema on vertailukohta ja alkaa piipata, kun ilmaisin otetaan pois metallista. Muutaman sekunnin piippausilman jälkeen se hiljenee jälleen. Välähdysten taajuus ja äänimerkit osoittavat signaalin voimakkuuden. Hyvää metsästystä!