Obsah:
2025 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2025-01-13 06:57
*** Byla zveřejněna nová verze, která je ještě jednodušší: https://www.instructables.com/Minimal-Arduino-Metal-Detector/ ***
Detekce kovů je skvělá minulost, která vás dostane ven, objevíte nová místa a možná najdete něco zajímavého. Ověřte si místní předpisy o tom, jak jednat v případě případného nálezu, zejména v případě nebezpečných předmětů, archeologických památek nebo předmětů významné ekonomické nebo emocionální hodnoty.
Návodů k detektorům kovů DIY je spousta, ale tento recept je zejména v tom smyslu, že kromě mikrokontroléru Arduino vyžaduje velmi málo komponent: jádro tvoří společný kondenzátor, odpor a dioda spolu s vyhledávací cívkou, která se skládá z přibližně 20 vinutí elektricky vodivého kabelu. Poté jsou přidány diody LED, reproduktor a/nebo sluchátka pro signalizaci přítomnosti kovu v blízkosti vyhledávací cívky. Další výhodou je, že vše lze napájet z jediného 5V napájení, na které stačí běžný USB 2000mAh výkon a vydrží mnoho hodin.
K interpretaci signálů a pochopení, na jaké materiály a tvary je detektor citlivý, opravdu pomáhá porozumět fyzice. Obecně platí, že detektor je citlivý na předměty ve vzdálenosti nebo hloubce až do poloměru cívky. Je nejcitlivější na objekty, ve kterých může proud proudit v rovině cívky, a odezva bude odpovídat oblasti proudové smyčky v tomto objektu. Kovový disk v rovině cívky tedy poskytne mnohem silnější odezvu než stejný kovový kotouč kolmý na cívku. Na hmotnosti předmětu příliš nezáleží. Tenký kus hliníkové fólie orientovaný v rovině cívky poskytne mnohem silnější odezvu než šroub z těžkého kovu.
Krok 1: Pracovní princip
Když elektřina začne proudit cívkou, vytvoří magnetické pole. Podle Faradayova indukčního zákona bude mít měnící se magnetické pole za následek elektrické pole, které je proti změně magnetického pole. Na cívce se tedy vyvine napětí, které je proti nárůstu proudu. Tento efekt se nazývá vlastní indukčnost a jednotkou indukčnosti je Henry, kde cívka 1 Henryho vyvíjí potenciální rozdíl 1 V, když se proud změní o 1 A za sekundu. Indukčnost cívky s N vinutím a poloměrem R je přibližně 5 µH x N^2 x R, přičemž R je v metrech.
Přítomnost kovového předmětu v blízkosti cívky změní jeho indukčnost. V závislosti na druhu kovu se indukčnost může zvýšit nebo snížit. Nemagnetické kovy, jako je měď a hliník v blízkosti cívky, snižují indukčnost, protože měnící se magnetické pole vyvolá v objektu vířivé proudy, které snižují intenzitu místního magnetického pole. Feromagnetické materiály, jako je železo, v blízkosti cívky zvyšují její indukčnost, protože indukovaná magnetická pole se vyrovnávají s vnějším magnetickým polem.
Měření indukčnosti cívky tak může odhalit přítomnost kovů v okolí. S Arduinem, kondenzátorem, diodou a rezistorem je možné měřit indukčnost cívky: cívka se stane součástí vysokofrekvenčního filtru LR a napájí ji blokovou vlnou, při každé se vytvoří krátké hroty přechod. Délka pulsu těchto špiček je úměrná indukčnosti cívky. Ve skutečnosti je charakteristický čas LR filtru tau = L/R. Pro cívku s 20 vinutími a průměrem 10 cm L ~ 5 µH x 20^2 x 0,05 = 100 µH. Aby byl Arduino chráněn před nadproudem, je minimální odpor 200Ohm. Očekáváme tedy pulsy o délce asi 0,5 mikrosekundy. Ty je obtížné měřit přímo s vysokou přesností, vzhledem k tomu, že taktovací frekvence Arduina je 16 MHz.
Místo toho lze stoupající impuls použít k nabíjení kondenzátoru, který lze poté načíst pomocí analogově digitálně převedeného (ADC) Arduino. Očekávaný náboj z 0,5 mikrosekundového impulsu 25 mA je 12,5 nC, což na kondenzátoru 10 nF poskytne 1,25 V. Pokles napětí na diodě to sníží. Pokud se impuls několikrát opakuje, náboj na kondenzátoru stoupne na ~ 2V. To lze načíst pomocí Arduino ADC pomocí analogRead (). Kondenzátor lze poté rychle vybít změnou odečtového kolíku na výstup a nastavením na 0 V na několik mikrosekund. Celé měření trvá přibližně 200 mikrosekund, 100 pro nabíjení a resetování kondenzátoru a 100 pro převod ADC. Přesnost lze výrazně zvýšit opakováním měření a zprůměrováním výsledku: provedení průměru 256 měření trvá 50 ms a zvyšuje přesnost o faktor 16. 10bitový ADC dosahuje přesnosti 14bitového ADC tímto způsobem.
Toto získané měření je vysoce nelineární s indukčností cívky, a proto není vhodné pro měření absolutní hodnoty indukčnosti. Pro detekci kovů nás však zajímají pouze drobné relativní změny indukčnosti cívky v důsledku přítomnosti blízkých kovů, a proto je tato metoda naprosto vhodná.
Kalibraci měření lze provést automaticky v softwaru. Pokud lze předpokládat, že většinu času v blízkosti cívky není žádný kov, je odchylka od průměru signálem, že se kov přiblížil k cívce. Použití různých barev nebo různých tónů umožňuje rozlišovat mezi náhlým zvýšením nebo náhlým poklesem indukčnosti.
Krok 2: Požadované součásti
Elektronické jádro:
Prototypový štít Arduino UNO R3 + NEBO Arduino Nano s prototypovou deskou 5x7cm
10nF kondenzátor
Malá signální dioda, např. 1N4148
Rezistor 220 ohmů
Pro napájení:
USB powerbanka s kabelem
Pro vizuální výstup:
2 LED různé barvy, např. modrá a zelená
2 220Ohm odpory k omezení proudů
Pro zvukový výstup:
Pasivní bzučák
Mikrospínač pro deaktivaci zvuku
Pro výstup na sluchátka:
Konektor pro sluchátka
Rezistor 1 kOhm
Sluchátka
Chcete -li snadno připojit/odpojit vyhledávací cívku:
2pólový šroubový terminál
Pro vyhledávací cívku:
~ 5 metrů tenkého elektrického kabelu
Struktura pro držení cívky. Musí být tuhý, ale nemusí být kruhový.
Pro strukturu:
1 metrová tyč, např. Dřevěná, plastová nebo selfie tyč.
Krok 3: Hledací cívka
Pro vyhledávací cívku jsem navinul ~ 4 m spleteného drátu kolem lepenkového válce o průměru 9 cm, což mělo za následek asi 18 vinutí. Typ kabelu je irelevantní, pokud je ohmický odpor nejméně desetkrát menší než hodnota R ve filtru RL, ujistěte se, že zůstanete pod 20 ohmy. Naměřil jsem 1 Ohm, takže je to bezpečné. Fungování poloviční hotové role o délce 10 m také funguje!
Krok 4: Prototypová verze
Vzhledem k malému počtu externích komponent je zcela možné osadit obvody na malé prkénko prototypového štítu. Konečný výsledek je však poměrně objemný a nepříliš robustní. Lepší je použít Arduino nano a pájet ho s dalšími součástkami na prototypové desce 5x7 cm, (viz další krok)
Pro skutečnou detekci kovů se používají pouze 2 piny Arduino, jeden pro poskytování impulsů do filtru LR a jeden pro čtení napětí na kondenzátoru. Pulzování lze provést z libovolného výstupního pinu, ale odečet je nutné provést pomocí jednoho z analogových pinů A0-A5. Další 3 piny jsou použity pro 2 LED a pro zvukový výstup.
Zde je recept:
- Na prkénko zapojte do série 220Ohm rezistor, diodu a 10nF kondenzátor se záporným pólem diody (černá čára) směrem ke kondenzátoru.
- Připojte A0 k odporu (konec není připojen k diodě)
- Připojte A1 k místu křížového bodu diody a kondenzátoru
- Nepřipojený vývod kondenzátoru připojte k zemi
- Připojte jeden konec cívky ke křížovému bodu rezistoru a diody
- Připojte druhý konec cívky k zemi
- Připojte jednu LED s kladným pólem ke kolíku D12 a jeho záporný pól přes odpor 220Ohm k zemi
- Připojte druhou LED s kladným pólem na pin D11 a jeho záporný pól přes odpor 220Ohm k zemi
- Volitelně můžete mezi pin 10 a kostru připojit pasivní bzučák nebo sluchátka. Ke snížení hlasitosti lze do série přidat kondenzátor nebo odpor
To je vše!
Krok 5: Pájená verze
Chcete -li detektor kovů vynést ven, bude nutné jej pájet. Běžná prototypová deska 7x5 cm se pohodlně vejde do Arduino nano a všech požadovaných komponent. Použijte stejná schémata jako v předchozím kroku. Zjistil jsem, že je užitečné přidat přepínač do série s bzučákem, aby se zvuk vypnul, když to není potřeba. Šroubový terminál umožňuje vyzkoušet různé cívky, aniž byste museli pájet. Vše je napájeno 5V dodávaným do (mini- nebo micro-USB) portu Arduino Nano.
Krok 6: Software
Zde je připojena použitá skica Arduina. Nahrajte a spusťte jej. Použil jsem Arduino 1.6.12 IDE. Doporučuje se spustit na začátku s debug = true, aby se vyladil počet pulzů na měření. Nejlepší je mít hodnotu ADC mezi 200 a 300. Zvyšte nebo snižte počet impulsů v případě, že vaše cívka poskytuje drasticky odlišné hodnoty.
Skica provádí nějaký druh autokalibrace. Aby cívka ztichla, stačí nechat cívku v klidu mimo kovy. Pomalé drifty v indukčnosti budou následovat, ale náhlé velké změny neovlivní dlouhodobý průměr.
Krok 7: Upevnění na tyč
Vzhledem k tomu, že byste nechtěli dělat své poklady plazení po podlaze, tři desky, cívky a baterie by měly být namontovány na konec tyče. K tomu je ideální selfie tyč, protože je lehká, skládací a nastavitelná. Moje powerbanka s kapacitou 5 000 mAh se náhodou vešla na selfie tyč. Desku lze poté připevnit stahovacími páskami nebo gumičkami a cívka může být podobně jako baterie nebo tyč.
Krok 8: Jak jej používat
Ke stanovení reference stačí nechat cívku ~ 5 s daleko od kovů. Poté, když se cívka přiblíží ke kovu, začne zelená nebo modrá LED blikat a v bzučáku a/nebo sluchátkách se ozve pípnutí. Modré záblesky a pípání s nízkým tónem indikují přítomnost neferomagnetických kovů. Zelené blikání a vysoké tóny signalizují přítomnost feromagnetických kovů. Dávejte pozor, když je cívka držena déle než 5 sekund v blízkosti kovu, bude to považovat za referenci a začne pípat, když je detektor vyjmut z kovu. Po několika sekundách pípnutí ve vzduchu se opět ztichne. Frekvence záblesků a pípnutí udávají sílu signálu. Šťastný lov!