Kapesní kovový lokátor - Arduino: 8 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:23

Autor: TechKiwiGadgetsTechKiwiGadgets na Instagramu Sledovat více od autora:

O: Blázen do technologie a možností, které může přinést. Miluji výzvu stavět jedinečné věci. Mým cílem je udělat technologii zábavnou, relevantní pro každodenní život a pomoci lidem uspět v budování skvělých … Více o TechKiwiGadgets »

Tento chladný malý kapesní kovový lokátor je dostatečně citlivý na to, aby identifikoval malé hřebíky a cvočky ve dřevě, a je dostatečně kompaktní, aby se vešel do nepříjemných prostorů, což usnadňuje přenášení a použití pro lokalizaci kovů.

Jednotka má čtyři nezávislé vyhledávací cívky a barevné LED indikátory, které usnadňují rychlé pokrytí větší vyhledávací oblasti a zároveň umožňují přesnou identifikaci cíle.

Toto úhledné malé zařízení se samo kalibruje jediným stisknutím tlačítka, dobíjí se přes USB port a pomocí barevných LED diod, zvuku a vibrací indikuje cílovou sílu.

Součástí instruktážního balíčku jsou všechny návrhy, testování, kód a 3D soubory potřebné k vlastní stavbě. Doufám, že vás budování a používání baví stejně jako mě !!

Krok 1: Seznam materiálů a jak to funguje

1. Jak to funguje

Kapesní kovový lokátor používá čtyři nezávislé pulzní indukční vyhledávací cívky poháněné Arduino Pro Mini. Každá vyhledávací cívka se skládá ze samostatné cívky TX a RX, kde je do cívky TX indukován impuls, který kolem cívky RX vytváří elektromagnetické pole. Měnící se pole indukuje do cívky RX napětí, které je detekováno a zesíleno, než Arduino načte šířku impulsu signálu.

K odstranění šumu z platných impulsů se používá vyhlazovací algoritmus v kódu Arduino, který je velmi stabilní.

Kalibrační algoritmus v kódu bere průměr odečtů za krátkou dobu spouštění a nastavuje řadu prahových hodnot pro porovnání signálu.

Když se kovový předmět dostane do dosahu elektromagnetického pole, pole se naruší a část energie se odvede z cívky RX do „Eddieho proudů“, které se tvoří v cílovém objektu. Tento parazitický účinek cílového objektu má za následek zmenšení šířky impulsu v cívce RX. V podstatě měříme ztrátu energie do cílového objektu.

Když šířka pulzu detekovaná v cívce RX klesne pod prahovou hodnotu, pak se rozsvítí diody LED, zazní bzučák a spustí se motor haptické zpětné vazby - v závislosti na předem stanovené velikosti cílového signálu.

Obvod se za poslední rok vyvinul do velmi stabilního a spolehlivě fungujícího detektoru. Konfigurace a orientace cívky byla záměrně navržena tak, aby maximalizovala detekci stability a hloubky.

2. Seznam materiálů

1. Velikost baterie LiPo 3,7 V 350 mAh: 38 mm x 20 mm x 7,5 mm
2. TP4056 USB LiPo nabíječka baterií Datový list
3. Odpor 4,7 K pro omezení nabíjecího proudu baterie LiPo pod 300 mA
4. Arduino Pro Mini
5. FTDI USB to Serial Module for Programming the Mini Pro
6. Integrovaný obvod čtyřnásobného diferenciálního komparátoru LM339
7. Vero Board - 2 kusy nastříhané na otvory 20x9 a 34x9 (správnou orientaci viz foto)
8. BC548 NPN tranzistor x 4
9. Přepínač 2N7000 MOSFET x 5
10. Piezo bzučák
11. Vibrační motor na mince pro hmatovou zpětnou vazbu
12. WS2812 RGB LED modul x 4
13. 1k odpor x 4
14. 10k odpor x 4
15. Odpor 47 ohmů x 4
16. 2.2K rezistor x 4
17. Keramický kondenzátor 150 pf x 8
18. Polyesterový kondenzátor 0,18uF x 4
19. Role 0,3 mm smaltovaného měděného drátu (obvykle se dodává v rolích o hmotnosti přibližně 25 g)
20. Tlačítko namontované na desce plošných spojů
21. Pistole na horké lepidlo
22. 10 mm vrták
23. Ruční vrtačka
24. Štítkovací pistole nebo lepicí páska vhodná k označení 16 samostatných vodičů Připojovací vodič
25. Přístup k 3D tiskárně

3. Provoz komparátoru

Měl jsem několik otázek ohledně provozu LM339, takže jsem si myslel, že poskytnu jasnější vysvětlení.

LM339 pracuje výhradně jako komparátor napětí, porovnává rozdílové napětí mezi kladnými a zápornými piny a vydává logickou nízkou nebo vysokou impedanci (logická vysoká s vytažením) na základě vstupní diferenciální polarity.

V tomto obvodu je kladný vstup komparátoru připojen k vedení Vcc a na výstup komparátoru je použit vytahovací odpor k Vcc. V této konfiguraci v praxi zůstává výstupní napětí komparátoru vysoké, dokud vstupní napětí na záporném vstupu nepřesáhne 3,5 V

Operaci lze vysvětlit z datového listu LM339, který popisuje „rozsah vstupního napětí“mezi 0 V až Vsup-1,5 V

Když jsou oba IN– a IN+ v rozsahu společného režimu, pokud je IN– nižší než IN+ a napětí offsetu, výstup má vysokou impedanci a výstupní tranzistor není vodivý

Když je IN– vyšší než běžný režim a IN+ je ve společném režimu, výstup je nízký a výstupní tranzistor klesá proud. Odkaz na datový list a vysvětlení níže

Krok 2: Vytiskněte případ

3D potištěné pouzdro bylo provedeno pomocí 5 samostatných tisků. Rozměry a 3D soubory najdete zde na Thingiverse. Konstrukce byla zaměřena na to, aby se zařízení snadno drželo a zároveň zajistilo, aby byly vyhledávací cívky co nejblíže oblasti, která je prohledávána.

Opatrně vytiskněte pouzdro a odstraňte přebytečný plast. Tento krok je důležité provést nyní, aby bylo možné elektronické součástky vyrovnat v pouzdře před konečným zapojením a testováním.

Zahrnul jsem obrázek několika různých návrhů případů, které jsem testoval, než jsem se rozhodl pro konečný design, který byl kompaktnější a ergonomicky příjemnější.

Krok 3: Sestavte a namontujte vyhledávací cívky

Vezměte vytištěné cívky a naviňte na ně 25 závitů měděného drátu. Ujistěte se, že ponecháte dobrých 20 cm měděného drátu navíc pro připojení k hlavní jednotce.

Pomocí otvorů vytištěných ve formovačích zajistíte konzistentní vítr a orientaci cívek pro každý tvarovač. Přitom otočte formátor vzhůru nohama a postupně jej lepte do základní jednotky.

Postupujte podle obrázku, jak je uvedeno, výsledkem je 8 cívek namontovaných v sestavě cívek se všemi dráty konzistentně orientovaných a dostatečně dlouhých pro připojení k základní desce v horním krytu.

Pomocí dvou bloků vedení drátu, které mají otvory pro každou cívku, tištěnou základnu, abyste sledovali každou konkrétní cívku.

Dráty pro vnitřní cívky jsem umístil podél horní a vnější cívky podél spodní části drátěného bloku, abych mohl sledovat každou konkrétní cívku, což usnadňuje připojení k hlavní desce.

Krok 4: Vybudujte obvod

Jednotka má čtyři klíčové obvody, které lze stavět nezávisle - deska řidiče, hlavní deska, sestava LED a dobíjecí napájecí zdroj. V tomto kroku postavíme Řidičskou desku a Hlavní desku.

1. Řidičská deska

Řezacím nožem nařízněte kousek Vero Boardu podél otvorů 22x11, výsledkem bude kus Vero Board s otvory 20x9 orientovanými podle přiloženého obrázku. Nejlepší je zabodovat přes otvory na obou stranách desky několikrát a poté jemně odtrhnout přebytečnou desku. Zkontrolujte, zda deska sedí ve spodní části skříně s dostatečným prostorem na obou stranách.

Pomocí fotografií a 10mm vrtáku ručně opatrně rozlomte příchytky zobrazené na spodní straně desky Vero. Při sestavování desky plošných spojů postupujte podle schématu zapojení a rozložení fotek a dávejte pozor, abyste nezkratovali koleje.

Odložte tuto desku stranou pro pozdější testování.

2. Hlavní deska

Řezacím nožem nařízněte kousek Vero Boardu podél otvorů 36x11, výsledkem bude kus Vero Board s otvory 34x9 orientovanými podle přiloženého obrázku. Nejlepší je zabodovat přes otvory na obou stranách desky několikrát a poté jemně odtrhnout přebytečnou desku. Zkontrolujte, zda deska sedí ve spodní části skříně s dostatečným prostorem na obou stranách.

Pomocí fotografií a 10mm vrtáku ručně opatrně rozlomte příchytky zobrazené na spodní straně desky Vero.

Při sestavování desky plošných spojů postupujte podle schématu zapojení a rozvržení fotografií integrovaných obvodů Arduino a LM339 a dalších komponent, přičemž dbejte na to, aby nedošlo ke zkratování kolejí.

Odložte tuto desku stranou pro pozdější testování.

Krok 5: Přidejte LED indikátory

Použil jsem LED diody WS2182, které mají vestavěný integrovaný obvod, který jim umožňuje adresovat Arduino pomocí tří samostatných vodičů, ale širokou škálu barev a barev jasů lze vytvořit odesláním příkazu do LED. To se provádí prostřednictvím speciální knihovny načtené do Arduino IDE zahrnutého v sekci testování.

1. Montáž LED diod do víka skříně cívky

Opatrně umístěte čtyři LED diody tak, aby byly správně orientovány, aby byly spoje VCC a GND zarovnány a aby byly ve středu otvorů.

Pomocí horkého lepidla upevněte LED diody na místo.

2. Zapojení LED diod

Opatrně odizolujte a umístěte tři 25cm délky jednožilového propojovacího drátu přes kontakty LED diod.

Připájejte je na místo a zajistěte, aby byl datový vodič středu propojen s kontakty IN a OUT podle fotografie.

3. Kontrola zarovnání případu

Zkontrolujte, zda víko pouzdra sedí v jedné rovině s pouzdrem cívky, poté pomocí horkého lepidla přidržte dráty na místě na spodním konci víka.

Odložte to stranou pro testování později.

Krok 6: Sestavení a testování jednotky

1. Příprava na montáž

Před sestavením otestujeme každou desku postupně, abychom usnadnili řešení problémů.

Aby mohl Arduino Pro Mini naprogramovat počítač, vyžaduje sériovou desku USB. Díky tomu je deska menší, protože na ní není sériové rozhraní. Chcete -li naprogramovat tyto desky, budete muset investovat do jejich získání, jak je uvedeno v seznamu dílů.

Před načtením kódu Arduino budete muset přidat knihovnu „FastLED.h“jako knihovnu pro ovládání LED WS2182. V případě problémů byla k dispozici řada osciloskopických tras pro řešení potíží.

K dispozici je také snímek obrazovky se sériovými datovými výstupy IDE pomocí funkce Graph Plot, která ukazuje výstup šířky pulsu každého z kanálů a také prahovou hodnotu. To je užitečné během testování, protože můžete vidět, zda každý kanál dosahuje podobné úrovně citlivosti.

Přiložil jsem dvě kopie kódu. Jeden má testovací streamování sériových dat pro účely řešení potíží.

POZNÁMKA: Nepřipojujte bateriovou jednotku LiPo až do posledního kroku, protože nechtěné zkratování během montáže může způsobit přehřátí jednotky nebo dokonce vznícení.

2. Otestujte hlavní desku

Před připojením základní desky k čemukoli je vhodné připojit sériový kabel Arduino a ověřit, zda se načte kód.

Jednoduše se otestuje, zda máte Arduino fyzicky správně zapojené a zda je načteno IDE a knihovny. Načtěte kód přes IDE, které by se mělo načíst bez chyb a ze všech komponent by neměl vycházet kouř !!

3. Připojte desku ovladače

Podle schématu zapojení připojte desku ovladače k hlavní desce a fyzicky umístěte jednotku do pouzdra, aby se položky vešly do skříně. Toto je případ pokusu a omylu a vyžaduje vytrvalost.

Načtěte kód přes IDE, které by se mělo načíst bez chyb a ze všech komponent by neměl vycházet kouř !!

4. Připojte cívky Podle schématu zapojení připojte cívky k hlavní desce a fyzicky umístěte jednotku do pouzdra, aby položky odpovídaly. Pečlivě zajistěte, aby cívky byly zarovnány se vstupy desky ovladače a hlavní desky podle schématu zapojení.

Po načtení testovacího kódu zobrazí sériový port šířku impulsu na přijímací cívce někde mezi 5 000 - 7 000 µS. To lze také zobrazit pomocí grafického plotru IDE.

To vám umožní odstraňovat problémy s každým z kanálů a také vidět efekt přesunu mince v blízkosti vyhledávací cívky, což by mělo zmenšit šířku impulsu, když se cíl přiblíží k vyhledávací cívce.

Pokud máte osciloskop, můžete také zkontrolovat průběhy v různých fázích obvodu a diagnostikovat problémy.

Jakmile všechny kanály fungují podle očekávané polohy, vodiče se tak, aby se skříň pouzdra správně sestavila a zavřela.

5. Připojte diody LED

Opatrně vyjměte tři vodiče z diod LED krytu cívky a připojte je k základní desce. Vložte kód a ověřte, že LED diody fungují správně. Pomocí lepidla upevněte víko krytu cívky na místo.

Krok 7: Připojení dobíjecí baterie

POZNÁMKA:

1. Nepřipojujte bateriovou jednotku LiPo až do posledního kroku, protože nechtěné zkratování během montáže může způsobit přehřátí jednotky nebo dokonce vznícení.

2. Při manipulaci s baterií a nabíječkou dávejte pozor, abyste nezkratovali připojení baterie.

3. LiPo baterie jsou na rozdíl od jiných dobíjecích a nadproudové nabíjení může být nebezpečné, proto zajistěte správnou konfiguraci nabíjecího obvodu.

4. Nepřipojujte sériový kabel Arduino k jednotce, když je stisknuto tlačítko napájení, jinak by mohlo dojít k poškození baterie.

1. Upravte proudový limit nabíječky

Kapesní kovový lokátor používá LiPo baterii, kterou lze nabíjet pomocí nabíječky telefonu Micro USB. Deska nabíječky USB LiPo TP4056 USB je nejprve upravena odporem 4,7 K, aby omezila nabíjecí proud pod 300 mA. Návod, jak toho dosáhnout, najdete zde.

To vyžaduje, abyste odstranili stávající povrchový odpor a nahradili jej odporem, jak je znázorněno na fotografii. Jakmile je na místě, chráňte jakýkoli neplánovaný pohyb rezistoru horkou lepicí pistolí.

Před připojením k základní desce vyzkoušejte správnou funkci nabíječky připojením nabíječky mobilního telefonu k portu Micro USB. Při správné funkci by se měla rozsvítit červená kontrolka nabíjení.

2. Nainstalujte vypínač napájení tlačítkem

Ujistěte se, že je tlačítko namontováno ve správné poloze tak, aby vyčnívalo středem víka skříně, a poté tlačítko připájejte na místo. Podle schématu zapojení nainstalujte vodiče mezi tlačítkový spínač a výstup nabíječky a vedení VCC na Arduinu.

Pokud je správně nainstalován, stisknutím spínače se aktivuje jednotka.

Upevněte baterii na místo pomocí horkého lepidla a ujistěte se, že je zásuvka Micro USB zarovnána s otvorem ve víku pouzdra, aby ji bylo možné nabíjet.

Krok 8: Závěrečné testování a provoz

1. Fyzické shromáždění

Posledním krokem je opatrné uspořádání vodičů, aby se pouzdro správně zavřelo. Pomocí horkého lepidla upevněte základní desku do víka a poté víko zavřete na místo.

2. Obsluha jednotky

Jednotka funguje kalibrací po stisknutí a podržení tlačítka napájení. Když je jednotka připravena k použití, všechny LED diody budou blikat. Při hledání držte tlačítko stisknuté. LED diody se mění z modrozelené, červené, purpurové podle síly cílového objektu. K haptické zpětné vazbě dochází, když diody LED zčervenají.

Nejste připraveni jít používat v praktických aplikacích !!