Ekologický detektor kovů - Arduino: 8 kroků (s obrázky)

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

Detekce kovů je velmi zábavná. Jednou z výzev je být schopen zúžit přesné místo pro kopání, aby se minimalizovala velikost díry, která zde zůstala.

Tento jedinečný detektor kovů má čtyři vyhledávací cívky, barevnou dotykovou obrazovku pro identifikaci a přesné určení polohy vašeho nálezu.

Obsahuje automatickou kalibraci, dobíjecí napájecí zdroj USB, se čtyřmi různými režimy obrazovky, frekvencí a nastavením šířky pulzu, což vám umožňuje přizpůsobit si způsob vyhledávání.

Jakmile určíte poklad, jediný otvor uprostřed nad každou cívkou vám umožní použít dřevěnou špejli k zatlačení do země, abyste mohli začít kopat malou zástrčku ze země a omezit tak poškození životního prostředí.

Každá cívka dokáže přesně určit mince a prsteny v hloubce 7–10 cm, takže je ideální pro hledání ztracených mincí a prstenů v okolí parků a pláží.

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

Velké poděkování - Pokud jste stiskli tlačítko hlasování v pravém horním rohu pro soutěže „Vynálezová výzva“a „Prozkoumejte vědu“!!!

Mnohokrát děkuji, TechKiwi

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

Krok 1: Věda za detekcí kovů

Detekce kovů Design

Existuje několik variant provedení detektoru kovů. Tento konkrétní typ detektoru kovů je pulzní indukční detektor, který používá oddělené vysílací a přijímací cívky.

Arduino vytváří impuls, který je na transmisní cívku aplikován na velmi krátkou dobu (4uS) prostřednictvím tranzistoru. Tento proud z pulsu způsobí, že se kolem cívky vytvoří náhlé magnetické pole, rozpínající se a kolabující pole indukuje napětí do přijímací cívky. Tento přijímaný signál je zesílen přijímacím tranzistorem a poté přepnut na čistý digitální impuls komparátorem napětí a následně vzorkován pinem digitálního vstupu na Arduinu. Arduino je naprogramováno tak, aby měřilo šířku pulsu přijímaného impulzu.

V tomto provedení je šířka přijímaného impulsu určena indukčností přijímací cívky a kondenzátorem. Bez žádných předmětů v dosahu měří šířka impulsů základní linie přibližně 5000 uS. Když se cizí kovové předměty dostanou do dosahu expandujícího a kolabujícího magnetického pole, způsobí to, že část energie bude do objektu indukována ve formě vířivých proudů. (Elektromagnetická indukce)

Čistým výsledkem je, že šířka přijímaného impulzu se zmenší, tento rozdíl v šířce pulsu se měří pomocí Arduina a zobrazuje se na TFT displeji v různých formátech.

Možnost zobrazení 1: Poloha cíle pod hlavou detektoru

Mým záměrem bylo použít 4 cívky k triangulaci polohy cíle pod hlavou detektoru. Nelineární povaha vyhledávacích cívek to učinila náročným, nicméně výše uvedený animovaný-g.webp

Možnost zobrazení 2: Zobrazit stopu signálu pro každou vyhledávací cívku

To vám umožní sledovat, kde je cílový objekt pod hlavou nakreslením nezávislé stopy síly signálu na obrazovce pro každou vyhledávací cívku. To je užitečné pro zjištění, zda máte pod hlavou detektoru dva cíle blízko sebe a relativní sílu.

Praktické využití

Tento přístup vám umožňuje použít první pohled k identifikaci cíle a druhý pohled jej zaměřit na několik milimetrů, jak je uvedeno ve videoklipu.

Krok 2: Shromážděte materiály

Kusovník

1. Arduino Mega 2560 (položky 1, 2 a 3 lze zakoupit jako jednu balíček)
2. 3,2 "dotykový displej TFT LCD (zahrnoval jsem kód pro 3 podporované varianty)
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 Rezistor x 4
9. 10k odpor x 4
10. 1M odpor x 4
11. 2.2k rezistor x 4
12. Mini kolébkový přepínač SPST
13. Čtyřnásobný diferenciální komparátor s integrovaným obvodem LM339
14. Signální diody IN4148 x 4
15. Měděný WireSpool průměr 0,3 mm x 2
16. Dvoužilový stíněný kabel - průměr 4,0 mm - délka 5 m
17. USB dobíjecí powerbanka 4400 mHa
18. Piezo bzučák
19. Vero Board 80x100mm
20. Plastové pouzdro minimální výška 100 mm, hloubka 55 mm, šířka 160 mm
21. Stahovací pásky
22. MDF dřevo 6-8 mm tloušťka - 23 cm x 23 cm čtvercové kusy x 2
23. Micro USB prodlužovací kabel 10 cm
24. Zástrčkový kabel USB-A vhodný pro zkrácení na 10 cm
25. Zvukový konektor pro sluchátka - stereofonní
26. Hlava detektoru různých dřevěných a plastových mezikusů
27. Rukojeť koště Speed Mop s nastavitelným kloubem (pouze pohyb v jedné ose - viz fotografie)
28. Jeden kus papíru A3
29. Lepidlo
30. Elektrická řezačka přímočarých pil
31. Listový karton A4 o tloušťce 3 mm pro vytvoření cívky pro cívky TX a Rx
32. Lepící páska
33. Pistole na horké lepidlo
34. Elektrické lepidlo
35. 10 dalších kolíků záhlaví Arduino
36. Svorkovnice PCB x 20
37. Epoxidové lepidlo TwoPart - doba sušení 5 minut
38. Řemeslný nůž
39. Plastová trubka 5 mm, délka 30 mm x 4 (použil jsem hadičky systému pro zavlažování zahrady z železářství)
40. Vodotěsný tmel MDF (Zajistěte, aby neobsahoval kov)
41. Flexibilní elektrické vedení 60 cm - šedá - průměr 25 mm

Krok 3: Sestavte hlavu detektoru

1. Konstrukce sestavy hlavy

Poznámka: Rozhodl jsem se postavit poměrně složité montážní uspořádání pro 8 cívek z měděného drátu, které jsou použity v hlavě detektoru. To zahrnovalo vyříznutí řady děr ze dvou vrstev MDF, jak je vidět na fotografiích výše. Nyní jsem dokončil jednotku, kterou doporučuji použít pouze jeden vystřižený kruh o průměru 23 cm a připevnit cívky k této jediné vrstvě MDF horkým lepidlem. To zkracuje dobu stavby a také znamená, že hlava je lehčí.

Začněte vytištěním dodané šablony na papír formátu A3 a poté ji přilepte na desku MDF, abyste získali vodítko pro umístění cívek.

Pomocí elektrické přímočaré pily opatrně vyřízněte z MDF kruh o průměru 23 cm.

2. Navíjení cívek

Pomocí lepenky vytvořte dva válce o délce 10 cm držené pohromadě pomocí lepicí pásky. Průměr vysílacích cívek musí být 7 cm a přijímacích cívek 4 cm.

Umístěte cívku z měděného drátu na bodec, aby se mohl volně otáčet. Začátek měděného drátu připevněte na lepenkový válec pomocí lepicí pásky. Naviňte 40 závitů pevně na válec a poté pomocí lepicí pásky odepněte konec.

Pomocí Hot Glue upevněte cívky k sobě alespoň na 8 bodech po obvodu cívek. Po vychladnutí cívku uvolněte prsty a poté pomocí horkého lepidla připevněte k šabloně hlavy detektoru kovů. Vyvrtejte dva otvory skrz MDF vedle cívky a protáhněte konce cívky skrz horní stranu hlavy detektoru kovů.

Toto cvičení opakujte a sestavte a namontujte 4 přijímací cívky a 4 vysílací cívky. Po dokončení by mělo přes vrchol hlavy detektoru kovů vyčnívat 8 párů drátů.

3. Připojte stíněné kabely

Ustřihněte 5M délku stíněného dvoužilového kabelu na 8 délek. Odizolujte a připájejte dvojitá jádra ke každé vysílací a přijímací cívce, přičemž stínění odpojte na konci kabelu detektorové hlavy.

Otestujte cívky a kabelová připojení na druhém konci každého kabelu pomocí měřiče Ohm. Každá cívka zaregistruje několik ohmů a měla by být konzistentní pro všechny přijímací a vysílací cívky.

Po testování použijte horkou lepicí pistoli k upevnění 8 kabelů do středu detektorové hlavy připravené k připevnění rukojeti a dokončení hlavy.

Moje rada je v rámci přípravy na budoucí testování svléknout a pocínovat každé ze stíněných kabelových jader na druhém konci. Ke každému stínění kabelu připojte zemnicí vodič, protože ten bude připojen k zemi v hlavní jednotce. Tím se zastaví rušení mezi jednotlivými kabely.

Pomocí multimetru určete, která cívka je která, a připevněte lepicí štítky, aby je bylo možné snadno identifikovat pro budoucí montáž.

Krok 4: Sestavte obvod pro testování

1. Sestava prkénka

Moje doporučení je použít prkénko k prvnímu nastavení a otestování obvodu, než se odhodláte k Vero Board a skříni. To vám dává možnost upravit hodnoty komponent nebo upravit kód, pokud je to nutné pro citlivost a stabilitu. Vysílací a přijímací cívky je třeba připojit tak, aby byly navinuty stejným směrem, a to je snazší otestovat na prkénku před označením vodičů pro budoucí připojení k desce Vero.

Sestavte součásti podle schématu zapojení a připevněte cívky hlavy detektoru pomocí připojovacího drátu.

Připojení k Arduinu se nejlépe provádí pomocí drátového propojovacího drátu připájeného ke stínění TFT. Pro digitální a analogové připojení pinů jsem přidal kolíkový konektor, který mi umožnil vyhnout se pájení přímo na desku Arduino. (Viz obrázek)

2. Knihovny IDE

Ty je třeba stáhnout a přidat do IDE (Integrated Development Environment), které běží na vašem počítači a slouží k zápisu a odesílání počítačového kódu na fyzickou desku. UTFT.h a URtouch.h umístěné v níže uvedeném souboru zip

Kredit za UTFT.h a URtouch.h jde společnosti Rinky-Dink Electronics Tyto zip soubory jsem vložil, protože se zdá, že zdrojový web je mimo provoz.

3. Testování

Zahrnul jsem testovací program, který zvládne počáteční nastavení, abyste se mohli vypořádat s problémy s orientací cívky. Vložte testovací kód do Arduino IDE a nahrajte do Mega. Pokud vše funguje, měli byste vidět testovací obrazovku jako výše. Každá cívka by měla produkovat hodnotu ustáleného stavu přibližně 4600 us v každém kvadrantu. Pokud tomu tak není, změňte polaritu vinutí na cívce TX nebo RX a proveďte test znovu. Pokud to nefunguje, navrhuji, abyste zkontrolovali každou cívku jednotlivě a pracovali zpět obvodem k řešení problémů. Pokud již máte 2 nebo 3 pracovní, porovnejte je s cívkami/obvody, které nefungují.

Poznámka: Další testování odhalilo, že kondenzátory 0,047uf v obvodu RX ovlivňují veškerou citlivost. Moje rada je, jakmile obvod pracuje na prkénku, zkuste tuto hodnotu zvýšit a otestovat mincí, protože jsem zjistil, že to může zlepšit citlivost.

Není to povinné, ale pokud máte osciloskop, můžete také sledovat TX Pulse a RX Pulse, abyste zajistili správné připojení cívek. Potvrďte to v komentářích na obrázcích.

POZNÁMKA: Do této části jsem zahrnul dokument PDF se stopami osciloskopu pro každou fázi obvodu, abych pomohl vyřešit případné problémy

Krok 5: Sestavte obvod a skříň

Jakmile bude jednotka testována k vaší spokojenosti, můžete udělat další krok a postavit desku s obvody a skříň.

1. Připravte si přílohu

Rozložte hlavní součásti a umístěte je ve svém případě, abyste určili, jak bude vše pasovat. Odřízněte desku Vero, aby se do ní vešly součásti, ale zajistěte, aby se vešla do spodní části skříně. Buďte opatrní s dobíjecím napájecím zdrojem, protože mohou být docela objemné.

Vyvrtejte otvory pro zadní vstup kabelů do hlavy, vypínače, externího portu USB, programovacího portu Arduino a stereofonního konektoru pro sluchátka.

Kromě toho vyvrtejte 4 montážní otvory ve středu přední strany pouzdra, kde bude rukojeť, tyto otvory musí být schopné v dalších krocích projít kabelovým svazkem.

2. Sestavte Vero Board

Podle schématu zapojení a obrázku výše umístěte součásti na desku Vero.

Pomocí koncových kolíků PCB jsem umožnil snadné připojení kabelů cívky hlavy k desce plošných spojů. Namontujte Piezo bzučák na desku plošných spojů spolu s integrovanými obvody a tranzistory. Snažil jsem se, aby komponenty TX, RX byly zarovnané zleva doprava a zajistil, aby všechna připojení k externím cívkám byla na jednom konci Vero Boar. (viz rozložení na fotografiích)

3. Připojte cívkové kabely

Postavte držák kabelu pro příchozí stíněné kabely z MDF, jak je znázorněno na obrázcích. Skládá se z 8 otvorů vyvrtaných do MDF, aby kabely mohly sedět zarovnané ke koncovým kolíkům desky plošných spojů. Při připojování každé cívky se vyplatí postupně testovat obvod, aby byla zajištěna správná orientace cívky.

4. Otestujte jednotku

Připojte USB napájecí zdroj, vypínač, konektor audio telefonu a umístěte všechny kabely a kabely tak, aby do pouzdra dobře zapadly. Pomocí horkého lepidla přidržujte předměty na místě, abyste zajistili, že kolem nebude nic chrastit. Podle předchozího kroku načtěte testovací kód a zajistěte, aby všechny cívky fungovaly podle očekávání.

Při externím připojení vyzkoušejte, zda se USB napájecí zdroj správně nabíjí. Zajistěte dostatečný prostor pro připojení kabelu Arduino IDE.

5. Vyřízněte vzhled obrazovky

Umístěte obrazovku doprostřed krabice a označte okraje LCD displeje na předním panelu připravené k vyříznutí clony. Pomocí řemeslného nože a kovového pravítka opatrně rýhujte víko pouzdra a vyřízněte otvor.

Po vybroušení a uložení pečlivě umístěte víko a zajistěte, aby všechny součásti, desky, kabeláž a obrazovka byly drženy na svém místě pomocí rozpěr a horkého lepidla.

7. Postavte sluneční clonu

Našel jsem starý černý výběh, který jsem dokázal vyřezat do tvaru a použít jako sluneční clonu, jak je znázorněno na fotografiích výše. Přilepte to na přední panel pomocí 5minutového dvousložkového epoxidu.

Krok 6: Připojte rukojeť a pouzdro k hlavě detektoru

Nyní, když jsou elektronika detektoru a hlava zabudovány, zbývá už jen bezpečně dokončit montáž jednotky.

1. Připojte hlavu k rukojeti

Upravte kloub rukojeti tak, abyste jej mohli připevnit k hlavě pomocí dvou šroubů. V ideálním případě chcete minimalizovat množství kovu v blízkosti cívek, takže k upevnění na hlavu použijte malé šrouby do dřeva a hodně 5minutového 2dílného epoxidového lepidla. Viz fotografie výše.

2. Šněrování kabeláže hlavy

Pomocí kabelových svazků pečlivě šněrujte kabeláž přidáním stahovacího pásku každých 10 cm podél stíněného vedení. Dbejte na to, abyste si vypracovali nejlepší polohu pouzdra, aby bylo dobře vidět na obrazovku, dosáhlo na ovládací prvky a připojilo sluchátka/zástrčky.

3. Připojte elektroniku k držadlu

Postavte 45stupňový montážní blok z MDF, který vám umožní připevnit pouzdro pod úhlem, což znamená, že když zametáte detektor po zemi, můžete snadno vidět displej TFT. Viz obrázek výše.

Připevněte pouzdro elektroniky k držadlu pomocí kabelových spojek procházejících montážním blokem a do pouzdra skrz předem vyvrtané montážní otvory.

4. Dokončete hlavu detektoru

Cívky hlavy detektoru je třeba upevnit tak, aby v kabeláži nedocházelo k žádnému pohybu, takže nyní je vhodné použít horké lepidlo k důkladnému upevnění všech cívek na místě.

Hlava detektoru musí být také vodotěsná, proto je důležité nastříkat MDF čirým těsnicím prostředkem (zajistěte, aby těsnicí prostředek ze zřejmých důvodů neobsahoval kov).

Do středu každé cívky vyvrtejte otvory o průměru 5 mm a protáhněte plastovou trubičku 5 mm x 30 mm, abyste mohli tlačit dřevěné špejle do půdy níže, jakmile špendlíkem zaměříte cíl. K zajištění polohy použijte horkou lepicí pistoli.

Poté jsem pokryl horní část hlavy plastovou deskou a spodní část tlustým plastovým obalem na knihu, přičemž okraj jsem zakončil ořezaným hadicovým vedením a horkým lepidlem.

Krok 7: Konečná montáž a testování

1. Nabíjení

Umístěte standardní nabíječku mobilního telefonu do portu Micro USB a ujistěte se, že je jednotka dostatečně nabitá.

2. Nahrajte kód

Pomocí Arduino IDE nahrajte přiložený kód.

3. Tlačítko ztlumení

Jednotka je při zapnutí standardně ztlumena. To je označeno červeným tlačítkem Ztlumit ve spodní části LHS obrazovky. Chcete -li povolit zvuk, stiskněte toto tlačítko a tlačítko by mělo svítit zeleně, což znamená povolený zvuk.

Pokud není ztlumen, interní bzučák a externí zvukový telefonní konektor budou vydávat zvuk.

4. Kalibrace

Kalibrace vrací stopu do spodní části obrazovky pod prahové hodnoty. Při prvním zapnutí se jednotka automaticky zkalibruje. Jednotka je pozoruhodně stabilní, ale pokud je potřeba rekalibrace, lze to provést dotykem tlačítka kalibrace na obrazovce, které provede rekalibraci za méně než sekundu.

5. Prahové hodnoty

Pokud signál na jakékoli stopě překročí prahovou čáru (tečkovaná čára na obrazovce) a tlačítko Ztlumit je vypnuto, bude vydán zvukový signál.

Tyto prahové hodnoty lze nastavit nahoru a dolů dotykem na obrazovku nad nebo pod každou trasovací čárou.

6. Úprava PW a DLY

Trvání pulsu na cívku a prodlevu mezi pulzy lze nastavit pomocí dotykového displeje. To je opravdu na místě pro experimentování v různých prostředích a pokladech, které lze testovat pro dosažení nejlepších výsledků.

7. Typy zobrazení

K dispozici jsou 4 různé typy zobrazení

Možnost zobrazení 1: Poloha cíle pod hlavou detektoru Mým záměrem bylo použít 4 cívky k triangulaci polohy cíle pod hlavou detektoru. Nelineární povaha vyhledávacích cívek to učinila náročným, nicméně výše uvedený animovaný-g.webp

Možnost zobrazení 2: Zobrazit stopu signálu pro každou vyhledávací cívku To vám umožní sledovat, kde je cílový objekt pod hlavou, kreslením nezávislé stopy síly signálu na obrazovku pro každou vyhledávací cívku. To je užitečné pro zjištění, zda máte pod hlavou detektoru dva cíle blízko sebe a relativní sílu.

Možnost zobrazení 3: Stejná jako možnost 2, ale se silnější čárou usnadňuje vidění.

Zobrazit možnost 4: Stejné jako možnost 2, ale před odstraněním trasování vykreslí přes 5 obrazovek. Dobré pro zachycení slabých signálů.

V příštích několika týdnech testuji v terénu, takže budu zveřejňovat všechny nálezy pokladů.

Nyní se jděte pobavit a najít nějaký poklad !!

Krok 8: Epilog: Variace cívky

Bylo mnoho dobrých, zajímavých otázek a návrhů ohledně konfigurací cívek. Při vývoji tohoto instruktu bylo provedeno mnoho experimentů s různými konfiguracemi cívek, které stojí za zmínku.

Obrázky výše ukazují některé cívky, které jsem zkoušel před usazováním na současném designu. Pokud máte další dotazy, napište mi.

Na vás, abyste dále experimentovali!

První cena v Invention Challenge 2017

První cena v soutěži Explore Science Contest 2017