Detector de metalls simple Arduino: 8 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:10

*** S'ha publicat una nova versió encara més senzilla: https://www.instructables.com/Minimal-Arduino-Metal-Detector/ ***

La detecció de metalls és un gran temps passat que us permet descobrir llocs nous i, potser, trobar alguna cosa interessant. Consulteu la normativa local sobre com actuar en cas de troballa eventual, en particular en cas d’objectes perillosos, relíquies arqueològiques o objectes de valor econòmic o emocional significatiu.

Hi ha moltes instruccions per als detectors de metalls de bricolatge, però aquesta recepta és particular en el sentit que requereix molt pocs components a més d’un microcontrolador Arduino: un condensador, una resistència i un díode comuns formen el nucli, juntament amb una bobina de cerca que consta d’uns 20 bobinatges de cables conductors elèctricament. A continuació, s’afegeixen LEDs, altaveus i / o auriculars per senyalitzar la presència de metall a prop de la bobina de cerca. Un avantatge addicional és que tots es poden alimentar amb una única alimentació de 5V, per a la qual cosa és suficient una alimentació USB de 2000 mAh i que durarà moltes hores.

Per interpretar els senyals i entendre a quins materials i formes és sensible el detector, ajuda realment a entendre la física. Com a regla general, el detector és sensible als objectes a una distància o profunditat fins al radi de la bobina. És més sensible als objectes en què pot fluir un corrent al pla de la bobina, i la resposta correspondrà a l'àrea del bucle de corrent en aquest objecte. Així, un disc metàl·lic al pla de la bobina donarà una resposta molt més forta que el mateix disc metàl·lic perpendicular a la bobina. El pes de l’objecte no importa gaire. Un tros prim de paper d'alumini orientat al pla d'una bobina donarà una resposta molt més forta que un cargol de metall pesat.

Pas 1: principi de treball

Quan l’electricitat comença a fluir a través d’una bobina, acumula un camp magnètic. Segons la llei d’inducció de Faraday, un camp magnètic canviant donarà lloc a un camp elèctric que s’oposa al canvi de camp magnètic. Així, es desenvoluparà una tensió a través de la bobina que s’oposa a l’augment de corrent. Aquest efecte s’anomena autoinductància i la unitat d’inductància és Henry, on una bobina d’1 Henry desenvolupa una diferència de potencial d’1V quan el corrent canvia 1 Ampere per segon. La inductància d'una bobina amb N bobinats i un radi R és d'aproximadament 5 µH x N ^ 2 x R, amb R en metres.

La presència d’un objecte metàl·lic a prop d’una bobina canviarà la seva inductància. Depenent del tipus de metall, la inductància pot augmentar o disminuir. Els metalls no magnètics com el coure i l'alumini a prop d'una bobina redueixen la inductància, perquè un camp magnètic canviant induirà corrents de Foucault en l'objecte que redueixen la intensitat del camp magnètic local. Els materials ferromagnètics, com el ferro, prop d’una bobina augmenten la seva inductància perquè els camps magnètics induïts s’alineen amb el camp magnètic extern.

La mesura de la inductància d’una bobina pot revelar la presència de metalls a prop. Amb un Arduino, un condensador, un díode i una resistència és possible mesurar la inductància d’una bobina: fent de la bobina un filtre LR de pas alt i alimentant-la amb una ona de bloc, es crearan pics curts transició. La longitud del pols d’aquestes puntes és proporcional a la inductància de la bobina. De fet, el temps característic d’un filtre LR és tau = L / R. Per a una bobina de 20 bobinatges i un diàmetre de 10 cm, L ~ 5µH x 20 ^ 2 x 0,05 = 100µH. Per protegir l'Arduino de la sobrecorrent, la resistència mínima és de 200 Ohm. Així esperem polsos amb una longitud d’uns 0,5 microsegons. Són difícils de mesurar directament amb alta precisió, ja que la freqüència de rellotge de l'Arduino és de 16 MHz.

En canvi, el pols ascendent es pot utilitzar per carregar un condensador, que després es pot llegir amb el convertidor analògic a digital (ADC) Arduino. La càrrega esperada d’un impuls de 25 mA de 0,5 microsegons és de 12,5 nC, cosa que donarà 1,25 V en un condensador de 10 nF. La caiguda de tensió sobre el díode reduirà això. Si es repeteix el pols unes quantes vegades, la càrrega del condensador puja a ~ 2V. Això es pot llegir amb l’Arduino ADC mitjançant analogRead (). El condensador es pot descarregar ràpidament canviant el pin de lectura a la sortida i ajustant-lo a 0V durant uns quants microsegons. Totes les mesures triguen uns 200 microsegons, 100 per a la càrrega i restabliment del condensador i 100 per a la conversió ADC. La precisió es pot millorar molt repetint la mesura i fent una mitjana del resultat: fer la mitjana de 256 mesures necessita 50 ms i millora la precisió un factor 16. L’ADC de 10 bits aconsegueix la precisió d’un ADC de 14 bits d’aquesta manera.

Aquesta mesura obtinguda és altament no lineal amb la inductància de la bobina i, per tant, no és adequada per mesurar el valor absolut de la inductància. No obstant això, per a la detecció de metalls només ens interessen canvis relatius a la inductància de la bobina a causa de la presència de metalls propers, i per a això aquest mètode és perfectament adequat.

El calibratge de la mesura es pot fer automàticament mitjançant programari. Si hom pot suposar que la majoria de les vegades no hi ha metall a prop de la bobina, una desviació de la mitjana és un senyal que el metall s’ha apropat a la bobina. L’ús de diferents colors o tons diferents permet discriminar entre un augment sobtat o una disminució sobtada de la inductància.

Pas 2: components necessaris

Nucli electrònic:

Prototip de prototip Arduino UNO R3 + O Arduino Nano amb placa prototip de 5x7cm

Condensador 10nF

Petit díode de senyal, p. 1N4148

Resistència de 220 ohms

Per poder:

Banc d'alimentació USB amb cable

Per a la sortida visual:

2 LEDs de diferents colors per exemple blau i verd

2 resistències de 220 Ohm per limitar els corrents

Per a la sortida de so:

Zumbador passiu

Microinterruptor per desactivar el so

Per a la sortida d’auriculars:

Connector d'auriculars

Resistència de 1kOhm

Auriculars

Per connectar / desconnectar fàcilment la bobina de cerca:

Terminal de cargol de 2 pins

Per a la bobina de cerca:

~ 5 metres de cable elèctric prim

Estructura per subjectar la bobina. Ha de ser rígid però no ha de ser circular.

Per a l'estructura:

Pal de 1 metre, per exemple, pal de fusta, plàstic o selfie.

Pas 3: la bobina de cerca

Per a la bobina de cerca, he enrotllat ~ 4 m de filferro al voltant d'un cilindre de cartró de 9 cm de diàmetre, donant lloc a uns 18 bobinatges. El tipus de cable és irrellevant, sempre que la resistència òhmica sigui almenys deu vegades inferior al valor de R del filtre RL, així que assegureu-vos de mantenir-vos per sota dels 20 ohms. Vaig mesurar 1 ohm, de manera que és segur. Només s’ha de fer un rotllo de 10 m de filferro de connexió mig acabat!

Pas 4: una versió de prototip

Donat el poc nombre de components externs, és perfectament possible ajustar els circuits a la petita placa de protecció d'un prototip. No obstant això, el resultat final és bastant voluminós i poc robust. Millor és fer servir un nano Arduino i soldar-lo amb els components addicionals d’una placa prototip de 5x7cm (vegeu el següent pas)

Només s’utilitzen 2 pins Arduino per a la detecció real de metalls, un per proporcionar els impulsos al filtre LR i un per llegir la tensió del condensador. La pulsació es pot fer des de qualsevol pin de sortida, però la lectura s'ha de fer amb un dels pins analògics A0-A5. S’utilitzen 3 pins més per a 2 LEDs i per a la sortida de so.

Aquí teniu la recepta:

1. A la placa de connexió, connecteu la resistència de 220 Ohm, el díode i el condensador 10nF en sèrie, amb el terminal negatiu del díode (la línia negra) cap al condensador.
2. Connecteu A0 a la resistència (l'extrem no està connectat al díode)
3. Connecteu A1 a on es troba el punt creuat del díode i el condensador
4. Connecteu el terminal no connectat del condensador a terra
5. Connecteu un extrem de la bobina al punt creuat de la resistència-díode
6. Connecteu l'altre extrem de la bobina a terra
7. Connecteu un LED amb el terminal positiu al pin D12 i el terminal negatiu mitjançant una resistència de 220 Ohm a terra
8. Connecteu l’altre LED amb el terminal positiu al pin D11 i el terminal negatiu a través d’una resistència de 220 Ohm a terra
9. Opcionalment, connecteu un auricular o un altaveu passiu entre el pin 10 i la terra. Es pot afegir un condensador o resistència en sèrie per reduir el volum

Això és tot!

Pas 5: una versió soldada

Per treure el detector de metalls a l’exterior, caldrà soldar-lo. Un prototip de placa de 7x5 cm comú s’adapta a un Arduino nano i a tots els components necessaris. Utilitzeu els mateixos esquemes que al pas anterior. Em va semblar útil afegir un interruptor en sèrie amb el brunzidor per apagar el so quan no fos necessari. Un terminal de cargol permet provar diferents bobines sense haver de soldar. Tot s’alimenta a través dels 5V subministrats al port (mini o micro-USB) de l’Arduino Nano.

Pas 6: el programari

Aquí s’adjunta l’esbós d’Arduino. Pengeu-lo i executeu-lo. He utilitzat Arduino 1.6.12 IDE. Es recomana executar-lo amb debug = true al principi, per tal de sintonitzar el nombre de polsos per mesura. El millor és tenir una lectura ADC entre 200 i 300. Augmenteu o reduïu el nombre de pulsacions en cas que la vostra bobina doni lectures dràsticament diferents.

L’esbós fa una mena d’autocalibratge. N’hi ha prou amb deixar la bobina tranquil·la lluny dels metalls per fer-la callar. Es seguiran derives lentes en la inductància, però els grans canvis sobtats no afectaran la mitjana a llarg termini.

Pas 7: muntar-lo en un pal

Com que no voldríeu fer les vostres recerques del tresor arrossegant-vos per terra, la placa, la bobina i la bateria s'han de muntar a l'extrem d'un pal. Un selfie stick és ideal per a això, ja que és lleuger, plegable i ajustable. El meu powerbank de 5.000 mAh s’adaptava al selfie stick. El tauler es pot connectar amb tirants o elàstics i la bobina pot ser similar a la de la bateria o del pal.

Pas 8: com utilitzar-lo

Per establir la referència, n'hi ha prou amb deixar la bobina ~ 5 s lluny dels metalls. Aleshores, quan la bobina s’acosta a un metall, el LED verd o blau començarà a parpellejar i es produiran sons al zumbador i / o als auriculars. Els flaixos blaus i els sons sonors baixos indiquen la presència de metalls no ferromagnètics. Els flaixos verds i els sons sonors intensos indiquen la presència de metalls ferromagnètics. Tingueu en compte que, quan la bobina es mantingui durant més de 5 segons a prop del metall, prendrà aquesta lectura com a referència i començarà a sonar quan es retiri el detector del metall. Després d’uns segons de pit a l’aire, tornarà a quedar-se tranquil. La freqüència dels flaixos i els sons sonors indiquen la intensitat del senyal. Feliç caça!