Detector de metalls ecològic - Arduino: 8 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:15

La detecció de metalls és molt divertida. Un dels reptes és poder reduir el lloc exacte per excavar per minimitzar la mida del forat que queda enrere.

Aquest detector de metalls únic té quatre bobines de cerca, una pantalla tàctil a color per identificar i precisar la ubicació de la vostra troballa.

Incorpora un calibratge automàtic, un paquet d’alimentació recarregable USB, amb quatre modes de pantalla diferents, ajust de freqüència i amplada de pols que us permeten personalitzar la vostra cerca.

Un cop hàgiu identificat el tresor, un sol forat centrat per sobre de cada bobina us permetrà utilitzar un pinxo de fusta per empènyer-lo a la terra, de manera que pugueu començar a cavar un petit endoll del terra reduint els danys al medi ambient.

Cada bobina pot detectar amb precisió monedes i anells a una profunditat de 7-10 cm, de manera que és ideal per buscar monedes i anells perduts al voltant de parcs i platges.

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

Un gran agraïment: si heu premut el botó de vot a l'extrem superior dret per als concursos "Invention Challenge" i "Explore Science" !!!

moltes gràcies, TechKiwi

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

Pas 1: la ciència darrere de la detecció de metalls

Disseny de detecció de metalls

Hi ha múltiples variants dels dissenys de detectors de metalls. Aquest tipus particular de detector de metalls és un detector d’inducció de pols que utilitza bobines de transmissió i recepció separades.

L'Arduino produeix un impuls que s'aplica a la bobina de transmissió durant un període de temps molt curt (4uS) mitjançant un transistor. Aquest corrent del pols fa que es formi un sobtat camp magnètic al voltant de la bobina, el camp en expansió i col·lapse indueix un voltatge a la bobina de recepció. Aquest senyal rebut s’amplifica amb el transistor receptor i després es converteix en un pols digital net mitjançant un comparador de voltatge i, al seu torn, es mostra amb un pin d’entrada digital a l’Arduino. L'Arduino està programat per mesurar l'amplada del pols rebut.

En aquest disseny, l'amplada del pols rebut està determinada per la inductància de la bobina de recepció i un condensador. Sense objectes a l'abast, l'amplada del pols de la línia de base mesura aproximadament 5.000 uS. Quan objectes metàl·lics estranys entren al camp magnètic en expansió i col·lapse, això provoca que una part de l'energia s'indueixi a l'objecte en forma de corrents de Foucault. (Inducció electromagnètica)

El resultat net és que l'amplada de pols rebuda es redueix, aquesta diferència d'amplada de pols la mesura Arduino i es mostra en una pantalla TFT en diversos formats.

Opció de visualització 1: Posició de l'objectiu sota el cap del detector

La meva intenció era utilitzar les 4 bobines per triangular la posició de l'objectiu sota el cap del detector. La naturalesa no lineal de les bobines de cerca va fer que això fos difícil, tot i que el-g.webp

Opció de visualització 2: mostra la traça del senyal per a cada bobina de cerca

Això us permet fer un seguiment de l’objecte objectiu sota el cap dibuixant una traça de força de senyal independent a la pantalla per a cada bobina de cerca. Això és útil per determinar si teniu dos objectius a prop sota el cap del detector i la força relativa.

Usos pràctics

Aquest enfocament us permet utilitzar la primera vista per identificar un objectiu i la segona vista per fixar-lo a uns quants mil·límetres, tal com es mostra al videoclip.

Pas 2: reuniu els materials

Factura de materials

1. Arduino Mega 2560 (els articles 1, 2 i 3 es poden comprar com a sol·licitud conjunta)
2. Pantalla tàctil TFT LCD de 3,2 polzades (he inclòs un codi per a 3 variacions compatibles)
3. TFT Mega Shield de 3,2 polzades
4. Transistor BC548 x 8
5. 0,047uf Greencap Capacitor x 4 (50v)
6. Condensador Greencap 0,1uf x 1 (50v)
7. 1k resistència x 4
8. 47 Resistència x 4
9. Resistència de 10 k x 4
10. Resistència 1M x 4
11. 2,2 k resistència x 4
12. Interruptor basculant SPST
13. Circuit integrat Comparador diferencial LM339 Quad
14. Diodes de senyal IN4148 x 4
15. Coure WireSpool de 0,3 mm de diàmetre x 2
16. Cable blindat de dos nuclis - Diàmetre de 4,0 mm - 5 M de longitud
17. Powerbank recarregable USB 4400mHa
18. Piezo Buzzer
19. Tauler Vero 80x100mm
20. Estoig de plàstic mínim 100 mm d'alçada, 55 mm de profunditat, 160 mm d'amplada
21. Lligams de cables
22. Fusta de MDF de 6 a 8 mm de gruix: peces quadrades de 23 cm x 23 cm x 2
23. Cable d'extensió micro USB de 10cm
24. Cable d'endoll USB-A adequat per tallar fins a 10 cm de longitud
25. Auriculars d'àudio Jack Point: estèreo
26. Diversos capçals detectors de separadors de fusta i plàstic
27. Mànec d'escombra Speed Mop amb articulació ajustable (només un moviment de l'eix - veure fotos)
28. Una peça de paper A3
29. Barra d'enganxar
30. Talladora de serres elèctriques
31. Full de cartró A4 de 3 mm de gruix per crear un formador de bobines per a bobines TX i Rx
32. Cinta adhesiva
33. Pistola de cola calenta
34. Cola elèctrica
35. 10 pins de capçalera Arduino addicionals
36. Clavilles terminals del PCB x 20
37. Cola epoxi TwoPart: temps d'assecat de 5 min
38. Ganivet artesà
39. Tub de plàstic de 5 mm de longitud 30 mm x 4 (he utilitzat tubs de sistema de reg per a jardí de ferreteria)
40. Segellador impermeable MDF (assegureu-vos que no conté metall)
41. Conducte elèctric flexible de 60 cm - Gris - Diàmetre de 25 mm

Pas 3: creeu el cap del detector

1. Construcció del muntatge del cap

Nota: Vaig optar per construir un muntatge bastant complex per a les 8 bobines de fil de coure que s’utilitzen al capçal del detector. Això implicava tallar una sèrie de forats de dues capes de MDF, tal com es pot veure a les fotografies anteriors. Ara he completat la unitat que recomano utilitzar només un cercle retallat de 23 cm de diàmetre i fixar les bobines a aquesta sola capa de MDF amb cola calenta. Això redueix el temps de construcció i també significa que el cap és més lleuger.

Comenceu imprimint la plantilla proporcionada en un tros de paper A3 i, a continuació, enganxeu-la al tauler MDF per proporcionar-vos una guia per col·locar les bobines.

Utilitzant una serra elèctrica per tallar tallar amb cura un cercle de 23 cm de diàmetre del MDF.

2. Enrotllar les bobines

Feu servir el cartró per crear dos cilindres de 10 cm de longitud units amb la cinta adhesiva. El diàmetre de les bobines de transmissió ha de ser de 7 cm i les bobines de recepció de 4 cm.

Col·loqueu la bobina de filferro de coure sobre una espiga perquè pugui girar lliurement. Connecteu l’inici del fil de coure al cilindre de cartró amb cinta adhesiva. El vent 40 gira fermament sobre el cilindre i, a continuació, utilitzeu cinta adhesiva per lligar l’extrem.

Utilitzeu Hot Glue per unir les bobines junts en almenys 8 punts al voltant de la circumferència de les bobines. Quan estigueu refredat, utilitzeu els dits per alliberar la bobina i, a continuació, fixeu-la a la plantilla del capçal del detector de metalls mitjançant Hot Glue. Practicar dos forats a través del MDF al costat de la bobina i passar els extrems de la bobina a la part superior del capçal del detector de metalls.

Repetiu aquest exercici per construir i muntar 4 bobines de recepció i 4 bobines de transmissió. En acabar, hi hauria d'haver 8 parells de cables que sobresortissin per la part superior del capçal del detector de metalls.

3. Connecteu els cables apantallats

Talla la longitud de 5 M del cable de doble nucli blindat en 8 longituds. Retireu i soldeu el nucli doble a cada bobina de transmissió i recepció, deixant el blindatge desconnectat a l'extrem del cap del detector del cable.

Proveu les bobines i les connexions dels cables a l’altre extrem de cada cable mitjançant un mesurador d’ohms. Cada bobina registrarà uns quants Ohms i hauria de ser coherent per a totes les bobines de recepció i transmissió respectivament.

Un cop provada, utilitzeu la pistola de cola calenta per fixar els 8 cables al centre del capçal del detector a punt per fixar el mànec i acabar el cap.

El meu consell és despullar i estanyar cadascun dels nuclis de cable blindats a l’altre extrem per preparar-se per a les futures proves. Connecteu un cable de terra a cada blindatge de cable, ja que es connectarà a terra a la unitat principal. Això atura la interferència entre cada cable.

Utilitzeu un multímetre per identificar quina bobina és i col·loqueu etiquetes adhesives perquè es puguin identificar fàcilment per al muntatge futur.

Pas 4: Munteu el circuit per provar-lo

1. Muntatge de taulers de pa

La meva recomanació és utilitzar una placa de configuració per configurar i provar el circuit abans de comprometre’s amb Vero Board i un recinte. Això us dóna l'oportunitat d'adaptar els valors dels components o de modificar el codi si es requereix sensibilitat i estabilitat. Cal connectar les bobines de transmissió i recepció de manera que s’enrotllin en la mateixa direcció i això és més fàcil de provar en una placa abans d’etiquetar els cables per a una futura connexió a la placa Vero.

Muntar els components segons el diagrama del circuit i connectar les bobines del capçal del detector mitjançant un cable de connexió.

Les connexions a l’Arduino es fan millor mitjançant filferro de connexió de taulers de pa soldats a l’escut TFT. Per a les connexions de pins digitals i analògics, he afegit un pin de capçalera que em permetia soldar directament a la placa Arduino. (Veure imatge)

2. Biblioteques IDE

Cal descarregar-los i afegir-los a l’IDE (entorn de desenvolupament integrat) que s’executa al vostre ordinador, que s’utilitza per escriure i penjar el codi de l’ordinador al tauler físic. UTFT.h i URtouch.h es troben al fitxer zip a continuació

El crèdit per UTFT.h i URtouch.h va a Rinky-Dink Electronics. He inclòs aquests fitxers zip ja que sembla que el lloc web d'origen no funciona.

3. Proves

He inclòs un programa de prova per gestionar la configuració inicial perquè pugueu fer front a problemes d’orientació de la bobina. Carregueu el codi de prova a l'IDE Arduino i pengeu-lo al Mega. Si tot funciona, hauríeu de veure la pantalla de prova de la manera anterior. Cada bobina ha de produir un valor d'estat estacionari d'aproximadament 4600uS a cada quadrant. Si no és així, inverteu la polaritat dels bobinatges de la bobina TX o RX i torneu a provar. Si això no funciona, us suggerim que comproveu cada bobina individualment i torneu a treballar a través del circuit per solucionar-los. Si ja teniu 2 o 3 treballant, compareu-los amb les bobines / circuits que no funcionen.

Nota: Les proves posteriors han revelat que els condensadors de 0,047 uf del circuit RX influeixen en tota la sensibilitat. El meu consell és que un cop tingueu el circuit treballant en una taula de proves, intenteu augmentar aquest valor i proveu-ho amb una moneda, ja que he comprovat que això pot millorar la sensibilitat.

No és obligatori, però si teniu un oscil·loscopi, també podeu observar el pols TX i RX Pulse per assegurar-vos que les bobines estan connectades correctament. Consulteu els comentaris de les imatges per confirmar-ho.

NOTA: He inclòs un document PDF en aquesta secció amb traces d'oscil·loscopi per a cada etapa del circuit per ajudar a resoldre qualsevol problema

Pas 5: Creeu el circuit i el recinte

Un cop provada la unitat per a la vostra satisfacció, podeu fer el següent pas i construir la placa de circuit i el recinte.

1. Prepareu el recinte

Dissenyeu els components principals i col·loqueu-los al vostre cas per determinar com encaixarà tot. Talleu el tauler Vero per adaptar-los als components, però assegureu-vos que pugueu inserir-lo a la part inferior del recinte. Aneu amb compte amb el paquet d’energia recarregable, ja que poden resultar força voluminosos.

Feu forats per adaptar-vos a l’entrada posterior dels cables del cap, interruptor d’alimentació, port USB extern, port de programació Arduino i presa d’àudio per a auriculars estèreo.

A més d’aquest trepant, hi ha 4 orificis de muntatge al centre de la part davantera de la caixa on hi haurà la nansa. Aquests forats han de poder passar-los per un passacables en els passos futurs.

2. Muntar el tauler Vero

Seguiu el diagrama del circuit i la imatge superior per situar els components a la placa Vero.

He utilitzat clavilles de terminals de PCB per facilitar la connexió dels cables de la bobina de capçal amb la PCB. Munteu el Piezo Buzzer al PCB juntament amb el CI i els transistors. Vaig intentar mantenir els components TX, RX alineats d’esquerra a dreta i assegurar-me que totes les connexions a bobines externes estaven en un extrem del Vero Boar. (veure el disseny a les fotos)

3. Connecteu els cables de la bobina

Construïu un suport per a cables per als cables blindats entrants de MDF, tal com es mostra a les imatges. Consisteix en 8 forats perforats al MDF per permetre que els cables estiguin alineats als passadors terminals del PCB. A mesura que connecteu cada bobina, val la pena provar el circuit progressivament per assegurar una correcta orientació de la bobina.

4. Proveu la unitat

Connecteu el paquet d’alimentació USB, l’interruptor d’alimentació, la presa de telèfon d’àudio i col·loqueu tots els cables i cables per garantir un ajust perfecte a la caixa. Utilitzeu Hot Glue per mantenir els elements al seu lloc per assegurar-vos que no hi hagi res que pugui trontollar. Segons el pas anterior, carregueu el codi de prova i assegureu-vos que totes les bobines funcionen com s’esperava.

Comproveu que el paquet d’alimentació USB es carrega correctament quan es connecta externament. Assegureu-vos que hi hagi prou espai per connectar el cable IDE Arduino.

5. Retalleu l'apetit de la pantalla

Col·loqueu la pantalla al centre de la caixa i marqueu les vores de la pantalla LCD del tauler frontal a punt per tallar una obertura. Amb un ganivet artesanal i un regle metàl·lic, anoteu amb cura la tapa de la caixa i retalleu l’obertura.

Un cop polit i arxivat per donar forma a la tapa, assegureu-vos acuradament tot assegurant que tots els components, taules, cablejat i pantalla es mantinguin al seu lloc amb separadors i cola calenta.

7. Construeix la visera solar

Vaig trobar un vell recinte negre que vaig poder tallar en forma i utilitzar-lo com a visera solar, tal com es mostra a les fotos anteriors. Enganxeu-lo al tauler frontal amb epoxi de dues parts de 5 minuts.

Pas 6: fixeu la nansa i la funda al capçal del detector

Ara que es construeixen el Detector Electronics i el Head, només queda completar el muntatge de la unitat de forma segura.

1. Col·loqueu el cap al mànec

Modifiqueu la junta del mànec per fixar-la al cap mitjançant dos cargols. Idealment, voleu minimitzar la quantitat de metall a prop de les bobines, així que utilitzeu cargols de fusta petits i una gran quantitat de cola epoxi de 2 parts de 5 minuts per subjectar-la al cap. Veure fotos a dalt.

2. Encaixar el cablejat del cap

Utilitzant els amarres per cable, encaixeu el cablejat acuradament afegint una brida de cable cada 10 cm al llarg del cablejat blindat. Tingueu cura de garantir la millor posició per a la funda, de manera que sigui fàcil veure la pantalla, arribar als controls i connectar auriculars / endolls.

3. Connecteu l'electrònica al mànec

Construïu un bloc de muntatge de 45 graus des de MDF per permetre fixar la caixa en un angle que significa que quan esteu escombrant el detector per terra, podeu veure la pantalla TFT fàcilment. Vegeu la imatge superior.

Col·loqueu la caixa electrònica al mànec amb les brides de cable que travessen el bloc de muntatge i passen a la caixa pels forats de muntatge prèviament perforats.

4. Acabeu el capçal del detector

Cal fixar les bobines del capçal del detector sense cap moviment al cablejat, de manera que és un bon moment per utilitzar Hot Glue per subjectar totes les bobines al seu lloc.

El capçal del detector també ha de ser impermeable, de manera que és important ruixar el MDF amb un segellador transparent (assegureu-vos que el segellador no conté metall per motius obvis).

Traieu forats de 5 mm al centre de cada bobina i passeu-hi tubs de plàstic de 5 mm x 30 mm perquè pugueu empènyer pinxos de fusta al terra de sota un cop hàgiu apuntat un objectiu. Utilitzeu una pistola de cola calenta per bloquejar-la a la seva posició.

Després vaig cobrir la part superior del cap amb una placa de plàstic i la part inferior amb una coberta de llibres de plàstic gruixuda, mentre acabava la vora amb un tub de conducte elèctric flexible tallat i enganxat en calent al seu lloc.

Pas 7: Muntatge final i proves

1. Càrrega

Col·loqueu un carregador de telèfon mòbil estàndard al port Micro USB i assegureu-vos que la unitat estigui carregada adequadament.

2. Càrrega del codi

Utilitzeu l'IDE Arduino per penjar el codi adjunt.

3. Botó Silencia

Per defecte, la unitat està silenciada en engegar-se. Això es denota amb un botó de silenci vermell a la part inferior LHS de la pantalla. Per habilitar el so, premeu aquest botó i el botó hauria de posar-se en color verd que denoti el so activat.

Si no es silencia, el brunzidor intern i la presa del telèfon d'àudio extern produiran so.

4. Calibratge

La calibració retorna la traça a la part inferior de la pantalla sota les línies llindar. Quan s'encengui per primera vegada, la unitat es calibrarà automàticament. La unitat és extraordinàriament estable, però si cal tornar a calibrar, es pot fer tocant el botó de calibració de la pantalla, que es tornarà a calibrar en menys d’un segon.

5. Llindars

Si el senyal de qualsevol traça supera la línia llindar (la línia de punts de la pantalla) i el botó Silenci està desactivat, es produirà un senyal d'àudio.

Aquests llindars es poden ajustar cap amunt i cap avall tocant la pantalla per sobre o per sota de cada línia de traça.

6. Ajust de PW i DLY

La durada del pols fins a la bobina i el retard entre polsos es poden ajustar a través de la pantalla tàctil. Això està realitzat per experimentar amb diversos entorns i tresors que es poden provar per obtenir els millors resultats.

7. Tipus de visualització

Hi ha 4 tipus de pantalla diferents

Opció de visualització 1: Posició de l'objectiu sota el cap del detector La meva intenció era utilitzar les 4 bobines per triangular la posició de l'objectiu sota el cap del detector. La naturalesa no lineal de les bobines de cerca va fer que fos difícil, però el-g.webp

Opció de visualització 2: Mostra la traça del senyal per a cada bobina de cerca Permet fer un seguiment de l'objecte objectiu sota el cap dibuixant una traça de força de senyal independent a la pantalla per a cada bobina de cerca. Això és útil per determinar si teniu dos objectius propers sota el cap del detector i la força relativa.

Opció de visualització 3: igual que l'opció 2, però, amb una línia més gruixuda, és més fàcil de veure.

Opció de visualització 4: igual que l'opció 2, però, dibuixa més de 5 pantalles abans de suprimir el traç. Ideal per captar senyals dèbils.

Estic realitzant proves de camp durant les properes setmanes, de manera que publicaré qualsevol troballa de tresors.

Ara ves a divertir-te i troba algun tresor !!

Pas 8: Epíleg: Variacions de bobines

Hi ha hagut moltes bones i interessants preguntes i suggeriments sobre les configuracions de bobines. En el desenvolupament d’aquest instructiu, hi va haver nombrosos experiments amb diverses configuracions de bobines que val la pena esmentar.

Les imatges anteriors mostren algunes de les bobines que vaig provar abans de decidir-me pel disseny actual. Si teniu més preguntes, envieu-me un missatge.

A tu, per experimentar més!

Primer premi a l’Invention Challenge 2017

Primer premi del Concurs Explore Science 2017