Basit Arduino Metal Dedektörü: 8 Adım (Resimlerle)

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:16

*** Daha da basit olan yeni bir sürüm yayınlandı: https://www.instructables.com/Minimal-Arduino-Metal-Detector/ ***

Metal algılama, sizi dışarı çıkaran, yeni yerler keşfetmenizi ve belki de ilginç bir şeyler bulmanızı sağlayan harika bir geçmiş zaman. Özellikle tehlikeli nesneler, arkeolojik kalıntılar veya önemli ekonomik veya duygusal değere sahip nesneler olması durumunda, olası bir bulgu durumunda nasıl davranılacağı konusunda yerel düzenlemelerinizi kontrol edin.

DIY metal dedektörleri için talimatlar çoktur, ancak bu tarif, bir Arduino mikrodenetleyicisine ek olarak çok az bileşen gerektirmesi anlamında özeldir: ortak bir kapasitör, direnç ve diyot, yaklaşık 20'den oluşan bir arama bobini ile birlikte çekirdeği oluşturur. elektriksel olarak ileten kablonun sargıları. Arama bobininin yakınında metalin varlığını bildirmek için LED'ler, bir hoparlör ve/veya kulaklık eklenir. Ek bir avantaj, hepsinin ortak bir 2000mAh USB gücünün yeterli olduğu ve saatlerce dayanacağı tek bir 5V güçten beslenebilmesidir.

Sinyalleri yorumlamak ve dedektörün hangi malzemelere ve şekillere duyarlı olduğunu anlamak fiziği anlamaya gerçekten yardımcı olur. Genel bir kural olarak, dedektör, bobinin yarıçapına kadar bir mesafedeki veya derinlikteki nesnelere duyarlıdır. Bobin düzleminde bir akımın akabileceği nesnelere karşı en hassas olanıdır ve yanıt, o nesnedeki akım döngüsünün alanına karşılık gelecektir. Böylece bobin düzlemindeki bir metal disk, bobine dik olan aynı metal diskten çok daha güçlü bir tepki verecektir. Nesnenin ağırlığı çok önemli değil. Bir bobin düzlemine yönlendirilmiş ince bir alüminyum folyo parçası, ağır metal bir cıvatadan çok daha güçlü bir tepki verecektir.

Adım 1: Çalışma Prensibi

Elektrik bir bobinden akmaya başladığında, bir manyetik alan oluşturur. Faraday'ın indüksiyon yasasına göre, değişen bir manyetik alan, manyetik alandaki değişime karşı çıkan bir elektrik alanı ile sonuçlanacaktır. Böylece, akımdaki artışa karşı bobin boyunca bir voltaj gelişecektir. Bu etkiye öz-endüktans denir ve endüktansın birimi Henry'dir, burada 1 Henry'lik bir bobin, akım saniyede 1 Amper değiştiğinde 1V'luk bir potansiyel fark geliştirir. N sargılı ve R yarıçaplı bir bobinin endüktansı, R metre cinsinden yaklaşık 5µH x N^2 x R'dir.

Bir bobinin yakınında metalik bir nesnenin varlığı, endüktansını değiştirecektir. Metal tipine bağlı olarak, endüktans artabilir veya azalabilir. Bir bobinin yakınındaki bakır ve alüminyum gibi manyetik olmayan metaller endüktansı azaltır, çünkü değişen bir manyetik alan nesnede yerel manyetik alanın yoğunluğunu azaltan girdap akımlarına neden olur. Bir bobinin yakınındaki demir gibi ferromanyetik malzemeler, indüklenen manyetik alanlar dış manyetik alanla hizalandığından endüktansını arttırır.

Bir bobinin endüktansının ölçümü böylece yakındaki metallerin varlığını ortaya çıkarabilir. Bir Arduino, bir kapasitör, bir diyot ve bir direnç ile bir bobinin endüktansını ölçmek mümkündür: bobini yüksek geçiren bir LR filtresinin parçası haline getirmek ve bunu bir blok dalga ile beslemek, her birinde kısa sivri uçlar oluşturulacaktır. geçiş. Bu sivri uçların darbe uzunluğu, bobinin endüktansı ile orantılıdır. Aslında, bir LR filtresinin karakteristik zamanı tau=L/R'dir. 20 sargılı ve 10 cm çapında bir bobin için, L ~ 5µH x 20^2 x 0.05 = 100µH. Arduino'yu aşırı akımdan korumak için minimum direnç 200Ohm'dur. Bu nedenle, yaklaşık 0,5 mikrosaniye uzunluğunda darbeler bekliyoruz. Arduino'nun saat frekansının 16 MHz olduğu göz önüne alındığında, bunların yüksek hassasiyetle doğrudan ölçülmesi zordur.

Bunun yerine, yükselen darbe, daha sonra Arduino analogundan dijitale dönüştürülmüş (ADC) ile okunabilen bir kondansatörü şarj etmek için kullanılabilir. 0.5 mikrosaniyelik 25mA darbeden beklenen yük 12.5nC'dir ve bu 10nF kapasitörde 1.25V verecektir. Diyot üzerindeki voltaj düşüşü bunu azaltacaktır. Darbe birkaç kez tekrarlanırsa, kapasitördeki yük ~2V'a yükselir. Bu, analogRead() kullanılarak Arduino ADC ile okunabilir. Daha sonra, çıkış için okuma pimini değiştirerek ve birkaç mikrosaniye için 0V'a ayarlayarak kapasitör hızlı bir şekilde deşarj edilebilir. Tüm ölçüm, kapasitörün şarj edilmesi ve sıfırlanması için 100 ve ADC dönüşümü için 100 olmak üzere yaklaşık 200 mikrosaniye sürer. Kesinlik, ölçümü tekrarlayarak ve sonucun ortalaması alınarak büyük ölçüde artırılabilir: 256 ölçümün ortalamasını almak 50 ms sürer ve hassasiyeti 16 faktör artırır. 10-bit ADC, 14-bit ADC'nin hassasiyetini bu şekilde elde eder.

Elde edilen bu ölçüm, bobinin endüktansı ile oldukça doğrusal değildir ve bu nedenle endüktansın mutlak değerini ölçmek için uygun değildir. Bununla birlikte, metal tespiti için, yakındaki metallerin mevcudiyeti nedeniyle bobin endüktansının sadece küçük göreli değişiklikleri ile ilgileniyoruz ve bunun için bu yöntem tamamen uygundur.

Ölçümün kalibrasyonu yazılımda otomatik olarak yapılabilir. Çoğu zaman bobinin yakınında metal olmadığı varsayılabilirse, ortalamadan sapma, metalin bobine yaklaştığının bir işaretidir. Farklı renkler veya farklı tonlar kullanmak, endüktansta ani bir artış veya ani bir düşüş arasında ayrım yapılmasını sağlar.

2. Adım: Gerekli Bileşenler

Elektronik çekirdek:

Arduino UNO R3 + prototip kalkanı VEYA 5x7cm prototip kartı ile Arduino Nano

10nF kapasitör

Küçük sinyal diyotu, örn. 1N4148

220 ohm direnç

Güç için:

Kablolu USB güç bankası

Görsel çıktı için:

Farklı renkte 2 LED, örn. Mavi ve yeşil

Akımları sınırlamak için 2 220Ohm direnç

Ses çıkışı için:

Pasif zil

Sesi devre dışı bırakmak için mikro anahtar

Kulaklık çıkışı için:

Kulaklık konektörü

1kOhm direnç

kulaklık

Arama başlığını kolayca bağlamak/bağlantısını kesmek için:

2 pimli vidalı terminal

Arama bobini için:

~5 metre ince elektrik kablosu

Bobini tutmak için yapı. Sert olmalı, ancak dairesel olması gerekmez.

Yapı için:

1 metrelik çubuk, örneğin ahşap, plastik veya özçekim çubuğu.

Adım 3: Arama Bobini

Arama bobini için, yaklaşık 18 sargıyla sonuçlanan 9 cm çapında bir karton silindirin etrafına ~4m bükümlü tel sardım. Ohmik direnç, RL filtresindeki R değerinden en az on kat daha küçük olduğu sürece, kablo tipi önemsizdir, bu nedenle 20 Ohm'un altında kaldığınızdan emin olun. 1 Ohm ölçtüm, bu güvenli. Sadece yarı bitmiş bir 10m bağlantı teli rulosu almak da işe yarar!

Adım 4: Bir Prototip Sürümü

Az sayıda harici bileşen göz önüne alındığında, devreyi bir prototip kalkanın küçük devre tahtasına sığdırmak mükemmel bir şekilde mümkündür. Bununla birlikte, nihai sonuç oldukça hacimlidir ve çok sağlam değildir. Bir Arduino nano kullanmak ve onu 5x7cm'lik bir prototip kartında ekstra bileşenlerle lehimlemek daha iyidir, (sonraki adıma bakın)

Gerçek metal algılama için sadece 2 Arduino pini kullanılır, biri LR filtresine darbe sağlamak ve diğeri kapasitör üzerindeki voltajı okumak için. Darbe herhangi bir çıkış pininden yapılabilir ancak okuma, A0-A5 analog pinlerinden biri ile yapılmalıdır. 2 led ve ses çıkışı için 3 pin daha kullanılır.

İşte tarif:

1. Breadboard üzerinde, 220Ohm direncini, diyotu ve 10nF kondansatörü diyotun negatif terminali (siyah çizgi) kondansatöre doğru seri olarak bağlayın.
2. A0'ı dirence bağlayın (uç diyota bağlı değil)
3. A1'i diyot ile kapasitörün kesiştiği yere bağlayın.
4. Kondansatörün bağlı olmayan terminalini toprağa bağlayın
5. Bobinin bir ucunu direnç-diyot çapraz noktasına bağlayın
6. Bobinin diğer ucunu toprağa bağlayın
7. Bir LED'i pozitif terminali ile D12 pinine ve negatif terminalini 220Ohm'luk bir direnç üzerinden toprağa bağlayın
8. Diğer LED'i pozitif terminali ile D11 pinine ve negatif terminalini 220Ohm'luk bir direnç üzerinden toprağa bağlayın
9. İsteğe bağlı olarak, pin 10 ile toprak arasına pasif sesli bir kulaklık veya hoparlör bağlayın. Sesi azaltmak için seri olarak bir kapasitör veya direnç eklenebilir

Bu kadar!

Adım 5: Lehimli Bir Versiyon

Metal dedektörü dışarıya çıkarmak için lehimlemek gerekecektir. Ortak bir 7x5 cm prototip kartı, bir Arduino nano'ya ve gerekli tüm bileşenlere rahatça uyar. Önceki adımdakiyle aynı şemaları kullanın. Gerekmediğinde sesi kapatmak için buzzer ile seri olarak bir anahtar eklemeyi faydalı buldum. Bir vidalı terminal, lehimleme yapmadan farklı bobinleri denemeye izin verir. Her şey Arduino Nano'nun (mini veya mikro USB) bağlantı noktasına sağlanan 5V ile çalışır.

Adım 6: Yazılım

Kullanılan Arduino taslağı buraya eklenmiştir. Yükleyin ve çalıştırın. Arduino 1.6.12 IDE kullandım. Ölçüm başına darbe sayısını ayarlamak için başlangıçta debug=true ile çalıştırılması önerilir. En iyisi 200 ile 300 arasında bir ADC okuması yapmaktır. Bobininizin çok farklı okumalar vermesi durumunda darbe sayısını artırın veya azaltın.

Kroki bir çeşit kendi kendini kalibre ediyor. Bobini sessiz hale getirmek için metallerden uzakta sessiz bırakmak yeterlidir. Endüktansta yavaş kaymalar izlenecek, ancak ani büyük değişiklikler uzun vadeli ortalamayı etkilemeyecektir.

Adım 7: Bir Çubuğa Monte Etme

Define avınızı yerde sürünerek yapmak istemeyeceğiniz için üçlü tahta, bobin ve pil bir çubuğun ucuna monte edilmelidir. Hafif, katlanabilir ve ayarlanabilir olduğu için bir selfie çubuğu bunun için idealdir. 5000mAh powerbank'ım selfie çubuğuna sığdı. Kart daha sonra kablo bağları veya lastiklerle bağlanabilir ve bobin benzer şekilde pil veya çubuğa olabilir.

Adım 8: Nasıl Kullanılır

Referansı belirlemek için bobini metallerden ~5s uzakta bırakmak yeterlidir. Ardından bobin bir metale yaklaştığında yeşil veya mavi LED yanıp sönmeye başlayacak ve buzzer ve/veya kulaklıkta bip sesleri duyulacaktır. Mavi yanıp sönmeler ve düşük perdeli bip sesleri, ferromanyetik olmayan metallerin varlığını gösterir. Yeşil yanıp sönmeler ve tiz bip sesleri, ferromanyetik metallerin varlığını gösterir. Bobin metalin yakınında 5 saniyeden fazla tutulduğunda, bu okumayı referans olarak alacağına ve dedektör metalden uzaklaştırıldığında bip sesi çıkarmaya başlayacağına dikkat edin. Havada birkaç saniyelik bip sesinden sonra tekrar sessizleşecektir. Yanıp sönmelerin ve bip seslerinin sıklığı, sinyalin gücünü gösterir. İyi avlar!