Pengesan Logam Arduino Mudah: 8 Langkah (dengan Gambar)

2025 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2025-01-23 15:00

*** Versi baru telah diposkan yang lebih sederhana: https://www.instructables.com/Minimal-Arduino-Metal-Detector/ ***

Pengesanan logam adalah masa lalu yang hebat yang membawa anda ke luar, menemui tempat baru dan mungkin menemui sesuatu yang menarik. Periksa peraturan tempatan anda tentang cara bertindak sekiranya terdapat penemuan, khususnya dalam hal benda berbahaya, peninggalan arkeologi atau objek yang mempunyai nilai ekonomi atau emosi yang signifikan.

Arahan untuk pengesan logam DIY banyak, tetapi resipi ini khusus kerana memerlukan komponen yang sangat sedikit selain mikrokontroler Arduino: kapasitor, perintang dan dioda yang sama membentuk inti, bersama dengan gegelung carian yang terdiri daripada sekitar 20 belitan kabel pengalir elektrik. LED, pembesar suara dan / atau fon kepala kemudian ditambahkan untuk menandakan kehadiran logam berhampiran gegelung carian. Kelebihan tambahan adalah semua boleh dikuasakan dari satu kuasa 5V, yang mana kuasa USB 2000mAh biasa mencukupi dan akan bertahan selama berjam-jam.

Untuk mentafsirkan isyarat dan memahami bahan dan bentuk yang sensitif oleh pengesan, ia sangat membantu memahami fiziknya. Sebagai peraturan, pengesan sensitif terhadap objek pada jarak atau kedalaman hingga radius gegelung. Paling sensitif terhadap objek di mana arus dapat mengalir di bidang gegelung, dan tindak balas akan sesuai dengan kawasan gelung semasa di objek itu. Oleh itu, cakera logam di bidang gegelung akan memberikan tindak balas yang lebih kuat daripada cakera logam yang sama tegak lurus dengan gegelung. Berat objek tidak banyak masalah. Sekeping tipis aluminium foil yang berorientasi pada bidang gegelung akan memberikan tindak balas yang lebih kuat daripada bolt logam berat.

Langkah 1: Prinsip Kerja

Apabila elektrik mula mengalir melalui gegelung, ia membina medan magnet. Menurut hukum induksi Faraday, medan magnet yang berubah akan menghasilkan medan elektrik yang menentang perubahan medan magnet. Oleh itu, voltan akan berkembang melintasi gegelung yang menentang kenaikan arus. Kesan ini disebut induktansi diri, dan unit induktansi adalah Henry, di mana gegelung 1 Henry mengembangkan kemungkinan perbezaan 1V apabila arus berubah sebanyak 1 Ampere sesaat. Induktansi gegelung dengan belitan N dan jejari R adalah kira-kira 5µH x N ^ 2 x R, dengan R dalam meter.

Kehadiran objek logam berhampiran gegelung akan mengubah induktansinya. Bergantung pada jenis logam, induktansi boleh meningkat atau menurun. Logam bukan magnetik seperti tembaga dan aluminium berhampiran gegelung mengurangkan aruhan, kerana medan magnet yang berubah akan mendorong arus eddy dalam objek yang mengurangkan intensiti medan magnet tempatan. Bahan feromagnetik, seperti besi, dekat gegelung meningkatkan induktansi kerana medan magnet yang diinduksi sejajar dengan medan magnet luaran.

Pengukuran induktansi gegelung dapat menunjukkan kehadiran logam di dekatnya. Dengan Arduino, kapasitor, diod dan perintang adalah mungkin untuk mengukur induktansi gegelung: menjadikan gegelung sebagai bahagian dari penapis LR lulus tinggi dan memberi ini dengan gelombang blok, lonjakan pendek akan dibuat di setiap peralihan. Panjang nadi lonjakan sebanding dengan induktansi gegelung. Sebenarnya, ciri khas penapis LR adalah tau = L / R. Untuk gegelung 20 belitan dan diameter 10 cm, L ~ 5µH x 20 ^ 2 x 0.05 = 100µH. Untuk melindungi Arduino daripada arus, rintangan minimum ialah 200Ohm. Oleh itu, kami menjangkakan denyutan dengan panjang sekitar 0.5 mikrodetik. Ini sukar diukur secara langsung dengan ketepatan tinggi, memandangkan frekuensi jam Arduino adalah 16MHz.

Sebagai gantinya, denyut nadi boleh digunakan untuk mengisi kapasitor, yang kemudian dapat dibaca dengan analog Arduino ke digital converter (ADC). Caj yang dijangkakan dari nadi 0.5 mikrodetik 25mA adalah 12.5nC, yang akan memberikan 1.25V pada kapasitor 10nF. Penurunan voltan di atas diod akan mengurangkan ini. Sekiranya nadi diulang beberapa kali, cas pada kapasitor meningkat kepada ~ 2V. Ini dapat dibaca dengan Arduino ADC menggunakan analogRead (). Kapasitor kemudian dapat habis dengan cepat dengan menukar pin pembacaan ke output dan menetapkannya ke 0V selama beberapa mikrodetik. Keseluruhan pengukuran memerlukan sekitar 200 mikrodetik, 100 untuk pengisian dan penyetelan semula kapasitor dan 100 untuk penukaran ADC. Ketepatan dapat ditingkatkan dengan mengulangi pengukuran dan rata-rata hasilnya: mengambil purata 256 pengukuran mengambil 50 ms dan meningkatkan ketepatan dengan faktor 16. ADC 10-bit mencapai ketepatan ADC 14-bit dengan cara ini.

Pengukuran yang diperoleh ini sangat tidak linear dengan induktansi gegelung dan oleh itu tidak sesuai untuk mengukur nilai mutlak induktansi. Walau bagaimanapun, untuk pengesanan logam, kami hanya berminat dengan perubahan kecil induktansi gegelung kerana adanya logam yang berdekatan, dan untuk itu kaedah ini sangat sesuai.

Kalibrasi pengukuran dapat dilakukan secara automatik dalam perisian. Sekiranya seseorang dapat menganggap bahawa hampir tidak ada logam di dekat gegelung, penyimpangan dari rata-rata adalah isyarat bahawa logam telah mendekati gegelung. Menggunakan warna yang berbeza atau nada yang berbeza memungkinkan untuk membezakan antara kenaikan mendadak atau penurunan induktansi secara tiba-tiba.

Langkah 2: Komponen yang Diperlukan

Teras elektronik:

Perisai prototaip Arduino UNO R3 + ATAU Arduino Nano dengan papan prototaip 5x7cm

Kapasitor 10nF

Diod isyarat kecil, mis. 1N4148

Perintang 220 ohm

Untuk kuasa:

Bank kuasa USB dengan kabel

Untuk output visual:

2 LED dengan warna yang berbeza cth. biru dan hijau

2 perintang 220Ohm untuk menghadkan arus

Untuk output bunyi:

Buzzer pasif

Tukar mikro untuk mematikan suara

Untuk output fon telinga:

Penyambung fon telinga

Perintang 1kOhm

Fon telinga

Untuk menyambung / memutuskan gegelung carian dengan mudah:

Terminal skru 2-pin

Untuk gegelung carian:

~ 5 meter kabel elektrik nipis

Struktur untuk menahan gegelung. Mesti kaku tapi tidak perlu bulat.

Untuk struktur:

Tongkat 1 meter, contohnya kayu, plastik atau kayu selfie.

Langkah 3: Gegelung Carian

Untuk gegelung carian, saya melilitkan ~ 4m wayar terdampar di sekitar silinder kadbod dengan diameter 9 cm, menghasilkan kira-kira 18 belitan. Jenis kabel tidak relevan, selagi rintangan ohmik sekurang-kurangnya sepuluh kali lebih kecil daripada nilai R dalam penapis RL, jadi pastikan berada di bawah 20 Ohms. Saya mengukur 1 Ohm, jadi selamat. Hanya dengan mengambil wayar cangkuk separuh siap 10m juga berfungsi!

Langkah 4: Versi Prototaip

Memandangkan sebilangan kecil komponen luaran, sangat mungkin memasang litar pada papan roti kecil pelindung prototaip. Walau bagaimanapun, hasil akhirnya agak besar dan tidak begitu mantap. Lebih baik menggunakan Arduino nano dan menyoldernya dengan komponen tambahan pada papan prototaip 5x7cm, (lihat langkah seterusnya)

Hanya 2 pin Arduino digunakan untuk pengesanan logam sebenar, satu untuk memberikan denyutan ke penapis LR dan satu untuk membaca voltan pada kapasitor. Pulsing boleh dilakukan dari mana-mana pin output tetapi pembacaan mesti dilakukan dengan salah satu pin analog A0-A5. 3 pin lagi digunakan untuk 2 LED dan untuk output suara.

Inilah resipi:

1. Pada papan roti, sambungkan perintang 220Ohm, diod dan kapasitor 10nF secara bersiri, dengan terminal negatif diod (garis hitam) ke arah kapasitor.
2. Sambungkan A0 ke perintang (hujungnya tidak disambungkan ke diod)
3. Sambungkan A1 ke tempat titik silang diod dan kapasitor
4. Sambungkan terminal kapasitor yang tidak bersambung ke tanah
5. Sambungkan satu hujung gegelung ke titik silang perintang-diod
6. Sambungkan hujung gegelung yang lain ke tanah
7. Sambungkan satu LED dengan terminal positif ke pin D12 dan terminal negatifnya melalui perintang 220Ohm ke tanah
8. Sambungkan LED lain dengan terminal positif ke pin D11 dan terminal negatifnya melalui perintang 220Ohm ke tanah
9. Sebagai pilihan, sambungkan fon kepala atau pembesar suara buzzer pasif antara pin 10 dan ground. Kapasitor atau perintang boleh ditambah secara bersiri untuk mengurangkan kelantangan

Itu sahaja!

Langkah 5: Versi Bersolder

Untuk mengeluarkan pengesan logam di luar, perlu menyoldernya. Papan prototaip 7x5 cm yang biasa sesuai dengan Arduino nano dan semua komponen yang diperlukan. Gunakan skema yang sama seperti pada langkah sebelumnya. Saya merasa berguna untuk menambahkan suis secara bersiri dengan bel untuk mematikan suara apabila tidak diperlukan. Terminal skru memungkinkan untuk mencuba gegelung yang berbeza tanpa perlu menyolder. Semuanya dikuasakan melalui 5V yang dibekalkan ke port (mini atau mikro-USB) Arduino Nano.

Langkah 6: Perisian

Lakaran Arduino yang digunakan dilampirkan di sini. Muat naik dan jalankan. Saya menggunakan Arduino 1.6.12 IDE. Dianjurkan untuk menjalankannya dengan debug = true pada awalnya, untuk menyesuaikan jumlah denyut per pengukuran. Yang terbaik ialah membaca ADC antara 200 dan 300. Menambah atau mengurangkan bilangan denyutan sekiranya gegelung anda memberikan bacaan yang berbeza secara drastik.

Sketsa ini melakukan penentukuran diri. Cukup untuk membiarkan gegelung menjadi hening dari logam untuk membuatnya lengang. Peralihan perlahan dalam induktansi akan diikuti, tetapi perubahan besar secara tiba-tiba tidak akan mempengaruhi purata jangka panjang.

Langkah 7: Memasangnya di Tongkat

Oleh kerana anda tidak mahu melakukan perburuan harta karun anda merangkak ke lantai, ketiga papan, gegelung dan bateri harus dipasang di hujung tongkat. Tongkat selfie sangat sesuai untuk ini, kerana ia ringan, dilipat dan boleh disesuaikan. Powerbank 5000mAh saya terpasang pada tongkat selfie. Papan kemudian boleh dilekatkan dengan ikatan kabel atau elastik dan gegelungnya sama seperti bateri atau tongkat.

Langkah 8: Cara Menggunakannya

Untuk menetapkan rujukan, cukup untuk melepaskan gegelung ~ 5s dari logam. Kemudian, apabila gegelung mendekati logam, LED hijau atau biru akan mula berkelip dan bunyi bip akan dihasilkan di bel dan / atau fon kepala. Kilatan biru dan bip nada rendah menunjukkan adanya logam bukan feromagnetik. Kilatan hijau dan bip nada tinggi menunjukkan adanya logam feromagnetik. Berhati-hatilah bahawa apabila gegelung disimpan selama lebih dari 5 saat di dekat logam, ia akan menjadikan bacaan itu sebagai rujukan, dan mula berbunyi apabila pengesan dikeluarkan dari logam. Setelah beberapa saat berbunyi di udara, ia akan menjadi sunyi lagi. Kekerapan kilatan dan bunyi bip menunjukkan kekuatan isyarat. Selamat memburu!