גלאי מתכות פשוט Arduino: 8 שלבים (עם תמונות)

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:11

*** פורסמה גרסה חדשה שהיא אפילו פשוטה יותר: https://www.instructables.com/Minimal-Arduino-Metal-Detector/ ***

זיהוי מתכות הוא זמן עבר נהדר שמביא אותך לחיק הטבע, לגלות מקומות חדשים ואולי למצוא משהו מעניין. בדוק את התקנות המקומיות שלך כיצד לפעול במקרה של ממצא בסופו של דבר, בפרט במקרה של חפצים מסוכנים, שרידים ארכיאולוגיים או חפצים בעלי ערך כלכלי או רגשי משמעותי.

יש הרבה הוראות לגלאי מתכת DIY, אבל המתכון הזה הוא במיוחד במובן שהוא דורש מעט מאוד רכיבים בנוסף למיקרו -בקר Arduino: קבלים, נגדים ודיודה מהווים את הליבה, יחד עם סליל חיפוש המורכב מ- 20 בערך פיתולים של כבל מוליך חשמלית. לאחר מכן מתווספים נוריות LED, רמקול ו/או אוזניות לצורך איתות לנוכחות מתכת ליד סליל החיפוש. יתרון נוסף הוא שניתן להפעיל את כולם מהספק יחיד של 5V, שעבורו הספק USB 2000mAh משותף מספיק ויחזיק שעות רבות.

לפרש את האותות ולהבין לאילו חומרים וצורות הגלאי רגיש, זה באמת עוזר להבין את הפיזיקה. ככלל אצבע, הגלאי רגיש לאובייקטים במרחק או בעומק עד לרדיוס הסליל. הוא רגיש ביותר לאובייקטים בהם זרם יכול לזרום במישור הסליל, והתגובה תתאים לאזור הלולאה הנוכחית באותו אובייקט. לפיכך דיסק מתכת במישור הסליל ייתן תגובה הרבה יותר חזקה מאותו דיסק מתכת הניצב לסליל. משקל החפץ לא משנה הרבה. חתיכה דקה של רדיד אלומיניום המכוונת במישור של סליל תיתן תגובה הרבה יותר חזקה מאשר בורג מתכת כבד.

שלב 1: עקרון העבודה

כאשר החשמל מתחיל לזרום דרך סליל, הוא בונה שדה מגנטי. על פי חוק האינדוקציה של פאראדיי, שדה מגנטי משתנה יביא לשדה חשמלי המתנגד לשינוי בשדה המגנטי. כך יתפתח מתח על פני הסליל המתנגד לעלייה בזרם. אפקט זה נקרא השראה עצמית, ויחידת ההשראה היא הנרי, כאשר סליל של הנרי 1 מפתח הבדל פוטנציאלי של 1V כאשר הזרם משתנה באמפר אחד לשנייה. השראות של סליל עם N פיתולים ורדיוס R הוא בערך 5µH x N^2 x R, עם R במטר.

הימצאותו של אובייקט מתכתי ליד סליל תשנה את השראותו. בהתאם לסוג המתכת, השראות יכולה להגדיל או לרדת. מתכות לא מגנטיות כגון נחושת ואלומיניום ליד סליל מפחיתות את השראות, מכיוון ששדה מגנטי משתנה יגרום לזרימת מערבולת באובייקט המפחיתות את עוצמת השדה המגנטי המקומי. חומרים פרומגנטיים, כגון ברזל, ליד סליל מגבירים את השראותו מכיוון שהשדות המגנטיים המושרים מיישרים קו עם השדה המגנטי החיצוני.

מדידת השראות הסליל יכולה אפוא לחשוף את נוכחותן של מתכות בקרבת מקום. עם ארדואינו, קבל, דיודה ונגד אפשר למדוד את השראות הסליל: להפוך את הסליל לחלק ממסנן LR בעל מעבר גבוה ולהזין אותו עם גל בלוק, ייווצרו קוצים קצרים בכל מַעֲבָר. אורך הדופק של הדוקרנים הללו פרופורציונאלי להשרות הסליל. למעשה, הזמן האופייני למסנן LR הוא tau = L/R. עבור סליל של 20 פיתולים וקוטר של 10 ס מ, L ~ 5µH x 20^2 x 0.05 = 100µH. כדי להגן על הארדואינו מפני זרם יתר, ההתנגדות המינימלית היא 200Ohm. לפיכך אנו מצפים לפולסים באורך של כ- 0.5 מיקרו שניות. אלה קשים למדידה ישירה בדיוק גבוה, בהתחשב בכך שתדר השעון של הארדואינו הוא 16MHz.

במקום זאת, ניתן להשתמש בדופק העולה כדי לטעון קבל, ולאחר מכן ניתן לקרוא אותו עם האנלוגי Arduino ל- Digital המומר (ADC). הטעינה הצפויה מדופק של 0.5 מיקרו שניות של 25mA היא 12.5nC, מה שייתן 1.25V על קבל 10nF. ירידת המתח מעל הדיודה תפחית זאת. אם הדופק חוזר על עצמו מספר פעמים, הטעינה על הקבל עולה ל ~ 2V. ניתן לקרוא זאת באמצעות ה- ADC של Arduino באמצעות analogRead (). לאחר מכן ניתן לפרוק את הקבל במהירות על ידי שינוי סיכת ההקראה לפלט והגדרת 0V למשך מספר מיקרו שניות. כל המדידה אורכת כ- 200 מיקרו שניות, 100 לטעינה ואיפוס של הקבל ו -100 להמרת ADC. ניתן לשפר מאוד את הדיוק על ידי חזרה על המדידה וממוצע התוצאה: לקיחת ממוצע של 256 מדידות לוקח 50ms ומשפר את הדיוק בגורם 16. ה- 10 סיביות ADC משיגה את הדיוק של ADC 14 סיביות בדרך זו.

מדידה זו המתקבלת היא מאוד לא לינארית עם השראות הסליל ולכן אינה מתאימה למדידת הערך המוחלט של השראות. עם זאת, לגילוי מתכות אנו מעוניינים רק בשינויים יחסיים זעירים של השראות הסליל עקב הימצאות מתכות סמוכות, ולשם כך שיטה זו מתאימה לחלוטין.

ניתן לכייל את המדידה באופן אוטומטי בתוכנה. אם אפשר להניח שלרוב אין מתכת ליד הסליל, סטייה מהממוצע היא איתות לכך שמתכת התקרבה לסליל. שימוש בצבעים שונים או בגוונים שונים מאפשר להבחין בין עלייה פתאומית או ירידה פתאומית בהשראות.

שלב 2: רכיבים נדרשים

ליבה אלקטרונית:

מגן אב טיפוס של Arduino UNO R3 + או Arduino Nano עם לוח אב טיפוס בגודל 5x7 ס מ

קבל 10nF

דיודת אות קטנה, למשל 1N4148

נגד 220 אוהם

לכוח:

בנק חשמל USB עם כבל

עבור פלט חזותי:

2 נוריות LED בצבעים שונים למשל כחול וירוק

2 נגדים של 220 אוהם להגבלת הזרמים

עבור פלט קול:

זמזם פסיבי

מיקרו -מתג להשבתת צליל

עבור יציאת אוזניות:

מחבר לאוזניות

נגד 1 קאוהם

אוזניות

כדי להתחבר/לנתק בקלות את סליל החיפוש:

מסוף בורג 2 פינים

לסליל החיפוש:

~ 5 מטרים של כבל חשמלי דק

מבנה להחזקת הסליל. חייב להיות נוקשה אך לא צריך להיות מעגלי.

למבנה:

מקל 1 מטר, למשל עץ, פלסטיק או מקל סלפי.

שלב 3: סליל החיפוש

עבור סליל החיפוש, פצעתי ~ 4 מ 'חוט תקוע סביב גליל קרטון בקוטר 9 ס מ, וכתוצאה מכך כ -18 פיתולים. סוג הכבל אינו רלוונטי, כל עוד ההתנגדות האוהמית קטנה לפחות פי עשרה מערך R במסנן RL, לכן הקפד להישאר מתחת ל -20 אוהם. מדדתי 1 אוהם, אז זה בטוח. רק לקיחת גליל בגובה 10 מ 'של חוט חיבור גם עובד!

שלב 4: גרסת אב טיפוס

בהתחשב במספר המצומצם של רכיבים חיצוניים, ניתן בהחלט להתאים את המעגל על לוח הלחם הקטן של מגן אב טיפוס. עם זאת, התוצאה הסופית היא מגושמת למדי ואינה חזקה במיוחד. עדיף להשתמש בננו Arduino ולהלחם אותו עם הרכיבים הנוספים על לוח אב טיפוס בגודל 5x7 ס מ, (ראה שלב הבא)

רק 2 סיכות ארדואינו משמשות לאיתור המתכות בפועל, אחת לאספקת הפולסים למסנן LR ואחת לקריאת המתח על הקבל. ניתן לבצע פעימה מכל סיכת פלט אך יש לקרוא את הקריאה עם אחד מהסיכות האנלוגיות A0-A5. 3 סיכות נוספות משמשות עבור 2 נוריות LED ולפלט הקול.

הנה המתכון:

1. על לוח הלחם, חבר את הנגד 220 אוהם, הדיודה והקבל 10nF בסדרה, עם הטרמינל השלילי של הדיודה (הקו השחור) לכיוון הקבל.
2. חבר A0 לנגד (הקצה לא מחובר לדיודה)
3. חבר את A1 למקום שבו נקודת הצלב של הדיודה והקבל
4. חבר את המסוף הבלתי מחובר של הקבל לקרקע
5. חבר קצה אחד של הסליל לנקודת הצומת של הנגד
6. חבר את הקצה השני של הסליל לקרקע
7. חבר נורית אחת עם הטרמינל החיובי שלה לסיכה D12 והמסוף השלילי שלה באמצעות נגד 220 אוהם לקרקע
8. חבר את הנורית השנייה עם הטרמינל החיובי שלה לסיכה D11 והמסוף השלילי שלה באמצעות נגד 220 אוהם לקרקע
9. לחלופין, חבר אוזניות או רמקול פאסיבי בין באן 10 לבין הקרקע. ניתן להוסיף קבל או נגד בסדרה כדי להפחית את עוצמת הקול

זה הכל!

שלב 5: גרסה מולחמת

כדי להוציא את גלאי המתכות החוצה יהיה צורך בהלחמה. לוח אב טיפוס נפוץ בגודל 7X5 ס מ מתאים לננו ארדואינו ולכל הרכיבים הנדרשים. השתמש באותה סכמה כמו בשלב הקודם. מצאתי שזה שימושי להוסיף מתג בסדרה עם הבאזר כדי לכבות את הצליל כשלא צריך. מסוף בורג מאפשר לנסות סלילים שונים ללא צורך בהלחמה. הכל מופעל באמצעות ה- 5V המסופק ליציאת (מיני או מיקרו USB) של הארדואינו ננו.

שלב 6: התוכנה

הסקיצה של Arduino בשימוש מצורפת כאן. העלה והפעל אותו. השתמשתי ב- Arduino 1.6.12 IDE. מומלץ להריץ אותו עם debug = true בהתחלה, על מנת לכוון את מספר הפולסים לכל מדידה. הכי טוב שיש קריאת ADC בין 200 ל 300. הגדל או הקטן את מספר הפעימות במקרה שהסליל שלך נותן קריאות שונות באופן דרסטי.

המערכון מבצע כיול עצמי כלשהו. מספיק להשאיר את הסליל שקט מהמתכות כדי לגרום לו להיות שקט. בעקבות סחף איטי בהשראות יעקבו, אך שינויים פתאומיים גדולים לא ישפיעו על הממוצע לטווח הארוך.

שלב 7: הרכבתו על מקל

מכיוון שלא היית רוצה לבצע חיפוש אוצרות זוחל מעל הרצפה, שלוש הלוח, הסליל והסוללה צריכים להיות מותקנים בקצה מקל. מקל סלפי הוא אידיאלי לכך, מכיוון שהוא קל, מתקפל ומתכוונן. בנק החשמל שלי 5000mAh התאים במקרה למקל הסלפי. לאחר מכן ניתן לחבר את הלוח בעזרת קשרים או גמישות והסליל יכול להיות דומה לסוללה או למקל.

שלב 8: כיצד להשתמש בו

כדי לבסס את ההפניה, מספיק להשאיר את הסליל ~ 5 ס 'מהמתכות. לאחר מכן, כאשר הסליל מתקרב למתכת, הנורית הירוקה או הכחולה תתחיל להבהב ויופקו צפצופים בבאזר ו/או באוזניות. הבזקים כחולים וצפצופים נמוכים מצביעים על נוכחות של מתכות לא-מגנטיות. הבזקים ירוקים וצפצופים גבוהים מצביעים על נוכחות של מתכות פרומגנטיות. שים לב שכאשר הסליל נשמר יותר מ -5 שניות ליד המתכת, הוא יקח את הקריאה הזו כהתייחסות, ותתחיל לצפצף כאשר הגלאי נלקח מהמתכת. לאחר כמה שניות של צפצופים באוויר, שוב ישוב. תדירות ההבזקים והצפצופים מעידים על עוצמת האות. ציד שמח!