Ekološki prihvatljiv detektor metala - Arduino: 8 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:08

Otkrivanje metala je zabavno. Jedan od izazova je mogućnost sužavanja tačnog mjesta za iskopavanje kako bi se smanjila veličina rupe koja je ostala.

Ovaj jedinstveni detektor metala ima četiri zavojnice za pretraživanje, zaslon u boji osjetljiv na dodir za identifikaciju i određivanje lokacije vašeg pronalaska.

Uključuje automatsku kalibraciju, USB punjivo napajanje, sa četiri različita načina rada ekrana, podešavanjem frekvencije i širine impulsa što vam omogućava da prilagodite način pretraživanja.

Nakon što odredite blago, jedna rupa centrirana iznad svake zavojnice omogućuje vam da upotrebite drveni ražanj za uguravanje u zemlju kako biste mogli početi iskopati mali utikač sa zemlje smanjujući štetu po okoliš.

Svaka zavojnica može precizno otkriti detektovane novčiće i prstenove na dubini od 7-10 cm, pa je idealna za traženje izgubljenih novčića i prstenova po parkovima i plažama.

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

Veliko hvala - ako ste pritisnuli dugme za glasanje u gornjem desnom uglu za takmičenja "Invention Challenge" i "Explore Science" !!!

puno hvala, TechKiwi

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

Korak 1: Nauka iza otkrivanja metala

Dizajn otkrivanja metala

Postoji više varijacija dizajna detektora metala. Ova posebna vrsta detektora metala je detektor s impulsnom indukcijom koji koristi odvojene zavojnice za prijenos i prijem.

Arduino proizvodi impuls koji se primjenjuje na zavojnicu odašiljača za vrlo kratko vrijeme (4uS) preko tranzistora. Ova struja iz impulsa uzrokuje naglo stvaranje magnetskog polja oko zavojnice, polje koje se širi i urušava inducira napon u prijemnoj zavojnici. Ovaj primljeni signal pojačava prijemni tranzistor, a zatim pomoću naponskog komparatora pretvara u čisti digitalni impuls, a zatim uzorkuje pomoću ulaza za digitalni ulaz na Arduinu. Arduino je programiran za mjerenje širine impulsa primljenog impulsa.

U ovom dizajnu, širina primljenog impulsa određena je induktivitetom prijemne zavojnice i kondenzatorom. Bez objekata u dometu, osnovna širina impulsa mjeri približno 5000 uS. Kada strani metalni predmeti dođu u domet rastućeg i kolabirajućeg magnetskog polja, to uzrokuje da se dio energije unese u objekt u obliku vrtložnih struja. (Elektromagnetska indukcija)

Neto rezultat je da se primljena širina impulsa smanji, ta razlika u širini impulsa se mjeri Arduinom i prikazuje na TFT ekranu u različitim formatima.

Opcija prikaza 1: Položaj mete ispod glave detektora

Namera mi je bila da pomoću 4 zavojnice trianguliram položaj mete ispod glave detektora. Nelinearna priroda zavojnica za pretraživanje učinila je ovo izazovnim, međutim animirani-g.webp

Opcija prikaza 2: Prikaži trag signala za svaku zavojnicu za pretraživanje

Ovo vam omogućava da pratite gdje se ciljni objekt nalazi ispod glave crtanjem nezavisnog traga jačine signala na ekranu za svaku zavojnicu za pretraživanje. Ovo je korisno za utvrđivanje imate li dvije mete blizu jedno ispod drugog detektora i relativnu snagu.

Praktične upotrebe

Ovaj pristup vam omogućuje da koristite prvi prikaz za identifikaciju mete, a drugi pogled da ga usmjerite na nekoliko milimetara kako je prikazano u video isječku.

Korak 2: Prikupite materijale

Bill of Materials

1. Arduino Mega 2560 (Stavke 1, 2 i 3 mogu se kupiti kao jedna paketna narudžba)
2. 3.2 "TFT LCD ekran osetljiv na dodir (Ive uključen kod za 3 podržane varijacije)
3. TFT 3.2 -inčni Mega štit
4. Tranzistor BC548 x 8
5. 0,047uf Greencap kondenzator x 4 (50v)
6. 0,1uf Greencap kondenzator x 1 (50v)
7. 1k otpornik x 4
8. 47 Otpornik x 4
9. 10k otpornik x 4
10. 1M otpornik x 4
11. 2.2k otpornik x 4
12. SPST Mini prekidač za klackalicu
13. Četverodiferencijalni komparator s integriranim krugom LM339
14. Signalne diode IN4148 x 4
15. Bakarni WireSpool promjera 0,3 mm x 2
16. Dvožilni ekranizirani kabel - promjera 4,0 mm - dužine 5M
17. USB punjiva Powerbank 4400mHa
18. Piezo Buzzer
19. Vero ploča 80x100mm
20. Plastično kućište visine 100 mm, dubine 55 mm, širine 160 mm
21. Kabelske vezice
22. MDF drvo debljine 6-8 mm - kvadratni komadi 23 cm x 23 cm x 2
23. Micro USB produžni kabel 10 cm
24. USB-A utični kabel pogodan za rezanje na 10 cm dužine
25. Audio Jack Point za slušalice - stereo
26. Različite drvene i plastične odstojne glave detektora
27. Speed Mop ručka za metlu sa podesivim zglobom (samo jednoosno kretanje - pogledajte fotografije)
28. Jedan komad papira A3
29. Ljepilo
30. Električna ubodna pila
31. A4 list kartona debljine 3 mm za stvaranje kalemova za TX i Rx zavojnice
32. Ljepljiva traka
33. Pištolj za vruće ljepilo
34. Električno ljepilo
35. 10 dodatnih Arduino iglica zaglavlja
36. Priključci na PCB -u x 20
37. Epoksidni ljepilo TwoPart - vrijeme sušenja 5 minuta
38. Zanatski nož
39. Plastična cijev 5 mm duljine 30 mm x 4 (koristio sam cijevi za sustav za zalijevanje vrta iz željezarije)
40. MDF Vodootporna brtva (Pazite da ne sadrži metal)
41. Fleksibilni električni vod 60 cm - sivi - promjer 25 mm

Korak 3: Izgradite glavu detektora

1. Konstrukcija sklopa glave

Napomena: Odlučio sam se izgraditi prilično složen način montaže za 8 zavojnica bakrene žice koje se koriste u glavi detektora. To je uključivalo izrezivanje niza rupa iz dva sloja MDF -a, kao što se može vidjeti na gornjim fotografijama. Sada kada sam završio jedinicu, preporučujem korištenje samo jednog izrezanog kruga promjera 23 cm i pričvršćivanje zavojnica na ovaj jednostruki sloj MDF -a vrućim ljepilom. Ovo smanjuje vrijeme izrade, a ujedno znači i da je glava svjetlija.

Počnite ispisivanjem priložene matrice na komad papira A3, a zatim je zalijepite na MDF ploču kako biste dobili vodič za postavljanje zavojnica.

Električnom ubodnom pilom pažljivo izrežite krug promjera 23 cm iz MDF -a.

2. Namotavanje zavojnica

Upotrijebite karton za izradu dva cilindra dužine 10 cm koji se drže zajedno s ljepljivom trakom. Prečnik prenosnih zavojnica mora biti 7 cm, a prijemnih zavojnica 4 cm.

Postavite kliznu žicu od bakrene žice na šiljak tako da se može slobodno okretati. Pričvrstite početak bakrene žice na kartonski cilindar ljepljivom trakom. Vjetar 40 snažno skreće na cilindar, a zatim pomoću ljepljive trake zavežite kraj.

Vrućim ljepilom pričvrstite zavojnice zajedno na najmanje 8 točaka po obodu zavojnica. Kad se ohladi, prstima olakšajte zavojnicu, a zatim je pomoću vrućeg ljepila pričvrstite za predložak glave detektora metala. Izbušite dvije rupe kroz MDF pored zavojnice i provucite krajeve zavojnice do gornje strane glave detektora metala.

Ponovite ovu vježbu za izgradnju i postavljanje 4 x prijemne zavojnice i 4 zavojnice za odašiljanje. Kad završi, kroz vrh glave detektora metala treba proviriti 8 parova žica.

3. Priključite zaštićene kablove

Isecite 5M zaštićeni dvožilni kabel na 8 dužina. Odvojite i lemite dvostruko jezgro na svaku zavojnicu za odašiljanje i primanje ostavljajući štit odspojen na kraju kabela s glavom detektora.

Testirajte zavojnice i kabelske veze na drugom kraju svakog kabela pomoću Ohm metra. Svaka zavojnica registrirat će nekoliko ohma i trebala bi biti dosljedna za sve prijemne i prijenosne zavojnice.

Nakon testiranja, pištoljem za vruće ljepilo pričvrstite 8 kabela u središte glave detektora spremno za pričvršćivanje ručke i dovršavanje glave.

Moj savjet je da uklonite i pokosite svaku od zaštićenih žica kabela na drugom kraju kako biste se pripremili za buduća ispitivanja. Priključite žicu za uzemljenje na svaki oklop kabela jer će to biti spojeno na uzemljenje u glavnoj jedinici. Ovo zaustavlja smetnje između svakog kabela.

Pomoću multimetra odredite koja je to zavojnica i pričvrstite ljepljive naljepnice tako da se mogu lako identificirati za buduću montažu.

Korak 4: Sastavite krug za testiranje

1. Sklop Breadboard -a

Moja preporuka je da koristite matičnu ploču za prvo postavljanje i testiranje kola prije nego što se posvetite Vero Board -u i kućištu. Ovo vam daje priliku da prilagodite vrijednosti komponenti ili izmijenite kôd ako je potrebno zbog osjetljivosti i stabilnosti. Zavojnice za odašiljanje i primanje moraju biti povezane tako da su namotane u istom smjeru, a to je lakše testirati na ploči prije označavanja žica za buduće spajanje na Vero Board.

Sastavite komponente prema dijagramu kola i pričvrstite zavojnice glave detektora pomoću spojne žice.

Priključci na Arduino najbolje se izvode pomoću žice za spajanje ploče za hljeb lemljene na TFT štit. Za digitalnu i analognu pin vezu dodao sam Header Pin koji mi je omogućio da izbjegnem lemljenje direktno na Arduino ploču. (Vidi sliku)

2. IDE biblioteke

Njih je potrebno preuzeti i dodati u IDE (Integrirano razvojno okruženje) koje radi na vašem računaru, koristiti za pisanje i postavljanje računarskog koda na fizičku ploču. UTFT.h i URtouch.h nalaze se u zip datoteci ispod

Zasluge za UTFT.h i URtouch.h idu kompaniji Rinky-Dink Electronics Uključio sam ove zip datoteke jer se čini da je izvorna web stranica nedostupna.

3. Testiranje

Uključio sam testni program za rukovanje početnim postavljanjem kako biste se mogli nositi s problemima orijentacije zavojnice. Učitajte testni kod u Arduino IDE i prenesite ga u Mega. Ako sve radi, trebali biste vidjeti testni ekran kao gore. Svaka zavojnica bi trebala proizvesti stabilnu vrijednost od približno 4600uS u svakom kvadrantu. Ako to nije slučaj, promijenite polaritet namota na TX ili RX zavojnici i ponovo provjerite. Ako ovo ne uspije, predlažem da provjerite svaku zavojnicu pojedinačno i vratite se kroz krug kako biste riješili probleme. Ako već imate 2 ili 3 rade, usporedite ih sa zavojnicama/krugovima koji ne rade.

Napomena: Daljnje testiranje je otkrilo da kondenzatori od 0,047uf na RX kolu utječu na svu osjetljivost. Moj savjet je kad jednom sklop radite na ploči, pokušajte povećati ovu vrijednost i testirajte novčićem jer sam otkrio da to može poboljšati osjetljivost.

Nije obavezno, međutim, ako imate osciloskop, možete promatrati i TX impuls i RX impuls kako biste bili sigurni da su zavojnice ispravno povezane. Da biste to potvrdili, pogledajte komentare na slikama.

NAPOMENA: U ovaj odjeljak uključio sam PDF dokument sa osciloskopskim tragovima za svaku fazu kola kako bih pomogao u rješavanju problema

Korak 5: Izgradite krug i kućište

Nakon što je jedinica testirana na vaše zadovoljstvo, možete poduzeti sljedeći korak i izgraditi pločicu i kućište.

1. Pripremite kućište

Rasporedite glavne komponente i postavite ih u svoj slučaj kako biste utvrdili kako će sve stati. Izrežite Vero ploču kako biste smjestili komponente, međutim, osigurajte da se može uklopiti u dno kućišta. Budite oprezni s punjivim napajanjem jer oni mogu biti prilično glomazni.

Izbušite rupe za prihvat stražnjeg ulaza kabela za glavu, prekidača za napajanje, vanjskog USB priključka, Arduino porta za programiranje i audio priključka za stereo slušalice.

Osim ove bušilice, 4 rupe za pričvršćivanje u sredini prednje strane kućišta na kojoj će se nalaziti ručka. Ove rupe moraju u sljedećim koracima moći prolaziti kroz njih kabelsku vezicu.

2. Sastavite Vero ploču

Slijedite dijagram kruga i gornju sliku za postavljanje komponenti na Vero ploču.

Koristio sam terminalne igle za PCB kako bih omogućio jednostavno spajanje kabela zavojnice glave na PCB. Montirajte Piezo Buzzer na PCB zajedno s IC -om i tranzistorima. Pokušao sam držati TX, RX komponente poravnane slijeva nadesno i osigurao da su sve veze s vanjskim zavojnicama na jednom kraju Vero Vepra. (pogledajte izgled na fotografijama)

3. Pričvrstite kablove zavojnice

Napravite držač kabela za ulazne oklopljene kablove od MDF -a kao što je prikazano na slikama. Sastoji se od 8 rupa izbušenih u MDF -u kako bi se omogućilo da kabeli sjednu poravnati s priključnim iglama PCB -a. Dok priključujete svaki zavojnik, isplati se postupno testirati krug kako biste osigurali ispravnu orijentaciju zavojnice.

4. Testirajte jedinicu

Priključite USB napajanje, prekidač za napajanje, priključak za audio telefon i postavite sve ožičenje i kablove kako biste osigurali dobro prianjanje u kućište. Vrućim ljepilom držite predmete na mjestu kako biste bili sigurni da nema ničega što može zveckati. Kao u prethodnom koraku, učitajte kôd testa i provjerite rade li sve zavojnice prema očekivanjima.

Provjerite da li se USB napajanje ispravno puni kada je spojeno spolja. Uvjerite se da ima dovoljno slobodnog prostora za priključivanje Arduino IDE kabela.

5. Izrežite izgled ekrana

Postavite ekran u središte kutije i označite rubove LCD ekrana na prednjoj ploči spremni za izrezivanje otvora. Pomoću zanatskog noža i metalnog ravnala pažljivo zarežite poklopac kućišta i izrežite otvor.

Nakon brušenja i turpijanja za pažljivo oblikovanje poklopca, osiguravajući pritom da se sve komponente, ploče, ožičenje i zaslon drže na odstojnicima i vrućim ljepilom.

7. Napravite štitnik od sunca

Pronašao sam staro crno kućište koje sam uspio izrezati u oblik i koristiti kao štitnik za sunce kao što je prikazano na gornjim fotografijama. Zalijepite ovo na prednju ploču koristeći dvodijelni epoksid od 5 minuta.

Korak 6: Pričvrstite ručku i kućište na glavu detektora

Sada kada su elektronika i glava detektora izgrađeni, preostaje samo sigurno dovršiti montažu jedinice.

1. Pričvrstite glavu na ručku

Izmijenite zglob ručke kako biste ga mogli pričvrstiti na glavu pomoću dva vijka. U idealnom slučaju, želite minimizirati količinu metala u blizini zavojnica, pa za pričvršćivanje na glavu upotrijebite male vijke za drvo i puno 5 -minutnog 2 -dijelnog epoksidnog ljepila. Pogledajte fotografije iznad.

2. Ožičenje glave pomoću čipke

Korištenjem kabelskih vezica pažljivo ožičite ožičenje dodavanjem vezica za kablove svakih 10 cm duž oklopljenog ožičenja. Pobrinite se da osigurate najbolji položaj za kućište tako da možete lako vidjeti ekran, doći do kontrola i priključiti slušalice/utikače.

3. Priključite elektroniku na ručku

Izradite montažni blok od 45 stupnjeva od MDF -a kako biste mogli pričvrstiti kućište pod kutom, što znači da ćete, dok pomerate detektor po tlu, lako vidjeti TFT zaslon. Pogledajte gornju sliku.

Pričvrstite elektroničko kućište na ručku pomoću kabelskih vezica koje prolaze kroz montažni blok i u kućište kroz prethodno izbušene montažne rupe.

4. Dovršite glavu detektora

Zavojnice glave detektora moraju biti fiksirane bez pomicanja u ožičenju, pa je ovo dobro vrijeme za korištenje vrućeg ljepila za temeljito pričvršćivanje svih zavojnica na mjestu.

Glava detektora također mora biti vodootporna pa je važno raspršiti MDF čistom brtvilom (pazite da brtvilo ne sadrži metal iz očiglednih razloga).

Izbušite rupe od 5 mm u sredini svake zavojnice i provucite plastične cijevi dimenzija 5 mm x 30 mm da biste mogli gurnuti drvene ražnjeve u tlo ispod čim zašiljete metu. Pištoljem za vruće ljepilo pričvrstite ga na mjesto.

Zatim sam gornji dio glave pokrio plastičnom pločom, a donji dio debelim plastičnim omotom za knjige, dok sam ivicu završio fleksibilnom cijevi električnog vodova izrezanom i vruće zalijepljenom na mjesto.

Korak 7: Završna montaža i testiranje

1. Punjenje

Stavite standardni punjač za mobitele u Micro USB priključak i provjerite je li jedinica dovoljno napunjena.

2. Otpremite kôd

Za učitavanje priloženog koda upotrijebite Arduino IDE.

3. Dugme za isključivanje zvuka

Jedinica je prema zadanim postavkama isključena pri uključivanju. Ovo je označeno crvenim dugmetom za isključivanje zvuka u donjem LHS ekranu. Da biste omogućili zvuk, pritisnite ovo dugme i dugme bi trebalo da postane zeleno označavajući omogućen zvuk.

Kada isključite zvuk, unutrašnji zujalica i vanjski audio telefonski priključak će proizvesti zvuk.

4. Kalibracija

Kalibracija vraća trag na dno ekrana ispod linija praga. Prilikom prvog uključivanja uređaj će se automatski kalibrirati. Uređaj je izuzetno stabilan, međutim, ako postoji potreba za ponovnom kalibracijom, to se može učiniti dodirom na tipku za kalibraciju na ekranu koja će se ponovno kalibrirati za manje od sekunde.

5. Pragovi

Ako signal na bilo kojem tragu prelazi liniju praga (isprekidana linija na ekranu), a tipka za isključivanje zvuka je isključena, tada će se proizvesti audio signal.

Ovi pragovi se mogu podešavati gore i dolje dodirivanjem ekrana iznad ili ispod svake linije traga.

6. Podešavanje PW i DLY

Trajanje impulsa do zavojnice i kašnjenje između impulsa mogu se podesiti putem ekrana osjetljivog na dodir. Ovo je zaista mjesto za eksperimentiranje tako da se različita okruženja i blaga mogu testirati za najbolje rezultate.

7. Vrste prikaza

Postoje 4 različite vrste prikaza

Opcija prikaza 1: Položaj mete ispod glave detektora Moja namjera je bila koristiti 4 zavojnice za triangulaciju položaja mete ispod glave detektora. Nelinearna priroda zavojnica za pretraživanje učinila je ovo izazovnim, međutim animirani-g.webp

Opcija prikaza 2: Prikaži trag signala za svaku zavojnicu za pretraživanje Ovo vam omogućava da pratite gdje se ciljni objekt nalazi ispod glave iscrtavanjem nezavisnog traga jačine signala na ekranu za svaku zavojnicu za pretraživanje. Ovo je korisno za utvrđivanje imate li dvije mete blizu jedno ispod drugog detektora i relativnu snagu.

Opcija prikaza 3: Isto kao opcija 2, međutim, s debljom linijom olakšava pregled.

Opcija prikaza 4: Isto kao opcija 2, međutim, crta preko 5 ekrana prije brisanja traga. Dobro za hvatanje slabih signala.

U narednih nekoliko sedmica testiram na terenu pa ću objavljivati sve nalaze blaga.

Sada se idite zabaviti i pronađite blago !!

Korak 8: Epilog: Varijacije zavojnica

Bilo je mnogo dobrih, zanimljivih pitanja i prijedloga o konfiguracijama zavojnica. U razvoju ove instrukcije bilo je mnogo eksperimenata s različitim konfiguracijama zavojnica koje vrijedi spomenuti.

Gornje slike prikazuju neke zavojnice koje sam probao prije nego što sam se odlučio za trenutni dizajn. Ako imate dodatnih pitanja, pošaljite mi poruku.

Na vama je da eksperimentišete dalje!

Prva nagrada u Invention Challengeu 2017

Prva nagrada na istraživačkom naučnom takmičenju 2017