Semplice rivelatore di metalli Arduino: 8 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 09:59

*** È stata pubblicata una nuova versione ancora più semplice: https://www.instructables.com/Minimal-Arduino-Metal-Detector/ ***

Il rilevamento dei metalli è un ottimo passatempo che ti porta all'aperto, scopre nuovi posti e magari trova qualcosa di interessante. Controlla le tue normative locali su come comportarti in caso di un eventuale ritrovamento, in particolare in caso di oggetti pericolosi, reperti archeologici o oggetti di significativo valore economico o emotivo.

Le istruzioni per i metal detector fai da te sono tante, ma questa ricetta è particolare nel senso che richiede pochissimi componenti oltre ad un microcontrollore Arduino: un comune condensatore, resistore e diodo formano il nucleo, insieme ad una bobina di ricerca composta da circa 20 avvolgimenti di cavi elettricamente conduttori. Vengono quindi aggiunti dei LED, un altoparlante e/o una cuffia per segnalare la presenza di metallo vicino alla bobina di ricerca. Un ulteriore vantaggio è che tutto può essere alimentato da una singola alimentazione da 5V, per la quale è sufficiente una comune alimentazione USB da 2000mAh e durerà molte ore.

Interpretare i segnali e capire a quali materiali e forme è sensibile il rivelatore, aiuta davvero a capire la fisica. Come regola empirica, il rilevatore è sensibile agli oggetti a distanza o profondità fino al raggio della bobina. È più sensibile agli oggetti in cui una corrente può fluire nel piano della bobina e la risposta corrisponderà all'area dell'anello di corrente in quell'oggetto. Quindi un disco metallico nel piano della bobina darà una risposta molto più forte dello stesso disco metallico perpendicolare alla bobina. Il peso dell'oggetto non conta molto. Un sottile foglio di alluminio orientato sul piano di una bobina darà una risposta molto più forte di un bullone di metallo pesante.

Passaggio 1: principio di funzionamento

Quando l'elettricità inizia a fluire attraverso una bobina, crea un campo magnetico. Secondo la legge di induzione di Faraday, un campo magnetico variabile si tradurrà in un campo elettrico che si oppone al cambiamento del campo magnetico. Pertanto, si svilupperà una tensione attraverso la bobina che si oppone all'aumento di corrente. Questo effetto è chiamato autoinduttanza e l'unità di induttanza è Henry, dove una bobina di 1 Henry sviluppa una differenza di potenziale di 1V quando la corrente cambia di 1 Ampere al secondo. L'induttanza di una bobina con N avvolgimenti e raggio R è di circa 5µH x N^2 x R, con R in metri.

La presenza di un oggetto metallico vicino a una bobina ne modificherà l'induttanza. A seconda del tipo di metallo, l'induttanza può aumentare o diminuire. I metalli non magnetici come il rame e l'alluminio vicino a una bobina riducono l'induttanza, perché un campo magnetico variabile indurrà correnti parassite nell'oggetto che riducono l'intensità del campo magnetico locale. I materiali ferromagnetici, come il ferro, vicino a una bobina aumentano la sua induttanza perché i campi magnetici indotti si allineano con il campo magnetico esterno.

La misura dell'induttanza di una bobina può quindi rivelare la presenza di metalli nelle vicinanze. Con un Arduino, un condensatore, un diodo e un resistore è possibile misurare l'induttanza di una bobina: facendo parte della bobina di un filtro LR passa-alto e alimentandola con un'onda di blocco, si creeranno brevi picchi ad ogni transizione. La lunghezza dell'impulso di questi picchi è proporzionale all'induttanza della bobina. Infatti il tempo caratteristico di un filtro LR è tau=L/R. Per una bobina di 20 avvolgimenti e un diametro di 10 cm, L ~ 5µH x 20^2 x 0,05 = 100µH. Per proteggere Arduino dalle sovracorrenti, la resistenza minima è di 200 Ohm. Ci aspettiamo quindi impulsi con una lunghezza di circa 0,5 microsecondi. Questi sono difficili da misurare direttamente con alta precisione, dato che la frequenza di clock dell'Arduino è di 16MHz.

Invece, l'impulso crescente può essere utilizzato per caricare un condensatore, che può quindi essere letto con la conversione da analogico a digitale di Arduino (ADC). La carica prevista da un impulso di 0,5 microsecondi di 25 mA è 12,5 nC, che darà 1,25 V su un condensatore da 10 nF. La caduta di tensione sul diodo ridurrà questo. Se l'impulso viene ripetuto alcune volte, la carica sul condensatore sale a ~2V. Questo può essere letto con l'ADC Arduino usando analogRead(). Il condensatore può quindi essere scaricato rapidamente cambiando il pin di lettura in output e impostandolo a 0V per alcuni microsecondi. L'intera misurazione richiede circa 200 microsecondi, 100 per la carica e il ripristino del condensatore e 100 per la conversione dell'ADC. La precisione può essere notevolmente migliorata ripetendo la misurazione e calcolando la media del risultato: prendere la media di 256 misurazioni richiede 50 ms e migliora la precisione di un fattore 16. L'ADC a 10 bit raggiunge la precisione di un ADC a 14 bit in questo modo.

Questa misura ottenuta è altamente non lineare con l'induttanza della bobina e quindi non adatta a misurare il valore assoluto dell'induttanza. Tuttavia, per il rilevamento dei metalli siamo interessati solo a piccoli cambiamenti relativi dell'induttanza della bobina dovuti alla presenza di metalli vicini, e per questo questo metodo è perfettamente adatto.

La calibrazione della misura può essere eseguita automaticamente nel software. Se si può presumere che la maggior parte delle volte non ci sia metallo vicino alla bobina, una deviazione dalla media è un segnale che il metallo si è avvicinato alla bobina. L'utilizzo di colori o toni diversi permette di discriminare tra un aumento improvviso o un calo improvviso dell'induttanza.

Passaggio 2: componenti richiesti

Nucleo elettronico:

Arduino UNO R3 + scudo prototipo O Arduino Nano con scheda prototipo 5x7cm

condensatore 10nF

Diodo di piccolo segnale, ad es. 1N4148

Resistenza da 220 ohm

Per potenza:

Power bank USB con cavo

Per output visivo:

2 LED di colore diverso ad es. blu e verde

2 resistori da 220Ohm per limitare le correnti

Per l'uscita audio:

Cicalino passivo

Microinterruttore per disattivare il suono

Per l'uscita degli auricolari:

Connettore per auricolari

Resistenza da 1kOhm

Auricolari

Per collegare/scollegare facilmente la bobina di ricerca:

Morsetto a vite a 2 pin

Per la bobina di ricerca:

~5 metri di cavo elettrico sottile

Struttura per contenere la bobina. Deve essere rigido ma non deve essere circolare.

Per la struttura:

Bastone da 1 metro, ad es. bastone di legno, plastica o selfie.

Passaggio 3: la bobina di ricerca

Per la bobina di ricerca, ho avvolto ~4 m di filo intrecciato attorno a un cilindro di cartone con un diametro di 9 cm, ottenendo circa 18 avvolgimenti. Il tipo di cavo è irrilevante, purché la resistenza ohmica sia almeno dieci volte inferiore al valore di R nel filtro RL, quindi assicurati di rimanere al di sotto dei 20 Ohm. Ho misurato 1 Ohm, quindi è sicuro. Anche solo prendere un rotolo di cavo di collegamento da 10 m semilavorato funziona!

Passaggio 4: una versione prototipo

Dato l'esiguo numero di componenti esterni, è perfettamente possibile montare la circuiteria sulla piccola breadboard di uno shield prototipo. Tuttavia, il risultato finale è piuttosto ingombrante e poco robusto. È meglio usare un Arduino nano e saldarlo con i componenti extra su una scheda prototipo di 5x7 cm (vedi passaggio successivo)

Solo 2 pin Arduino vengono utilizzati per l'effettivo rilevamento del metallo, uno per fornire gli impulsi al filtro LR e uno per leggere la tensione sul condensatore. L'impulso può essere eseguito da qualsiasi pin di uscita, ma la lettura deve essere eseguita con uno dei pin analogici A0-A5. Altri 3 pin vengono utilizzati per 2 LED e per l'uscita audio.

Ecco la ricetta:

1. Sulla breadboard, collegare in serie la resistenza da 220Ohm, il diodo e il condensatore da 10nF, con il terminale negativo del diodo (la linea nera) verso il condensatore.
2. Collegare A0 al resistore (l'estremità non collegata al diodo)
3. Collegare A1 al punto d'incrocio del diodo e del condensatore
4. Collegare il terminale non connesso del condensatore a terra
5. Collegare un'estremità della bobina al punto di incrocio resistore-diodo
6. Collegare l'altra estremità della bobina a terra
7. Collegare un LED con il suo terminale positivo al pin D12 e il suo terminale negativo attraverso un resistore da 220 Ohm a terra
8. Collega l'altro LED con il suo terminale positivo al pin D11 e il suo terminale negativo attraverso un resistore da 220Ohm a terra
9. Facoltativamente, collegare una cuffia con cicalino passivo o un altoparlante tra il pin 10 e la massa. È possibile aggiungere un condensatore o un resistore in serie per ridurre il volume

È tutto!

Passaggio 5: una versione saldata

Per portare il metal detector all'esterno, sarà necessario saldarlo. Una comune scheda prototipo da 7x5 cm si adatta comodamente a un Arduino nano e a tutti i componenti necessari. Usa gli stessi schemi del passaggio precedente. Ho trovato utile aggiungere un interruttore in serie al buzzer per spegnere il suono quando non serve. Un terminale a vite permette di provare diverse bobine senza dover saldare. Il tutto è alimentato tramite i 5V in dotazione alla porta (mini o micro-USB) dell'Arduino Nano.

Passaggio 6: Il software

Lo sketch di Arduino utilizzato è allegato qui. Caricalo ed eseguilo. Ho usato Arduino 1.6.12 IDE. Si consiglia di eseguirlo con debug=true all'inizio, per regolare il numero di impulsi per misurazione. La cosa migliore è avere una lettura ADC tra 200 e 300. Aumentare o diminuire il numero di impulsi nel caso in cui la bobina fornisca letture drasticamente diverse.

Lo schizzo fa una sorta di autocalibrazione. È sufficiente lasciare la coil lontana dai metalli per farla tacere. Verranno seguite lente derive nell'induttanza, ma improvvisi grandi cambiamenti non influenzeranno la media a lungo termine.

Passaggio 7: montarlo su un bastone

Dal momento che non vorrai fare le tue cacce al tesoro strisciando sul pavimento, le tre schede, la bobina e la batteria dovrebbero essere montate all'estremità di un bastone. Un selfie-stick è l'ideale per questo, poiché è leggero, pieghevole e regolabile. Il mio powerbank da 5000 mAh si è adattato al selfie stick. La scheda può quindi essere fissata con fascette o elastici e la bobina può essere similmente alla batteria o allo stick.

Passaggio 8: come usarlo

Per stabilire il riferimento è sufficiente lasciare la bobina a ~5s di distanza dai metalli. Quindi, quando la bobina si avvicina ad un metallo, il LED verde o blu inizierà a lampeggiare e verranno prodotti dei beep nel cicalino e/o nelle cuffie. Lampi blu e segnali acustici a bassa frequenza indicano la presenza di metalli non ferromagnetici. Lampeggiamenti verdi e segnali acustici acuti indicano la presenza di metalli ferromagnetici. Fare attenzione che quando la bobina viene tenuta per più di 5 secondi vicino al metallo, prenderà quella lettura come riferimento e inizierà a emettere un segnale acustico quando il rilevatore viene rimosso dal metallo. Dopo alcuni secondi di bip nell'aria, tornerà a essere silenzioso. La frequenza dei lampeggi e dei bip indicano l'intensità del segnale. Buona caccia!