Localizzatore di metalli tascabile - Arduino: 8 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:04

Di TechKiwiGadgetsTechKiwiGadgets su InstagramSegui di più dell'autore:

Informazioni: Pazzo per la tecnologia e le possibilità che può portare. Amo la sfida di costruire cose uniche. Il mio obiettivo è rendere la tecnologia divertente, rilevante per la vita di tutti i giorni e aiutare le persone ad avere successo nella costruzione di fantastici … Ulteriori informazioni su TechKiwiGadgets »

Questo piccolo localizzatore tascabile in metallo è abbastanza sensibile da identificare piccoli chiodi e puntine nel legno e abbastanza compatto da adattarsi a spazi scomodi, rendendolo comodo da trasportare e utilizzare per la localizzazione del metallo.

L'unità dispone di quattro bobine di ricerca indipendenti e indicatori LED a colori che facilitano la copertura rapida di un'area di ricerca più ampia, pur essendo in grado di identificare con precisione il bersaglio.

Questo piccolo dispositivo si autocalibra con un solo pulsante, ricaricabile tramite una porta USB e utilizza LED colorati, suoni e vibrazioni per indicare la forza del bersaglio.

Inclusi nell'istruzione sono tutti i progetti, i test, il codice e i file 3D necessari per costruire da soli. Spero che ti divertirai a costruire e usare questo tanto quanto me!!

Passaggio 1: elenco dei materiali e come funziona

1. Come funziona

Il Pocket Metal Locator utilizza quattro bobine di ricerca a induzione a impulsi indipendenti alimentate da un Arduino Pro Mini. Ogni bobina di ricerca è composta da una bobina TX e RX separata in cui viene indotto un impulso nella bobina TX che crea un campo elettromagnetico attorno alla bobina RX. Il campo variabile induce una tensione nella bobina RX che viene rilevata e amplificata prima che l'ampiezza dell'impulso del segnale venga letta dall'Arduino.

Un algoritmo di livellamento nel codice Arduino viene utilizzato per rimuovere il rumore dagli impulsi validi rendendolo molto stabile.

Un algoritmo di calibrazione nel codice prende una media di letture in un breve periodo di avvio e imposta una serie di soglie con cui confrontare il segnale.

Quando un oggetto metallico entra nel raggio del campo elettromagnetico, il campo viene interrotto e parte dell'energia viene deviata dalla bobina RX in "correnti Eddie" che si formano nell'oggetto bersaglio. Questo effetto parassita dell'oggetto target determina la riduzione dell'ampiezza dell'impulso rilevata nella bobina RX. Essenzialmente stiamo misurando la perdita di potenza nell'oggetto target.

Quando l'ampiezza dell'impulso rilevata nella bobina RX scende al di sotto della soglia, i LED si accendono, il cicalino suona e il motore di feedback aptico viene attivato, a seconda di una dimensione predeterminata del segnale target.

Il circuito per questo si è evoluto nell'ultimo anno in un rivelatore molto stabile e affidabile. La configurazione e l'orientamento della bobina sono stati deliberatamente progettati per massimizzare la stabilità e il rilevamento della profondità.

2. Elenco dei materiali

1. Dimensioni della batteria LiPo da 3,7 V 350 mAh: 38 mm x 20 mm x 7,5 mm
2. TP4056 Caricabatteria USB LiPo Scheda tecnica
3. Resistenza da 4,7 K per limitare la corrente di carica della batteria LiPo a meno di 300 mA
4. Arduino Pro Mini
5. Modulo FTDI da USB a seriale per la programmazione del Mini Pro
6. Circuito integrato comparatore differenziale quad LM339
7. Vero Board - 2 pezzi tagliati a 20x9 fori e 34x9 (vedi foto per il corretto orientamento)
8. Transistor NPN BC548 x 4
9. Interruttore MOSFET 2N7000 x 5
10. Cicalino piezoelettrico
11. Motore a vibrazione a moneta per feedback tattile
12. Modulo LED RGB WS2812 x 4
13. Resistenza 1k x 4
14. Resistenza 10k x 4
15. Resistenza da 47 Ohm x 4
16. Resistenza 2.2K x 4
17. Condensatore ceramico 150pf x 8
18. Condensatore in poliestere 0,18uF x 4
19. Rotolo di filo di rame smaltato da 0,3 mm (normalmente disponibile in rotoli di circa 25 g di peso)
20. Interruttore a pulsante montato su PCB
21. Pistola per colla a caldo
22. Punta da trapano da 10 mm
23. Trapano portatile
24. Etichetta pistola o nastro adesivo adatto per etichettare 16 fili separati Cavo di collegamento
25. Accesso a una stampante 3D

3. Funzionamento del comparatore

Ho avuto una serie di domande sul funzionamento dell'LM339, quindi ho pensato di dare una spiegazione più chiara.

L'LM339 funziona esclusivamente come comparatore di tensione, confrontando la tensione differenziale tra i pin positivo e negativo e emettendo un'impedenza logica bassa o alta (logica alta con pullup) in base alla polarità differenziale di ingresso.

In questo circuito, l'ingresso positivo del comparatore è collegato alla linea Vcc e all'uscita del comparatore è applicata una resistenza di pull-up a Vcc. In questa configurazione, in pratica, la tensione di uscita del comparatore rimane alta, fino a quando la tensione di ingresso sull'ingresso negativo supera i 3.5v

L'operazione può essere spiegata dalla scheda tecnica LM339 che delinea il "intervallo di tensione di ingresso" compreso tra 0 V e Vsup-1,5 V

Quando sia IN– che IN+ rientrano entrambi nell'intervallo di modo comune, se IN– è inferiore a IN+ e alla tensione di offset, l'uscita è ad alta impedenza e il transistor di uscita non è in conduzione

Quando IN– è superiore al modo comune e IN+ è all'interno del modo comune, l'uscita è bassa e il transistor di uscita assorbe corrente. Link alla scheda tecnica e spiegazione sotto

Passaggio 2: stampa la custodia

La custodia stampata in 3D è stata realizzata utilizzando 5 stampe separate. Le dimensioni e i file 3D possono essere trovati qui su Thingiverse. Il design era incentrato sul rendere il dispositivo facile da tenere in mano, garantendo al contempo che le bobine di ricerca fossero il più vicino all'area da cercare.

Stampa con attenzione la custodia e rimuovi la plastica in eccesso. È importante eseguire questo passaggio ora in modo che i componenti elettronici possano essere allineati nella custodia prima del collegamento e del test finali.

Ho incluso un'immagine di diversi design di case che ho testato prima di stabilirmi sul design finale che era più compatto ed ergonomicamente piacevole da tenere in mano.

Passaggio 3: costruire e montare le bobine di ricerca

Prendi i formatori della bobina stampati e avvolgi 25 giri di filo di rame su ciascuno di essi. Assicurati di lasciare 20 cm di filo di rame in più per il collegamento all'unità principale.

Usa i fori stampati nelle forme per consentire un vento e un orientamento costanti delle bobine per ciascuna forma. Mentre lo fai, capovolgi il primo e incollalo progressivamente nell'unità base.

Seguire l'assemblaggio della foto come fornito, il risultato è 8 bobine montate nell'assieme della bobina con tutti i fili orientati in modo coerente e abbastanza lunghi da collegarsi all'unità della scheda principale nell'involucro superiore.

Usa i due blocchi guida del filo che hanno fori per ogni bobina sulla base stampata per tenere traccia di ogni bobina specifica.

Ho posizionato i cavi per le bobine interne lungo la parte superiore e le bobine esterne lungo la parte inferiore del blocco di cavi in modo da poter tenere traccia di ogni bobina specifica che rende più facile il collegamento alla scheda madre.

Passaggio 4: costruire il circuito

L'unità dispone di quattro circuiti chiave da costruire in modo indipendente: scheda driver, scheda madre, gruppo LED e alimentatore ricaricabile. In questo passaggio, costruiremo la scheda driver e la scheda madre.

1. Scheda conducente

Usa un taglierino per tagliare un pezzo di Vero Board lungo i fori 22x11, il risultato è un pezzo di Vero Board con fori 20x9 orientati come nell'immagine inclusa. È meglio segnare più volte attraverso i fori su entrambi i lati della tavola, quindi staccare delicatamente la tavola in eccesso. Verificare che la scheda si trovi nella base del contenitore con spazio sufficiente su entrambi i lati.

Usando le foto e una punta da trapano da 10 mm a mano, rompere con cura i puntini mostrati sul fondo della Vero Board. Seguire lo schema del circuito e il layout della foto dei componenti per assemblare il circuito facendo attenzione a garantire che non ci siano tracce in cortocircuito.

Metti da parte questa scheda per i test successivi.

2. Scheda principale

Usa un taglierino per tagliare un pezzo di Vero Board lungo i fori 36x11, il risultato è un pezzo di Vero Board con 34x9 fori orientati come nell'immagine inclusa. È meglio segnare più volte attraverso i fori su entrambi i lati della tavola, quindi staccare delicatamente la tavola in eccesso. Verificare che la scheda si trovi nella base del contenitore con spazio sufficiente su entrambi i lati.

Usando le foto e una punta da trapano da 10 mm a mano, rompere con cura i puntini mostrati sul fondo della Vero Board.

Segui lo schema del circuito e il layout della foto dell'Arduino e dell'IC LM339 e di altri componenti per assemblare il circuito facendo attenzione a garantire che non ci siano tracce in cortocircuito.

Metti da parte questa scheda per i test successivi.

Passaggio 5: aggiungere indicatori LED

Ho usato i LED WS2182 che hanno un IC integrato che consente loro di essere indirizzati da Arduino utilizzando tre fili separati, tuttavia è possibile creare un'ampia gamma di colori e luminosità inviando un comando al LED. Questo viene fatto attraverso una libreria speciale caricata nell'IDE di Arduino trattata nella sezione di test.

1. Montaggio dei LED nel coperchio della custodia della bobina

Posizionare con cura i quattro LED in modo che siano orientati correttamente in modo che le connessioni VCC e GND siano allineate e si trovino al centro dei fori.

Usa la colla a caldo per fissare i LED in posizione.

2. Cablaggio dei LED

Spellare e posizionare con cura tre lunghezze di 25 cm di cavo di collegamento unipolare attraverso i contatti dei LED.

Saldarli in posizione e assicurarsi che il cavo dati centrale sia collegato ai contatti IN e OUT come da foto.

3. Controllo dell'allineamento della cassa

Verificare che il coperchio della custodia sia a filo con l'involucro della bobina, quindi utilizzare la colla a caldo per tenere i fili in posizione all'estremità della base del coperchio.

Mettilo da parte per testarlo in seguito.

Passaggio 6: assemblaggio e test dell'unità

1. Preparazione per il montaggio

Prima di assemblare, testeremo progressivamente ogni scheda per facilitare la risoluzione dei problemi.

Arduino Pro Mini richiede una scheda seriale USB per essere programmato dal tuo PC. Ciò consente alla scheda di essere di dimensioni inferiori in quanto non dispone di un'interfaccia seriale. Per programmare queste schede dovrai investire nell'ottenerne una come indicato nell'elenco delle parti.

Prima di caricare il codice Arduino sarà necessario aggiungere la libreria "FastLED.h" come libreria per pilotare i LED WS2182. È stata fornita una serie di tracce dell'oscilloscopio per la risoluzione dei problemi in caso di problemi.

C'è anche uno screenshot dell'output dei dati seriali IDE utilizzando la funzione Graph Plot che mostra l'output della larghezza di impulso di ciascuno dei canali e il valore di soglia. Questo è utile durante i test poiché puoi vedere se ogni canale sta funzionando a livelli simili di sensibilità.

Ho incluso due copie del codice. Uno ha lo streaming di dati seriali di prova per la risoluzione dei problemi.

NOTA: non collegare l'unità LiPo Battery fino all'ultimo passaggio poiché un cortocircuito accidentale durante il montaggio può causare il surriscaldamento dell'unità o addirittura l'incendio.

2. Prova la scheda madre

Prima di collegare la scheda madre a qualsiasi cosa è consigliabile collegare il cavo seriale Arduino e verificare che il codice venga caricato.

Questo verificherà semplicemente che Arduino sia fisicamente cablato correttamente e che l'IDE e le librerie siano caricate. Carica il codice tramite l'IDE che dovrebbe caricarsi senza errori e nessun fumo dovrebbe uscire da alcun componente!!

3. Collegare la scheda driver

Seguire lo schema del circuito per collegare la scheda driver alla scheda madre e posizionare fisicamente l'unità nella custodia per garantire che gli elementi si adattino all'interno della custodia. Questo è un caso di tentativi ed errori e richiede persistenza.

Carica il codice tramite l'IDE che dovrebbe caricarsi senza errori e nessun fumo dovrebbe uscire da alcun componente!!

4. Collegare le bobine Seguire lo schema del circuito per collegare le bobine alla scheda madre e posizionare fisicamente l'unità nella custodia per assicurarsi che gli elementi si adattino in modo appropriato. Assicurati che le bobine siano allineate con gli ingressi della scheda driver e della scheda madre come da schema elettrico.

Con il codice di test caricato, la porta seriale visualizzerà l'ampiezza dell'impulso sulla bobina di ricezione da qualche parte tra 5000 - 7000uS. Questo può essere visualizzato anche utilizzando il plotter grafico IDE.

Ciò ti consentirà di risolvere i problemi di ciascuno dei canali e anche di vedere l'effetto dello spostamento di una moneta vicino alla bobina di ricerca che dovrebbe ridurre la larghezza dell'impulso man mano che il bersaglio si avvicina alla bobina di ricerca.

Se hai un oscilloscopio puoi anche controllare le forme d'onda nelle varie fasi del circuito per diagnosticare i problemi.

Una volta che tutti i canali funzionano come previsto, posizionare i fili in modo che l'involucro della custodia si assembla e si chiude correttamente.

5. Collegare i LED

Prendi con cautela i tre fili dai LED del contenitore della bobina e collegali alla scheda principale. Caricare il codice e verificare che i LED funzionino correttamente. Utilizzare la colla per fissare in posizione il coperchio dell'involucro della bobina.

Passaggio 7: collegamento della batteria ricaricabile

NOTA:

1. Non collegare l'unità LiPo Battery fino all'ultimo passaggio poiché un cortocircuito accidentale durante l'assemblaggio può causare il surriscaldamento dell'unità o addirittura l'incendio.

2. Quando si maneggia la batteria e il caricabatterie, assicurarsi di fare attenzione a non cortocircuitare i collegamenti della batteria.

3. Le batterie LiPo sono diverse dalle altre ricaricabili e la carica da sovracorrente può essere pericolosa, quindi assicurati di configurare correttamente il circuito di carica.

4. Non collegare il cavo seriale Arduino all'unità quando il pulsante di accensione è premuto, altrimenti la batteria potrebbe danneggiarsi.

1. Modificare il limite di corrente del caricabatterie

Il Pocket Metal Locator utilizza una batteria LiPo che può essere caricata utilizzando un caricatore per telefono Micro USB. La scheda caricabatterie USB LiPo Batt TP4056 viene prima modificata con una resistenza da 4,7 K per limitare la corrente di carica a meno di 300 mA. La guida su come farlo può essere trovata qui.

Ciò richiede di rimuovere il resistore montato sulla superficie esistente e sostituirlo con un resistore come mostrato nella foto. Una volta posizionato, proteggere qualsiasi movimento non pianificato della resistenza con una pistola per colla a caldo.

Prima di connetterti alla scheda madre, verifica che il caricabatterie funzioni correttamente collegando un caricabatterie per cellulare con una porta Micro USB. La spia di ricarica rossa dovrebbe accendersi quando funziona correttamente.

2. Installare l'interruttore di alimentazione a pulsante

Assicurarsi che il pulsante sia montato nella posizione corretta in modo che sporga attraverso il centro del coperchio della custodia, quindi saldare il pulsante in posizione. Installare i cavi tra l'interruttore a pulsante e l'uscita del caricatore e la linea VCC sull'Arduino secondo lo schema del circuito.

Se installato correttamente, premendo l'interruttore si attiverà l'unità.

Fissare la batteria in posizione utilizzando la colla a caldo e assicurarsi che la presa Micro USB sia allineata al foro nel coperchio della custodia in modo che possa essere caricata.

Passaggio 8: test finali e funzionamento

1. Assemblaggio fisico

Il passaggio finale consiste nel riorganizzare con cura i fili in modo che la custodia si chiuda correttamente. Usa la colla a caldo per fissare la scheda madre al coperchio e poi chiudi il coperchio in posizione.

2. Funzionamento dell'unità

L'unità funziona calibrando dopo aver premuto e tenuto premuto il pulsante di accensione. Tutti i LED lampeggeranno quando l'unità sarà pronta per essere utilizzata. Tenere premuto il pulsante durante la ricerca. I LED cambiano da Blu-Verde, Rosso, Viola in base alla forza dell'oggetto target. Il feedback tattile si verifica quando i LED diventano viola.

Non sei pronto per l'uso per applicazioni pratiche!!