Rilevatore di metalli ecologico - Arduino: 8 passaggi (con immagini)

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

Il rilevamento dei metalli è molto divertente. Una delle sfide è essere in grado di restringere il punto esatto in cui scavare per ridurre al minimo le dimensioni del buco lasciato indietro.

Questo esclusivo metal detector ha quattro bobine di ricerca, un touch screen a colori per identificare e individuare la posizione del ritrovamento.

Incorpora la calibrazione automatica, un alimentatore USB ricaricabile, con quattro diverse modalità dello schermo, la frequenza e la regolazione della larghezza dell'impulso che ti consentono di personalizzare la tua ricerca.

Una volta individuato il tesoro, un unico foro centrato sopra ogni bobina consente di utilizzare uno spiedino di legno per infilarlo nella terra in modo da poter iniziare a scavare un piccolo tassello da terra riducendo i danni all'ambiente.

Ogni bobina può individuare monete e anelli a una profondità di 7-10 cm, quindi è l'ideale per cercare monete e anelli persi intorno a parchi e spiagge.

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Un grande ringraziamento - Se hai premuto il pulsante di voto nell'angolo in alto a destra per le competizioni "Invention Challenge" ed "Explore Science"!!!

grazie molto, TechKiwi

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Passaggio 1: la scienza dietro il rilevamento dei metalli

Progettazione di rilevamento dei metalli

Esistono più varianti di design del rivelatore di metalli. Questo particolare tipo di rivelatore di metalli è un rivelatore a induzione di impulsi che utilizza bobine di trasmissione e ricezione separate.

L'Arduino produce un impulso che viene applicato alla bobina di trasmissione per un periodo di tempo molto breve (4uS) tramite un transistor. Questa corrente dall'impulso provoca la formazione di un campo magnetico improvviso attorno alla bobina, il campo in espansione e collasso induce una tensione nella bobina di ricezione. Questo segnale ricevuto viene amplificato dal transistor ricevente e quindi trasformato in un impulso digitale pulito da un comparatore di tensione e, a sua volta, campionato da un pin di ingresso digitale su Arduino. L'Arduino è programmato per misurare la larghezza dell'impulso dell'impulso ricevuto.

In questo progetto, l'ampiezza dell'impulso ricevuto è determinata dall'induttanza della bobina di ricezione e da un condensatore. Senza oggetti nel raggio d'azione, l'ampiezza dell'impulso della linea di base misura circa 5000 uS. Quando oggetti metallici estranei entrano nel raggio del campo magnetico in espansione e collasso, parte dell'energia viene indotta nell'oggetto sotto forma di correnti parassite. (Induzione elettromagnetica)

Il risultato netto è che l'ampiezza dell'impulso ricevuto è ridotta, questa differenza nell'ampiezza dell'impulso viene misurata dall'Arduino e visualizzata su un display TFT in vari formati.

Opzione di visualizzazione 1: posizione del bersaglio sotto la testa del rivelatore

La mia intenzione era di usare le 4 bobine per triangolare la posizione del bersaglio sotto la testa del rivelatore. La natura non lineare delle bobine di ricerca ha reso questo impegnativo, tuttavia la-g.webp

Opzione di visualizzazione 2: mostra la traccia del segnale per ogni bobina di ricerca

Ciò consente di tracciare dove si trova l'oggetto bersaglio sotto la testa disegnando una traccia di intensità del segnale indipendente sullo schermo per ciascuna bobina di ricerca. Questo è utile per determinare se si hanno due bersagli vicini tra loro sotto la testa del rilevatore e la relativa forza.

Usi pratici

Questo approccio consente di utilizzare la prima vista per identificare un bersaglio e la seconda vista per puntarlo a pochi millimetri come mostrato nel video clip.

Passaggio 2: raccogliere i materiali

Distinta materiali

1. Arduino Mega 2560 (gli articoli 1, 2 e 3 possono essere acquistati come un unico ordine in bundle)
2. Touch Screen TFT LCD da 3,2" (codice incluso per 3 varianti supportate)
3. Schermo TFT da 3,2 pollici Mega
4. Transistor BC548 x 8
5. 0.047uf Condensatore Greencap x 4 (50v)
6. Condensatore 0.1uf Greencap x 1 (50v)
7. Resistenza 1k x 4
8. 47 Resistenza x 4
9. Resistenza 10k x 4
10. Resistenza 1M x 4
11. Resistenza 2.2k x 4
12. Mini interruttore a bilanciere SPST
13. Circuito integrato LM339 Quad differenziale comparatore
14. Diodi di segnale IN4148 x 4
15. Bobina di filo di rame 0,3 mm di diametro x 2
16. Cavo schermato a due anime - diametro 4,0 mm - lunghezza 5 m
17. USB ricaricabile Powerbank 4400mHa
18. Cicalino piezoelettrico
19. Bordo Vero 80x100mm
20. Custodia in plastica di almeno 100 mm di altezza, 55 mm di profondità, 160 mm di larghezza
21. Fascette
22. Legno MDF spessore 6-8 mm - pezzi quadrati 23 cm x 23 cm x 2
23. Cavo di prolunga micro USB 10 cm
24. Cavo USB-A adatto per essere tagliato fino a 10 cm di lunghezza
25. Punto jack audio per cuffie - Stereo
26. Testa del rilevatore di vari distanziatori in legno e plastica
27. Speed Mop Manico per scopa con snodo regolabile (movimento solo un asse - vedi foto)
28. Un pezzo di carta A3
29. Colla stick
30. Taglierina per seghetto alternativo elettrico
31. Foglio A4 Cartone spessore 3mm per creare un formatore di bobine per bobine TX e Rx
32. Nastro adesivo
33. Pistola per colla a caldo
34. Colla elettrica
35. 10 pin di intestazione Arduino aggiuntivi
36. Pin terminali PCB x 20
37. Colla epossidica bicomponente - tempo di asciugatura 5 minuti
38. Coltello Artigianale
39. Tubo in plastica da 5 mm lunghezza 30 mm x 4 (ho usato tubi per sistema di irrigazione da giardino dal negozio di ferramenta)
40. Sigillante impermeabile MDF (assicurarsi che non contenga metallo)
41. Condotto elettrico flessibile da 60 cm - grigio - diametro 25 mm

Passaggio 3: costruire la testa del rilevatore

1. Costruzione del gruppo testa

Nota: ho scelto di costruire una disposizione di montaggio piuttosto complessa per le 8 bobine di filo di rame utilizzate nella testa del rivelatore. Ciò ha comportato il taglio di una serie di fori da due strati di MDF, come si può vedere nelle fotografie sopra. Ora ho completato l'unità che consiglio di utilizzare solo un cerchio ritagliato di 23 cm di diametro e di attaccare le bobine a questo singolo strato di MDF con la colla a caldo. Ciò riduce i tempi di costruzione e significa anche che la testa è più leggera.

Inizia stampando lo stencil fornito su un foglio di carta A3 e poi incollalo sul pannello MDF per fornirti una guida per il posizionamento delle bobine.

Usando un seghetto alternativo elettrico ritaglia con cura un cerchio di 23 cm di diametro dall'MDF.

2. Avvolgimento delle bobine

Usa il cartone per creare due cilindri di 10 cm di lunghezza tenuti insieme con del nastro adesivo. Il diametro delle bobine di trasmissione deve essere 7 cm e le bobine di ricezione 4 cm.

Posiziona la bobina del filo di rame su un picchetto in modo che possa girare liberamente. Fissare l'inizio del filo di rame sul cilindro di cartone usando del nastro adesivo. Avvolgi 40 gira saldamente sul cilindro e poi usa del nastro adesivo per legare l'estremità.

Usa la colla a caldo per fissare insieme le bobine su almeno 8 punti attorno alla circonferenza delle bobine. Quando si è raffreddato, usa le dita per staccare la bobina e poi fissala alla sagoma della testa del Metal Detector usando la colla a caldo. Praticare due fori attraverso l'MDF vicino alla bobina e far passare le estremità della bobina attraverso il lato superiore della testa del metal detector.

Ripeti questo esercizio per costruire e montare 4 bobine di ricezione e 4 bobine di trasmissione. Al termine, dovrebbero esserci 8 coppie di fili che sporgono dalla parte superiore della testa del metal detector.

3. Collegare i cavi schermati

Tagliare la lunghezza di 5 m del cavo bipolare schermato in 8 lunghezze. Spellare e saldare il doppio nucleo a ciascuna bobina di trasmissione e ricezione lasciando lo schermo scollegato all'estremità del cavo del rivelatore.

Testare le bobine e le connessioni dei cavi all'altra estremità di ciascun cavo utilizzando un ohmmetro. Ogni bobina registrerà alcuni Ohm e dovrebbe essere coerente rispettivamente per tutte le bobine di ricezione e trasmissione.

Una volta testato, utilizzare la pistola per colla a caldo per fissare gli 8 cavi al centro della testa del rivelatore pronti per attaccare la maniglia e rifinire la testa.

Il mio consiglio è di spellare e stagnare ciascuno dei nuclei del cavo schermato all'altra estremità in preparazione per i test futuri. Collegare un filo di terra a ciascuna schermatura del cavo poiché questo sarà collegato a terra nell'unità principale. Ciò interrompe l'interferenza tra ciascun cavo.

Usa un multimetro per identificare quale bobina è quale e attacca etichette adesive in modo che possano essere identificate facilmente per il montaggio futuro.

Passaggio 4: assemblare il circuito per il test

1. Assemblaggio tagliere

La mia raccomandazione è di utilizzare una breadboard per configurare e testare il circuito prima di impegnarsi con Vero Board e un recinto. Questo ti dà l'opportunità di adattare i valori dei componenti o modificare il codice se necessario per sensibilità e stabilità. Le bobine di trasmissione e ricezione devono essere collegate in modo che siano avvolte nella stessa direzione e questo è più facile da testare su una breadboard prima di etichettare i fili per il collegamento futuro a Vero Board.

Assemblare i componenti secondo lo schema elettrico e collegare le bobine della testa del rivelatore utilizzando il cavo di collegamento.

Le connessioni all'Arduino sono realizzate al meglio utilizzando il filo di aggancio della breadboard saldato allo shield TFT. Per le connessioni dei pin digitali e analogici ho aggiunto un pin di intestazione che mi ha permesso di evitare la saldatura direttamente sulla scheda Arduino. (Guarda l'immagine)

2. Librerie IDE

Questi devono essere scaricati e aggiunti all'IDE (Integrated Development Environment) che gira sul tuo computer, usato per scrivere e caricare il codice del computer sulla scheda fisica. UTFT.h e URtouch.h che si trovano nel file zip qui sotto

Il credito per UTFT.h e URtouch.h va a Rinky-Dink Electronics Ho incluso questi file zip poiché sembra che il sito Web di origine non sia attivo.

3. Test

Ho incluso un programma di test per gestire la configurazione iniziale in modo da poter affrontare i problemi di orientamento della bobina. Carica il codice di test nell'IDE Arduino e caricalo su Mega. Se tutto funziona dovresti vedere la schermata di test come sopra. Ogni bobina dovrebbe produrre un valore di stato stazionario di circa 4600uS in ciascun quadrante. In caso contrario invertire la polarità degli avvolgimenti sulla bobina TX o RX e riprovare. Se questo non funziona, ti suggerisco di controllare ciascuna bobina singolarmente e di tornare indietro attraverso il circuito per risolvere i problemi. Se ne hai già 2 o 3 funzionanti confrontali con le bobine/circuiti non funzionanti.

Nota: ulteriori test hanno rivelato che i condensatori 0.047uf sul circuito RX influenzano tutta la sensibilità. Il mio consiglio è che una volta che il circuito funziona su una breadboard, prova ad aumentare questo valore e prova con una moneta poiché ho scoperto che questo può migliorare la sensibilità.

Non è obbligatorio, tuttavia, se si dispone di un oscilloscopio, è possibile osservare anche l'impulso TX e l'impulso RX per assicurarsi che le bobine siano collegate correttamente. Vedere i commenti nelle immagini per confermarlo.

NOTA: ho incluso un documento PDF in questa sezione con le tracce dell'oscilloscopio per ogni fase del circuito per aiutare a risolvere eventuali problemi

Passaggio 5: costruire il circuito e l'involucro

Una volta che l'unità è stata testata in modo soddisfacente, puoi fare il passo successivo e costruire il circuito stampato e l'involucro.

1. Preparare l'allegato

Disponi i componenti principali e posizionali nel tuo caso per determinare come tutto si adatterà. Taglia la Vero Board per accogliere i componenti, tuttavia, assicurati di poterla inserire nella parte inferiore del contenitore. Fai attenzione con l'alimentatore ricaricabile poiché può essere piuttosto ingombrante.

Praticare i fori per ospitare l'ingresso posteriore dei cavi della testa, l'interruttore di alimentazione, la porta USB esterna, la porta di programmazione Arduino e il jack audio per cuffie stereo.

Oltre a questo trapano 4 fori di montaggio al centro del lato anteriore della custodia dove sarà la maniglia, questi fori devono essere in grado di far passare una fascetta per cavi attraverso di essi nei passaggi futuri.

2. Assemblare Vero Board

Segui lo schema circuitale e l'immagine sopra per posizionare i componenti sulla scheda Vero.

Ho usato i pin terminali del PCB per consentire un facile collegamento dei cavi della bobina di testa al PCB. Montare il cicalino piezoelettrico sul PCB insieme all'IC e ai transistor. Ho cercato di mantenere i componenti TX, RX allineati da sinistra a destra e mi sono assicurato che tutte le connessioni alle bobine esterne fossero a un'estremità del Vero Boar. (vedi layout in foto)

3. Collegare i cavi della bobina

Costruisci un portacavi per i cavi schermati in ingresso in MDF come mostrato nelle immagini. Consiste in 8 fori praticati nell'MDF per consentire ai cavi di essere allineati ai pin terminali del PCB. Quando si collega ogni bobina, è utile testare il circuito progressivamente per garantire il corretto orientamento della bobina.

4. Testare l'unità

Collega l'alimentatore USB, l'interruttore di alimentazione, il jack audio del telefono e posiziona tutti i cavi e i cavi per assicurarti che si adattino perfettamente alla custodia. Usa la colla a caldo per tenere gli oggetti in posizione per assicurarti che non ci sia nulla che possa sbattere in giro. Come per il passaggio precedente, caricare il codice di test e assicurarsi che tutte le bobine funzionino come previsto.

Verificare che l'alimentatore USB si stia caricando correttamente quando è collegato esternamente. Assicurati che ci sia spazio sufficiente per collegare il cavo IDE di Arduino.

5. Ritaglia l'aspetto dello schermo

Posizionare lo schermo al centro della scatola e contrassegnare i bordi del display LCD sul pannello frontale pronti per ritagliare un'apertura. Usando un taglierino e un righello di metallo, incidi con cura il coperchio della custodia e ritaglia l'apertura.

Una volta levigato e limato per modellare, posizionare con cura il coperchio assicurandosi che tutti i componenti, schede, cablaggio e schermo siano tenuti in posizione con distanziatori e colla a caldo.

7. Costruisci parasole

Ho trovato un vecchio involucro nero che sono riuscito a ritagliare e utilizzare come visiera parasole come mostrato nelle foto sopra. Incollalo sul pannello frontale usando 5 minuti di resina epossidica in due parti.

Passaggio 6: collegare la maniglia e la custodia alla testa del rilevatore

Ora che l'elettronica e la testina del rivelatore sono state costruite, non resta che completare il montaggio dell'unità in modo sicuro.

1. Attacca la testa al manico

Modifica il giunto della maniglia per consentirti di fissarlo alla testa utilizzando due viti. Idealmente, vuoi ridurre al minimo la quantità di metallo vicino alle bobine, quindi usa piccole viti per legno e molta colla epossidica in 2 parti da 5 minuti per fissarla alla testa. Vedi foto sopra.

2. Cablaggio della testa con allacciatura

Usando le fascette per cavi allacciare con cura il cablaggio aggiungendo una fascetta ogni 10 cm lungo il cablaggio schermato. Assicurati di trovare la posizione migliore per la custodia in modo che sia facile vedere lo schermo, raggiungere i comandi e collegare le cuffie/spine.

3. Fissare l'elettronica all'impugnatura

Costruisci un blocco di montaggio a 45 gradi in MDF per consentirti di fissare la custodia ad un angolo che significa che quando stai spazzando il rilevatore sul terreno puoi vedere facilmente il display TFT. Vedi l'immagine sopra.

Fissare la custodia dell'elettronica alla maniglia con fascette per cavi che passano attraverso il blocco di montaggio e nella custodia attraverso i fori di montaggio precedentemente praticati.

4. Finisci la testa del rivelatore

Le bobine della testa del rivelatore devono essere fissate senza alcun movimento nel cablaggio, quindi questo è un buon momento per utilizzare la colla a caldo per fissare completamente tutte le bobine in posizione.

Anche la testa del rivelatore deve essere impermeabile, quindi è importante spruzzare l'MDF con un sigillante trasparente (assicurarsi che il sigillante non contenga metallo per ovvi motivi).

Praticare fori da 5 mm al centro di ogni bobina e far passare un tubo di plastica da 5 mm x 30 mm per consentire di spingere gli spiedini di legno nel terreno sottostante una volta che si è puntato un bersaglio. Usa la pistola per colla a caldo per bloccare in posizione.

Ho quindi ricoperto la parte superiore della testa con un piatto di plastica e la parte inferiore con una spessa copertina di plastica per libri mentre finivo il bordo con un tubo flessibile per tubi elettrici tagliato e incollato a caldo in posizione.

Passaggio 7: assemblaggio finale e test

1. Ricarica

Inserire un caricabatterie per cellulare standard nella porta Micro USB e assicurarsi che l'unità sia adeguatamente carica.

2. Carica il codice

Usa l'IDE Arduino per caricare il codice allegato.

3. Pulsante Mute

L'unità viene silenziata per impostazione predefinita all'accensione. Questo è indicato da un pulsante rosso Mute nella parte inferiore sinistra dello schermo. Per abilitare il suono, premere questo pulsante e il pulsante dovrebbe diventare verde, indicando che il suono è abilitato.

Quando l'audio è disattivato, il cicalino interno e il jack del telefono audio esterno produrranno un suono.

4. Calibrazione

La calibrazione riporta la traccia nella parte inferiore dello schermo sotto le linee di soglia. Alla prima accensione, l'unità si calibrerà automaticamente. L'unità è notevolmente stabile, tuttavia, se è necessaria una ricalibrazione, è possibile farlo toccando il pulsante di calibrazione sullo schermo che si ricalibra in meno di un secondo.

5. Soglie

Se il segnale su qualsiasi traccia supera la linea di soglia (la linea tratteggiata sullo schermo) e il pulsante Mute è disattivato, verrà prodotto un segnale audio.

Queste soglie possono essere regolate su e giù toccando lo schermo sopra o sotto ogni linea di traccia.

6. Regolazione di PW e DLY

La durata dell'impulso alla bobina e il ritardo tra gli impulsi possono essere regolati tramite il display touch. Questo è davvero a posto per sperimentare in modo che vari ambienti e tesori possano essere testati per ottenere i migliori risultati.

7. Tipi di display

Ci sono 4 diversi tipi di display

Opzione di visualizzazione 1: posizione dell'obiettivo sotto la testa del rilevatore La mia intenzione era di utilizzare le 4 bobine per triangolare la posizione dell'obiettivo sotto la testa del rilevatore. La natura non lineare delle bobine di ricerca ha reso questo impegnativo, tuttavia la-g.webp

Opzione di visualizzazione 2: mostra la traccia del segnale per ogni bobina di ricerca Ciò consente di tracciare dove si trova l'oggetto target sotto la testa disegnando una traccia di intensità del segnale indipendente sullo schermo per ciascuna bobina di ricerca. Questo è utile per determinare se si hanno due bersagli vicini tra loro sotto la testa del rilevatore e la relativa forza.

Opzione di visualizzazione 3: come l'opzione 2, tuttavia, con una linea più spessa la rende più facile da vedere.

Opzione di visualizzazione 4: come l'opzione 2, tuttavia, disegna più di 5 schermate prima di eliminare la traccia. Ottimo per catturare segnali deboli.

Sto testando sul campo nelle prossime settimane, quindi pubblicherò qualsiasi scoperta di tesori.

Ora vai a divertirti e trova qualche tesoro!!

Passaggio 8: Epilogo: variazioni della bobina

Ci sono state molte domande e suggerimenti interessanti e interessanti sulle configurazioni della bobina. Nello sviluppo di questo istruibile, ci sono stati numerosi esperimenti con varie configurazioni di bobine che vale la pena menzionare.

Le immagini sopra mostrano alcune delle bobine che ho provato prima di stabilirmi sul design attuale. Se hai ulteriori domande scrivimi.

Affidati a te per sperimentare ulteriormente!

Primo Premio nell'Invention Challenge 2017

Primo Premio al concorso Explore Science 2017