Eenvoudige Arduino metaaldetector - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:14

*** Er is een nieuwe versie geplaatst die nog eenvoudiger is: https://www.instructables.com/Minimal-Arduino-Metal-Detector/ ***

Metaaldetectie is een geweldig tijdverdrijf dat je naar buiten brengt, nieuwe plekken ontdekt en misschien iets interessants vindt. Controleer uw lokale regelgeving over hoe te handelen in het geval van een eventuele vondst, met name in het geval van gevaarlijke objecten, archeologische overblijfselen of objecten van aanzienlijke economische of emotionele waarde.

Instructies voor doe-het-zelf-metaaldetectoren zijn er genoeg, maar dit recept is bijzonder in die zin dat er naast een Arduino-microcontroller maar heel weinig componenten nodig zijn: een gemeenschappelijke condensator, weerstand en diode vormen de kern, samen met een zoekspoel die bestaat uit circa 20 windingen van elektrisch geleidende kabel. LED's, een luidspreker en/of koptelefoon worden dan toegevoegd om de aanwezigheid van metaal in de buurt van de zoekspoel te signaleren. Een bijkomend voordeel is dat alles kan worden gevoed vanuit een enkele 5V-stroom, waarvoor een gewone 2000mAh USB-stroom voldoende is en vele uren meegaat.

Om de signalen te interpreteren en te begrijpen voor welke materialen en vormen de detector gevoelig is, helpt het echt om de fysica te begrijpen. Als vuistregel is de detector gevoelig voor objecten op een afstand of diepte tot aan de straal van de spoel. Het is het meest gevoelig voor objecten waarin een stroom kan vloeien in het vlak van de spoel, en de respons zal overeenkomen met het gebied van de stroomlus in dat object. Zo zal een metalen schijf in het vlak van de spoel een veel sterkere respons geven dan dezelfde metalen schijf loodrecht op de spoel. Het gewicht van het object maakt niet zoveel uit. Een dun stuk aluminiumfolie dat in het vlak van een spoel is georiënteerd, geeft een veel sterkere respons dan een zware metalen bout.

Stap 1: Werkingsprincipe

Wanneer elektriciteit door een spoel begint te stromen, bouwt het een magnetisch veld op. Volgens de inductiewet van Faraday zal een veranderend magnetisch veld resulteren in een elektrisch veld dat de verandering in magnetisch veld tegenwerkt. Er zal zich dus een spanning ontwikkelen over de spoel die de toename van de stroom tegenwerkt. Dit effect wordt zelfinductie genoemd en de eenheid van inductie is Henry, waarbij een spoel van 1 Henry een potentiaalverschil van 1V ontwikkelt wanneer de stroom met 1 Ampère per seconde verandert. De inductantie van een spoel met N windingen en een straal R is ongeveer 5µH x N^2 x R, met R in meters.

De aanwezigheid van een metalen voorwerp in de buurt van een spoel zal zijn inductantie veranderen. Afhankelijk van het type metaal kan de inductantie toenemen of afnemen. Niet-magnetische metalen zoals koper en aluminium in de buurt van een spoel verminderen de inductantie, omdat een veranderend magnetisch veld wervelstromen in het object zal induceren die de intensiteit van het lokale magnetische veld verminderen. Ferromagnetische materialen, zoals ijzer, in de buurt van een spoel verhogen de inductantie omdat de geïnduceerde magnetische velden uitgelijnd zijn met het externe magnetische veld.

De meting van de inductantie van een spoel kan dus de aanwezigheid van metalen in de buurt onthullen. Met een Arduino, een condensator, een diode en een weerstand is het mogelijk om de inductantie van een spoel te meten: door de spoel onderdeel te maken van een hoogdoorlaat LR-filter en deze te voeden met een blokgolf, ontstaan er op elk moment korte pieken. overgang. De pulslengte van deze pieken is evenredig met de inductantie van de spoel. In feite is de karakteristieke tijd van een LR-filter tau=L/R. Voor een spoel van 20 windingen en een diameter van 10 cm, L ~ 5µH x 20^2 x 0.05 = 100µH. Om de Arduino te beschermen tegen overstroom, is de minimale weerstand 200 Ohm. We verwachten dus pulsen met een lengte van ongeveer 0,5 microseconde. Deze zijn moeilijk direct met hoge precisie te meten, aangezien de klokfrequentie van de Arduino 16MHz is.

In plaats daarvan kan de stijgende puls worden gebruikt om een condensator op te laden, die vervolgens kan worden uitgelezen met de Arduino analoog naar digitaal geconverteerd (ADC). De verwachte lading van een 0,5 microseconde puls van 25mA is 12,5nC, wat 1,25V zal geven op een 10nF condensator. De spanningsval over de diode zal dit verminderen. Als de puls een paar keer wordt herhaald, stijgt de lading op de condensator tot ~2V. Dit kan worden uitgelezen met de Arduino ADC met behulp van analogRead(). De condensator kan dan snel worden ontladen door de uitleespin te veranderen in output en deze een paar microseconden op 0V in te stellen. De hele meting duurt ongeveer 200 microseconden, 100 voor het opladen en resetten van de condensator en 100 voor de ADC-conversie. De precisie kan aanzienlijk worden verbeterd door de meting te herhalen en het resultaat te middelen: het gemiddelde nemen van 256 metingen duurt 50 ms en verbetert de precisie met een factor 16. De 10-bit ADC bereikt op deze manier de precisie van een 14-bit ADC.

Deze verkregen meting is zeer niet-lineair met de inductantie van de spoel en daarom niet geschikt om de absolute waarde van de inductantie te meten. Voor metaaldetectie zijn we echter alleen geïnteresseerd in kleine relatieve veranderingen van de spoelinductantie als gevolg van de aanwezigheid van nabijgelegen metalen, en daarvoor is deze methode perfect geschikt.

De kalibratie van de meting kan automatisch in software worden gedaan. Als men kan aannemen dat er meestal geen metaal in de buurt van de spoel is, is een afwijking van het gemiddelde een signaal dat metaal in de buurt van de spoel is gekomen. Door verschillende kleuren of verschillende tonen te gebruiken, kan onderscheid worden gemaakt tussen een plotselinge toename of een plotselinge afname van de inductantie.

Stap 2: Vereiste componenten

Elektronische kern:

Arduino UNO R3 + prototype schild OF Arduino Nano met 5x7cm prototype bord

10nF condensator

Kleine signaaldiode, b.v. 1N4148

220 ohm weerstand

Voor kracht:

USB powerbank met kabel

Voor visuele output:

2 LED's van verschillende kleur, b.v. blauw en groen

2 220Ohm weerstanden om de stromen te beperken

Voor geluidsuitvoer:

passieve zoemer

Microschakelaar om geluid uit te schakelen

Voor koptelefoonuitgang:

Oortelefoonaansluiting

1kOhm weerstand

Oortelefoons

De zoekspoel eenvoudig aansluiten/loskoppelen:

2-pins schroefaansluiting

Voor de zoekspoel:

~5 meter dunne elektrische kabel

Structuur om de spoel vast te houden. Moet stijf zijn, maar hoeft niet cirkelvormig te zijn.

Voor de structuur:

Stok van 1 meter, bijv. hout, plastic of selfiestick.

Stap 3: De zoekspoel

Voor de zoekspoel heb ik ~4 m gevlochten draad rond een kartonnen cilinder met een diameter van 9 cm gewikkeld, wat resulteert in ongeveer 18 windingen. Het type kabel maakt niet uit, zolang de ohmse weerstand maar minimaal tien keer kleiner is dan de waarde van R in het RL-filter, zorg er dus voor dat je onder de 20 Ohm blijft. Ik heb 1 Ohm gemeten, dus dat is veilig. Gewoon een half afgewerkte rol van 10 m aansluitdraad nemen werkt ook!

Stap 4: Een prototypeversie

Gezien het kleine aantal externe componenten is het perfect mogelijk om de schakeling op het kleine breadboard van een prototype-shield te passen. Het eindresultaat is echter nogal omvangrijk en niet erg robuust. Beter is om een Arduino nano te gebruiken en deze met de extra componenten op een 5x7cm prototype board te solderen (zie volgende stap)

Voor de eigenlijke metaaldetectie worden slechts 2 Arduino-pinnen gebruikt, één voor het leveren van de pulsen aan het LR-filter en één voor het uitlezen van de spanning op de condensator. Pulseren kan vanaf elke uitgangspen, maar de uitlezing moet worden gedaan met een van de analoge pennen A0-A5. Er worden nog 3 pinnen gebruikt voor 2 LED's en voor de geluidsuitvoer.

Hier is het recept:

1. Verbind op het breadboard de 220Ohm weerstand, de diode en de 10nF condensator in serie, met de negatieve pool van de diode (de zwarte lijn) naar de condensator.
2. Sluit A0 aan op weerstand (het uiteinde is niet verbonden met de diode)
3. Verbind A1 met waar het kruispunt van de diode en de condensator
4. Verbind de niet-aangesloten aansluiting van de condensator met aarde
5. Sluit het ene uiteinde van de spoel aan op het kruispunt van de weerstand-diode
6. Sluit het andere uiteinde van de spoel aan op aarde
7. Verbind een LED met zijn positieve pool met pin D12 en zijn negatieve terminal via een 220Ohm weerstand met aarde
8. Verbind de andere LED met zijn positieve pool met pin D11 en zijn negatieve terminal via een 220Ohm weerstand met aarde
9. Sluit optioneel een passieve zoemerkoptelefoon of luidspreker aan tussen pin 10 en aarde. Een condensator of weerstand kan in serie worden toegevoegd om het volume te verminderen

Dat is alles!

Stap 5: Een gesoldeerde versie

Om de metaaldetector mee naar buiten te nemen, moet deze gesoldeerd worden. Een gewoon prototypebord van 7x5 cm past comfortabel op een Arduino nano en alle benodigde componenten. Gebruik dezelfde schema's als in de vorige stap. Ik vond het handig om een schakelaar in serie met de zoemer toe te voegen om het geluid uit te schakelen wanneer dat niet nodig is. Een schroefklem maakt het mogelijk om verschillende spoelen uit te proberen zonder te hoeven solderen. Alles wordt gevoed via de 5V die wordt geleverd aan de (mini- of micro-USB) poort van de Arduino Nano.

Stap 6: De software

De gebruikte Arduino-schets is hier bijgevoegd. Upload en voer het uit. Ik gebruikte Arduino 1.6.12 IDE. Het wordt aanbevolen om het in het begin met debug=true uit te voeren, om het aantal pulsen per meting af te stemmen. Het beste is om een ADC-waarde tussen 200 en 300 te hebben. Verhoog of verlaag het aantal pulsen als uw spoel drastisch verschillende waarden geeft.

De schets doet een soort van zelfkalibratie. Het is voldoende om de spoel stil te houden uit de buurt van metalen om hem stil te maken. Langzame driften in de inductantie zullen worden gevolgd, maar plotselinge grote veranderingen hebben geen invloed op het langetermijngemiddelde.

Stap 7: Montage op een stokje

Omdat je je schattenjachten niet kruipend over de vloer wilt doen, moeten de drie planken, de spoel en de batterij aan het uiteinde van een stok worden gemonteerd. Een selfie-stick is hiervoor ideaal, aangezien hij licht, inklapbaar en verstelbaar is. Mijn 5000mAh powerbank paste toevallig op de selfiestick. Het bord kan dan worden bevestigd met kabelbinders of elastieken en de spoel kan op dezelfde manier aan de batterij of de stok worden bevestigd.

Stap 8: Hoe het te gebruiken?

Om de referentie vast te stellen, is het voldoende om de spoel ~5s uit de buurt van metalen te laten. Wanneer de spoel in de buurt van een metaal komt, begint de groene of blauwe LED te knipperen en worden er pieptonen geproduceerd in de zoemer en/of hoofdtelefoon. Blauwe flitsen en lage pieptonen duiden op de aanwezigheid van niet-ferromagnetische metalen. Groene flitsen en hoge pieptonen duiden op de aanwezigheid van ferromagnetische metalen. Pas op dat wanneer de spoel langer dan 5 seconden in de buurt van het metaal wordt gehouden, deze die waarde als referentie zal nemen en begint te piepen wanneer de detector van het metaal wordt verwijderd. Na een paar seconden piepen in de lucht, wordt het weer stil. De frequentie van de flitsen en de piepjes geven de sterkte van het signaal aan. Goede jacht!