Milieuvriendelijke metaaldetector - Arduino - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:19

Metaaldetectie is erg leuk. Een van de uitdagingen is om de exacte plaats om te graven te verkleinen om de grootte van het achtergebleven gat te minimaliseren.

Deze unieke metaaldetector heeft vier zoekspoelen en een kleurentouchscreen om de locatie van uw vondst te identificeren en te lokaliseren.

Inclusief automatische kalibratie, een oplaadbaar USB-voedingspakket, met vier verschillende schermmodi, frequentie- en pulsbreedteaanpassing waarmee u kunt aanpassen hoe u zoekt.

Als je eenmaal de schat hebt gelokaliseerd, kun je met een enkel gat boven elke spoel een houten spies gebruiken om in de aarde te duwen, zodat je een kleine plug uit de grond kunt graven om schade aan het milieu te verminderen.

Elke spoel kan munten en ringen op een diepte van 7-10 cm lokaliseren en is dus ideaal voor het zoeken naar verloren munten en ringen rond parken en stranden.

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

Hartelijk dank - als je op de stemknop in de rechterbovenhoek hebt gedrukt voor de wedstrijden "Invention Challenge" en "Explore Science"!!!

erg bedankt, TechKiwi

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

Stap 1: De wetenschap achter metaaldetectie

Ontwerp metaaldetectie

Er zijn meerdere varianten van metaaldetectorontwerpen. Dit specifieke type metaaldetector is een pulsinductiedetector die afzonderlijke zend- en ontvangstspoelen gebruikt.

De Arduino produceert een puls die via een transistor gedurende zeer korte tijd (4uS) op de Transmit Coil wordt gestuurd. Deze stroom van de puls veroorzaakt een plotseling magnetisch veld rond de spoel, het uitzettende en instortende veld induceert een spanning in de ontvangstspoel. Dit ontvangen signaal wordt versterkt door de ontvangende transistor en vervolgens omgezet in een schone digitale puls door een spanningsvergelijker en op zijn beurt gesampled door een digitale ingangspen op de Arduino. De Arduino is geprogrammeerd om de pulsbreedte van de ontvangen puls te meten.

In dit ontwerp wordt de ontvangen pulsbreedte bepaald door de inductantie van de ontvangstspoel en een condensator. Zonder objecten binnen bereik is de basislijnpulsbreedte ongeveer 5000 uS. Wanneer vreemde metalen voorwerpen binnen het bereik van het uitzettende en instortende magnetische veld komen, zorgt dit ervoor dat een deel van de energie in de vorm van wervelstromen in het object wordt geïnduceerd. (Elektromagnetische inductie)

Het netto resultaat is dat de ontvangen pulsbreedte kleiner wordt, dit verschil in pulsbreedte wordt gemeten door de Arduino en weergegeven op een TFT-display in verschillende formaten.

Weergaveoptie 1: Positie van doel onder detectorkop

Mijn bedoeling was om de 4 spoelen te gebruiken om de positie van het doel onder de detectorkop te trianguleren. De niet-lineaire aard van de zoekspoelen maakte dit een uitdaging, maar de geanimeerde-g.webp

Weergaveoptie 2: Toon signaaltracering voor elke zoekspoel

Hierdoor kunt u volgen waar het doelobject zich onder de kop bevindt door voor elke zoekspoel een onafhankelijk signaalsterktespoor op het scherm te tekenen. Dit is handig om te bepalen of je twee doelen dicht bij elkaar hebt onder de detectorkop en de relatieve sterkte.

Praktisch gebruik

Met deze benadering kunt u de eerste weergave gebruiken om een doel te identificeren en de tweede weergave om het op enkele millimeters vast te pinnen, zoals weergegeven in de videoclip.

Stap 2: Verzamel de materialen

Stuklijst

1. Arduino Mega 2560 (items 1, 2 en 3 kunnen als één gebundelde bestelling worden gekocht)
2. 3,2" TFT LCD-aanraakscherm (ik heb code meegeleverd voor 3 ondersteunde variaties)
3. TFT 3,2 inch megaschild
4. Transistor BC548 x 8
5. 0.047uf Greencap-condensator x 4 (50v)
6. 0.1uf Greencap-condensator x 1 (50v)
7. 1k Weerstand x 4
8. 47 Weerstand x 4
9. 10k Weerstand x 4
10. 1M Weerstand x 4
11. 2.2k Weerstand x 4
12. SPST mini-tuimelschakelaar
13. Geïntegreerde schakeling LM339 Quad differentiële comparator
14. Signaaldiodes IN4148 x 4
15. Koperdraadspoel 0,3 mm diameter x 2"
16. Afgeschermde kabel met twee kernen - diameter 4,0 mm - lengte 5M
17. USB Oplaadbare Powerbank 4400mHa
18. Piëzo-zoemer
19. Vero Bord 80x100mm
20. Plastic behuizing minimaal 100 mm hoog, 55 mm diep, 160 mm breed
21. Kabelbinders
22. MDF Hout 6-8mm Dikte - 23cm x 23cm vierkante stukken x 2
23. Micro USB verlengkabel 10cm
24. USB-A-stekkerkabel die kan worden ingekort tot een lengte van 10 cm
25. Hoofdtelefoon Audio Jack Point - Stereo
26. Diverse houten en kunststof afstandhouders detectorkop
27. Speed Mop Bezemsteel met verstelbaar scharnier (slechts één asbeweging - zie foto's)
28. Een stuk A3-papier
29. Lijmstift
30. Elektrische decoupeerzaag:
31. A4-vel Karton dikte 3 mm voor het maken van een spoelvormer voor TX- en Rx-spoelen
32. Duct tape
33. Heet lijmpistool
34. Elektrische lijm
35. 10 extra Arduino-headerpinnen
36. PCB-aansluitpennen x 20
37. Tweedelige epoxylijm - 5 min droogtijd
38. Hobbymesje
39. 5 mm plastic buis lengte 30 mm x 4 (ik gebruikte slangen voor tuinbewatering van de ijzerhandel)
40. MDF Waterproof sealer (Zorg ervoor dat het geen metaal bevat)
41. 60 cm flexibele elektrische leiding - grijs - 25 mm diameter

Stap 3: Bouw de detectorkop

1. Hoofdconstructie construeren

Opmerking: ik heb ervoor gekozen om een vrij complexe montage-opstelling te bouwen voor de 8 koperdraadspoelen die in de detectorkop worden gebruikt. Dit omvatte het snijden van een reeks gaten uit twee lagen MDF, zoals te zien is op de bovenstaande foto's. Nu ik de eenheid heb voltooid, raad ik aan om slechts een enkele uitgesneden cirkel met een diameter van 23 cm te gebruiken en de spoelen met hete lijm aan deze enkele laag MDF te bevestigen. Dit vermindert de bouwtijd en betekent ook dat het hoofd lichter is.

Begin met het uitprinten van het meegeleverde sjabloon op een A3-papier en lijm dit vervolgens op het MDF-bord om u een richtlijn te geven voor het positioneren van de spoelen.

Snijd met een elektrische decoupeerzaag voorzichtig een cirkel met een diameter van 23 cm uit de MDF.

2. Opwinden van de spoelen

Gebruik het karton om twee cilinders van 10 cm lengte te maken die bij elkaar worden gehouden met ducttape. De diameter van de zendspoelen moet 7 cm zijn en de ontvangstspoelen 4 cm.

Plaats de koperdraadspoel op een spies zodat deze vrij kan draaien. Bevestig het begin van de koperdraad op de kartonnen cilinder met behulp van ducttape. Wind 40 draait stevig op de cilinder en gebruik dan ducttape om het uiteinde af te binden.

Gebruik Hot Glue om de spoelen aan elkaar te bevestigen op minimaal 8 punten rond de omtrek van de spoelen. Als het afgekoeld is, gebruikt u uw vingers om de spoel los te maken en bevestigt u deze vervolgens met behulp van Hot Glue aan de sjabloon van de metaaldetectorkop. Boor twee gaten door de MDF naast de spoel en steek de uiteinden van de spoel door naar de bovenzijde van de metaaldetectorkop.

Herhaal deze oefening om 4 x ontvangstspoelen en 4 zendspoelen te bouwen en te monteren. Als u klaar bent, moeten er 8 paar draden door de bovenkant van de metaaldetectorkop steken.

3. Bevestig de afgeschermde kabels

Snijd de afgeschermde tweeaderige kabel van 5 m in 8 stukken. Strip en soldeer de dubbele kern aan elke zend- en ontvangstspoel en laat de afscherming los bij het detectorkopuiteinde van de kabel.

Test de spoelen en kabelverbindingen aan het andere uiteinde van elke kabel met behulp van een Ohmmeter. Elke spoel registreert een paar Ohm en moet consistent zijn voor respectievelijk alle ontvangst- en zendspoelen.

Eenmaal getest, gebruikt u het hete lijmpistool om de 8 kabels in het midden van de detectorkop te bevestigen, zodat u de handgreep kunt bevestigen en de kop kunt afwerken.

Mijn advies is om elk van de afgeschermde kabeladers aan het andere uiteinde te strippen en te vertinnen ter voorbereiding op toekomstige tests. Bevestig een aardingsdraad aan elke kabelafscherming, aangezien deze zal worden verbonden met de aarde in de hoofdeenheid. Dit stopt interferentie tussen elke kabel.

Gebruik een multimeter om te bepalen welke spoel dat is en bevestig plaklabels zodat ze gemakkelijk kunnen worden geïdentificeerd voor toekomstige montage.

Stap 4: monteer circuit voor testen

1. Breadboard-montage

Mijn aanbeveling is om een breadboard te gebruiken om eerst het circuit in te stellen en te testen voordat je je verbindt aan Vero Board en een behuizing. Dit geeft u de mogelijkheid om componentwaarden aan te passen of de code aan te passen indien nodig voor gevoeligheid en stabiliteit. De zend- en ontvangstspoelen moeten worden aangesloten zodat ze in dezelfde richting worden gewikkeld en dit is gemakkelijker te testen op een breadboard voordat de draden worden gelabeld voor toekomstige aansluiting op Vero Board.

Monteer de componenten volgens het schakelschema en bevestig de detectorkopspoelen met behulp van aansluitdraad.

De verbindingen met de Arduino kunnen het beste worden gemaakt met behulp van breadboard-aansluitdraad die aan het TFT-schild is gesoldeerd. Voor digitale en analoge pinverbindingen heb ik een headerpin toegevoegd waardoor ik niet rechtstreeks op het Arduino-bord kon solderen. (Zie foto)

2. IDE-bibliotheken

Deze moeten worden gedownload en toegevoegd aan de IDE (Integrated Development Environment) die op uw computer draait, die wordt gebruikt om computercode te schrijven en te uploaden naar het fysieke bord. UTFT.h en URtouch.h bevinden zich in onderstaand zipbestand

Krediet voor UTFT.h en URtouch.h gaat naar Rinky-Dink Electronics. Ik heb deze zip-bestanden toegevoegd omdat het lijkt alsof de bronwebsite niet beschikbaar is.

3. Testen

Ik heb een testprogramma bijgevoegd om de eerste installatie uit te voeren, zodat u problemen met de spoeloriëntatie kunt oplossen. Laad de testcode in de Arduino IDE en upload naar de Mega. Als alles werkt, ziet u het testscherm zoals hierboven. Elke spoel moet in elk kwadrant een stabiele waarde van ongeveer 4600 uS produceren. Als dit niet het geval is, draai dan de polariteit van de wikkelingen op de TX- of RX-spoel om en test opnieuw. Als dit niet werkt, raad ik u aan elke spoel afzonderlijk te controleren en terug te werken door het circuit om problemen op te lossen. Als je er al 2 of 3 hebt, vergelijk ze dan met de spoelen/circuits die niet presteren.

Opmerking: uit verdere tests is gebleken dat de condensatoren van 0,047 uf op het RX-circuit invloed hebben op alle gevoeligheid. Mijn advies is dat als je het circuit eenmaal op een breadboard hebt laten werken, probeer deze waarde te verhogen en te testen met een munt, want ik heb ontdekt dat dit de gevoeligheid kan verbeteren.

Het is niet verplicht, maar als u een oscilloscoop heeft, kunt u ook de TX-puls en RX-puls observeren om ervoor te zorgen dat de spoelen correct zijn aangesloten. Zie de opmerkingen bij de foto's om dit te bevestigen.

OPMERKING: ik heb in deze sectie een PDF-document opgenomen met oscilloscoopsporen voor elke fase van het circuit om eventuele problemen op te lossen

Stap 5: Bouw het circuit en de behuizing

Nadat de unit naar uw tevredenheid is getest, kunt u de volgende stap zetten en de printplaat en behuizing bouwen.

1. Bereid de behuizing voor

Lay-out de belangrijkste componenten en plaats ze in uw geval om te bepalen hoe alles zal passen. Snijd het Vero-bord op maat voor de componenten, maar zorg ervoor dat u in de onderkant van de behuizing past. Wees voorzichtig met het oplaadbare accupakket, aangezien deze behoorlijk omvangrijk kunnen zijn.

Boor gaten voor de achteringang van de hoofdkabels, aan/uit-schakelaar, externe USB-poort, Arduino-programmeerpoort en stereo hoofdtelefoon-audio-aansluiting.

Boor daarnaast 4 montagegaten in het midden van de voorkant van de behuizing waar het handvat zal zijn. Deze gaten moeten in toekomstige stappen een kabelbinder kunnen doorvoeren.

2. Monteer Vero-bord

Volg het schakelschema en de afbeelding hierboven om de componenten op het Vero-bord te positioneren.

Ik heb PCB-aansluitpennen gebruikt om de kopspoelkabels eenvoudig op de PCB aan te sluiten. Monteer de Piezo Buzzer op de PCB samen met het IC en de transistors. Ik probeerde de TX-, RX-componenten van links naar rechts uitgelijnd te houden en zorgde ervoor dat alle verbindingen met externe spoelen aan het ene uiteinde van de Vero Boar waren. (zie de indeling op de foto's)

3. Bevestig de spoelkabels

Bouw een kabelhouder voor de binnenkomende afgeschermde kabels uit MDF zoals weergegeven in de afbeeldingen. Dit bestaat uit 8 gaten die in MDF zijn geboord zodat de kabels kunnen worden uitgelijnd met de PCB-terminalpinnen. Terwijl u elke spoel bevestigt, loont het om het circuit geleidelijk te testen om de juiste spoeloriëntatie te garanderen.

4. Test het apparaat

Sluit de USB Power Pack, Power Switch, Audio Phone Jack aan en plaats alle bedrading en kabels zodanig dat ze goed in de case passen. Gebruik Hot Glue om items op hun plaats te houden om ervoor te zorgen dat er niets is dat kan rammelen. Laad de testcode volgens de vorige stap en zorg ervoor dat alle spoelen presteren zoals verwacht.

Test of het USB-voedingspakket correct wordt opgeladen wanneer het extern is aangesloten. Zorg ervoor dat er voldoende ruimte is om de Arduino IDE-kabel aan te sluiten.

5. Knip het scherm uit

Plaats het scherm in het midden van de doos en markeer de randen van het LCD-scherm op het voorpaneel, klaar om een opening uit te snijden. Gebruik een hobbymes en een metalen liniaal om het deksel van de behuizing voorzichtig in te snijden en de opening uit te snijden.

Eenmaal geschuurd en gevijld om het deksel voorzichtig te positioneren en ervoor te zorgen dat alle componenten, borden, bedrading en scherm op hun plaats worden gehouden met afstandhouders en hete lijm.

7. Bouw zonneklep

Ik vond een oude zwarte behuizing die ik in vorm kon snijden en als zonneklep kon gebruiken, zoals op de bovenstaande foto's. Lijm dit op het voorpaneel met behulp van 5min tweecomponenten epoxy.

Stap 6: Bevestig het handvat en de behuizing aan de detectorkop

Nu de detectorelektronica en de kop zijn gebouwd, hoeft u alleen nog maar de unit veilig te monteren.

1. Bevestig het hoofd aan het handvat

Pas de handgreepverbinding aan zodat u deze met twee schroeven aan de kop kunt bevestigen. In het ideale geval wilt u de hoeveelheid metaal in de buurt van de spoelen minimaliseren, dus gebruik kleine houtschroeven en veel 5 minuten 2-componenten epoxylijm om aan de kop te bevestigen. Zie foto's hierboven.

2. Hoofdbedrading vastbinden

Gebruik kabelbinders om de bedrading zorgvuldig vast te binden door om de 10 cm langs de afgeschermde bedrading een kabelbinder toe te voegen. Zorg ervoor dat u de beste positie voor de hoes kiest, zodat u het scherm gemakkelijk kunt zien, de bedieningselementen kunt bereiken en hoofdtelefoons/stekkers kunt bevestigen.

3. Bevestig de elektronica aan het handvat

Bouw een 45 graden montageblok van MDF zodat u de behuizing onder een hoek kunt bevestigen, wat betekent dat wanneer u de detector over de grond veegt, u het TFT-scherm gemakkelijk kunt zien. Zie de afbeelding hierboven.

Bevestig de elektronicabehuizing aan de handgreep met kabelbinders die door het montageblok lopen en in de behuizing door de eerder geboorde montagegaten.

4. Maak de detectorkop af

De spoelen van de detectorkop moeten worden vastgezet zonder beweging in de bedrading, dus dit is een goed moment om Hot Glue te gebruiken om alle spoelen goed op hun plaats te bevestigen.

De detectorkop moet ook waterdicht zijn, dus het is belangrijk om de MDF te bespuiten met een doorzichtige sealer (zorg ervoor dat de sealer om voor de hand liggende redenen geen metaal bevat).

Boor gaten van 5 mm in het midden van elke spoel en steek er een plastic buis van 5 mm x 30 mm doorheen zodat u houten spiesen in de grond eronder kunt duwen zodra u een puntig doel hebt. Gebruik een heet lijmpistool om op zijn plaats te vergrendelen.

Ik bedekte toen de bovenkant van het hoofd met een plastic plaat en de onderkant met een dikke plastic boekomslag terwijl ik de rand afwerkte met flexibele elektrische leidingbuizen die werden gesneden en warm gelijmd op hun plaats.

Stap 7: Eindmontage en testen

1. Opladen

Plaats een standaard oplader voor mobiele telefoons in de micro-USB-poort en zorg ervoor dat het apparaat voldoende is opgeladen.

2. Uploadcode

Gebruik de Arduino IDE om de bijgevoegde code te uploaden.

3. Mute-knop

Het apparaat wordt standaard gedempt bij het opstarten. Dit wordt aangegeven door een rode Mute-knop in de linkerbenedenhoek van het scherm. Druk op deze knop om geluid in te schakelen en de knop moet groen worden om aan te geven dat geluid is ingeschakeld.

Als het geluid niet is gedempt, produceren de interne zoemer en de externe audio-telefoonaansluiting geluid.

4. Kalibratie

Kalibratie brengt de trace terug naar de onderkant van het scherm onder de drempellijnen. Wanneer het apparaat voor het eerst wordt ingeschakeld, wordt het automatisch gekalibreerd. Het apparaat is opmerkelijk stabiel, maar als herkalibratie nodig is, kan dit worden gedaan door de kalibratieknop op het scherm aan te raken, die in minder dan een seconde opnieuw wordt gekalibreerd.

5. Drempels

Als het signaal op een spoor de drempellijn (de stippellijn op het scherm) overschrijdt en de Mute-knop is uitgeschakeld, wordt er een audiosignaal geproduceerd.

Deze drempels kunnen omhoog en omlaag worden aangepast door het scherm boven of onder elke traceerlijn aan te raken.

6. Aanpassing van PW en DLY

De duur van de puls naar de spoel en de vertraging tussen de pulsen kan worden aangepast via het aanraakscherm. Dit is echt op zijn plaats om mee te experimenteren, zodat verschillende omgevingen en schatten kunnen worden getest voor de beste resultaten.

7. Weergavetypen

Er zijn 4 verschillende weergavetypes:

Weergaveoptie 1: Positie van het doel onder de detectorkop Het was mijn bedoeling om de 4 spoelen te gebruiken om de positie van het doel onder de detectorkop te trianguleren. De niet-lineaire aard van de zoekspoelen maakte dit een uitdaging, maar de geanimeerde-g.webp

Weergaveoptie 2: Toon signaaltracering voor elke zoekspoel Hiermee kunt u volgen waar het doelobject zich onder de kop bevindt door voor elke zoekspoel een onafhankelijke signaalsterktetracering op het scherm te tekenen. Dit is handig om te bepalen of je twee doelen dicht bij elkaar hebt onder de detectorkop en de relatieve sterkte.

Weergaveoptie 3: Hetzelfde als optie 2, maar met een dikkere lijn is het gemakkelijker te zien.

Weergaveoptie 4: Hetzelfde als optie 2, echter, tekent meer dan 5 schermen voordat tracering wordt verwijderd. Goed voor het vastleggen van zwakke signalen.

Ik ben de komende weken in het veld aan het testen, dus ik zal eventuele schatvondsten publiceren.

Ga nu wat plezier maken en een schat vinden!!

Stap 8: Epiloog: Coil Variaties

Er zijn veel goede, interessante vragen en suggesties geweest over spoelconfiguraties. Bij de ontwikkeling van deze instructable waren er tal van experimenten met verschillende spoelconfiguraties die het vermelden waard zijn.

De foto's hierboven tonen enkele van de spoelen die ik heb geprobeerd voordat ik me op het huidige ontwerp vestigde. Als je nog vragen hebt, stuur me dan een bericht.

Aan jou om verder te experimenteren!

Eerste prijs in de Invention Challenge 2017

Eerste prijs in de Explore Science Contest 2017