Miljøvennlig metalldetektor - Arduino: 8 trinn (med bilder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:25

Metaldetektering er veldig gøy. En av utfordringene er å kunne begrense det nøyaktige stedet å grave for å minimere størrelsen på hullet som er igjen.

Denne unike metalldetektoren har fire søkespoler, en berøringsskjerm i farger for å identifisere og finne stedet du finner.

Inkluderer automatisk kalibrering, en oppladbar USB -pakke, med fire forskjellige skjermmoduser, frekvens og pulsbreddejustering som lar deg tilpasse hvordan du søker.

Når du har funnet skatten, kan et enkelt hull sentrert over hver spole bruke et trepyd til å skyve ned i jorden, slik at du kan begynne å grave en liten plugg fra bakken og redusere miljøskader.

Hver spole kan finne mynter og ringer på en dybde på 7-10 cm, så den er ideell for å lete etter tapte mynter og ringer rundt parker og strender.

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

En stor takk - Hvis du trykket på stemmeknappen øverst til høyre for konkurransen "Invention Challenge" og "Explore Science" !!!

mange takk, TechKiwi

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

Trinn 1: Vitenskapen bak metalldeteksjon

Metaldetekteringsdesign

Det er flere varianter av metalldetektor -design. Denne spesielle metaldetektoren er en pulsinduksjonsdetektor som bruker separate sende- og mottaksspoler.

Arduino produserer en puls som sendes til sendespolen i en veldig kort periode (4uS) via en transistor. Denne strømmen fra pulsen får et plutselig magnetfelt til å dannes rundt spolen, det ekspanderende og kollapserende feltet induserer en spenning i mottaksspolen. Dette mottatte signalet forsterkes av den mottakende transistoren og blir deretter til en ren digital puls av en spenningskomparator og samplet av en digital inngangspinne på Arduino. Arduino er programmert til å måle pulsbredden til den mottatte pulsen.

I denne utformingen bestemmes den mottatte pulsbredden av mottaksspoleinduktansen og en kondensator. Uten objekter innen rekkevidde, måler basislinjens pulsbredde omtrent 5000 uS. Når fremmede metallgjenstander kommer innenfor rekkevidde av det ekspanderende og kollapsende magnetfeltet, forårsaker dette at noe av energien induseres til objektet i form av virvelstrømmer. (Elektromagnetisk induksjon)

Nettoresultatet er at den mottatte pulsbredden reduseres, denne forskjellen i pulsbredden måles av Arduino og vises på en TFT -skjerm i forskjellige formater.

Visningsalternativ 1: Målposisjon under detektorhode

Min intensjon var å bruke de 4 spolene til å triangulere posisjonen til målet under detektorhodet. Søkespolenes ikke-lineære karakter gjorde dette utfordrende, men den animerte GIF-en ovenfor viser at resultatene er nyttige nok til å vise målets relative posisjon under hodet, så vel som signalets styrke.

Visningsalternativ 2: Vis signalspor for hver søkespole

Dette lar deg spore hvor målobjektet er under hodet ved å tegne et uavhengig signalstyrkespor på skjermen for hver søkespole. Dette er nyttig for å avgjøre om du har to mål tett sammen under detektorhodet og den relative styrken.

Praktiske bruksområder

Denne tilnærmingen lar deg bruke den første visningen til å identifisere et mål og den andre visningen for å peke den til noen få millimeter som vist i videoklippet.

Trinn 2: Samle materialene

Stykklister

1. Arduino Mega 2560 (varene 1, 2 og 3 kan kjøpes som en samlet bestilling)
2. 3,2 "TFT LCD -berøringsskjerm (jeg har inkludert kode for 3 støttede varianter)
3. TFT 3,2 tommers megaskjold
4. Transistor BC548 x 8
5. 0.047uf Greencap kondensator x 4 (50v)
6. 0.1uf Greencap kondensator x 1 (50v)
7. 1k motstand x 4
8. 47 Motstand x 4
9. 10k motstand x 4
10. 1M motstand x 4
11. 2,2 k motstand x 4
12. SPST Mini vippebryter
13. Integrert krets LM339 Quad differensialkomparator
14. Signaldioder IN4148 x 4
15. Kobber WireSpool 0,3 mm diameter x 2
16. To kjerne skjermet kabel - 4,0 mm diameter - 5 M lengde
17. USB oppladbar Powerbank 4400mHa
18. Piezo summer
19. Vero Board 80x100mm
20. Plastkasse minst 100 mm høyde, 55 mm dybde, 160 mm bredde
21. Kabelbindere
22. MDF tre 6-8 mm tykkelse - 23 cm x 23 cm firkantede stykker x 2
23. Mikro USB forlengelseskabel 10 cm
24. USB-A-pluggkabel som er egnet til å kutte ned til 10 cm lengde
25. Hodetelefon Audio Jack Point - Stereo
26. Ulike detektorerhode i tre og plast
27. Speed Mop Broom håndtak med justerbart ledd (kun en akse bevegelse - se bilder)
28. Ett stykke A3 -papir
29. Limpinne
30. Electic Jig Saw cutter
31. A4 -ark 3 mm tykkelse for å lage en spiralformer for TX- og Rx -spoler
32. Kanaltape
33. Varm limpistol
34. Elektrisk lim
35. 10 ekstra Arduino Header Pins
36. PCB -terminaler x 20
37. TwoPart Epoxy Lim - 5 min tørketid
38. Håndverkskniv
39. 5 mm plastrørlengde 30 mm x 4 (jeg brukte hagesvanningssystem fra jernvarehandel)
40. MDF vanntett forsegler (Sørg for at den ikke inneholder metall)
41. 60 cm fleksibel elektrisk ledning - grå - 25 mm diameter

Trinn 3: Bygg detektorhodet

1. Konstruere hodemontering

Merk: Jeg valgte å bygge et ganske komplekst monteringsarrangement for de 8 kobbertrådspolene som brukes i detektorhodet. Dette innebar å kutte en rekke hull ut av to lag med MDF som det kan sees på fotografiene ovenfor. Nå har jeg fullført enheten. Jeg anbefaler å bruke bare en enkelt utskåret sirkel med en diameter på 23 cm og feste spolene til dette enkle laget av MDF med varmt lim. Dette reduserer byggetiden og betyr også at hodet er lettere.

Begynn med å skrive ut sjablongen som følger med på et A3 -papir, og lim dette deretter på MDF -brettet for å gi deg en guide for posisjonering av spolene.

Klipp forsiktig ut en sirkel med en diameter på 23 cm fra MDF med en elektrisk jigsag.

2. Vikling av spolene

Bruk kartongen til å lage to 10 cm lange sylindere som holdes sammen med kanaltape. Diameteren på sendespolene må være 7 cm og mottaksspolene 4 cm.

Plasser kobbertrådsspolen på en pigg slik at den kan snu fritt. Fest starten på kobbertråden på pappsylinderen ved hjelp av tape. Vind 40 snur seg fast på sylinderen, og bruk deretter tape til å feste enden.

Bruk Hot Lim for å feste spolene sammen på minst 8 punkter rundt omkretsen av spolene. Når du er avkjølt, bruker du fingrene til å lette spolen og fest den deretter til metalldetektorhodemalen ved hjelp av Hot Lim. Bor to hull gjennom MDF ved siden av spolen og før endene av spolen gjennom til oversiden av metalldetektorhodet.

Gjenta denne øvelsen for å bygge og montere 4 x mottaksspoler og 4 sendespoler. Når du er ferdig, skal det være 8 par ledninger som stikker ut gjennom toppen av metalldetektorhodet.

3. Fest de skjermede kablene

Skjær 5M lengden på den skjermede dobbeltkjernekabelen i 8 lengder. Strip og lodd dobbeltkjernen til hver sende- og mottaksspole og la skjermen være frakoblet i detektorhodet enden av kabelen.

Test spolene og kabeltilkoblingene i den andre enden av hver kabel ved hjelp av en Ohm -måler. Hver spole vil registrere noen få ohm og bør være konsistent for henholdsvis alle mottak og overfør spoler.

Når den er testet, bruk den varme limpistolen for å feste de 8 kablene i midten av detektorhodet, klar til å feste håndtaket og fullføre hodet.

Mitt råd er å fjerne og tinne hver av de skjermede kabelkjernene i den andre enden som forberedelse til fremtidig testing. Fest en jordledning til hvert kabelskjerm, da denne vil bli koblet til jord i hovedenheten. Dette stopper forstyrrelser mellom hver kabel.

Bruk et multimeter til å identifisere hvilken spole som er, og fest klistremerker slik at de enkelt kan identifiseres for fremtidig montering.

Trinn 4: Monter krets for testing

1. Brødbrettmontering

Min anbefaling er å bruke et brødbrett til å først sette opp og teste kretsen før du forplikter deg til Vero Board og et kabinett. Dette gir deg muligheten til å tilpasse komponentverdier eller endre koden om nødvendig for sensitivitet og stabilitet. Send- og mottaksspolene må kobles til slik at de vikles i samme retning, og dette er lettere å teste på et brødbrett før du merker ledningene for fremtidig tilkobling til Vero Board.

Monter komponentene i henhold til kretsdiagrammet og fest detektorhodet spoler ved hjelp av tilkoblingstråd.

Tilkoblingene til Arduino gjøres best ved hjelp av brødbrettkrok som er loddet til TFT -skjoldet. For digitale og analoge pin -tilkoblinger la jeg til en Header Pin som gjorde at jeg kunne unngå lodding direkte til Arduino Board. (Se bildet)

2. IDE Libraries

Disse må lastes ned og legges til IDE (Integrated Development Environment) som kjører på datamaskinen din, og brukes til å skrive og laste opp datakode til det fysiske kortet. UTFT.h og URtouch.h ligger i zip -filen nedenfor

Kreditt for UTFT.h og URtouch.h går til Rinky-Dink Electronics Jeg har tatt med disse zip-filene ettersom det ser ut til at kildenettstedet er nede.

3. Testing

Jeg har inkludert et testprogram for å håndtere det første oppsettet, slik at du kan håndtere problemer med spoleorientering. Last testkoden inn i Arduino IDE og last den opp til Mega. Hvis alt fungerer, bør du se testskjermen som ovenfor. Hver spole skal produsere en steady state -verdi på ca 4600uS i hver kvadrant. Hvis dette ikke er tilfelle, snu polariteten til viklingene på TX- eller RX -spolen og test igjen. Hvis dette ikke fungerer, foreslår jeg at du sjekker hver spole individuelt og jobber gjennom kretsen for å feilsøke. Hvis du allerede har 2 eller 3 jobber, sammenlign dem med spolene/kretsene som ikke fungerer.

Merk: Videre testing har avslørt at 0,047uf kondensatorene på RX -kretsen påvirker all følsomhet. Mitt råd er når du har kretsen som jobber på et brødbrett, prøv å øke denne verdien og test med en mynt, siden jeg har funnet ut at dette kan forbedre følsomheten.

Det er ikke obligatorisk, men hvis du har et oscilloskop, kan du også observere TX Pulse og RX Pulse for å sikre at spolene er riktig tilkoblet. Se kommentarene på bildene for å bekrefte dette.

MERK: Jeg har inkludert et PDF -dokument i denne delen med oscilloskopspor for hvert trinn i kretsen for å hjelpe til med å feilsøke eventuelle problemer

Trinn 5: Bygg kretsen og kabinettet

Når enheten er testet til din tilfredshet, kan du ta det neste trinnet og bygge kretskortet og skapet.

1. Forbered kabinettet

Legg ut hovedkomponentene og plasser dem i ditt tilfelle for å finne ut hvordan alt vil passe. Klipp Vero Board for å passe til komponentene, men sørg for at du får plass i bunnen av skapet. Vær forsiktig med den oppladbare strømpakken, da disse kan være ganske omfangsrike.

Bor hull for hodekablene bak, strømbryter, ekstern USB -port, Arduino programmeringsport og stereo hodetelefon lydkontakt.

I tillegg til denne bore 4 monteringshull i midten av forsiden av saken der håndtaket skal være, Disse hullene må kunne passere et kabelbånd gjennom dem i fremtidige trinn.

2. Monter Vero Board

Følg kretsdiagrammet og bildet ovenfor for å plassere komponentene på Vero -kortet.

Jeg brukte PCB Terminal Pins for å muliggjøre enkel tilkobling av hodespiralkablene til PCB. Monter Piezo Buzzer på PCB sammen med IC og transistorer. Jeg prøvde å holde TX, RX -komponentene justert fra venstre mot høyre og sørget for at alle tilkoblinger til eksterne spoler var i den ene enden av Vero Boar. (se oppsettet på bildene)

3. Fest spolekablene

Bygg en kabelholder for innkommende skjermede kabler ut av MDF som vist på bildene. Denne består av 8 hull boret i MDF for å gjøre det mulig for kablene å ligge i linje med PCB -terminaler. Når du fester hver spole lønner det seg å teste kretsen gradvis for å sikre riktig spoleorientering.

4. Test enheten

Koble til USB Power Pack, strømbryter, lydtelefonkontakt og plasser alle ledninger og kabler for å sikre at den sitter godt i saken. Bruk Hot Glue for å holde ting på plass for å sikre at det ikke er noe som kan rasle rundt. I henhold til forrige trinn, last inn testkoden og sørg for at alle spoler fungerer som forventet.

Test at USB Power Pack lades riktig når den er koblet eksternt. Sørg for at det er nok klaring til å feste Arduino IDE -kabelen.

5. Klipp ut skjermappeturen

Plasser skjermen i midten av esken og merk kantene på LCD -skjermen på frontpanelet, slik at du kan kutte ut en blenderåpning. Bruk en håndverkskniv og en metalllinjal til å forsiktig skille lokket på kabinettet og kutte blenderåpningen.

Når det er slipt og arkivert for å forme lokket nøye, samtidig som du sikrer at alle komponenter, brett, ledninger og skjerm holdes på plass med avstandsstykker og varmt lim.

7. Bygg solskjerm

Jeg fant et gammelt svart kabinett som jeg klarte å kutte i form og bruke som solskjerm som vist på bildene ovenfor. Lim dette på frontpanelet med 5 minutter todelt epoxy.

Trinn 6: Fest håndtaket og etuiet til detektorhodet

Nå som detektorelektronikken og hodet er bygget, gjenstår det bare å fullføre monteringen av enheten sikkert.

1. Fest hodet til håndtaket

Endre håndtaket slik at du kan feste dette til hodet med to skruer. Ideelt sett vil du minimere mengden metall i nærheten av spolene, så bruk små treskruer og mye 5 minutter 2 -delt epoksylim for å feste til hodet. Se bildene ovenfor.

2. Snøring av hodeledninger

Bruk kabelbindere og snør forsiktig ledningene ved å legge til et kabelbånd hver 10. cm langs de skjermede ledningene. Sørg for at du finner den beste posisjonen for saken, så det er lett å se skjermen, nå kontrollene og feste hodetelefoner/plugger.

3. Fest elektronikken til håndtaket

Bygg en 45 graders monteringsblokk fra MDF slik at du kan feste saken i en vinkel som betyr at når du feier detektoren over bakken, kan du enkelt se TFT -skjermen. Se bildet over.

Fest elektronikkhuset til håndtaket med kabelbindere som går gjennom monteringsblokken og inn i saken gjennom de tidligere borede monteringshullene.

4. Avslutt detektorhodet

Detektorhode -spolene må festes uten bevegelse i ledningene, så dette er et godt tidspunkt å bruke Hot Glue for å feste alle spolene grundig.

Detektorhodet må også være vanntett, så det er viktig å spraye MDF med en klar forsegler (sørg for at forsegleren ikke inneholder metall av åpenbare grunner).

Bor 5 mm hull i midten av hver spole og før 5 mm x 30 mm plastrør gjennom slik at du kan skyve trespyd ned i jorden nedenfor når du har stiftet et mål. Bruk en varm limpistol for å låse den på plass.

Jeg dekket deretter toppen av hodet med en plastplate og bunnen med et tykt plastbokdeksel mens jeg avsluttet kanten med fleksibelt elektrisk rørrør og varmlimt på plass.

Trinn 7: Sluttmontering og testing

1. Lading

Plasser en standard mobiltelefonlader i Micro USB -porten og kontroller at enheten er tilstrekkelig ladet.

2. Last opp kode

Bruk Arduino IDE for å laste opp den vedlagte koden.

3. Demp -knapp

Enheten er som standard slått av ved oppstart. Dette markert med en rød dempeknapp i nedre LHS på skjermen. For å aktivere lyd, trykk på denne knappen og knappen skal bli grønn for å markere at lyden er aktivert.

Når den ikke er dempet, vil den interne summeren og den eksterne lydtelefonkontakten produsere lyd.

4. Kalibrering

Kalibrering returnerer sporet til bunnen av skjermen under terskellinjene. Når enheten slås på, vil den automatisk kalibreres. Enheten er bemerkelsesverdig stabil, men hvis det er behov for omkalibrering, kan dette gjøres ved å trykke på kalibreringsknappen på skjermen, som vil kalibreres på mindre enn et sekund.

5. terskler

Hvis signalet på et hvilket som helst spor overskrider terskellinjen (den stiplede linjen på skjermen) og dempeknappen er slått av, vil det bli produsert et lydsignal.

Disse tersklene kan justeres opp og ned ved å berøre skjermen over eller under hver sporlinje.

6. Justering av PW og DLY

Varigheten av pulsen til spolen og forsinkelsen mellom pulser kan justeres via berøringsskjermen. Dette er virkelig på plass for å eksperimentere med, slik at forskjellige miljøer og skatter kan testes for best resultat.

7. Visningstyper

Det er 4 forskjellige skjermtyper

Visningsalternativ 1: Målposisjon under detektorhode Min intensjon var å bruke de 4 spolene til å triangulere posisjonen til målet under detektorhodet. Søklingenes ulineære karakter gjorde dette utfordrende, men den animerte-g.webp

Skjermalternativ 2: Vis signalsporing for hver søkespole Dette lar deg spore hvor målobjektet er under hodet ved å tegne et uavhengig signalstyrkespor på skjermen for hver søkespole. Dette er nyttig for å avgjøre om du har to mål tett sammen under detektorhodet og den relative styrken.

Displayalternativ 3: Samme som alternativ 2, men med tykkere linje gjør det lettere å se.

Skjermalternativ 4: Samme som alternativ 2 tegner imidlertid over 5 skjermer før du sletter sporingen. Bra for å fange opp svake signaler.

Jeg tester felt i løpet av de neste ukene, så jeg publiserer eventuelle skattefunn.

Nå kan du ha det gøy og finne litt skatt!

Trinn 8: Epilog: Spolevariasjoner

Det har vært mange gode, interessante spørsmål og forslag om spolekonfigurasjoner. I utviklingen av denne instruerbare var det mange eksperimenter med forskjellige spolekonfigurasjoner som er verdt å nevne.

Bildene ovenfor viser noen av spolene jeg prøvde før jeg satte meg på det nåværende designet. Send meg en melding hvis du har flere spørsmål.

Over til deg for å eksperimentere videre!

Første pris i oppfinnelsen Challenge 2017

Førstepremie i Explore Science Contest 2017