Máy dò kim loại Arduino đơn giản: 8 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:30

*** Một phiên bản mới đã được đăng tải thậm chí còn đơn giản hơn: https://www.instructables.com/Minimal-Arduino-Metal-Detector/ ***

Phát hiện kim loại là một khoảng thời gian tuyệt vời giúp bạn ra ngoài trời, khám phá những địa điểm mới và có thể tìm thấy điều gì đó thú vị. Kiểm tra các quy định địa phương của bạn về cách hành động trong trường hợp cuối cùng phát hiện thấy, đặc biệt là trong trường hợp các đồ vật nguy hiểm, di tích khảo cổ học hoặc đồ vật có giá trị kinh tế hoặc tình cảm quan trọng.

Hướng dẫn về máy dò kim loại tự làm có rất nhiều, nhưng công thức này đặc biệt ở chỗ nó yêu cầu rất ít thành phần ngoài vi điều khiển Arduino: một tụ điện, điện trở và diode chung tạo thành lõi, cùng với một cuộn dây tìm kiếm bao gồm khoảng 20 cuộn dây của cáp dẫn điện. Sau đó, đèn LED, loa và / hoặc tai nghe được thêm vào để báo hiệu sự hiện diện của kim loại gần cuộn dây tìm kiếm. Một lợi thế nữa là tất cả đều có thể được cấp nguồn từ một nguồn 5V duy nhất, với nguồn điện USB 2000mAh thông thường là đủ và sẽ kéo dài nhiều giờ.

Để giải thích các tín hiệu và hiểu vật liệu và hình dạng mà máy dò nhạy cảm với, nó thực sự hữu ích để hiểu vật lý. Theo nguyên tắc chung, máy dò nhạy cảm với các đối tượng ở khoảng cách hoặc độ sâu lên đến bán kính của cuộn dây. Nó nhạy cảm nhất với các vật thể trong đó dòng điện có thể chạy trong mặt phẳng của cuộn dây, và phản ứng sẽ tương ứng với khu vực của vòng dòng trong vật thể đó. Do đó, một đĩa kim loại nằm trong mặt phẳng của cuộn dây sẽ cho phản ứng mạnh hơn nhiều so với đĩa kim loại cùng phương vuông góc với cuộn dây. Trọng lượng của vật không ảnh hưởng nhiều. Một miếng lá nhôm mỏng được định hướng trong mặt phẳng của cuộn dây sẽ cho phản ứng mạnh hơn nhiều so với một bu lông kim loại nặng.

Bước 1: Nguyên tắc làm việc

Khi dòng điện bắt đầu chạy qua cuộn dây, nó sẽ tạo ra từ trường. Theo định luật cảm ứng Faraday, một từ trường thay đổi sẽ tạo ra một điện trường chống lại sự thay đổi của từ trường. Do đó, một điện áp sẽ phát triển trên cuộn dây chống lại sự gia tăng dòng điện. Hiệu ứng này được gọi là hiện tượng tự cảm, và đơn vị của độ tự cảm là Henry, trong đó một cuộn dây gồm 1 Henry tạo ra hiệu điện thế 1V khi dòng điện thay đổi 1 Ampe mỗi giây. Độ tự cảm của cuộn dây có N cuộn dây và bán kính R xấp xỉ 5µH x N ^ 2 x R, với R tính bằng mét.

Sự hiện diện của một vật kim loại gần cuộn dây sẽ làm thay đổi độ tự cảm của nó. Tùy thuộc vào loại kim loại, độ tự cảm có thể tăng hoặc giảm. Các kim loại không có từ tính như đồng và nhôm ở gần cuộn dây làm giảm độ tự cảm, vì từ trường thay đổi sẽ tạo ra dòng điện xoáy trong vật thể làm giảm cường độ của từ trường cục bộ. Vật liệu sắt từ, chẳng hạn như sắt, ở gần cuộn dây làm tăng độ tự cảm của nó vì từ trường cảm ứng phù hợp với từ trường bên ngoài.

Do đó, phép đo độ tự cảm của cuộn dây có thể tiết lộ sự hiện diện của kim loại gần đó. Với Arduino, một tụ điện, một diode và một điện trở, có thể đo độ tự cảm của cuộn dây: làm cho cuộn dây trở thành một phần của bộ lọc LR thông cao và cấp nguồn này bằng sóng khối, các gai ngắn sẽ được tạo ra ở mọi sự chuyển tiếp. Độ dài xung của các gai này tỷ lệ với độ tự cảm của cuộn dây. Trên thực tế, thời gian đặc trưng của bộ lọc LR là tau = L / R. Đối với cuộn dây gồm 20 cuộn dây và đường kính 10 cm, L ~ 5µH x 20 ^ 2 x 0,05 = 100µH. Để bảo vệ Arduino khỏi quá dòng, điện trở tối thiểu là 200Ohm. Do đó, chúng tôi mong đợi các xung có độ dài khoảng 0,5 micro giây. Rất khó để đo trực tiếp với độ chính xác cao, vì tần số xung nhịp của Arduino là 16MHz.

Thay vào đó, xung tăng có thể được sử dụng để sạc tụ điện, sau đó có thể được đọc ra với Arduino được chuyển đổi từ tương tự sang kỹ thuật số (ADC). Điện tích dự kiến từ xung 0,5 micro giây của 25mA là 12,5nC, sẽ cho 1,25V trên tụ điện 10nF. Sự sụt giảm điện áp trên diode sẽ làm giảm điều này. Nếu xung lặp lại một vài lần, điện tích trên tụ điện tăng lên ~ 2V. Điều này có thể được đọc ra với Arduino ADC bằng cách sử dụng analogRead (). Sau đó, tụ điện có thể được xả nhanh chóng bằng cách thay đổi chân đọc thành đầu ra và đặt nó thành 0V trong vài micro giây. Toàn bộ quá trình đo mất khoảng 200 micro giây, 100 cho quá trình sạc và đặt lại tụ điện và 100 cho quá trình chuyển đổi ADC. Độ chính xác có thể được tăng cường đáng kể bằng cách lặp lại phép đo và lấy trung bình kết quả: lấy trung bình của 256 phép đo mất 50ms và cải thiện độ chính xác theo hệ số 16. ADC 10 bit đạt được độ chính xác của bộ ADC 14 bit theo cách này.

Phép đo này thu được rất phi tuyến tính với độ tự cảm của cuộn dây và do đó không thích hợp để đo giá trị tuyệt đối của độ tự cảm. Tuy nhiên, để phát hiện kim loại, chúng tôi chỉ quan tâm đến những thay đổi tương đối nhỏ của điện cảm cuộn dây do sự hiện diện của các kim loại gần đó, và vì vậy phương pháp này hoàn toàn phù hợp.

Việc hiệu chuẩn phép đo có thể được thực hiện tự động trong phần mềm. Nếu người ta có thể giả định rằng hầu hết thời gian không có kim loại ở gần cuộn dây, thì độ lệch so với giá trị trung bình là tín hiệu cho thấy kim loại đã đến gần cuộn dây. Sử dụng các màu khác nhau hoặc các tông màu khác nhau cho phép phân biệt giữa điện cảm tăng đột ngột hoặc giảm đột ngột.

Bước 2: Các thành phần bắt buộc

Lõi điện tử:

Lá chắn nguyên mẫu Arduino UNO R3 + HOẶC Arduino Nano với bảng nguyên mẫu 5x7cm

Tụ điện 10nF

Điốt tín hiệu nhỏ, ví dụ: 1N4148

Điện trở 220 ohm

Cho quyền lực:

Ngân hàng điện USB có cáp

Đối với đầu ra trực quan:

2 đèn LED có màu khác nhau, ví dụ: xanh lam và xanh lục

2 điện trở 220Ohm để hạn chế dòng điện

Đối với đầu ra âm thanh:

Bộ rung thụ động

Microswitch để tắt âm thanh

Đối với đầu ra tai nghe:

Đầu nối tai nghe

Điện trở 1kOhm

Tai nghe

Để dễ dàng kết nối / ngắt kết nối cuộn dây tìm kiếm:

Thiết bị đầu cuối vít 2 chân

Đối với cuộn dây tìm kiếm:

~ 5 mét cáp điện mỏng

Cơ cấu giữ cuộn dây. Phải cứng nhưng không cần hình tròn.

Đối với cấu trúc:

Gậy 1 mét, ví dụ như gỗ, nhựa hoặc gậy tự sướng.

Bước 3: Cuộn dây tìm kiếm

Đối với cuộn dây tìm kiếm, tôi quấn ~ 4m dây bện xung quanh một hình trụ bằng bìa cứng có đường kính 9 cm, tạo ra khoảng 18 cuộn dây. Loại cáp không liên quan, miễn là điện trở ohmic nhỏ hơn ít nhất mười lần so với giá trị của R trong bộ lọc RL, vì vậy hãy đảm bảo duy trì dưới 20 Ohms. Tôi đo 1 Ohm, vì vậy điều đó là an toàn. Chỉ cần lấy một nửa cuộn dây nối dài 10m đã hoàn thành cũng có tác dụng!

Bước 4: Phiên bản nguyên mẫu

Với số lượng linh kiện bên ngoài nhỏ, bạn hoàn toàn có thể lắp mạch điện trên bảng mạch nhỏ của tấm chắn nguyên mẫu. Tuy nhiên, kết quả cuối cùng là khá cồng kềnh và không mạnh mẽ. Tốt hơn là sử dụng nano Arduino và hàn nó với các thành phần bổ sung trên bảng nguyên mẫu 5x7cm, (xem bước tiếp theo)

Chỉ có 2 chân Arduino được sử dụng để phát hiện kim loại thực tế, một chân để cung cấp xung cho bộ lọc LR và một chân để đọc điện áp trên tụ điện. Xung có thể được thực hiện từ bất kỳ chân đầu ra nào nhưng quá trình đọc phải được thực hiện bằng một trong các chân tương tự A0-A5. 3 chân nữa được sử dụng cho 2 đèn LED và cho đầu ra âm thanh.

Đây là công thức:

1. Trên bảng mạch, mắc nối tiếp điện trở 220Ohm, diode và tụ điện 10nF, với cực âm của diode (đường màu đen) về phía tụ điện.
2. Kết nối A0 với điện trở (đầu không kết nối với diode)
3. Kết nối A1 với điểm giao nhau của diode và tụ điện
4. Kết nối đầu cuối không kết nối của tụ điện với đất
5. Kết nối một đầu của cuộn dây với điểm chéo diode điện trở
6. Nối đầu kia của cuộn dây với đất
7. Kết nối một đèn LED với đầu cực dương của nó với chân D12 và đầu cuối âm của nó thông qua một điện trở 220Ohm nối đất
8. Kết nối đèn LED khác với đầu cực dương của nó với chân D11 và đầu cuối âm của nó thông qua điện trở 220Ohm nối đất
9. Theo tùy chọn, kết nối tai nghe bộ rung thụ động hoặc loa giữa chân số 10 và mặt đất. Có thể mắc nối tiếp tụ điện hoặc điện trở để giảm âm lượng

Đó là tất cả!

Bước 5: Phiên bản được hàn

Để đưa máy dò kim loại ra bên ngoài, cần phải hàn nó. Một bo mạch nguyên mẫu 7x5 cm thông dụng, thoải mái phù hợp với nano Arduino và tất cả các thành phần cần thiết. Sử dụng các sơ đồ tương tự như trong bước trước. Tôi thấy hữu ích khi thêm một công tắc nối tiếp với bộ rung để tắt âm thanh khi không cần thiết. Một thiết bị đầu cuối vít cho phép thử các cuộn dây khác nhau mà không cần phải hàn. Mọi thứ được cấp nguồn thông qua nguồn 5V được cung cấp cho cổng (mini hoặc micro-USB) của Arduino Nano.

Bước 6: Phần mềm

Bản phác thảo Arduino được sử dụng được đính kèm ở đây. Tải lên và chạy nó. Tôi đã sử dụng Arduino 1.6.12 IDE. Bạn nên chạy nó với debug = true ngay từ đầu, để điều chỉnh số lượng xung cho mỗi phép đo. Tốt nhất là có số đọc ADC từ 200 đến 300. Tăng hoặc giảm số lượng xung trong trường hợp cuộn dây của bạn cho các số đọc khác nhau đáng kể.

Bản phác thảo thực hiện một số loại tự hiệu chỉnh. Chỉ cần để cuộn dây yên tĩnh tránh xa kim loại để làm cho nó hoạt động êm ái. Sẽ kéo theo sự trôi chậm trong cuộn cảm, nhưng sự thay đổi lớn đột ngột sẽ không ảnh hưởng đến giá trị trung bình dài hạn.

Bước 7: Gắn nó vào thanh

Vì bạn sẽ không muốn thực hiện các cuộc săn tìm kho báu của mình khi bò trên sàn, ba bảng, cuộn dây và pin phải được gắn vào cuối một cây gậy. Một chiếc gậy tự sướng là lý tưởng cho việc này, vì nó nhẹ, có thể thu gọn và có thể điều chỉnh được. Pin dự phòng 5000mAh của tôi đã phù hợp với gậy tự sướng. Sau đó, bảng có thể được gắn bằng dây cáp hoặc dây đàn hồi và cuộn dây có thể tương tự như pin hoặc que.

Bước 8: Cách sử dụng

Để thiết lập tham chiếu, chỉ cần để cuộn dây cách xa kim loại ~ 5 giây. Sau đó, khi cuộn dây đến gần kim loại, đèn LED màu xanh lá cây hoặc xanh lam sẽ bắt đầu nhấp nháy và tiếng bíp sẽ phát ra trong còi và / hoặc tai nghe. Nhấp nháy màu xanh lam và tiếng bíp âm độ thấp cho thấy sự hiện diện của kim loại phi sắt từ. Đèn nhấp nháy màu xanh lá cây và tiếng bíp cường độ cao cho thấy sự hiện diện của kim loại sắt từ. Lưu ý rằng khi cuộn dây được giữ trong hơn 5 giây gần kim loại, nó sẽ lấy số đọc đó làm tham chiếu và bắt đầu phát ra tiếng bíp khi máy dò được đưa ra khỏi kim loại. Sau một vài giây bíp trong không khí, nó sẽ yên tĩnh trở lại. Tần số nhấp nháy và tiếng bíp cho biết cường độ của tín hiệu. Đi săn vui nhé!