เครื่องตรวจจับโลหะ Arduino อย่างง่าย: 8 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:02

*** มีการโพสต์เวอร์ชันใหม่ที่ง่ายยิ่งขึ้น: https://www.instructables.com/Minimal-Arduino-Metal-Detector/ ***

การตรวจจับโลหะเป็นช่วงเวลาดีๆ ในอดีตที่จะพาคุณออกไปกลางแจ้ง ค้นพบสถานที่ใหม่ๆ และอาจพบสิ่งที่น่าสนใจ ตรวจสอบระเบียบข้อบังคับในท้องถิ่นของคุณเกี่ยวกับวิธีการดำเนินการในกรณีที่มีการค้นพบในที่สุด โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีของวัตถุอันตราย โบราณวัตถุ หรือวัตถุที่มีคุณค่าทางเศรษฐกิจหรือทางอารมณ์อย่างมีนัยสำคัญ

คำแนะนำสำหรับเครื่องตรวจจับโลหะ DIY มีมากมาย แต่สูตรนี้มีความเฉพาะเจาะจงในแง่ที่ต้องใช้ส่วนประกอบน้อยมากนอกเหนือจากไมโครคอนโทรลเลอร์ Arduino: ตัวเก็บประจุ ตัวต้านทาน และไดโอดทั่วไปสร้างแกน พร้อมด้วยคอยล์ค้นหาที่ประกอบด้วยประมาณ 20 ขดลวดนำไฟฟ้า จากนั้นเพิ่ม LED, ลำโพงและ/หรือหูฟังเพื่อส่งสัญญาณว่ามีโลหะอยู่ใกล้คอยล์ค้นหา ข้อดีเพิ่มเติมคือทุกอย่างสามารถใช้พลังงาน 5V เดียว ซึ่งพลังงาน USB ทั่วไป 2000mAh เพียงพอและใช้งานได้นานหลายชั่วโมง

เพื่อตีความสัญญาณและทำความเข้าใจว่าวัสดุและรูปร่างใดที่เครื่องตรวจจับมีความอ่อนไหว จะช่วยให้เข้าใจฟิสิกส์ได้อย่างแท้จริง ตามหลักการทั่วไป เครื่องตรวจจับมีความไวต่อวัตถุในระยะทางหรือความลึกจนถึงรัศมีของขดลวด มีความไวต่อวัตถุที่กระแสสามารถไหลในระนาบของขดลวดได้มากที่สุด และการตอบสนองจะสอดคล้องกับพื้นที่ของวงรอบปัจจุบันในวัตถุนั้น ดังนั้นแผ่นโลหะในระนาบของขดลวดจะให้การตอบสนองที่แข็งแกร่งกว่าแผ่นโลหะเดียวกันในแนวตั้งฉากกับขดลวด น้ำหนักของวัตถุไม่สำคัญมากนัก แผ่นฟอยล์อะลูมิเนียมบางๆ ที่วางอยู่บนระนาบของขดลวดจะให้การตอบสนองที่แรงกว่าสลักเกลียวโลหะหนักมาก

ขั้นตอนที่ 1: หลักการทำงาน

เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านขดลวด มันจะสร้างสนามแม่เหล็กขึ้น ตามกฎการเหนี่ยวนำของฟาราเดย์ สนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงจะส่งผลให้เกิดสนามไฟฟ้าที่ต่อต้านการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็ก ดังนั้นแรงดันไฟฟ้าจะพัฒนาไปทั่วคอยล์ที่ต่อต้านการเพิ่มขึ้นของกระแส เอฟเฟกต์นี้เรียกว่าการเหนี่ยวนำตัวเอง และหน่วยของการเหนี่ยวนำคือ Henry โดยที่ขดลวด 1 Henry พัฒนาความต่างศักย์ที่ 1V เมื่อกระแสเปลี่ยน 1 แอมแปร์ต่อวินาที ความเหนี่ยวนำของขดลวดที่มีขดลวด N และรัศมี R อยู่ที่ประมาณ 5µH x N^2 x R โดยมี R เป็นเมตร

การปรากฏตัวของวัตถุที่เป็นโลหะใกล้ขดลวดจะเปลี่ยนการเหนี่ยวนำของมัน การเหนี่ยวนำสามารถเพิ่มหรือลดลงได้ขึ้นอยู่กับชนิดของโลหะ โลหะที่ไม่ใช่แม่เหล็ก เช่น ทองแดงและอลูมิเนียมใกล้กับขดลวดจะลดการเหนี่ยวนำ เนื่องจากสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงจะทำให้เกิดกระแสไหลวนในวัตถุที่ลดความเข้มของสนามแม่เหล็กในท้องถิ่น วัสดุที่เป็นเฟอร์โรแมกเนติก เช่น เหล็ก ใกล้ขดลวดเพิ่มความเหนี่ยวนำ เนื่องจากสนามแม่เหล็กเหนี่ยวนำจะอยู่ในแนวเดียวกับสนามแม่เหล็กภายนอก

การวัดค่าความเหนี่ยวนำของขดลวดจึงสามารถเปิดเผยการมีอยู่ของโลหะในบริเวณใกล้เคียงได้ ด้วย Arduino, ตัวเก็บประจุ, ไดโอด และตัวต้านทาน คุณสามารถวัดค่าความเหนี่ยวนำของขดลวดได้: ทำให้ส่วนคอยล์ของตัวกรอง LR ความถี่สูงผ่านและป้อนสิ่งนี้ด้วยคลื่นบล็อก แหลมสั้นจะถูกสร้างขึ้นทุกๆ การเปลี่ยนแปลง ความยาวพัลส์ของเดือยแหลมเหล่านี้เป็นสัดส่วนกับการเหนี่ยวนำของขดลวด อันที่จริง เวลาคุณลักษณะของตัวกรอง LR คือ tau=L/R สำหรับขดลวด 20 ม้วนและเส้นผ่านศูนย์กลาง 10 ซม. L ~ 5µH x 20^2 x 0.05 = 100µH เพื่อป้องกัน Arduino จากกระแสเกิน ความต้านทานขั้นต่ำคือ 200Ohm ดังนั้นเราจึงคาดว่าพัลส์จะมีความยาวประมาณ 0.5 ไมโครวินาที สิ่งเหล่านี้ยากต่อการวัดโดยตรงด้วยความแม่นยำสูง เนื่องจากความถี่สัญญาณนาฬิกาของ Arduino คือ 16MHz

แต่สามารถใช้พัลส์ที่เพิ่มขึ้นเพื่อชาร์จตัวเก็บประจุ ซึ่งสามารถอ่านได้ด้วยตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิทัล (ADC) ของ Arduino ประจุที่คาดหวังจากพัลส์ 0.5 ไมโครวินาทีที่ 25mA คือ 12.5nC ซึ่งจะให้ 1.25V บนตัวเก็บประจุ 10nF แรงดันตกคร่อมไดโอดจะลดค่านี้ หากชีพจรซ้ำสองสามครั้ง ประจุบนตัวเก็บประจุจะเพิ่มขึ้นเป็น ~2V สามารถอ่านข้อมูลนี้ด้วย Arduino ADC โดยใช้ analogRead() ตัวเก็บประจุสามารถถูกคายประจุได้อย่างรวดเร็วโดยการเปลี่ยนพินการอ่านค่าเป็นเอาต์พุตและตั้งค่าเป็น 0V เป็นเวลาสองสามไมโครวินาที การวัดทั้งหมดใช้เวลาประมาณ 200 ไมโครวินาที, 100 สำหรับการชาร์จและการรีเซ็ตตัวเก็บประจุ และ 100 สำหรับการแปลง ADC ความแม่นยำสามารถปรับปรุงได้อย่างมากโดยการวัดซ้ำและหาค่าเฉลี่ยของผลลัพธ์: การวัดค่าเฉลี่ย 256 ครั้งใช้เวลา 50 มิลลิวินาที และปรับปรุงความแม่นยำด้วยปัจจัย 16 ADC 10 บิตให้ความแม่นยำของ ADC 14 บิตด้วยวิธีนี้

การวัดที่ได้นี้ไม่เชิงเส้นอย่างมากกับการเหนี่ยวนำของขดลวด ดังนั้นจึงไม่เหมาะที่จะวัดค่าสัมบูรณ์ของการเหนี่ยวนำ อย่างไรก็ตาม สำหรับการตรวจจับโลหะ เราสนใจเพียงการเปลี่ยนแปลงสัมพัทธ์เพียงเล็กน้อยของการเหนี่ยวนำของคอยล์เนื่องจากการมีอยู่ของโลหะที่อยู่ใกล้เคียง และด้วยเหตุนี้วิธีนี้จึงเหมาะสมอย่างยิ่ง

การสอบเทียบการวัดสามารถทำได้โดยอัตโนมัติในซอฟต์แวร์ หากสามารถสรุปได้ว่าส่วนใหญ่ไม่มีโลหะอยู่ใกล้ขดลวด การเบี่ยงเบนจากค่าเฉลี่ยเป็นสัญญาณว่าโลหะเข้ามาใกล้ขดลวด การใช้สีที่ต่างกันหรือโทนสีที่ต่างกันช่วยให้สามารถแยกแยะระหว่างการเพิ่มขึ้นอย่างกะทันหันหรือการลดลงอย่างกะทันหันของตัวเหนี่ยวนำ

ขั้นตอนที่ 2: ส่วนประกอบที่จำเป็น

แกนอิเล็กทรอนิกส์:

Arduino UNO R3 + โล่ต้นแบบ หรือ Arduino Nano พร้อมบอร์ดต้นแบบ 5x7 ซม

ตัวเก็บประจุ 10nF

ไดโอดสัญญาณขนาดเล็ก เช่น 1N4148

ตัวต้านทาน 220 โอห์ม

สำหรับพลังงาน:

พาวเวอร์แบงค์ USB พร้อมสาย

สำหรับการแสดงผลภาพ:

ไฟ LED 2 ดวงที่มีสีต่างกัน เช่น ไฟ LED สีฟ้าและสีเขียว

ตัวต้านทาน 220Ohm 2 ตัวเพื่อจำกัดกระแส

สำหรับเอาต์พุตเสียง:

ออดแบบพาสซีฟ

ไมโครสวิตช์ปิดเสียง

สำหรับเอาต์พุตหูฟัง:

ช่องเสียบหูฟัง

ตัวต้านทาน 1kOhm

หูฟัง

ในการเชื่อมต่อ/ถอดคอยล์การค้นหาอย่างง่ายดาย:

ขั้วต่อสกรู 2 ขา

สำหรับคอยล์การค้นหา:

สายไฟฟ้าบางประมาณ 5 เมตร

โครงสร้างคอยล์คอยล์ ต้องแข็งแต่ไม่จำเป็นต้องเป็นวงกลม

สำหรับโครงสร้าง:

ไม้ยาว 1 เมตร เช่น ไม้ พลาสติก หรือไม้เซลฟี่

ขั้นตอนที่ 3: คอยล์การค้นหา

สำหรับคอยล์ค้นหา ฉันพันลวดที่พันอยู่ยาวประมาณ 4 เมตรรอบๆ กระบอกกระดาษแข็งที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 9 ซม. ส่งผลให้เกิดขดลวดประมาณ 18 รอบ ประเภทของสายเคเบิลไม่เกี่ยวข้อง ตราบใดที่ความต้านทานโอห์มมิกน้อยกว่าค่า R ในตัวกรอง RL อย่างน้อยสิบเท่า ดังนั้นตรวจสอบให้แน่ใจว่าอยู่ต่ำกว่า 20 โอห์ม ฉันวัดได้ 1 โอห์ม ดังนั้นมันจึงปลอดภัย แค่ม้วนลวดเชื่อมยาว 10 ม. ครึ่งม้วนก็ใช้ได้เช่นกัน!

ขั้นตอนที่ 4: เวอร์ชันต้นแบบ

ด้วยส่วนประกอบภายนอกจำนวนน้อย จึงสามารถติดตั้งวงจรบนเขียงหั่นขนมขนาดเล็กของแผงป้องกันต้นแบบได้อย่างสมบูรณ์แบบ อย่างไรก็ตาม ผลสุดท้ายค่อนข้างเทอะทะและไม่แข็งแกร่งนัก ควรใช้ Arduino nano และประสานกับส่วนประกอบพิเศษบนบอร์ดต้นแบบขนาด 5x7 ซม. (ดูขั้นตอนต่อไป)

มีเพียง 2 พิน Arduino เท่านั้นที่ใช้สำหรับการตรวจจับโลหะจริง อันหนึ่งสำหรับส่งพัลส์ไปยังฟิลเตอร์ LR และอีกอันสำหรับอ่านแรงดันไฟฟ้าบนตัวเก็บประจุ การเต้นเป็นจังหวะสามารถทำได้จากพินเอาต์พุตใดๆ แต่การอ่านข้อมูลต้องทำด้วยพินอะนาล็อก A0-A5 อันใดอันหนึ่ง อีก 3 พินใช้สำหรับ LED 2 ดวงและสำหรับเอาต์พุตเสียง

นี่คือสูตร:

1. บนเขียงหั่นขนม ต่อตัวต้านทาน 220 โอห์ม ไดโอด และตัวเก็บประจุ 10nF แบบอนุกรม โดยมีขั้วลบของไดโอด (เส้นสีดำ) เข้าหาตัวเก็บประจุ
2. เชื่อมต่อ A0 กับตัวต้านทาน (ปลายไม่ได้เชื่อมต่อกับไดโอด)
3. เชื่อมต่อ A1 กับจุดตัดของไดโอดและตัวเก็บประจุ
4. เชื่อมต่อขั้วที่ไม่เชื่อมต่อของตัวเก็บประจุกับกราวด์
5. ต่อปลายด้านหนึ่งของขดลวดเข้ากับจุดตัดขวางของตัวต้านทาน-ไดโอด
6. ต่อปลายอีกด้านของคอยล์เข้ากับกราวด์
7. เชื่อมต่อ LED หนึ่งดวงกับขั้วบวกเพื่อยึด D12 และขั้วลบผ่านตัวต้านทาน 220Ohm กับกราวด์
8. เชื่อมต่อ LED อีกดวงกับขั้วบวกเพื่อตรึง D11 และขั้วลบผ่านตัวต้านทาน 220 โอห์มกับกราวด์
9. หรือเชื่อมต่อหูฟังหรือลำโพงแบบพาสซีฟ Buzzer ระหว่างพิน 10 กับกราวด์ สามารถเพิ่มตัวเก็บประจุหรือตัวต้านทานแบบอนุกรมเพื่อลดระดับเสียง

นั่นคือทั้งหมด!

ขั้นตอนที่ 5: เวอร์ชันบัดกรี

ในการนำเครื่องตรวจจับโลหะออกนอกบ้านจำเป็นต้องบัดกรี บอร์ดต้นแบบขนาด 7x5 ซม. ทั่วไปที่สะดวกสบายเหมาะกับ Arduino nano และส่วนประกอบที่จำเป็นทั้งหมด ใช้แผนผังเดียวกันกับในขั้นตอนก่อนหน้า ฉันพบว่าการเพิ่มสวิตช์แบบอนุกรมพร้อมเสียงกริ่งมีประโยชน์เพื่อปิดเสียงเมื่อไม่ต้องการ ขั้วต่อสกรูช่วยให้ลองใช้ขดลวดต่างๆ ได้โดยไม่ต้องบัดกรี ทุกอย่างขับเคลื่อนผ่าน 5V ที่จ่ายให้กับพอร์ต (mini- หรือ micro-USB) ของ Arduino Nano

ขั้นตอนที่ 6: ซอฟต์แวร์

แนบภาพร่าง Arduino ที่ใช้ที่นี่ อัปโหลดและเรียกใช้ ฉันใช้ Arduino 1.6.12 IDE ขอแนะนำให้รันด้วย debug=true ในตอนเริ่มต้น เพื่อปรับจำนวนพัลส์ต่อการวัด ดีที่สุดคือการมีค่า ADC ระหว่าง 200 ถึง 300 เพิ่มหรือลดจำนวนพัลส์ในกรณีที่คอยล์ของคุณให้การอ่านที่แตกต่างกันอย่างมาก

ภาพร่างทำการปรับเทียบด้วยตนเอง ปล่อยให้คอยล์เงียบห่างจากโลหะเพียงเพื่อทำให้มันเงียบก็เพียงพอแล้ว การเคลื่อนตัวช้าในการเหนี่ยวนำจะตามมา แต่การเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่อย่างกะทันหันจะไม่ส่งผลต่อค่าเฉลี่ยระยะยาว

ขั้นตอนที่ 7: ติดตั้งบน Stick

เนื่องจากคุณไม่ต้องการให้ล่าขุมทรัพย์ของคุณคลานอยู่บนพื้น กระดานสามแผ่น ขดลวด และแบตเตอรี่ควรติดตั้งไว้ที่ปลายไม้ ไม้เซลฟี่เหมาะอย่างยิ่งสำหรับสิ่งนี้ เนื่องจากมีน้ำหนักเบา พับได้ และปรับได้ พาวเวอร์แบงค์ 5000mAh ของฉันพอดีกับไม้เซลฟี่ จากนั้นติดบอร์ดด้วยสายรัดหรืออีลาสติก และขดลวดก็เหมือนกับแบตเตอรี่หรือแท่ง

ขั้นตอนที่ 8: วิธีใช้งาน

เพื่อสร้างการอ้างอิง ก็เพียงพอที่จะปล่อยให้คอยล์อยู่ห่างจากโลหะประมาณ 5 วินาที จากนั้น เมื่อขดลวดเข้าใกล้โลหะ ไฟ LED สีเขียวหรือสีน้ำเงินจะเริ่มกะพริบและส่งเสียงบี๊บในออดและ/หรือหูฟัง กะพริบเป็นสีน้ำเงินและเสียงบี๊บต่ำแสดงว่ามีโลหะที่ไม่ใช่ธาตุเหล็ก ไฟกะพริบสีเขียวและเสียงบี๊บดังขึ้นแสดงว่ามีโลหะที่เป็นแม่เหล็ก ระวังว่าเมื่อคอยล์คอยล์อยู่ใกล้โลหะนานกว่า 5 วินาที จะใช้ค่าที่อ่านนั้นเป็นข้อมูลอ้างอิง และเริ่มส่งเสียงบี๊บเมื่อเครื่องตรวจจับถูกดึงออกจากโลหะ หลังจากส่งเสียงบี๊บในอากาศไม่กี่วินาที เสียงจะเงียบอีกครั้ง ความถี่ของไฟกะพริบและเสียงบี๊บแสดงถึงความแรงของสัญญาณ การล่าสัตว์ที่มีความสุข!