เครื่องตรวจจับการเหนี่ยวนำพัลส์แบบใช้ Arduino - Flip Coil: 5 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:07

ความคิด

เมื่อก่อนสร้างเครื่องตรวจจับโลหะด้วยผลลัพธ์ที่หลากหลาย ฉันต้องการสำรวจความสามารถของ Arduino ในทิศทางนั้น

มีตัวอย่างที่ดีเกี่ยวกับวิธีการสร้างเครื่องตรวจจับโลหะด้วย Arduino ซึ่งบางส่วนใช้เป็นคำแนะนำได้ แต่เมื่อมองดูพวกมัน มักต้องการส่วนประกอบภายนอกค่อนข้างมากสำหรับการรักษาสัญญาณแอนะล็อก หรือความไวค่อนข้างต่ำ

เมื่อนึกถึงเครื่องตรวจจับโลหะ หัวข้อหลักคือวิธีรับรู้การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยของแรงดันไฟฟ้าในสัญญาณที่เกี่ยวข้องกับคอยล์ค้นหา การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้มักมีขนาดเล็กมาก แนวทางที่ชัดเจนที่สุดคือการใช้อินพุตแบบอะนาล็อกของ ATmega328 แต่การดูข้อมูลจำเพาะมีปัญหาพื้นฐานสองประการ: (บ่อยครั้ง) ทำงานช้าและความละเอียด (ในกรณีส่วนใหญ่) ต่ำ

ในทางกลับกัน Arduino ทำงานที่ 16MHz และมีความสามารถด้านเวลาค่อนข้างมาก i. อี ความละเอียด 0.0625µS หากใช้ความเร็วสัญญาณนาฬิกา ดังนั้น แทนที่จะใช้อินพุตแบบอะนาล็อกสำหรับการตรวจจับ วิธีที่ง่ายที่สุดในการตรวจจับการเปลี่ยนแปลงแบบไดนามิกเล็กๆ ของแรงดันไฟฟ้าคือการเปรียบเทียบการเปลี่ยนแปลงของแรงดันตกคร่อมเมื่อเวลาผ่านไปที่แรงดันอ้างอิงคงที่

เพื่อจุดประสงค์นี้ ATmega328 มีคุณสมบัติที่ดีของตัวเปรียบเทียบภายในระหว่าง D6 กับ D7 ตัวเปรียบเทียบนี้สามารถทริกเกอร์การขัดจังหวะ ทำให้สามารถจัดการเหตุการณ์ได้อย่างแม่นยำ ออกจากรูทีนเวลาที่กำหนดอย่างประณีตเช่น millis() และ micos() และเข้าสู่ตัวจับเวลาภายในของ ATmega328 ที่มีความละเอียดสูงกว่ามาก Arduino เป็นพื้นฐานที่ยอดเยี่ยมสำหรับวิธีการตรวจจับโลหะ

ดังนั้น จากมุมมองซอร์สโค้ด การเริ่มต้นที่ดีควรตั้งโปรแกรมตัวเปรียบเทียบภายในสำหรับ "การเปลี่ยนแปลง" ในขั้วของอินพุต และใช้ตัวนับภายในด้วยความเร็วสูงสุดที่เป็นไปได้สำหรับการเปลี่ยนแปลงในจังหวะเวลาของการเปลี่ยนแปลง

รหัสทั่วไปใน Arduido เพื่อให้บรรลุนี้คือ:

// กำหนดตัวแปรล่วงหน้าที่จำเป็นทั้งหมด ฯลฯ และตั้งค่ารีจิสเตอร์

นาฬิกาถ่านที่ไม่ได้ลงชื่อSelectBits = _BV(CS10); // ไม่มี prescale, การตั้งค่า xtal void แบบเต็ม () { pinMode (6, INPUT); // + ของตัวเปรียบเทียบ - โดยการตั้งค่าให้เป็น INPUT จะเป็น // ตั้งค่าเป็น pinMode อิมพีแดนซ์สูง (7, INPUT); // - ของตัวเปรียบเทียบ - โดยการตั้งค่าให้เป็น INPUT จะ // ตั้งค่าเป็น cli(); // หยุดการขัดจังหวะ TCCR1A = 0; // ตั้งค่าการลงทะเบียน TCCR1A ทั้งหมดเป็น 0 TCCR1B = 0; // เหมือนกันสำหรับ TCCR1B -> โหมดปกติTCNT1 = 0; //เริ่มต้นค่าตัวนับเป็น 0; TCCR1B |= clockSelectBits; // ตั้งค่า prescaler และเริ่มนาฬิกา TIMSK1 = _BV(TOIE1); // ตั้งค่าตัวจับเวลาล้นอินเตอร์รัปต์เปิดใช้งานบิต sei(); // อนุญาตให้ขัดจังหวะ ACSR = (0 << ACD) | // ตัวเปรียบเทียบอนาล็อก: เปิดใช้งาน (0 << ACBG) | // Analog Comparator Bandgap Select: AIN0 ถูกนำไปใช้กับอินพุตที่เป็นบวก (0 << ACO) | // เอาต์พุตตัวเปรียบเทียบอนาล็อก: ปิด (1 << ACI) | // แฟล็กขัดจังหวะตัวเปรียบเทียบแบบอะนาล็อก: ล้างการขัดจังหวะที่รอดำเนินการ (1 << ACIE) | // การขัดจังหวะตัวเปรียบเทียบแบบอะนาล็อก: เปิดใช้งาน (0 << ACIC) | // การจับอินพุตเปรียบเทียบแบบอะนาล็อก: ปิดใช้งาน (0 << ACIS1 | 0 << ACIS0 // ขัดจังหวะเมื่อสลับเอาต์พุต // (0 << ACIS1 | 1 << ACIS0 // สงวนไว้ // (1 << ACIS1 | 0 << ACIS0 // ขัดจังหวะบนขอบเอาต์พุตที่ตกลงมา // (1 << ACIS1 | 1 << ACIS0 // ขัดจังหวะบนขอบอินพุตที่เพิ่มขึ้น; }

// รูทีนนี้ถูกเรียกทุกครั้งที่ตัวเปรียบเทียบสร้างการขัดจังหวะ

ISR (ANALOG_COMP_vect) { oldSREG = SREG; cli(); timeStamp=TCNT1; SREG = เก่า SREG; }

// รูทีนนี้เรียกทุกครั้งที่มีโอเวอร์โฟลว์ในตัวนับภายใน

ISR (TIMER1_OVF_vect) {timer1_overflow_count++; }

// รูทีนนี้ใช้เพื่อรีเซ็ตตัวจับเวลาเป็น0

เป็นโมฆะ resetTimer (เป็นโมฆะ) { oldSREG = SREG; cli(); // ปิดใช้งานการขัดจังหวะ TCNT1 = 0; //เริ่มต้นค่าตัวนับเป็น 0 SREG = oldSREG; // เรียกคืนสถานะการลงทะเบียน TCCR1B |= clockSelectBits; // ตั้งค่า prescaler และเริ่มจับเวลานาฬิกา1_overflow_count=0; // รีเซ็ตตัวนับล้น }

แน่นอนว่าความคิดนี้ไม่ใช่เรื่องใหม่ทั้งหมด ส่วนหลักของรหัสนี้สามารถพบได้ที่อื่น การใช้งานที่ดีเช่นแนวทางสำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์ที่พบในหน้าแรกของ TPIMD - Tiny Pulse Induction Metal Detector

www.miymd.com/index.php/projects/tpimd/ (น่าเสียดายที่หน้านี้ไม่ได้ออนไลน์แล้ว ขณะนี้มีข้อมูลสำรองของเว็บไซต์อยู่ที่ www.basic4mcu.com ค้นหา "TPIMD")

ขั้นตอนที่ 1: แนวคิดการเหนี่ยวนำพัลส์ Arduino - Flip Coil

แนวคิดคือการใช้ Arduino เป็นเครื่องตรวจจับการเหนี่ยวนำพัลส์ เช่นเดียวกับใน TPIMD เนื่องจากแนวคิดเรื่องจังหวะเวลาของเส้นโค้งการสลายตัวดูเหมือนจะทำงานได้ดีทีเดียว ปัญหาเกี่ยวกับเครื่องตรวจจับการเหนี่ยวนำพัลส์คือโดยปกติต้องใช้แรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกันในการทำงาน หนึ่งแรงดันไฟฟ้าสำหรับจ่ายไฟให้กับคอยล์และแยกแรงดันเพื่อจัดการกับเส้นโค้งการสลายตัว แหล่งจ่ายแรงดันทั้งสองนี้ทำให้เครื่องตรวจจับการเหนี่ยวนำพัลส์ค่อนข้างซับซ้อนอยู่เสมอ

เมื่อพิจารณาถึงแรงดันไฟฟ้าของคอยล์ในเครื่องตรวจจับ PI แล้ว เส้นโค้งที่ได้จะแบ่งออกเป็นสองขั้นตอนที่แตกต่างกัน ขั้นตอนแรกคือพัลส์ที่ให้พลังงานแก่ขดลวดและสร้างสนามแม่เหล็ก (1) ขั้นตอนที่สอง คือ เส้นโค้งการสลายตัวของแรงดันไฟฟ้า โดยเริ่มจากจุดสูงสุดของแรงดันไฟฟ้า จากนั้นปรับอย่างรวดเร็วเป็นแรงดันไฟฟ้า "ไม่มีกำลัง" ของคอยล์ (2) ปัญหาคือว่าขดลวดเปลี่ยนขั้วหลังจากชีพจร คือชีพจรเป็นบวก (Var 1. ในรูปที่แนบมา) เส้นโค้งการสลายตัวเป็นลบ คือชีพจรเป็นลบเส้นโค้งการสลายตัวจะเป็นบวก (Var 2. ในภาพที่แนบมา)

เพื่อแก้ปัญหาพื้นฐานนี้ ขดลวดจะต้อง "พลิกกลับ" ทางอิเล็กทรอนิกส์หลังจากชีพจร ในกรณีนี้พัลส์สามารถเป็นบวกและเส้นโค้งการสลายตัวสามารถเป็นบวกได้เช่นกัน

เพื่อให้บรรลุสิ่งนี้ จะต้องแยกคอยล์ออกจาก Vcc และ GND หลังจากพัลส์ ขณะนี้มีเพียงกระแสไหลผ่านตัวต้านทานลดแรงสั่นสะเทือน ระบบแยกของคอยล์และตัวต้านทานการหน่วงนี้สามารถ "ปรับแนว" ให้กับแรงดันอ้างอิงใดๆ ก็ตาม ในทางทฤษฎีจะสร้างเส้นโค้งบวกรวม (ด้านล่างของรูปวาด)

เส้นโค้งบวกนี้สามารถใช้ผ่านตัวเปรียบเทียบเพื่อตรวจจับจุดที่แรงดันสลายตัว "ตัด" แรงดันอ้างอิง ในกรณีของสมบัติใกล้กับขดลวด เส้นโค้งการสลายตัวจะเปลี่ยนไปและจุดที่ข้ามแรงดันอ้างอิงจะเปลี่ยนไป การเปลี่ยนแปลงนี้สามารถตรวจพบได้

หลังจากทดลองวงจรต่อไปนี้ก็พิสูจน์แล้วว่าใช้งานได้

วงจรประกอบด้วยโมดูล Arduino Nano โมดูลนี้ขับเคลื่อนทรานซิสเตอร์ MOSFET สองตัวที่จ่ายไฟให้กับคอยล์ (ที่ SV3) ผ่าน D10 เมื่อชีพจรที่ D10 สิ้นสุดลง MOSFET ทั้งสองจะแยกคอยล์ออกจาก 12V และ GND พลังงานที่บันทึกไว้ในขดลวดจะไหลออกผ่าน R2 (220 โอห์ม) ในเวลาเดียวกัน R1 (560 โอห์ม) เชื่อมต่อด้านบวกเดิมของคอยล์ด้วย GND สิ่งนี้จะเปลี่ยนเส้นโค้งการสลายตัวเชิงลบที่ R5 (330 โอห์ม) เป็นเส้นโค้งบวก ไดโอดป้องกันขาอินพุตของ Arduino

R7 เป็นตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าที่ประมาณ 0.04V ในขณะที่เส้นโค้งการสลายตัวที่ D7 มีค่าเป็นลบมากกว่า 0.04 ที่ D6 การขัดจังหวะจะถูกทริกเกอร์และระยะเวลาหลังจากสิ้นสุดชีพจรจะถูกบันทึกไว้

ในกรณีของโลหะใกล้กับขดลวด เส้นโค้งการสลายตัวจะนานขึ้น และเวลาระหว่างจุดสิ้นสุดของพัลส์กับอินเทอร์รัปต์จะนานขึ้น

ขั้นตอนที่ 2: สร้างตัวตรวจจับ (เขียงหั่นขนม)

การสร้างเครื่องตรวจจับนั้นค่อนข้างง่าย สามารถทำได้ทั้งบนเขียงหั่นขนม (ติดกับวงจรเดิม) หรือโดยการบัดกรีชิ้นส่วนบน PCB

D13 LED บนบอร์ด Arduino Nano ใช้เป็นตัวบ่งชี้สำหรับโลหะ

การแกะเขียงหั่นขนมเป็นวิธีที่เร็วที่สุดในการตรวจจับการทำงาน จำเป็นต้องมีการเดินสายค่อนข้างมาก แต่ก็ยังสามารถทำเขียงหั่นขนมขนาดเล็กได้ ในภาพจะแสดงเป็น 3 ขั้นตอนเนื่องจาก Arduino และ MOSFET กำลังซ่อนสายไฟบางส่วน เมื่อทำการทดสอบฉันตัดการเชื่อมต่อไดโอดโดยไม่สังเกตเห็นในตอนแรก สิ่งนี้ไม่มีผลเสียต่อพฤติกรรมของเครื่องตรวจจับ ในเวอร์ชั่น PCB ของวงจร ฉันทิ้งมันไว้อย่างสมบูรณ์

ไม่แสดงในรูปภาพเป็นการเชื่อมต่อกับจอแสดงผล OLED 0.96 จอแสดงผลนี้เชื่อมต่ออยู่:

Vcc – 5V (ที่ขา Arduino ไม่ใช่แรงดันไฟ!!!)

GND – GND

SCL – A5

SDA – A4

จอแสดงผล OLED นี้จำเป็นสำหรับการสอบเทียบเครื่องตรวจจับในขั้นต้น ทำได้โดยการตั้งค่าแรงดันไฟฟ้าที่เหมาะสมที่ PIN6 ของ Arduino แรงดันไฟฟ้านี้ควรอยู่ที่ประมาณ 0.04V จอแสดงผลช่วยในการตั้งแรงดันไฟฟ้าที่เหมาะสม

เวอร์ชันเขียงหั่นขนมใช้งานได้ค่อนข้างดี แม้ว่าอาจไม่เหมาะสำหรับการเข้าไปในป่า

ขั้นตอนที่ 3: ไป PCB

สำหรับการบัดกรี ฉันไม่ชอบ PCB ไฮเทคแบบสองด้าน ดังนั้นฉันจึงแก้ไขวงจรให้พอดีกับ PCB แบบด้าน

มีการปรับเปลี่ยนดังต่อไปนี้:

1. ไดโอดถูกทิ้งไว้

2. ประตูของ MOSFET มีตัวต้านทาน 10 โอห์ม

3. แรงดันไฟจ่ายสำหรับตัวแบ่งแรงดันที่ D6 ถูกกำหนดโดยสัญญาณระดับสูงที่ D8

4. พินไดรเวอร์สำหรับ MOSFET ถูกเปลี่ยน

วิธีนี้สามารถสร้าง PCB ด้านเดียวซึ่งสามารถบัดกรีบน PCB สากลได้ เมื่อใช้วงจรนี้ คุณจะมีเครื่องตรวจจับ PI ที่ใช้งานได้โดยมีส่วนประกอบภายนอกเพียง 8-10 ชิ้น (ขึ้นอยู่กับว่าใช้จอแสดงผล OLED และ/หรือลำโพง)

ขั้นตอนที่ 4: การตั้งค่าและใช้งานตัวตรวจจับ

หากตัวตรวจจับถูกสร้างขึ้นอย่างถูกต้องและเขียนโปรแกรมไปยัง Arduino วิธีที่ง่ายที่สุด (ถ้าไม่ใช่เพียงวิธีเดียว) ในการตั้งค่าหน่วยคือการใช้จอแสดงผล OLED จอแสดงผลติดอยู่กับ 5V, GND, A4, A5 จอแสดงผลควรแสดง "การปรับเทียบ" หลังจากที่เปิดเครื่องแล้ว หลังจากผ่านไปครู่หนึ่ง ระบบควรระบุว่า "สอบเทียบเสร็จแล้ว" และควรแสดงตัวเลขสามตัวบนจอแสดงผล

ตัวเลขแรกคือ "ค่าอ้างอิง" ที่ระบุระหว่างการสอบเทียบ ค่าที่สองคือค่าที่วัดได้ครั้งสุดท้าย และค่าที่สามเป็นค่ากลางของการวัด 32 ครั้งล่าสุด

ค่าทั้งสามนี้ควรเหมือนกันมากหรือน้อย (ในกรณีทดสอบของฉันที่ต่ำกว่า 1,000) ค่ากลางควรมีเสถียรภาพมากหรือน้อย

ในการเริ่มต้นการตั้งค่าเริ่มต้น ไม่ควรมีโลหะอยู่ใกล้ขดลวด

ตอนนี้ควรตัดตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้า (โพเทนชิออมิเตอร์) เพื่อให้ค่าสองค่าที่ต่ำกว่าควรตั้งค่าเป็นค่าสูงสุดในขณะที่ยังคงให้การอ่านที่เสถียร มีการตั้งค่าที่สำคัญซึ่งค่ากลางเริ่มให้การอ่านที่แปลก หมุนกลับที่กันจอนเพื่อให้ได้ค่าคงที่อีกครั้ง

อาจเกิดขึ้นได้ว่าจอแสดงผลค้าง เพียงกดปุ่มรีเซ็ตและเริ่มต้นใหม่

สำหรับการตั้งค่าของฉัน (คอยล์: 18 รอบ @ 20 ซม.) ค่าคงที่อยู่ที่ประมาณ 630-650 เมื่อตั้งค่าแล้ว ให้กดปุ่มรีเซ็ต หน่วยจะปรับเทียบใหม่และค่าทรีทั้งหมดควรอยู่ในช่วงเดียวกันอีกครั้ง หากนำโลหะมาขดลวด ไฟ LED บน Arduino-Board (D13) จะสว่างขึ้น ลำโพงที่แนบมาให้เสียงคลิก (มีช่องว่างสำหรับการปรับปรุงในการเขียนโปรแกรมที่นั่น)

เพื่อป้องกันความคาดหวังสูง:

ตัวตรวจจับสามารถตรวจจับบางสิ่งได้ แต่ยังคงเป็นตัวตรวจจับที่เรียบง่ายและจำกัด

เพื่อสร้างความประทับใจให้กับความสามารถ a ได้ทำการตรวจจับอ้างอิงกับตัวตรวจจับอื่นๆ ที่แตกต่างกัน เมื่อดูจากผลลัพธ์แล้ว เครื่องตรวจจับที่มีชิ้นส่วนภายนอกเพียง 8 ชิ้นยังคงน่าประทับใจอยู่แต่ไม่ตรงกับเครื่องตรวจจับแบบมืออาชีพ

เมื่อดูจากวงจรและโปรแกรมแล้ว ยังต้องปรับปรุงอีกมาก ค่าของตัวต้านทานถูกค้นพบโดยประสบการณ์ เวลาพัลส์ 250ms ถูกสุ่มเลือก พารามิเตอร์คอยล์เช่นกัน หากคุณมีแนวคิดสำหรับการปรับปรุง เรายินดีอย่างยิ่งที่จะหารือเกี่ยวกับสิ่งเหล่านี้

มีความสุข!

ขั้นตอนที่ 5: อัปเดต 1: การใช้ LCD ขนาด 16x2

การปรับปรุง

ในระหว่างการทดสอบเพิ่มเติม ฉันตระหนักว่าไลบรารีสำหรับจอแสดงผล I2C OLED นั้นใช้เวลาไปมาก ดังนั้นฉันจึงตัดสินใจใช้จอแสดงผล 16x2 กับตัวแปลง I2C แทน

ดังนั้นฉันจึงนำโปรแกรมไปใช้กับจอ LCD โดยเพิ่มคุณสมบัติที่มีประโยชน์บางอย่าง บรรทัดแรกของจอแสดงผลตอนนี้แสดงความแรงของสัญญาณบ่งชี้ที่เป็นไปได้ บรรทัดที่สองจะแสดงค่าสองค่า กำปั้นระบุค่าเบี่ยงเบนสัญญาณปัจจุบันเมื่อเทียบกับค่าสอบเทียบ ค่านี้ควรเป็น "0" หากค่านี้เป็นค่าลบหรือค่าบวกอย่างต่อเนื่อง ควรสอบเทียบเครื่องตรวจจับใหม่โดยกดปุ่มรีเซ็ต ค่าบวกบ่งชี้โลหะใกล้กับขดลวด

ค่าที่สองแสดงค่าการหน่วงเวลาจริงของเส้นโค้งการสลายตัว โดยปกติค่านี้จะไม่น่าสนใจนัก แต่จำเป็นสำหรับการตั้งค่าเริ่มต้นของตัวตรวจจับ

ขณะนี้โปรแกรมอนุญาตให้ใช้ระยะเวลาพัลส์หลายช่วงในลำดับ (หมายถึงการทดลอง / ปรับปรุงประสิทธิภาพ) ฉันไม่ประสบความสำเร็จในการฝ่าวงล้อมใด ๆ ดังนั้นค่าดีฟอลต์จึงถูกตั้งไว้ที่ระยะเวลาหนึ่งพัลส์

การตั้งค่าเริ่มต้นของเครื่องตรวจจับ

เมื่อตั้งค่าตัวตรวจจับ ค่าที่สองของบรรทัดที่สองจะเกี่ยวข้อง (สามารถละเว้นค่าแรกได้) เริ่มแรกค่าอาจเป็น "ไม่เสถียร" (ดูรูป) หมุนตัวต้านทานทริมจนกว่าค่าจะอ่านได้เสถียร จากนั้นหมุนเพื่อเพิ่มมูลค่าให้มีค่าคงที่สูงสุด กดปุ่มรีเซ็ตเพื่อปรับเทียบใหม่และเครื่องตรวจจับก็พร้อมใช้งาน

ฉันรู้สึกว่าเมื่อตั้งค่าให้คงที่สูงสุด ฉันจะสูญเสียความไวต่อโลหะที่ไม่ใช่เหล็ก ดังนั้นจึงอาจคุ้มค่าที่จะทดลองการตั้งค่าเพื่อให้มีความไวต่อสิ่งที่ไม่ใช่ธาตุเหล็ก

คอยส์

ฉันสร้าง 3 คอยส์สำหรับการทดสอบเพิ่มเติม

1 -> 18 รอบ @ 200mm

2 -> 25 รอบ @ 100mm

3 -> 48 รอบ @ 100mm

ที่น่าสนใจคือขดลวดทั้งหมดทำงานได้ดีโดยมีประสิทธิภาพเกือบเท่ากัน (เหรียญ 20 กะรัตที่ 40-50 มม. ในอากาศ) นี่อาจเป็นการสังเกตแบบอัตนัย