Umweltfreundlicher Metalldetektor - Arduino - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:21

Metalldetektion macht viel Spaß. Eine der Herausforderungen besteht darin, die zu grabende Stelle genau zu verengen, um die Größe des hinterlassenen Lochs zu minimieren.

Dieser einzigartige Metalldetektor verfügt über vier Suchspulen und einen Farb-Touchscreen, um Ihren Fund zu identifizieren und zu lokalisieren.

Mit automatischer Kalibrierung, einem wiederaufladbaren USB-Netzteil mit vier verschiedenen Bildschirmmodi, Frequenz- und Impulsbreitenanpassung, mit der Sie Ihre Suche anpassen können.

Sobald Sie den Schatz lokalisiert haben, können Sie mit einem einzigen Loch in der Mitte über jeder Spule einen Holzspieß verwenden, um ihn in die Erde zu stecken, damit Sie einen kleinen Pfropfen aus dem Boden graben können, um die Umwelt zu schonen.

Jede Spule kann Münzen und Ringe in einer Tiefe von 7-10 cm punktgenau erkennen und ist daher ideal für die Suche nach verlorenen Münzen und Ringen in Parks und Stränden.

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Ein großes Dankeschön - Wenn Sie den Abstimmungsknopf in der oberen rechten Ecke für die Wettbewerbe "Invention Challenge" und "Explore Science" gedrückt haben!!!

Danke vielmals, TechKiwi

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Schritt 1: Die Wissenschaft hinter der Metalldetektion

Metallerkennungsdesign

Es gibt mehrere Variationen von Metalldetektor-Designs. Diese besondere Art von Metalldetektor ist ein Impulsinduktionsdetektor, der separate Sende- und Empfangsspulen verwendet.

Der Arduino erzeugt einen Impuls, der über einen Transistor für sehr kurze Zeit (4uS) an die Sendespule angelegt wird. Dieser Strom aus dem Impuls bewirkt, dass sich ein plötzliches Magnetfeld um die Spule herum bildet, das sich ausdehnende und kollabierende Feld induziert eine Spannung in die Empfangsspule. Dieses empfangene Signal wird vom Empfangstransistor verstärkt und dann von einem Spannungskomparator in einen sauberen digitalen Impuls umgewandelt und wiederum von einem digitalen Eingangspin des Arduino abgetastet. Der Arduino ist so programmiert, dass er die Pulsbreite des empfangenen Pulses misst.

Bei diesem Design wird die empfangene Pulsbreite durch die Induktivität der Empfangsspule und einen Kondensator bestimmt. Ohne Objekte in Reichweite beträgt die Grundlinien-Impulsbreite ungefähr 5000 uS. Wenn fremde Metallobjekte in den Bereich des sich ausdehnenden und kollabierenden Magnetfelds gelangen, wird dadurch ein Teil der Energie in Form von Wirbelströmen in das Objekt induziert. (Elektromagnetische Induktion)

Das Nettoergebnis ist, dass die empfangene Pulsbreite reduziert wird, dieser Unterschied in der Pulsbreite wird vom Arduino gemessen und auf einem TFT-Display in verschiedenen Formaten angezeigt.

Anzeigeoption 1: Position des Ziels unter dem Detektorkopf

Meine Absicht war es, die 4 Spulen zu verwenden, um die Position des Ziels unter dem Detektorkopf zu triangulieren. Die nichtlineare Natur der Suchspulen machte dies zu einer Herausforderung, aber das animierte-g.webp

Anzeigeoption 2: Signalverlauf für jede Suchspule anzeigen

Auf diese Weise können Sie verfolgen, wo sich das Zielobjekt unter dem Kopf befindet, indem Sie für jede Suchspule eine unabhängige Signalstärkekurve auf dem Bildschirm zeichnen. Dies ist nützlich, um festzustellen, ob sich zwei Ziele nahe beieinander unter dem Detektorkopf befinden, und um die relative Stärke zu bestimmen.

Praktische Anwendungen

Auf diese Weise können Sie die erste Ansicht verwenden, um ein Ziel zu identifizieren, und die zweite Ansicht, um es auf wenige Millimeter genau zu bestimmen, wie im Videoclip gezeigt.

Schritt 2: Sammeln Sie die Materialien

Stückliste

1. Arduino Mega 2560 (Artikel 1, 2 und 3 können als eine gebündelte Bestellung erworben werden)
2. 3,2" TFT-LCD-Touchscreen (Ive enthalten Code für 3 unterstützte Varianten)
3. TFT 3.2 Zoll Mega Shield
4. Transistor BC548 x 8
5. 0,047uf Greencap-Kondensator x 4 (50 V)
6. 0.1uf Greencap-Kondensator x 1 (50v)
7. 1k Widerstand x 4
8. 47 Widerstand x 4
9. 10k Widerstand x 4
10. 1M Widerstand x 4
11. 2,2k Widerstand x 4
12. SPST Mini-Wippschalter
13. Integrierter Schaltkreis LM339 Quad-Differentialkomparator
14. Signaldioden IN4148 x 4
15. Kupferdrahtspule 0,3 mm Durchmesser x 2 Zoll
16. Zweiadriges abgeschirmtes Kabel - 4,0 mm Durchmesser - 5 m Länge
17. USB wiederaufladbare Powerbank 4400mHa
18. Piezo-Summer
19. Vero-Platine 80x100mm
20. Kunststoffkoffer mindestens 100 mm Höhe, 55 mm Tiefe, 160 mm Breite
21. Kabelbinder
22. MDF-Holz 6-8mm Dicke - 23cm x 23cm quadratische Stücke x 2
23. Micro-USB-Verlängerungskabel 10cm
24. USB-A-Steckerkabel geeignet zum Kürzen auf 10cm Länge
25. Kopfhörer-Audiobuchse - Stereo
26. Diverse Holz- und Kunststoff-Abstandshalter Detektorkopf
27. Speed Mop Besenstiel mit verstellbarem Gelenk (nur eine Achsenbewegung - siehe Fotos)
28. Ein Stück A3-Papier
29. Klebestift
30. Elektrischer Stichsägenschneider
31. A4-Blatt Karton 3mm Dicke zum Erstellen eines Spulenkörpers für TX- und Rx-Spulen
32. Klebeband
33. Heißklebepistole
34. Elektrischer Kleber
35. 10 zusätzliche Arduino-Header-Pins
36. PCB-Anschlussstifte x 20
37. Zweiteiliger Epoxidkleber - 5 min Trocknungszeit
38. Cuttermesser
39. 5 mm Kunststoffrohr Länge 30 mm x 4 (ich habe Gartenbewässerungssystemschläuche aus dem Baumarkt verwendet)
40. MDF wasserdichte Versiegelung (Stellen Sie sicher, dass kein Metall enthalten ist)
41. 60cm flexibles Elektrokabel - Grau - 25mm Durchmesser

Schritt 3: Bauen Sie den Detektorkopf

1. Konstruieren der Kopfbaugruppe

Hinweis: Ich habe mich für eine ziemlich komplexe Montageanordnung für die 8 Kupferdrahtspulen entschieden, die im Detektorkopf verwendet werden. Dabei wurde eine Reihe von Löchern aus zwei MDF-Schichten geschnitten, wie auf den obigen Fotos zu sehen ist. Jetzt habe ich die Einheit fertiggestellt, die ich empfehle, nur einen einzigen ausgeschnittenen Kreis mit einem Durchmesser von 23 cm zu verwenden und die Spulen mit Heißkleber auf dieser einzelnen Schicht MDF zu befestigen. Das verkürzt die Bauzeit und macht den Kopf leichter.

Drucken Sie zunächst die mitgelieferte Schablone auf ein A3-Blatt Papier aus und kleben Sie diese dann auf die MDF-Platte, um Ihnen eine Orientierungshilfe für die Positionierung der Spulen zu geben.

Schneiden Sie mit einer elektrischen Stichsäge vorsichtig einen Kreis mit 23 cm Durchmesser aus dem MDF aus.

2. Wickeln der Spulen

Verwenden Sie den Karton, um zwei 10 cm lange Zylinder zu erstellen, die mit Duct Tape zusammengehalten werden. Der Durchmesser der Sendespulen muss 7cm und der Empfangsspulen 4cm betragen.

Setzen Sie die Kupferdrahtspule auf einen Dorn, damit sie sich frei drehen kann. Befestigen Sie den Anfang des Kupferdrahts mit Klebeband auf dem Kartonzylinder. Wickeln Sie 40 Umdrehungen fest auf den Zylinder und binden Sie dann das Ende mit Klebeband ab.

Verwenden Sie Heißkleber, um die Spulen an mindestens 8 Punkten um den Umfang der Spulen herum zu befestigen. Nach dem Abkühlen die Spule mit den Fingern lösen und dann mit Heißkleber an der Metalldetektor-Kopfschablone befestigen. Bohren Sie zwei Löcher durch das MDF neben der Spule und führen Sie die Enden der Spule durch die Oberseite des Metalldetektorkopfes.

Wiederholen Sie diese Übung, um 4 x Empfangsspulen und 4 Sendespulen zu bauen und zu montieren. Wenn Sie fertig sind, sollten 8 Paar Drähte durch die Oberseite des Metalldetektorkopfes herausragen.

3. Bringen Sie die geschirmten Kabel an

Schneiden Sie das 5 m lange abgeschirmte Doppeladerkabel in 8 Längen. Den Doppelkern an jeder Sende- und Empfangsspule abisolieren und verlöten, wobei die Abschirmung am Detektorkopfende des Kabels getrennt bleibt.

Testen Sie die Spulen und Kabelverbindungen am anderen Ende jedes Kabels mit einem Ohmmeter. Jede Spule registriert einige Ohm und sollte für alle Empfangs- bzw. Sendespulen konsistent sein.

Verwenden Sie nach dem Test die Heißklebepistole, um die 8 Kabel in der Mitte des Detektorkopfes zu befestigen, um den Griff anzubringen und den Kopf fertigzustellen.

Mein Rat ist, jede der abgeschirmten Kabeladern am anderen Ende in Vorbereitung auf die zukünftigen Tests abzuisolieren und zu verzinnen. Befestigen Sie einen Erdungsdraht an jeder Kabelabschirmung, da dieser im Hauptgerät mit der Erde verbunden wird. Dies verhindert Interferenzen zwischen den einzelnen Kabeln.

Verwenden Sie ein Multimeter, um zu erkennen, welche Spule welche ist, und bringen Sie Klebeetiketten an, damit sie für die zukünftige Montage leicht identifiziert werden können.

Schritt 4: Schaltung zum Testen zusammenbauen

1. Steckbrettmontage

Meine Empfehlung ist, zuerst ein Steckbrett zu verwenden, um die Schaltung einzurichten und zu testen, bevor Sie sich für das Vero Board und ein Gehäuse entscheiden. Dies gibt Ihnen die Möglichkeit, Komponentenwerte anzupassen oder den Code bei Bedarf für Sensitivität und Stabilität zu ändern. Die Sende- und Empfangsspulen müssen so angeschlossen werden, dass sie in die gleiche Richtung gewickelt sind. Dies ist einfacher auf einem Steckbrett zu testen, bevor die Drähte für den zukünftigen Anschluss an das Vero Board beschriftet werden.

Bauen Sie die Komponenten gemäß dem Schaltplan zusammen und befestigen Sie die Detektorkopfspulen mit dem Anschlussdraht.

Die Verbindungen zum Arduino werden am besten mit einem an die TFT-Abschirmung gelöteten Steckdraht hergestellt. Für digitale und analoge Pin-Verbindungen habe ich einen Header-Pin hinzugefügt, der es mir ermöglicht, das Löten direkt an das Arduino-Board zu vermeiden. (Siehe Bild)

2. IDE-Bibliotheken

Diese müssen heruntergeladen und der IDE (Integrated Development Environment) hinzugefügt werden, die auf Ihrem Computer ausgeführt wird und zum Schreiben und Hochladen von Computercode auf die physische Platine verwendet wird. UTFT.h und URtouch.h befinden sich in der Zip-Datei unten

Gutschrift für UTFT.h und URtouch.h geht an Rinky-Dink Electronics Ich habe diese ZIP-Dateien eingefügt, da es den Anschein hat, dass die Quellwebsite nicht verfügbar ist.

3. Testen

Ich habe ein Testprogramm für die Ersteinrichtung beigefügt, damit Sie Probleme mit der Spulenausrichtung beheben können. Laden Sie den Testcode in die Arduino IDE und laden Sie ihn in den Mega hoch. Wenn alles funktioniert, sollten Sie den Testbildschirm wie oben sehen. Jede Spule sollte in jedem Quadranten einen stationären Wert von ca. 4600 uS erzeugen. Ist dies nicht der Fall, verpolen Sie die Wicklungen der TX- oder RX-Spule und testen Sie erneut. Wenn dies nicht funktioniert, schlage ich vor, dass Sie jede Spule einzeln überprüfen und den Stromkreis erneut durchlaufen, um Fehler zu beheben. Wenn Sie bereits 2 oder 3 arbeiten, vergleichen Sie sie mit den Spulen / Schaltungen, die nicht funktionieren.

Hinweis: Weitere Tests haben ergeben, dass die 0,047uf-Kondensatoren der RX-Schaltung die gesamte Empfindlichkeit beeinflussen. Mein Rat ist, sobald Sie die Schaltung auf einem Steckbrett arbeiten lassen, versuchen Sie, diesen Wert zu erhöhen und mit einer Münze zu testen, da ich festgestellt habe, dass dies die Empfindlichkeit verbessern kann.

Es ist nicht zwingend erforderlich, wenn Sie jedoch ein Oszilloskop haben, können Sie auch den TX-Puls und den RX-Puls beobachten, um sicherzustellen, dass die Spulen richtig angeschlossen sind. Sehen Sie sich die Kommentare in den Bildern an, um dies zu bestätigen.

HINWEIS: Ich habe diesem Abschnitt ein PDF-Dokument mit Oszilloskopspuren für jede Stufe der Schaltung beigefügt, um bei der Behebung von Problemen zu helfen

Schritt 5: Bauen Sie die Schaltung und das Gehäuse auf

Sobald das Gerät zu Ihrer Zufriedenheit getestet wurde, können Sie den nächsten Schritt machen und die Platine und das Gehäuse bauen.

1. Bereiten Sie das Gehäuse vor

Gestalten Sie die Hauptkomponenten und positionieren Sie sie in Ihrem Gehäuse, um zu bestimmen, wie alles passt. Schneiden Sie das Vero Board zu, um die Komponenten aufzunehmen, stellen Sie jedoch sicher, dass es in den Boden des Gehäuses passt. Seien Sie vorsichtig mit dem wiederaufladbaren Power Pack, da diese ziemlich sperrig sein können.

Bohren Sie Löcher, um den hinteren Eingang der Kopfkabel, des Netzschalters, des externen USB-Anschlusses, des Arduino-Programmieranschlusses und der Stereo-Kopfhörer-Audiobuchse aufzunehmen.

Zusätzlich zu diesem Bohrer 4 Befestigungslöcher in der Mitte der Vorderseite des Gehäuses, wo der Griff sein wird. Diese Löcher müssen in der Lage sein, in zukünftigen Schritten einen Kabelbinder durch sie hindurchzuführen.

2. Vero-Board zusammenbauen

Folgen Sie dem Schaltplan und dem Bild oben, um die Komponenten auf dem Vero Board zu positionieren.

Ich habe PCB-Anschlussstifte verwendet, um eine einfache Verbindung der Kopfspulenkabel mit der Platine zu ermöglichen. Montieren Sie den Piezo Buzzer zusammen mit dem IC und den Transistoren auf der Platine. Ich habe versucht, die TX- und RX-Komponenten von links nach rechts ausgerichtet zu halten und sicherzustellen, dass sich alle Verbindungen zu externen Spulen an einem Ende des Vero Boar befanden. (siehe Layout in Fotos)

3. Befestigen Sie die Spulenkabel

Bauen Sie einen Kabelhalter für die ankommenden geschirmten Kabel aus MDF wie in den Bildern gezeigt. Diese besteht aus 8 Löchern, die in MDF gebohrt sind, damit die Kabel an den PCB-Anschlussstiften ausgerichtet werden können. Beim Anbringen jeder Spule lohnt es sich, die Schaltung nach und nach zu testen, um die richtige Spulenausrichtung sicherzustellen.

4. Testen Sie das Gerät

Schließen Sie das USB-Netzteil, den Netzschalter, die Audio-Telefonbuchse an und positionieren Sie alle Kabel und Kabel, um einen festen Sitz im Gehäuse zu gewährleisten. Verwenden Sie Heißkleber, um Gegenstände an Ort und Stelle zu halten, um sicherzustellen, dass nichts herumklappern kann. Laden Sie wie im vorherigen Schritt den Testcode und stellen Sie sicher, dass alle Spulen wie erwartet funktionieren.

Testen Sie, ob das USB Power Pack korrekt geladen wird, wenn es extern angeschlossen ist. Stellen Sie sicher, dass genügend Platz vorhanden ist, um das Arduino IDE-Kabel anzuschließen.

5. Schneiden Sie die Bildschirmanzeige aus

Positionieren Sie den Bildschirm in der Mitte des Kastens und markieren Sie die Kanten des LCD-Displays auf der Frontplatte, um eine Öffnung auszuschneiden. Mit einem Cuttermesser und einem Metalllineal den Gehäusedeckel vorsichtig einritzen und die Öffnung ausschneiden.

Nach dem Schleifen und Feilen in Form bringen Sie den Deckel vorsichtig in Position und stellen Sie sicher, dass alle Komponenten, Platinen, Verkabelung und der Bildschirm mit Abstandshaltern und Heißkleber an Ort und Stelle gehalten werden.

7. Sonnenblende bauen

Ich fand ein altes schwarzes Gehäuse, das ich in Form schneiden und als Sonnenblende verwenden konnte, wie auf den Fotos oben gezeigt. Kleben Sie diese mit 5 Minuten Zweikomponenten-Epoxid auf die Frontplatte.

Schritt 6: Befestigen Sie Griff und Gehäuse am Detektorkopf

Nachdem die Detektorelektronik und der Detektorkopf gebaut sind, müssen Sie nur noch die Einheit sicher montieren.

1. Befestigen Sie den Kopf am Griff

Modifizieren Sie das Griffgelenk so, dass Sie es mit zwei Schrauben am Kopf befestigen können. Idealerweise möchten Sie die Metallmenge in der Nähe der Spulen minimieren, also verwenden Sie kleine Holzschrauben und eine Menge 5-Minuten-2-Komponenten-Epoxidkleber, um sie am Kopf zu befestigen. Siehe Fotos oben.

2. Kopfverkabelung schnüren

Verwenden Sie Kabelbinder, um die Kabel vorsichtig zu schnüren, indem Sie alle 10 cm einen Kabelbinder entlang der abgeschirmten Kabel anbringen. Achten Sie darauf, die beste Position für das Gehäuse herauszufinden, damit Sie den Bildschirm gut sehen, die Bedienelemente erreichen und Kopfhörer/Stecker anschließen können.

3. Befestigen Sie die Elektronik am Griff

Bauen Sie einen 45-Grad-Montageblock aus MDF, damit Sie das Gehäuse in einem Winkel anbringen können, sodass Sie das TFT-Display leicht sehen können, wenn Sie den Detektor über den Boden streichen. Siehe das Bild oben.

Befestigen Sie das Elektronikgehäuse mit Kabelbindern am Griff, die durch den Montageblock und in das Gehäuse durch die zuvor gebohrten Befestigungslöcher verlaufen.

4. Beenden Sie den Detektorkopf

Die Detektorkopfspulen müssen ohne Bewegung in der Verkabelung befestigt werden, daher ist dies ein guter Zeitpunkt, um alle Spulen mit Heißkleber gründlich zu befestigen.

Der Detektorkopf muss auch wasserdicht sein, daher ist es wichtig, das MDF mit einer klaren Versiegelung zu besprühen (stellen Sie sicher, dass die Versiegelung aus offensichtlichen Gründen kein Metall enthält).

Bohren Sie 5 mm Löcher in die Mitte jeder Spule und führen Sie ein 5 mm x 30 mm großes Kunststoffrohr durch, damit Sie Holzspieße in den Boden darunter stecken können, sobald Sie ein Ziel punktgenau anvisiert haben. Verwenden Sie eine Heißklebepistole zum Einrasten.

Ich bedeckte dann die Oberseite des Kopfes mit einer Plastikplatte und die Unterseite mit einem dicken Plastikbucheinband, während ich die Kante mit einem flexiblen elektrischen Leitungsschlauch abgeschnitten und heiß verklebt habe.

Schritt 7: Endmontage und Prüfung

1. Aufladen

Stecken Sie ein Standard-Handy-Ladegerät in den Micro-USB-Anschluss und stellen Sie sicher, dass das Gerät ausreichend aufgeladen ist.

2. Code hochladen

Verwenden Sie die Arduino IDE, um den beiliegenden Code hochzuladen.

3. Stummschalttaste

Das Gerät ist beim Einschalten standardmäßig stummgeschaltet. Dies wird durch einen roten Stummschaltknopf in der unteren linken Seite des Bildschirms angezeigt. Um den Ton zu aktivieren, drücken Sie diese Taste und die Taste sollte grün werden, was bedeutet, dass der Ton aktiviert ist.

Wenn die Stummschaltung aufgehoben ist, erzeugen der interne Summer und die externe Audio-Telefonbuchse einen Ton.

4. Kalibrierung

Bei der Kalibrierung wird die Kurve an den unteren Bildschirmrand unter den Schwellenwertlinien zurückgegeben. Beim ersten Einschalten kalibriert sich das Gerät automatisch. Das Gerät ist bemerkenswert stabil, aber wenn eine Neukalibrierung erforderlich ist, kann dies durch Berühren der Kalibriertaste auf dem Bildschirm erfolgen, die in weniger als einer Sekunde neu kalibriert wird.

5. Schwellenwerte

Wenn das Signal auf einer Spur die Schwellenwertlinie (die gepunktete Linie auf dem Bildschirm) überschreitet und die Stummschalttaste ausgeschaltet ist, wird ein Audiosignal erzeugt.

Diese Schwellenwerte können nach oben und unten angepasst werden, indem der Bildschirm über oder unter jeder Spurlinie berührt wird.

6. Einstellung von PW und DLY

Die Dauer des Impulses zur Spule und die Verzögerung zwischen den Impulsen können über das Touch-Display eingestellt werden. Dies ist wirklich gut geeignet, um mit verschiedenen Umgebungen und Schätzen zu experimentieren, um die besten Ergebnisse zu erzielen.

7. Anzeigetypen

Es gibt 4 verschiedene Anzeigetypen

Anzeigeoption 1: Position des Ziels unter dem DetektorkopfMeine Absicht war, die 4 Spulen zu verwenden, um die Position des Ziels unter dem Detektorkopf zu triangulieren. Die nichtlineare Natur der Suchspulen machte dies zu einer Herausforderung, aber das obige animierte-g.webp

Anzeigeoption 2: Signalverlauf für jede Suchspule anzeigen Damit können Sie verfolgen, wo sich das Zielobjekt unter dem Kopf befindet, indem Sie für jede Suchspule eine unabhängige Signalstärkekurve auf dem Bildschirm zeichnen. Dies ist nützlich, um festzustellen, ob sich zwei Ziele nahe beieinander unter dem Detektorkopf befinden, und um die relative Stärke zu bestimmen.

Anzeigeoption 3: Wie Option 2, jedoch mit dickeren Linien für eine bessere Sichtbarkeit.

Anzeigeoption 4: Wie Option 2, zeichnet jedoch mehr als 5 Bildschirme, bevor die Spur gelöscht wird. Gut zum Erfassen von schwachen Signalen.

Ich werde in den nächsten Wochen Feldtests durchführen und werde daher alle Schatzfunde veröffentlichen.

Jetzt geh und hab Spaß und finde einen Schatz!!

Schritt 8: Epilog: Spulenvariationen

Es gab viele gute, interessante Fragen und Anregungen zu Spulenkonfigurationen. Bei der Entwicklung dieses Instructables gab es zahlreiche erwähnenswerte Experimente mit verschiedenen Spulenkonfigurationen.

Die Bilder oben zeigen einige der Spulen, die ich ausprobiert habe, bevor ich mich auf das aktuelle Design festgelegt habe. Wenn Sie weitere Fragen haben, schreiben Sie mir.

Um weiter zu experimentieren!

Erster Preis bei der Invention Challenge 2017

Erster Preis beim Explore Science Contest 2017