Detector de metais Arduino simples: 8 etapas (com imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:34

*** Foi postada uma nova versão ainda mais simples: https://www.instructables.com/Minimal-Arduino-Metal-Detector/ ***

A detecção de metais é um ótimo passatempo que o leva ao ar livre, descobre novos lugares e talvez encontre algo interessante. Verifique os regulamentos locais sobre como agir no caso de uma eventual descoberta, em particular no caso de objetos perigosos, relíquias arqueológicas ou objetos de valor econômico ou emocional significativo.

As instruções para detectores de metal DIY são muitas, mas esta receita é particular no sentido de que requer muito poucos componentes além de um microcontrolador Arduino: um capacitor comum, resistor e diodo formam o núcleo, junto com uma bobina sensora que consiste em cerca de 20 enrolamentos de cabos eletricamente condutores. LEDs, um alto-falante e / ou fone de ouvido são então adicionados para sinalizar a presença de metal perto da bobina sensora. Uma vantagem adicional é que todos podem ser alimentados por uma única alimentação de 5 V, para a qual uma alimentação USB comum de 2.000 mAh é suficiente e durará muitas horas.

Para interpretar os sinais e entender a quais materiais e formas o detector é sensível, realmente ajuda entender a física. Como regra geral, o detector é sensível a objetos a uma distância ou profundidade até o raio da bobina. É mais sensível a objetos nos quais uma corrente pode fluir no plano da bobina, e a resposta corresponderá à área do loop de corrente naquele objeto. Assim, um disco de metal no plano da bobina dará uma resposta muito mais forte do que o mesmo disco de metal perpendicular à bobina. O peso do objeto não importa muito. Um pedaço fino de folha de alumínio orientado no plano de uma bobina dará uma resposta muito mais forte do que um parafuso de metal pesado.

Etapa 1: Princípio de funcionamento

Quando a eletricidade começa a fluir através de uma bobina, ela cria um campo magnético. De acordo com a lei da indução de Faraday, uma mudança no campo magnético resultará em um campo elétrico que se opõe à mudança no campo magnético. Assim, uma tensão se desenvolverá na bobina que se opõe ao aumento da corrente. Este efeito é chamado de auto-indutância, e a unidade de indutância é Henry, onde uma bobina de 1 Henry desenvolve uma diferença de potencial de 1 V quando a corrente muda em 1 Ampere por segundo. A indutância de uma bobina com N enrolamentos e raio R é de aproximadamente 5µH x N ^ 2 x R, com R em metros.

A presença de um objeto metálico próximo a uma bobina mudará sua indutância. Dependendo do tipo de metal, a indutância pode aumentar ou diminuir. Metais não magnéticos como cobre e alumínio perto de uma bobina reduzem a indutância, porque um campo magnético variável irá induzir correntes parasitas no objeto que reduzem a intensidade do campo magnético local. Materiais ferromagnéticos, como o ferro, perto de uma bobina aumentam sua indutância porque os campos magnéticos induzidos se alinham com o campo magnético externo.

A medição da indutância de uma bobina pode, portanto, revelar a presença de metais próximos. Com um Arduino, um capacitor, um diodo e um resistor é possível medir a indutância de uma bobina: tornando a bobina parte de um filtro LR passa-alta e alimentando-o com uma onda de bloqueio, picos curtos serão criados a cada transição. O comprimento do pulso desses picos é proporcional à indutância da bobina. Na verdade, o tempo característico de um filtro LR é tau = L / R. Para uma bobina de 20 enrolamentos e um diâmetro de 10 cm, L ~ 5 µH x 20 ^ 2 x 0,05 = 100 µH. Para proteger o Arduino de sobrecorrente, a resistência mínima é 200Ohm. Portanto, esperamos pulsos com um comprimento de cerca de 0,5 microssegundo. Eles são difíceis de medir diretamente com alta precisão, visto que a frequência do clock do Arduino é de 16 MHz.

Em vez disso, o pulso ascendente pode ser usado para carregar um capacitor, que pode então ser lido com o Arduino analógico para digital convertido (ADC). A carga esperada de um pulso de 0,5 microssegundo de 25 mA é 12,5 nC, o que dará 1,25 V em um capacitor de 10 nF. A queda de tensão sobre o diodo reduzirá isso. Se o pulso for repetido algumas vezes, a carga no capacitor aumenta para ~ 2V. Isso pode ser lido com o Arduino ADC usando analogRead (). O capacitor pode então ser rapidamente descarregado alterando o pino de leitura para saída e configurando-o para 0 V por alguns microssegundos. Toda a medição leva cerca de 200 microssegundos, 100 para o carregamento e reinicialização do capacitor e 100 para a conversão ADC. A precisão pode ser bastante melhorada repetindo a medição e calculando a média do resultado: tirar a média de 256 medições leva 50 ms e melhora a precisão em um fator 16. O ADC de 10 bits atinge a precisão de um ADC de 14 bits dessa forma.

Esta medição obtida é altamente não linear com a indutância da bobina e, portanto, não é adequada para medir o valor absoluto da indutância. No entanto, para a detecção de metais, estamos apenas interessados em pequenas mudanças relativas da indutância da bobina devido à presença de metais próximos, e para isso este método é perfeitamente adequado.

A calibração da medição pode ser feita automaticamente no software. Se for possível presumir que na maioria das vezes não há metal perto da bobina, um desvio da média é um sinal de que o metal se aproximou da bobina. O uso de cores ou tons diferentes permite distinguir entre um aumento repentino ou uma diminuição repentina na indutância.

Etapa 2: componentes necessários

Núcleo eletrônico:

Arduino UNO R3 + escudo protótipo OU Arduino Nano com placa de protótipo 5x7cm

Capacitor 10nF

Díodo de sinal pequeno, por ex. 1N4148

Resistor de 220 ohms

Para poder:

USB power bank com cabo

Para saída visual:

2 LEDs de cores diferentes, por exemplo azul e verde

2 resistores de 220 ohm para limitar as correntes

Para saída de som:

Campainha passiva

Microinterruptor para desativar o som

Para saída de fone de ouvido:

Conector de fone de ouvido

Resistor de 1kOhm

Fones de ouvido

Para conectar / desconectar facilmente a bobina de busca:

Terminal de parafuso de 2 pinos

Para a bobina de busca:

~ 5 metros de cabo elétrico fino

Estrutura para segurar a bobina. Deve ser rígido, mas não precisa ser circular.

Para a estrutura:

Bastão de 1 metro, por exemplo, madeira, plástico ou bastão de selfie.

Etapa 3: a bobina de pesquisa

Para a bobina sensora, enrolei ~ 4 m de fio trançado em torno de um cilindro de papelão com 9 cm de diâmetro, resultando em cerca de 18 voltas. O tipo de cabo é irrelevante, desde que a resistência ôhmica seja pelo menos dez vezes menor que o valor de R no filtro RL, portanto, certifique-se de ficar abaixo de 20 Ohms. Medi 1 Ohm, então é seguro. Tirar um rolo de fio de conexão de 10 m semi-acabado também funciona!

Etapa 4: uma versão do protótipo

Dado o pequeno número de componentes externos, é perfeitamente possível encaixar os circuitos na pequena protoboard de um protetor de protótipo. No entanto, o resultado final é bastante volumoso e não muito robusto. Melhor é usar um Arduino nano e soldá-lo com os componentes extras em uma placa de protótipo 5x7cm (veja a próxima etapa)

Apenas 2 pinos do Arduino são usados para a detecção real de metal, um para fornecer os pulsos ao filtro LR e um para ler a tensão no capacitor. A pulsação pode ser feita a partir de qualquer pino de saída, mas a leitura deve ser feita com um dos pinos analógicos A0-A5. Mais 3 pinos são usados para 2 LEDs e para a saída de som.

Aqui está a receita:

1. Na placa de ensaio, conecte o resistor de 220Ohm, o diodo e o capacitor de 10nF em série, com o terminal negativo do diodo (a linha preta) em direção ao capacitor.
2. Conecte A0 ao resistor (a extremidade não está conectada ao diodo)
3. Conecte A1 ao ponto de cruzamento do diodo e do capacitor
4. Conecte o terminal não conectado do capacitor ao aterramento
5. Conecte uma extremidade da bobina ao ponto cruzado do diodo resistor
6. Conecte a outra extremidade da bobina ao aterramento
7. Conecte um LED com seu terminal positivo ao pino D12 e seu terminal negativo por meio de um resistor de 220 ohm para aterramento
8. Conecte o outro LED com seu terminal positivo ao pino D11 e seu terminal negativo por meio de um resistor de 220 ohm para aterramento
9. Opcionalmente, conecte um fone de ouvido ou alto-falante com campainha passiva entre o pino 10 e o aterramento. Um capacitor ou resistor pode ser adicionado em série para reduzir o volume

Isso é tudo!

Etapa 5: uma versão soldada

Para levar o detector de metais para fora, será necessário soldá-lo. Um protótipo de placa comum de 7x5 cm é confortável para um Arduino nano e todos os componentes necessários. Use o mesmo esquema da etapa anterior. Achei útil adicionar um interruptor em série com a campainha para desligar o som quando não for necessário. Um terminal de parafuso permite experimentar diferentes bobinas sem ter que soldar. Tudo é alimentado pelos 5 V fornecidos à porta (mini ou micro USB) do Arduino Nano.

Etapa 6: o software

O esboço do Arduino usado está anexado aqui. Faça o upload e execute-o. Usei o IDE Arduino 1.6.12. Recomenda-se executá-lo com debug = true no início, para ajustar o número de pulsos por medição. O melhor é ter uma leitura do ADC entre 200 e 300. Aumente ou diminua o número de pulsos caso sua bobina forneça leituras drasticamente diferentes.

O esboço faz algum tipo de autocalibração. É suficiente deixar a bobina em silêncio, longe de metais, para fazê-la ficar quieta. Desvios lentos na indutância serão seguidos, mas grandes mudanças repentinas não afetarão a média de longo prazo.

Etapa 7: montando em uma vara

Já que você não gostaria de fazer suas caças ao tesouro rastejando pelo chão, as três tábuas, a bobina e a bateria devem ser montadas na ponta de uma vara. Um selfie-stick é ideal para isso, pois é leve, dobrável e ajustável. Meu powerbank de 5000mAh cabia no bastão de selfie. A placa pode então ser presa com braçadeiras ou elásticos e a bobina pode ser semelhante à bateria ou ao bastão.

Etapa 8: como usá-lo

Para estabelecer a referência, é suficiente deixar a bobina a ~ 5s de distância dos metais. Então, quando a bobina se aproximar de um metal, o LED verde ou azul começará a piscar e serão emitidos bipes na campainha e / ou fones de ouvido. Flashes azuis e bipes baixos indicam a presença de metais não ferromagnéticos. Flashes verdes e bipes altos indicam a presença de metais ferromagnéticos. Esteja ciente de que quando a bobina for mantida por mais de 5 segundos perto do metal, ela tomará essa leitura como referência e começará a emitir bipes quando o detector for retirado do metal. Após alguns segundos de bipes no ar, ele ficará silencioso novamente. A frequência dos flashes e bipes indica a força do sinal. Caçada feliz!