Pocket Metal Locator - Arduino: 8 etapas (com imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:38

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Sobre: Louco por tecnologia e as possibilidades que ela pode trazer. Adoro o desafio de construir coisas únicas. Meu objetivo é tornar a tecnologia divertida, relevante para a vida cotidiana e ajudar as pessoas a terem sucesso em construir algo bacana … Mais sobre TechKiwiGadgets »

Este pequeno localizador de bolso é sensível o suficiente para identificar pequenos pregos e tachas em madeira e compacto o suficiente para caber em espaços desajeitados, tornando-o conveniente para transportar e usar para localizar metais.

A unidade possui quatro bobinas de busca independentes e indicadores de LED coloridos, facilitando a cobertura de uma área de busca maior rapidamente, ao mesmo tempo em que é capaz de identificar o alvo com precisão.

Este pequeno dispositivo é autocalibrado com a operação de um botão, recarregável através de uma porta USB e usa LEDs coloridos, som e vibração para indicar a força do alvo.

Incluídos no instrutível estão todos os projetos, testes, códigos e arquivos 3D necessários para construir por conta própria. Espero que você goste de construir e usar isso tanto quanto eu!

Etapa 1: Lista de materiais e como funciona

1. Como funciona

O Pocket Metal Locator usa quatro bobinas de busca de indução de pulso independentes alimentadas por um Arduino Pro Mini. Cada bobina de busca é composta de uma bobina TX e RX separada, onde um pulso é induzido na bobina TX que cria um campo eletromagnético ao redor da bobina RX. O campo variável induz uma tensão na bobina RX que é detectada e amplificada antes que a largura de pulso do sinal seja lida pelo Arduino.

Um algoritmo de suavização no código do Arduino é usado para remover o ruído de pulsos válidos, tornando-o muito estável.

Um algoritmo de calibração no código faz uma média de leituras durante um curto período de inicialização e define uma série de limites para comparar o sinal.

Quando um objeto de metal chega ao alcance do campo eletromagnético, o campo é interrompido e parte da energia é desviada da bobina RX para as "correntes de Eddie" que se formam no objeto alvo. Este efeito parasita do objeto alvo resulta na largura de pulso detectada na redução da bobina RX. Basicamente, estamos medindo a perda de potência do objeto alvo.

Quando a largura de pulso detectada na bobina RX cai abaixo do limite, os LEDs se acendem, a campainha soa e o motor de feedback tátil é acionado - dependendo de um tamanho predeterminado do sinal alvo.

O circuito para isso evoluiu ao longo do ano passado para um detector muito estável e de desempenho confiável. A configuração e orientação da bobina foram deliberadamente projetadas para maximizar a estabilidade e a detecção de profundidade.

2. Lista de Materiais

1. 3,7v 350mAh LiPo Tamanho da bateria: 38 mm x 20 mm x 7,5 mm
2. Folha de dados do carregador de bateria TP4056 USB LiPo
3. Resistor de 4,7 K para limitar a corrente de carga da bateria LiPo abaixo de 300mA
4. Arduino Pro Mini
5. FTDI USB para módulo serial para programação do Mini Pro
6. Circuito Integrado de Comparador Diferencial Quad LM339
7. Placa Vero - 2 peças cortadas em furos de 20x9 e 34x9 (veja a foto para orientação correta)
8. BC548 NPN Transistor x 4
9. Chave 2N7000 MOSFET x 5
10. Piezo Buzzer
11. Motor de vibração de moeda para feedback tátil
12. Módulo LED RGB WS2812 x 4
13. Resistor 1k x 4
14. Resistor de 10k x 4
15. Resistor de 47 Ohm x 4
16. Resistor 2.2K x 4
17. Capacitor de cerâmica 150pf x 8
18. Capacitor de poliéster 0,18uF x 4
19. Rolo de fio de cobre esmaltado de 0,3 mm (normalmente vem em rolos de aproximadamente 25g de peso)
20. Interruptor de botão de pressão montado em PCB
21. Pistola de cola quente
22. Broca 10mm
23. Broca de mão
24. Pistola de etiqueta ou fita adesiva adequada para rotular fios de conexão de 16 fios separados
25. Acesso a uma impressora 3D

3. Operação do comparador

Tive uma série de perguntas sobre o funcionamento do LM339, por isso pensei em dar uma explicação mais clara.

O LM339 opera apenas como um comparador de tensão, comparando a tensão diferencial entre os pinos positivo e negativo e emitindo uma impedância lógica baixa ou alta (lógica alta com pullup) com base na polaridade diferencial de entrada.

Neste circuito, a entrada positiva do comparador é conectada à linha Vcc e um resistor pull-up para Vcc é aplicado à saída do comparador. Nesta configuração, na prática, a tensão de saída do comparador permanece alta, até que a tensão de entrada na entrada negativa exceda 3,5v

A operação pode ser explicada a partir da Folha de Dados do LM339, que descreve a "faixa de tensão de entrada" entre 0 V a Vsup-1,5 V

Quando IN– e IN + estão dentro da faixa de modo comum, se IN– for menor que IN + e a tensão de deslocamento, a saída é de alta impedância e o transistor de saída não está conduzindo

Quando IN– é maior que o modo comum e IN + está dentro do modo comum, a saída é baixa e o transistor de saída está absorvendo corrente. Link para folha de dados e explicação abaixo

Etapa 2: imprimir o caso

A caixa impressa em 3D foi feita usando 5 impressões separadas. As dimensões e arquivos 3D podem ser encontrados aqui no Thingiverse. O projeto foi centrado em tornar o dispositivo fácil de segurar, garantindo que as bobinas de busca estivessem o mais próximo possível da área sendo pesquisada.

Imprima cuidadosamente a caixa e remova o excesso de plástico. É importante realizar esta etapa agora para que os componentes eletrônicos possam ser alinhados na caixa antes da conexão e teste final.

Incluí uma foto de vários designs de caixas diferentes que testei antes de decidir sobre o design final, que era mais compacto e ergonomicamente agradável de segurar.

Etapa 3: construir e montar as bobinas de busca

Pegue os formadores de bobina impressa e enrole 25 voltas de fio de cobre em cada um deles. Certifique-se de deixar uns bons 20 cm de fio de cobre extra para a conexão à unidade principal.

Use os orifícios impressos nos moldadores para permitir um vento consistente e orientação das bobinas para cada forma. Ao fazer isso, vire o molde de cabeça para baixo e, progressivamente, cole o molde na unidade base.

Siga a montagem da foto conforme fornecido, o resultado sendo 8 bobinas montadas no conjunto da bobina com todos os fios orientados de forma consistente e longo o suficiente para conectar à unidade da placa principal no invólucro superior.

Use os dois blocos de guia de fio que têm orifícios para cada bobina da base impressa para rastrear cada bobina específica.

Coloquei os fios para as bobinas internas ao longo da parte superior e as bobinas externas ao longo da parte inferior do bloco de fios para que eu pudesse rastrear cada bobina específica, o que torna mais fácil para conectar à placa principal.

Etapa 4: construir o circuito

A unidade tem quatro circuitos principais para construir independentemente - placa de driver, placa principal, conjunto de LED e fonte de alimentação recarregável. Nesta etapa, construiremos a placa do driver e a placa principal.

1. Placa do motorista

Use uma faca artesanal para cortar um pedaço de Vero Board ao longo dos orifícios 22x11, resultando em um pedaço de Vero Board com orifícios 20x9 orientados de acordo com a imagem incluída. É melhor pontuar nos orifícios em ambos os lados da placa várias vezes e, em seguida, retire o excesso da placa com cuidado. Verifique se a placa está assentada na base do gabinete com espaço suficiente em ambos os lados.

Usando as fotos e uma broca de 10 mm com a mão, quebre cuidadosamente as tachas mostradas na parte inferior da placa Vero. Siga o diagrama do circuito e o layout da foto dos componentes para montar a placa de circuito, tomando cuidado para garantir que não haja trilhas em curto.

Deixe esta placa de lado para teste posterior.

2. Placa Principal

Use uma faca artesanal para cortar um pedaço de Vero Board ao longo dos orifícios 36x11, resultando em um pedaço de Vero Board com orifícios 34x9 orientados de acordo com a imagem incluída. É melhor pontuar nos orifícios em ambos os lados da placa várias vezes e, em seguida, retire o excesso da placa com cuidado. Verifique se a placa está assentada na base do gabinete com espaço suficiente em ambos os lados.

Usando as fotos e uma broca de 10 mm com a mão, quebre cuidadosamente as tachas mostradas na parte inferior da placa Vero.

Siga o diagrama do circuito e o layout da foto do Arduino e LM339 IC e outros componentes para montar a placa de circuito, tomando cuidado para garantir que não haja trilhas em curto.

Deixe esta placa de lado para teste posterior.

Etapa 5: adicionar indicadores LED

Usei LEDs WS2182 que têm um IC integrado que permite que sejam endereçados pelo Arduino usando três fios separados, no entanto, uma ampla gama de cores e brilho pode ser criada enviando um comando para o LED. Isso é feito por meio de uma biblioteca especial carregada no IDE do Arduino, abordada na seção de teste.

1. Montagem dos LEDs na tampa do invólucro da bobina

Posicione cuidadosamente os quatro LEDs para que fiquem orientados corretamente para que as conexões VCC e GND estejam alinhadas e eles fiquem no centro dos orifícios.

Use cola quente para prender os LEDs na posição.

2. Fiação dos LEDs

Desencape e posicione cuidadosamente três comprimentos de 25 cm de fio de conexão de núcleo único entre os contatos dos LEDs.

Solde-os no lugar e certifique-se de que o fio de dados do centro esteja conectado com os contatos de ENTRADA e SAÍDA conforme a foto.

3. Verificação de alinhamento da caixa

Verifique se a tampa da caixa ficará nivelada com o Gabinete da Bobina e, em seguida, use cola quente para segurar os fios no lugar na extremidade da base da tampa.

Deixe isso de lado para teste mais tarde.

Etapa 6: montagem e teste da unidade

1. Preparação para a montagem

Antes da montagem, testaremos cada placa progressivamente para facilitar a solução de problemas.

O Arduino Pro Mini requer uma placa serial USB para ser programado pelo PC. Isso permite que a placa seja menor, pois não possui uma interface serial. Para programar essas placas, você precisará investir na obtenção de uma conforme descrito na lista de peças.

Antes de carregar o código do Arduino, você precisará adicionar a biblioteca "FastLED.h" como uma biblioteca para acionar os LEDs WS2182. Uma série de rastreamentos de osciloscópio foi fornecida para solucionar problemas se houver problemas.

Há também uma captura de tela da saída de dados seriais IDE usando a função Graph Plot que mostra a saída de largura de pulso de cada um dos canais, bem como o valor limite. Isso é útil durante o teste, pois você pode ver se cada canal está executando em níveis semelhantes de sensibilidade.

Eu incluí duas cópias do código. Um deles tem streaming de dados seriais de teste para fins de solução de problemas.

NOTA: Não conecte a unidade de bateria LiPo até a última etapa, pois um curto-circuito acidental durante a montagem pode causar superaquecimento ou até mesmo incêndio na unidade.

2. Teste a placa principal

Antes de conectar a placa principal a qualquer coisa, é aconselhável conectar o cabo serial do Arduino e verificar se o código carrega.

Isso simplesmente testará se o Arduino está fisicamente conectado corretamente e se o IDE e as bibliotecas estão carregados. Carregue o código através do IDE que deve carregar sem erros e sem fumaça deve sair de nenhum componente !!

3. Conecte a placa do driver

Siga o diagrama do circuito para conectar a placa do driver à placa principal e posicione fisicamente a unidade na caixa para garantir que os itens caibam dentro do gabinete. Este é um caso de tentativa e erro e requer persistência.

Carregue o código através do IDE que deve carregar sem erros e sem fumaça deve sair de nenhum componente !!

4. Conecte as bobinas Siga o diagrama do circuito para conectar as bobinas à placa principal e posicione fisicamente a unidade na caixa para garantir que os itens se encaixem adequadamente. Certifique-se cuidadosamente de que as bobinas estejam alinhadas com as entradas da placa do driver e da placa principal de acordo com o diagrama do circuito.

Com o código de teste carregado, a porta serial exibirá a largura do pulso na bobina de recepção em algum lugar entre 5000 - 7000uS. Isso também pode ser visualizado usando o IDE Graph Plotter.

Isso permitirá que você solucione o problema de cada um dos canais e também veja o efeito de mover uma moeda perto da bobina sensora, o que deve reduzir a largura do pulso conforme o alvo se aproxima da bobina sensora.

Se você tiver um osciloscópio, também poderá verificar as formas de onda em vários estágios do circuito para diagnosticar problemas.

Assim que todos os canais estiverem funcionando de acordo com a posição esperada, os fios de modo que o invólucro da caixa seja montado e fechado corretamente.

5. Conecte os LEDs

Com cuidado, pegue os três fios dos LEDs do gabinete da bobina e conecte-os à placa principal. Carregue o código e verifique se os LEDs estão funcionando corretamente. Use cola para prender a tampa do invólucro da bobina no lugar.

Etapa 7: Conectando a bateria recarregável

NOTA:

1. Não conecte a unidade de bateria LiPo até a última etapa, pois um curto-circuito acidental durante a montagem pode causar superaquecimento ou até mesmo incêndio na unidade.

2. Ao manusear a bateria e o carregador, tome cuidado para não causar curto-circuito nas conexões da bateria.

3. As baterias LiPo são diferentes de outras recarregáveis e o carregamento de sobrecorrente pode ser perigoso, portanto, certifique-se de configurar o circuito de carga corretamente.

4. Não conecte o cabo serial Arduino à unidade quando o botão liga / desliga estiver pressionado, caso contrário, a bateria pode ser danificada.

1. Modifique o limite de corrente do carregador

O Pocket Metal Locator usa uma bateria LiPo que pode ser carregada usando um carregador de telefone Micro USB. O TP4056 USB LiPo Batt Charger Board foi modificado pela primeira vez com um resistor de 4,7 K para limitar a corrente de carga abaixo de 300mA. A orientação sobre como isso pode ser feito pode ser encontrada aqui.

Isso requer que você remova o resistor montado na superfície existente e substitua por um resistor conforme mostrado na foto. Uma vez no lugar, proteja qualquer movimento não planejado do resistor com uma pistola de cola quente.

Antes de conectar à placa principal, teste se o carregador está funcionando corretamente conectando um carregador de celular com uma porta Micro USB. A luz vermelha de carregamento deve acender quando estiver funcionando corretamente.

2. Instale o botão liga / desliga

Certifique-se de que o botão de pressão esteja montado na posição correta para que se projete através do centro da tampa do invólucro, em seguida, solde o botão de pressão no lugar. Instale os fios entre o botão de pressão e a saída do carregador e a linha VCC no Arduino de acordo com o diagrama de circuito.

Quando instalado corretamente, pressionar o interruptor ativará a unidade.

Fixe a bateria na posição usando cola quente e certifique-se de que o soquete Micro USB esteja alinhado ao orifício na tampa da caixa para que possa ser carregada.

Etapa 8: Teste Final e Operação

1. Montagem Física

A etapa final é reorganizar os fios com cuidado para que a caixa feche corretamente. Use cola quente para prender a placa-mãe na tampa e, em seguida, feche a tampa na posição.

2. Operando a Unidade

A unidade opera calibrando após pressionar e segurar o botão liga / desliga. Todos os LEDs piscarão quando a unidade estiver pronta para ser usada. Mantenha o botão pressionado durante a pesquisa. Os LEDs mudam de Azul-Verde, Vermelho, Roxo com base na força do objeto alvo. O feedback tátil ocorre quando os LEDs ficam roxos.

Você não está pronto para usar em aplicações práticas !!