Detector de metais ecológico - Arduino: 8 etapas (com imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:39

Detectar metais é muito divertido. Um dos desafios é ser capaz de estreitar o local exato para cavar para minimizar o tamanho do buraco deixado para trás.

Este detector de metal exclusivo possui quatro bobinas de busca e uma tela colorida sensível ao toque para identificar e apontar a localização do seu achado.

Incorporando calibração automática, um pacote de energia recarregável USB, com quatro modos de tela diferentes, frequência e ajuste de largura de pulso que permite personalizar como você pesquisa.

Depois de localizar o tesouro, um único buraco centralizado acima de cada bobina permite que você use um espeto de madeira para empurrar a terra para que você possa começar a cavar um pequeno tampão no chão, reduzindo os danos ao meio ambiente.

Cada bobina pode detectar moedas e anéis com precisão a uma profundidade de 7 a 10 cm, portanto, é ideal para procurar moedas e anéis perdidos em parques e praias.

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Um Grande Agradecimento - Se você pressionou o botão de voto no canto superior direito para as competições "Desafio de Invenções" e "Explorar Ciência" !!!

Muito Obrigado, TechKiwi

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Etapa 1: a ciência por trás da detecção de metais

Design de detecção de metal

Existem várias variações de designs de detectores de metal. Este tipo particular de detector de metal é um detector de indução de pulso que usa bobinas de transmissão e recepção separadas.

O Arduino produz um pulso que é aplicado à bobina de transmissão por um período de tempo muito curto (4uS) por meio de um transistor. Esta corrente do pulso faz com que um campo magnético repentino se forme em torno da bobina, o campo em expansão e colapso induz uma tensão na bobina de recepção. Este sinal recebido é amplificado pelo transistor receptor e, em seguida, transformado em um pulso digital limpo por um comparador de voltagem e, por sua vez, amostrado por um pino de entrada digital no Arduino. O Arduino é programado para medir a largura de pulso do pulso recebido.

Neste projeto, a largura de pulso recebida é determinada pela indutância da bobina de recepção e um capacitor. Sem objetos ao alcance, a largura de pulso da linha de base mede aproximadamente 5.000 uS. Quando objetos de metal estranhos entram no alcance do campo magnético em expansão e em colapso, isso faz com que parte da energia seja induzida no objeto na forma de correntes parasitas. (Indução eletromagnética)

O resultado líquido é que a largura de pulso recebida é reduzida, essa diferença na largura de pulso é medida pelo Arduino e exibida em um display TFT em vários formatos.

Opção de exibição 1: Posição do alvo sob a cabeça do detector

Minha intenção era usar as 4 bobinas para triangular a posição do alvo sob a cabeça do detector. A natureza não linear das bobinas de busca tornou isso um desafio, no entanto, o-g.webp

Opção de exibição 2: Mostrar rastreamento de sinal para cada bobina de pesquisa

Isso permite que você rastreie onde o objeto-alvo está sob a cabeça, desenhando um traço de intensidade de sinal independente na tela para cada bobina de busca. Isso é útil para determinar se você tem dois alvos próximos um do outro sob a cabeça do detector e a força relativa.

Usos Práticos

Essa abordagem permite que você use a primeira visualização para identificar um alvo e a segunda visualização para apontá-lo a alguns milímetros, conforme mostrado no videoclipe.

Etapa 2: Reúna os materiais

Lista de Materiais

1. Arduino Mega 2560 (itens 1, 2 e 3 podem ser adquiridos como um pedido agrupado)
2. Tela de toque LCD TFT de 3,2 "(incluí código para 3 variações compatíveis)
3. Mega Shield TFT de 3,2 polegadas
4. Transistor BC548 x 8
5. 0,047 uf Capacitor Greencap x 4 (50v)
6. 0.1uf Greencap Capacitor x 1 (50v)
7. Resistor 1k x 4
8. 47 Resistor x 4
9. Resistor de 10k x 4
10. 1M Resistor x 4
11. Resistor 2,2k x 4
12. SPST Mini Rocker Switch
13. Comparador diferencial quad do circuito integrado LM339
14. Diodos de sinal IN4148 x 4
15. Bobina de fio de cobre com 0,3 mm de diâmetro x 2
16. Cabo blindado de dois núcleos - 4,0 mm de diâmetro - 5 M de comprimento
17. Powerbank recarregável USB 4400mHa
18. Piezo Buzzer
19. Vero Board 80x100mm
20. Caixa de plástico com 100 mm de altura, 55 mm de profundidade e 160 mm de largura
21. Abraçadeiras
22. Madeira MDF 6-8mm Espessura - peças quadradas de 23cm x 23cm x 2
23. Cabo de extensão micro USB de 10 cm
24. Cabo de plugue USB-A adequado para ser cortado em 10 cm de comprimento
25. Ponto de entrada de áudio para fone de ouvido - estéreo
26. Vários cabeçotes de detector de espaçadores de madeira e plástico
27. Cabo da vassoura Speed Mop com junta ajustável (movimento de um eixo apenas - ver fotos)
28. Uma folha de papel A3
29. Cola em bastão
30. Electic Jig Saw Cutter
31. Folha de papelão A4 com 3 mm de espessura para a criação de um formador de bobinas TX e Rx
32. Fita adesiva
33. Pistola de cola quente
34. Cola elétrica
35. 10 pinos de cabeçalho Arduino adicionais
36. Pinos de terminal PCB x 20
37. Cola Epóxi TwoPart - 5 min de tempo de secagem
38. Faca artesanal
39. Comprimento do tubo de plástico de 5 mm 30 mm x 4 (usei tubulação para sistema de irrigação de jardim de uma loja de ferragens)
40. Selante impermeável de MDF (certifique-se de que não contém metal)
41. Conduíte elétrico flexível de 60 cm - cinza - diâmetro de 25 mm

Etapa 3: construir a cabeça do detector

1. Construindo o Conjunto da Cabeça

Nota: eu escolhi construir um arranjo de montagem bastante complexo para as 8 bobinas de fio de cobre que são usadas na cabeça do detector. Isso envolveu o corte de uma série de orifícios em duas camadas de MDF, como pode ser visto nas fotos acima. Agora que concluí a unidade, recomendo usar apenas um único círculo recortado de 23 cm de diâmetro e prender as bobinas a essa única camada de MDF com cola quente. Isso reduz o tempo de construção e também significa que o cabeçote está mais leve.

Comece imprimindo o estêncil fornecido em um pedaço de papel A3 e, em seguida, cole-o na placa de MDF para fornecer a você um guia para o posicionamento das bobinas.

Usando uma serra elétrica de gabarito, corte cuidadosamente um círculo de 23 cm de diâmetro do MDF.

2. Enrolando as bobinas

Use o papelão para criar dois cilindros de 10 cm de comprimento mantidos juntos com fita adesiva. O diâmetro das bobinas de transmissão deve ser 7 cm e as bobinas de recepção 4 cm.

Coloque a bobina do fio de cobre em uma ponta para que ela possa girar livremente. Prenda o início do fio de cobre no cilindro de papelão usando fita adesiva. O Wind 40 gira firmemente sobre o cilindro e, em seguida, use fita adesiva para amarrar a extremidade.

Use cola quente para prender as bobinas juntas em pelo menos 8 pontos ao redor da circunferência das bobinas. Quando esfriar, use os dedos para liberar a bobina e, em seguida, prenda-a ao gabarito da cabeça do detector de metais usando cola quente. Faça dois furos no MDF próximo à bobina e passe as pontas da bobina para o lado superior da cabeça do detector de metais.

Repita este exercício para construir e montar 4 bobinas de recepção e 4 bobinas de transmissão. Quando terminar, deve haver 8 pares de fios projetando-se pela parte superior da cabeça do detector de metais.

3. Conecte os cabos blindados

Corte o comprimento de 5 m do cabo blindado de núcleo duplo em 8 comprimentos. Descasque e solde o núcleo duplo em cada bobina de transmissão e recepção, deixando a blindagem desconectada na extremidade da cabeça do detector do cabo.

Teste as bobinas e as conexões de cabo na outra extremidade de cada cabo usando um medidor de ohms. Cada bobina registrará alguns Ohms e deve ser consistente para todas as bobinas de recepção e transmissão, respectivamente.

Depois de testado, use a pistola de cola quente para prender os 8 cabos no centro da cabeça do detector, prontos para prender a alça e finalizar a cabeça.

Meu conselho é descascar e estanhar cada um dos núcleos do cabo blindado na outra extremidade em preparação para os testes futuros. Conecte um fio terra a cada blindagem do cabo, pois ele será conectado ao terra na unidade principal. Isso interrompe a interferência entre cada cabo.

Use um multímetro para identificar qual bobina é qual e cole etiquetas adesivas para que possam ser identificadas facilmente para futura montagem.

Etapa 4: montar o circuito para teste

1. Montagem da placa de ensaio

Minha recomendação é usar uma placa de ensaio para primeiro configurar e testar o circuito antes de comprometer a Vero Board e um gabinete. Isso lhe dá a oportunidade de adaptar os valores dos componentes ou modificar o código, se necessário, para sensibilidade e estabilidade. As bobinas de transmissão e recepção precisam ser conectadas para que sejam enroladas na mesma direção e isso seja mais fácil de testar em uma placa de ensaio antes de rotular os fios para futura conexão com a placa Vero.

Monte os componentes de acordo com o diagrama de circuito e prenda as bobinas da cabeça do detector usando o fio de conexão.

As conexões com o Arduino são feitas melhor usando fio de conexão de placa de pão soldado ao escudo TFT. Para conexões de pinos digitais e analógicos, adicionei um pino de cabeçalho que me permitiu evitar a soldagem diretamente na placa Arduino. (Ver foto)

2. Bibliotecas IDE

Eles precisam ser baixados e adicionados ao IDE (Integrated Development Environment) que roda em seu computador, usado para escrever e fazer upload de código de computador para a placa física. UTFT.h e URtouch.h localizados no arquivo zip abaixo

Os créditos de UTFT.he URtouch.h vão para Rinky-Dink Electronics. Incluí esses arquivos zip porque parece que o site de origem está fora do ar.

3. Teste

Incluí um programa de teste para lidar com a configuração inicial para que você possa lidar com problemas de orientação da bobina. Carregue o código de teste no IDE do Arduino e faça o upload para o Mega. Se tudo estiver funcionando, você deverá ver a tela de teste como acima. Cada bobina deve produzir um valor de estado estacionário de aproximadamente 4600uS em cada quadrante. Caso contrário, inverta a polaridade dos enrolamentos na bobina TX ou RX e teste novamente. Se isso não funcionar, sugiro que você verifique cada bobina individualmente e trabalhe no circuito para solucionar o problema. Se você já tem 2 ou 3 funcionando, compare-os com as bobinas / circuitos que não estão funcionando.

Nota: Testes adicionais revelaram que os capacitores de 0,047 uF no circuito RX influenciam toda a sensibilidade. Meu conselho é, assim que você tiver o circuito funcionando em uma placa de ensaio, tente aumentar esse valor e testar com uma moeda, pois descobri que isso pode melhorar a sensibilidade.

Não é obrigatório, entretanto, se você tiver um osciloscópio, também poderá observar o pulso TX e o pulso RX para garantir que as bobinas estão conectadas corretamente. Veja os comentários nas fotos para confirmar.

NOTA: Incluí um documento PDF nesta seção com os traçados do osciloscópio para cada estágio do circuito para ajudar a solucionar quaisquer problemas

Etapa 5: construir o circuito e gabinete

Depois que a unidade for testada de forma satisfatória, você pode dar o próximo passo e construir a placa de circuito e o gabinete.

1. Prepare o gabinete

Faça o layout dos principais componentes e posicione-os em seu gabinete para determinar como tudo se encaixará. Corte a placa Vero para acomodar os componentes, no entanto, certifique-se de que você pode caber na parte inferior do gabinete. Tenha cuidado com o Power Pack recarregável, pois eles podem ser muito volumosos.

Faça furos para acomodar a entrada traseira dos cabos de cabeça, interruptor de alimentação, porta USB externa, porta de programação Arduino e conector de áudio de fone de ouvido estéreo.

Além disso, faça 4 orifícios de montagem no centro da parte frontal da caixa, onde ficará a alça. Esses orifícios precisam ser capazes de passar uma braçadeira de cabos através deles em etapas futuras.

2. Monte a placa Vero

Siga o diagrama de circuito e a imagem acima para posicionar os componentes na placa Vero.

Eu usei os pinos do terminal do PCB para permitir a fácil conexão dos cabos da bobina de cabeça ao PCB. Monte o Piezo Buzzer no PCB junto com o IC e os transistores. Tentei manter os componentes TX e RX alinhados da esquerda para a direita e garanti que todas as conexões com as bobinas externas estivessem em uma extremidade do Vero Boar. (veja o layout nas fotos)

3. Conecte os cabos da bobina

Construa um suporte de cabo para os cabos blindados de entrada de MDF, conforme mostrado nas fotos. Isso consiste em 8 orifícios perfurados no MDF para permitir que os cabos fiquem alinhados aos pinos do terminal do PCB. Conforme você conecta cada bobina, vale a pena testar o circuito progressivamente para garantir a orientação correta da bobina.

4. Teste a unidade

Conecte o Power Pack USB, a chave liga / desliga, o conector de áudio do telefone e posicione toda a fiação e cabos para garantir um ajuste confortável no gabinete. Use cola quente para segurar os itens no lugar para garantir que não haja nada que possa balançar. Conforme a etapa anterior, carregue o código de teste e certifique-se de que todas as bobinas estejam funcionando conforme o esperado.

Teste se o Power Pack USB está carregando corretamente quando conectado externamente. Certifique-se de que haja espaço suficiente para conectar o cabo IDE do Arduino.

5. Corte a aparência da tela

Posicione a tela no centro da caixa e marque as bordas do display LCD no painel frontal, prontas para cortar uma abertura. Usando uma faca artesanal e uma régua de metal, corte cuidadosamente a tampa da caixa e corte a abertura.

Depois de lixado e lixado para moldar, posicione cuidadosamente a tampa, garantindo que todos os componentes, placas, fiação e tela sejam mantidos no lugar com espaçadores e cola quente.

7. Construir viseira solar

Encontrei uma caixa preta velha que consegui cortar e usar como quebra-sol, conforme mostrado nas fotos acima. Cole no painel frontal usando epóxi de duas partes por 5 minutos.

Etapa 6: prenda a alça e a caixa à cabeça do detector

Agora que o detector e o cabeçote estão montados, tudo o que resta é concluir a montagem segura da unidade.

1. Prenda a cabeça à alça

Modifique a junta da alça para permitir que você fixe na cabeça usando dois parafusos. Idealmente, você deseja minimizar a quantidade de metal perto das bobinas, então use parafusos pequenos para madeira e uma grande quantidade de cola epóxi de 5 minutos e 2 partes para fixar na cabeça. Veja as fotos acima.

2. Fiação da cabeça de amarrar

Usando abraçadeiras, amarre cuidadosamente a fiação adicionando uma abraçadeira a cada 10 cm ao longo da fiação blindada. Tenha o cuidado de determinar a melhor posição para o case para que seja fácil ver a tela, alcançar os controles e conectar fones de ouvido / plugues.

3. Conecte os componentes eletrônicos à alça

Construa um bloco de montagem de 45 graus de MDF para permitir que você prenda a caixa em um ângulo que significa que quando você está varrendo o detector no solo, você pode ver o display TFT facilmente. Veja a foto acima.

Prenda a caixa dos eletrônicos à alça com as abraçadeiras passando pelo bloco de montagem e na caixa pelos orifícios de montagem perfurados anteriormente.

4. Acabe com a cabeça do detector

As bobinas do cabeçote do detector precisam ser fixadas sem movimento na fiação, então este é um bom momento para usar cola quente para prender todas as bobinas no lugar completamente.

A cabeça do detector também precisa ser à prova d'água, por isso é importante borrifar o MDF com um selante transparente (certifique-se de que o selador não contenha metal por razões óbvias).

Faça furos de 5 mm no centro de cada bobina e passe um tubo de plástico de 5 mm x 30 mm para permitir que você enfie espetos de madeira no solo abaixo, depois de apontar um alvo. Use uma pistola de cola quente para travar na posição.

Em seguida, cobri o topo da cabeça com uma placa de plástico e a parte inferior com uma capa de livro de plástico grosso, enquanto terminava a borda com corte de tubo flexível de conduíte elétrico e cola quente no lugar.

Etapa 7: Montagem Final e Teste

1. Carregando

Coloque um carregador de telefone celular padrão na porta Micro USB e verifique se a unidade está carregada adequadamente.

2. Código de upload

Use o IDE do Arduino para fazer upload do código incluído.

3. Botão Mudo

O padrão da unidade é silenciar ao ligar. Isso é denotado por um botão Mute vermelho na parte inferior do LHS da tela. Para habilitar o som, pressione este botão e o botão deve ficar verde indicando que o som está habilitado.

Quando não silenciado, a campainha interna e a tomada de áudio externa irão produzir som.

4. Calibração

A calibração retorna o traço para a parte inferior da tela, abaixo das linhas de limite. Ao ser ligada pela primeira vez, a unidade será calibrada automaticamente. A unidade é notavelmente estável, no entanto, se houver necessidade de recalibração, isso pode ser feito tocando no botão de calibração na tela, que irá recalibrar em menos de um segundo.

5. Limiares

Se o sinal em qualquer traço exceder a linha limite (a linha pontilhada na tela) e o botão Mudo estiver desligado, um sinal de áudio será produzido.

Esses limites podem ser ajustados para cima e para baixo tocando na tela acima ou abaixo de cada linha de traço.

6. Ajuste de PW e DLY

A duração do pulso para a bobina e o atraso entre os pulsos podem ser ajustados por meio do display de toque. Isso está realmente pronto para ser experimentado, portanto, vários ambientes e tesouros podem ser testados para obter os melhores resultados.

7. Tipos de exibição

Existem 4 tipos de display diferentes

Opção de exibição 1: Posição do alvo sob a cabeça do detector Minha intenção era usar as 4 bobinas para triangular a posição do alvo sob a cabeça do detector. A natureza não linear das bobinas de pesquisa tornou isso um desafio, no entanto, o-g.webp

Opção de exibição 2: Mostrar traço de sinal para cada bobina de busca Isso permite que você rastreie onde o objeto alvo está sob a cabeça, desenhando um traço de intensidade de sinal independente na tela para cada bobina de busca. Isso é útil para determinar se você tem dois alvos próximos um do outro sob a cabeça do detector e a força relativa.

Opção de exibição 3: igual à opção 2, no entanto, com uma linha mais grossa torna mais fácil de ver.

Opção de exibição 4: igual à opção 2, no entanto, desenha mais de 5 telas antes de excluir o traço. Bom para capturar sinais fracos.

Estou fazendo testes de campo nas próximas semanas, então publicarei qualquer tesouro encontrado.

Agora vá se divertir e encontre algum tesouro !!

Etapa 8: Epílogo: Variações da bobina

Tem havido muitas perguntas e sugestões boas e interessantes sobre configurações de bobinas. No desenvolvimento deste instrutível, houve numerosos experimentos com várias configurações de bobinas que vale a pena mencionar.

As fotos acima mostram algumas das bobinas que experimentei antes de escolher o projeto atual. Se você tiver mais perguntas, envie-me uma mensagem.

Cabe a você experimentar mais!

Primeiro prêmio no Desafio de Invenção 2017

Primeiro prêmio no Explore Science Contest 2017