Проектирование простого металлоискателя на базе платы Arduino
Обнаружение металла – это отличное времяпрепровождение, которое позволяет выйти на улицу, открыть для себя новые места и, возможно, обнаружить что-то интересное. Существует множество инструкций по созданию металлоискателей своими руками. Преподаватель Международного центра компетенций – Казанского техникума информационных технологий и связи в статье представляет инструкцию, которая отличается тем, что для ее создания потребуется очень мало компонентов.
Для реализации нашего устройства потребуются следующие компоненты:
- обычный конденсатор,
- резистор,
- диод.
Управляющим контроллером будущего устройства будет выступать плата Arduino Nano. Для реализации самой катушки мы будем использовать кусок цилиндрического картона, состоящий из 20 витков электрокабеля. Также в качестве дополнения в наше устройства можно добавить: светодиоды, динамик или наушники для сигнализации о обнаружении металла.
Дополнительным преимуществом является то, что все это можно питать от одного источника питания 5В, в качестве которого может выступать небольшой повербанк.
Как правило, детектор чувствителен к объектам на расстоянии или глубине до радиуса катушки и наиболее чувствителен к объектам, в которых ток может протекать в плоскости катушки, и ответ будет соответствовать площади токового кольца в этом объекте.
Таким образом, металлический диск в плоскости катушки даст гораздо более сильный отклик, чем тот же металлический диск перпендикулярно катушке. Вес объекта не имеет большого значения.
Когда электричество начинает протекать через катушку, образуется магнитное поле. Согласно закону Фарадея об индукции, изменение магнитного поля приводит к возникновению электрического поля, противодействующего изменению магнитного поля. Таким образом, появляется напряжение, которое противодействует увеличению тока. Этот эффект называется самоиндукцией, а единицей измерения индуктивности является генри, где катушка с индуктивностью 1 Генри создает разность потенциалов 1 В, когда ток меняется на 1 ампер за секунду. Индуктивность катушки с N витками и радиусом R приблизительно равна 5 мкГн х N^2 x R, где R в метрах.
В зависимости от типа металла, индуктивность может либо увеличиться, либо уменьшиться. Немагнитные металлы, такие как медь и алюминий, уменьшают индуктивность катушки, потому что изменяющееся магнитное поле индуцирует в объекте токи вихря, которые снижают интенсивность магнитного поля в этом месте.
Измерение индуктивности катушки может таким образом выявлять наличие металла неподалеку.
С помощью Arduino, конденсатора, диода и резистора можно измерять индуктивность катушки: делая катушку частью высокочастотного LR-фильтра и подавая на нее прямоугольные импульсы, на катушке будут возникать короткие импульсы при каждом переходе. Длительность этих импульсов пропорциональна индуктивности катушки. Фактически, характерное время LR-фильтра равно tau=L/R. Для катушки с 20 витками и диаметром 10 см, L ~ 5 мкГн х 20^2 x 0,05 = 100 мкГн.
Для защиты Arduino от перегрузки минимальное сопротивление должно быть 200 Ом. Мы, таким образом, ожидаем импульсы длиной около 0,5 микросекунды. Их трудно измерить непосредственно с высокой точностью, так как частота тактирования палаты Arduino составляет 16 МГц.
Вместо этого используется растущий импульс для зарядки конденсатора, который затем может быть считан с помощью аналогово-цифрового преобразователя платы Arduino. Ожидаемый заряд от импульса длиной 0,5 микросекунды и тока 25 мА равен 12,5 нКл, что дает 1,25 В на конденсаторе 10 нФ. Падение напряжения на диоде снизит это значение. Если импульс повторится несколько раз, заряд на конденсаторе повысится до ~2 В. Затем конденсатор может быстро разрядиться, изменяя вывод для считывания и установки его на 0 В на несколько микросекунд. Вся процедура измерения занимает около 200 микросекунд, 100 для зарядки и сброса конденсатора и 100 для преобразования ADC. Точность может быть значительно повышена путем повторения измерения и усреднения результатов: усреднение 256 измерений занимает 50 мс и повышает точность в 16 раз. Таким образом, 10-битный ADC достигает точности 14-битного ADC.
Это измерение очень нелинейно с индуктивностью катушки, поэтому не подходит для измерения абсолютного значения индуктивности. Однако для обнаружения металла нас интересуют только малые относительные изменения индуктивности катушки.
Для поисковой катушки я намотал около 4 м многожильного провода на картонный цилиндр диаметром 9 см, в результате получилось около 18 витков. Готовая катушка показана на рисунке ниже.
Тип кабеля не имеет значения, если омическое сопротивление как минимум в 10 раз меньше значения R в фильтре RL, поэтому следите за тем, чтобы сопротивление не превышало 20 Ом. Измерения моей самодельной катушки показали 1 Ом, так что это безопасно.
Основные электронные компоненты для реализации проекта:
- в качестве основного контроллера мы будем использовать плату Arduino Nano;
- конденсатор на 10 нФ;
- малый сигнальный диод, можно использовать например: 1N4148;
- резистор с номиналом 220 Ом.
Для питания мы будем использовать небольшой повербанк с ёмкостью 5000 мАч.
Для визуального отображения обнаружения будем использовать:
- 2 светодиода разного цвета, например, синий и зеленый;
- 2 резистора по 220 Ом для ограничения токов к самим светодиодам.
Для вывода звука при обнаружении метала можно использовать пассивный зуммер. В качестве конструкции для крепления устройства я использовал селфи палку.
Используя приведенные выше электронные компоненты, я приступил к сборке устройства на пластиковой макетной плате. Для подключения электронных компонентов использовал схему, приведённую ниже.
После сборки получилась следующая конструкция:
Чтобы вынести металлоискатель на улицу, его необходимо будет собрать в более надежную конструкцию. Для этого мы будем использовать макетную плату.
Фотография пересобранного устройства на макетной плате - ниже.
Используйте ту же схему, что и на предыдущем шаге. Я счел полезным добавить переключатель последовательно с зуммером, чтобы отключать звук, когда он не нужен. Винтовая клемма, размещенная на макетной плате, позволяет опробовать разные катушки без необходимости пайки. Все питается от напряжения 5В, подаваемого на порт микро-USB палаты Arduino Nano.
Фотография реализованного устройства - ниже.
Автор статьи: Ф. Батыршин, преподаватель ГАПОУ «МЦК-КТИТС».