كاشف معادن اردوينو بسيط: 8 خطوات (بالصور)

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:36

*** تم نشر إصدار جديد أبسط: https://www.instructables.com/Minimal-Arduino-Metal-Detector/ ***

يعد اكتشاف المعادن وقتًا رائعًا يجعلك تخرج في الهواء الطلق وتكتشف أماكن جديدة وربما تجد شيئًا مثيرًا للاهتمام. تحقق من اللوائح المحلية الخاصة بك حول كيفية التصرف في حالة اكتشاف نهائي ، لا سيما في حالة وجود أشياء خطرة أو آثار أثرية أو أشياء ذات قيمة اقتصادية أو عاطفية كبيرة.

تعليمات أجهزة الكشف عن المعادن DIY كثيرة ، ولكن هذه الوصفة خاصة بمعنى أنها تتطلب مكونات قليلة جدًا بالإضافة إلى متحكم Arduino: مكثف مشترك ومقاوم وصمام ثنائي يشكل اللب ، جنبًا إلى جنب مع ملف البحث الذي يتكون من حوالي 20 لفات الكابلات الموصلة كهربائيًا. ثم تضاف مصابيح LED ومكبر صوت و / أو سماعة رأس للإشارة إلى وجود معدن بالقرب من ملف البحث. ميزة إضافية هي أنه يمكن تشغيل كل شيء من طاقة واحدة 5 فولت ، حيث تكون طاقة USB المشتركة 2000 مللي أمبير في الساعة كافية وستستمر لعدة ساعات.

لتفسير الإشارات وفهم المواد والأشكال التي يكون الكاشف حساسًا لها ، من المفيد حقًا فهم الفيزياء. كقاعدة عامة ، يكون الكاشف حساسًا للأشياء الموجودة على مسافة أو عمق يصل إلى نصف قطر الملف. إنه أكثر حساسية للأشياء التي يمكن أن يتدفق فيها التيار في مستوى الملف ، وستتوافق الاستجابة مع منطقة الحلقة الحالية في ذلك الكائن. وبالتالي ، فإن القرص المعدني الموجود في مستوى الملف سيعطي استجابة أقوى بكثير من نفس القرص المعدني المتعامد مع الملف. وزن الجسم لا يهم كثيرا. ستعطي قطعة رقيقة من رقائق الألومنيوم موجهة في مستوى الملف استجابة أقوى بكثير من الترباس المعدني الثقيل.

الخطوة 1: مبدأ العمل

عندما تبدأ الكهرباء في التدفق من خلال ملف ، فإنها تبني مجالًا مغناطيسيًا. وفقًا لقانون فاراداي للحث ، فإن المجال المغناطيسي المتغير سينتج عنه مجال كهربائي يقاوم التغيير في المجال المغناطيسي. وبالتالي ، فإن الجهد سوف يتطور عبر الملف الذي يعارض الزيادة في التيار. يُطلق على هذا التأثير اسم الحث الذاتي ، ووحدة الحث هي Henry ، حيث يطور ملف 1 Henry فرقًا محتملاً قدره 1 فولت عندما يتغير التيار بمقدار 1 أمبير في الثانية. محاثة الملف مع لفات N ونصف قطر R حوالي 5µH x N ^ 2 x R ، مع R بالأمتار.

سيؤدي وجود جسم معدني بالقرب من ملف إلى تغيير محاثة. اعتمادًا على نوع المعدن ، يمكن أن يزيد الحث أو ينقص. تقلل المعادن غير المغناطيسية مثل النحاس والألومنيوم بالقرب من الملف من الحث ، لأن المجال المغناطيسي المتغير سيحفز تيارات إيدي في الجسم تقلل من شدة المجال المغناطيسي المحلي. المواد المغناطيسية الحديدية ، مثل الحديد ، بالقرب من ملف تزيد من تحريضها لأن المجالات المغناطيسية المستحثة تتماشى مع المجال المغناطيسي الخارجي.

يمكن أن يكشف قياس محاثة الملف عن وجود معادن قريبة. باستخدام Arduino ، ومكثف ، وصمام ثنائي ، ومقاوم ، من الممكن قياس محاثة الملف: مما يجعل جزء الملف من مرشح LR عالي التمرير وتغذيته بموجة كتلة ، وسيتم إنشاء ارتفاعات قصيرة في كل مرة انتقال. يتناسب طول النبض لهذه المسامير مع محاثة الملف. في الواقع ، الوقت المميز لمرشح LR هو tau = L / R. بالنسبة لملف من 20 ملفًا وقطره 10 سم ، L ~ 5µH x 20 ^ 2 x 0.05 = 100µH. لحماية Arduino من التيار الزائد ، فإن الحد الأدنى للمقاومة هو 200 أوم. وبالتالي نتوقع نبضات يبلغ طولها حوالي 0.5 ميكروثانية. يصعب قياسها مباشرة بدقة عالية ، نظرًا لأن تردد ساعة Arduino هو 16 ميجا هرتز.

بدلاً من ذلك ، يمكن استخدام النبضة الصاعدة لشحن مكثف ، والذي يمكن بعد ذلك قراءته باستخدام التناظرية Arduino إلى التحويل الرقمي (ADC). الشحنة المتوقعة من نبضة قدرها 0.5 ميكروثانية 25 مللي أمبير هي 12.5nC ، والتي ستعطي 1.25 فولت على مكثف 10nF. سيقلل انخفاض الجهد على الصمام الثنائي من هذا. إذا تكررت النبضة عدة مرات ، ترتفع شحنة المكثف إلى ~ 2 فولت. يمكن قراءة ذلك باستخدام Arduino ADC باستخدام analogRead (). يمكن بعد ذلك تفريغ المكثف بسرعة عن طريق تغيير دبوس القراءة إلى الإخراج وضبطه على 0 فولت لبضعة ميكروثانية. يستغرق القياس بأكمله حوالي 200 ميكروثانية ، و 100 لشحن وإعادة ضبط المكثف و 100 لتحويل ADC. يمكن تحسين الدقة بشكل كبير عن طريق تكرار القياس واحتساب متوسط النتيجة: أخذ متوسط 256 قياسًا يستغرق 50 مللي ثانية ويحسن الدقة بمعامل 16. يحقق ADC 10 بت دقة 14 بت ADC بهذه الطريقة.

هذا القياس الذي تم الحصول عليه غير خطي بدرجة كبيرة مع محاثة الملف وبالتالي فهو غير مناسب لقياس القيمة المطلقة للمحاثة. ومع ذلك ، بالنسبة للكشف عن المعادن ، فإننا مهتمون فقط بالتغيرات النسبية الصغيرة في محاثة الملف بسبب وجود معادن قريبة ، ولهذا فإن هذه الطريقة مناسبة تمامًا.

يمكن إجراء معايرة القياس تلقائيًا في البرنامج. إذا كان بإمكان المرء أن يفترض أنه في معظم الأوقات لا يوجد معدن بالقرب من الملف ، فإن الانحراف عن المتوسط هو إشارة إلى اقتراب المعدن من الملف. يسمح استخدام ألوان مختلفة أو نغمات مختلفة بالتمييز بين الزيادة المفاجئة أو النقصان المفاجئ في المحاثة.

الخطوة 2: المكونات المطلوبة

النواة الإلكترونية:

درع نموذج أولي من Arduino UNO R3 + أو Arduino Nano مع لوحة نموذج أولي مقاس 5x7 سم

10nF مكثف

ديود إشارة صغير ، على سبيل المثال 1N4148

220 أوم المقاوم

على السلطة:

بنك طاقة USB مع كابل

للإخراج المرئي:

2 مصابيح LED بألوان مختلفة على سبيل المثال ازرق و اخضر

مقاومات 220 أوم للحد من التيارات

لإخراج الصوت:

الجرس السلبي

Microswitch لتعطيل الصوت

لإخراج سماعة الأذن:

موصل سماعة الأذن

1 كيلو أوم المقاوم

سماعات

لتوصيل / فصل ملف البحث بسهولة:

طرف برغي ثنائي السنون

لملف البحث:

~ 5 أمتار من الكابلات الكهربائية الرقيقة

هيكل لعقد الملف. يجب أن تكون قاسية ولكن لا تحتاج إلى أن تكون دائرية.

للهيكل:

عصا بطول 1 متر ، مثل الخشب أو البلاستيك أو عصا السيلفي.

الخطوة 3: ملف البحث

بالنسبة لملف البحث ، قمت بلف حوالي 4 أمتار من الأسلاك المجدولة حول أسطوانة من الورق المقوى بقطر 9 سم ، مما أدى إلى حوالي 18 ملفًا. نوع الكبل غير ذي صلة ، طالما أن المقاومة الأومية أقل بعشر مرات على الأقل من قيمة R في مرشح RL ، لذا تأكد من البقاء أقل من 20 أوم. لقد قمت بقياس 1 أوم ، لذلك هذا آمن. مجرد أخذ لفة نصف نهائية بطول 10 أمتار من سلك التوصيل يعمل أيضًا!

الخطوة 4: نسخة من النموذج الأولي

نظرًا للعدد القليل من المكونات الخارجية ، فمن الممكن تمامًا تركيب الدوائر على اللوح الصغير لدرع النموذج الأولي. ومع ذلك ، فإن النتيجة النهائية ضخمة نوعًا ما وليست قوية جدًا. الأفضل هو استخدام Arduino nano ولحامها بالمكونات الإضافية على لوحة نموذجية بحجم 5 × 7 سم ، (انظر الخطوة التالية)

يتم استخدام دبابيس Arduino فقط للكشف الفعلي عن المعادن ، أحدهما لتوفير النبضات لمرشح LR والآخر لقراءة الجهد على المكثف. يمكن عمل النبض من أي طرف إخراج ولكن يجب أن تتم القراءة باستخدام أحد المسامير التناظرية A0-A5. يتم استخدام 3 دبابيس أخرى لمصباحين LED ولخرج الصوت.

ها هي الوصفة:

1. على اللوح ، قم بتوصيل المقاوم 220Ohm والصمام الثنائي ومكثف 10nF على التوالي ، مع الطرف السالب للديود (الخط الأسود) باتجاه المكثف.
2. قم بتوصيل A0 بالمقاوم (النهاية غير متصلة بالصمام الثنائي)
3. قم بتوصيل A1 بمكان تقاطع الصمام الثنائي والمكثف
4. قم بتوصيل الطرف غير المتصل للمكثف بالأرض
5. قم بتوصيل أحد طرفي الملف بنقطة تقاطع الصمام الثنائي المقاوم
6. قم بتوصيل الطرف الآخر للملف بالأرض
7. قم بتوصيل مؤشر LED واحد بطرفه الموجب بالدبوس D12 وطرفه السالب من خلال مقاوم 220 أوم على الأرض
8. قم بتوصيل مصباح LED الآخر بطرفه الموجب بالدبوس D11 وطرفه السالب من خلال المقاوم 220Ohm بالأرض
9. اختياريًا ، قم بتوصيل سماعة رأس أو مكبر صوت جرس سلبي بين السن 10 والأرضي. يمكن إضافة مكثف أو مقاوم في سلسلة لتقليل الحجم

هذا كل شئ!

الخطوة 5: نسخة ملحوم

لإخراج جهاز الكشف عن المعادن إلى الخارج ، سيكون من الضروري لحامه. لوحة نموذجية شائعة مقاس 7 × 5 سم مريحة تناسب نانو اردوينو وجميع المكونات المطلوبة. استخدم نفس المخططات كما في الخطوة السابقة. لقد وجدت أنه من المفيد إضافة مفتاح في سلسلة مع الجرس لإيقاف الصوت عند عدم الحاجة إليه. يسمح الطرف اللولبي بتجربة ملفات مختلفة دون الحاجة إلى لحام. يتم تشغيل كل شيء من خلال 5V المزود بمنفذ (mini- أو micro-USB) في Arduino Nano.

الخطوة 6: البرنامج

مخطط Arduino المستخدم مرفق هنا. تحميله وتشغيله. لقد استخدمت Arduino 1.6.12 IDE. يوصى بتشغيله باستخدام debug = true في البداية ، لضبط عدد النبضات لكل قياس. الأفضل هو أن يكون لديك قراءة ADC بين 200 و 300. قم بزيادة أو تقليل عدد النبضات في حالة أن الملف يعطي قراءات مختلفة بشكل كبير.

يقوم الرسم بنوع من المعايرة الذاتية. يكفي ترك الملف هادئًا بعيدًا عن المعادن لجعله هادئًا. سيتم اتباع الانجرافات البطيئة في الحث ، لكن التغييرات الكبيرة المفاجئة لن تؤثر على المتوسط طويل الأجل.

الخطوة 7: تركيبه على عصا

نظرًا لأنك لا ترغب في القيام بعمليات البحث عن الكنوز الزاحفة على الأرض ، فيجب تثبيت الألواح الثلاثة والملف والبطارية في نهاية العصا. تعتبر عصا السيلفي مثالية لهذا ، لأنها خفيفة وقابلة للطي وقابلة للتعديل. صادف أن powerbank 5000mAh الخاص بي يتناسب مع عصا السيلفي. يمكن بعد ذلك توصيل اللوحة برباطات كبلات أو أشرطة مطاطية ويمكن أن يكون الملف بالمثل إما بالبطارية أو بالعصا.

الخطوة 8: كيفية استخدامه

لإنشاء المرجع ، يكفي ترك الملف بعيدًا عن المعادن. بعد ذلك ، عندما يقترب الملف من المعدن ، سيبدأ مؤشر LED الأخضر أو الأزرق في الوميض وسيتم إصدار أصوات تنبيه في الجرس و / أو سماعات الرأس. تشير الومضات الزرقاء والصفير منخفض الصوت إلى وجود معادن غير مغناطيسية. تشير الومضات الخضراء والصفير عالي النغمة إلى وجود معادن مغناطيسية حديدية. احذر من أنه عند الاحتفاظ بالملف لأكثر من 5 ثوانٍ بالقرب من المعدن ، فسوف تأخذ هذه القراءة كمرجع ، وتبدأ في إصدار صوت تنبيه عند إخراج الكاشف من المعدن. بعد بضع ثوانٍ من إصدار صوت تنبيه في الهواء ، سيعود الهدوء مرة أخرى. يشير تواتر الومضات والصافرات إلى قوة الإشارة. صيد سعيد!