كاشف معادن صديق للبيئة - اردوينو: 8 خطوات (بالصور)

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:41

يعد الكشف عن المعادن أمرًا ممتعًا للغاية. تتمثل إحدى التحديات في القدرة على تضييق المكان المحدد للحفر لتقليل حجم الحفرة المتبقية.

يحتوي جهاز الكشف عن المعادن الفريد هذا على أربعة ملفات بحث وشاشة ملونة تعمل باللمس لتحديد موقع اكتشافك وتحديده.

تتضمن المعايرة التلقائية ، حزمة طاقة USB قابلة لإعادة الشحن ، مع أربعة أوضاع مختلفة للشاشة ، والتردد ، وتعديل عرض النبض الذي يسمح لك بتخصيص طريقة البحث.

بمجرد تحديد الكنز ، يتيح لك ثقب واحد يتمركز فوق كل ملف استخدام سيخ خشبي للدفع إلى الأرض حتى تتمكن من البدء في حفر سدادة صغيرة من الأرض لتقليل الأضرار التي تلحق بالبيئة.

يمكن لكل ملف تحديد اكتشاف العملات المعدنية والحلقات بدقة على عمق 7-10 سم ، لذا فهو مثالي للبحث عن العملات المعدنية والحلقات المفقودة حول المتنزهات والشواطئ.

**********************************

شكر كبير - إذا ضغطت على زر التصويت في الزاوية اليمنى العليا لمسابقات "تحدي الاختراع" و "استكشاف العلوم" !!!

تشكرات،

TechKiwi

**********************************

الخطوة 1: العلم وراء الكشف عن المعادن

تصميم الكشف عن المعادن

هناك اختلافات متعددة في تصميمات أجهزة الكشف عن المعادن. هذا النوع الخاص من أجهزة الكشف عن المعادن هو كاشف الحث النبضي الذي يستخدم ملفات إرسال واستقبال منفصلة.

ينتج Arduino نبضًا يتم تطبيقه على ملف الإرسال لفترة قصيرة جدًا (4uS) عبر الترانزستور. يتسبب هذا التيار من النبض في تشكيل مجال مغناطيسي مفاجئ حول الملف ، ويؤدي الحقل المتوسع والمنهار إلى إحداث جهد في ملف الاستقبال. يتم تضخيم هذه الإشارة المستقبلة عن طريق الترانزستور المستقبِل ثم تحويلها إلى نبضة رقمية نظيفة بواسطة مقارن الجهد ثم أخذ عينات من طرف إدخال رقمي على Arduino. تمت برمجة Arduino لقياس عرض النبض للنبضة المستلمة.

في هذا التصميم ، يتم تحديد عرض النبضة المستقبلة بواسطة محاثة ملف الاستقبال ومكثف. مع عدم وجود كائنات في النطاق ، يقيس عرض النبضة الأساسي حوالي 5000 وحدة دولية. عندما تدخل الأجسام المعدنية الغريبة في نطاق المجال المغناطيسي المتوسع والمنهار ، يتسبب هذا في إحداث بعض الطاقة في الجسم في شكل تيارات إيدي. (الحث الكهرومغناطيسي)

والنتيجة النهائية هي أن عرض النبضة المستقبلة يتم تقليله ، ويتم قياس هذا الاختلاف في عرض النبضة بواسطة Arduino ويتم عرضه على شاشة TFT بتنسيقات مختلفة.

عرض الخيار 1: موضع الهدف تحت رأس الكاشف

كنت أنوي استخدام الملفات الأربعة لتثليث موضع الهدف تحت رأس الكاشف. جعلت الطبيعة غير الخطية لملفات البحث من هذا التحدي ، لكن صورة-g.webp

عرض الخيار 2: إظهار تتبع الإشارة لكل ملف بحث

يمكّنك هذا من تتبع مكان وجود الكائن الهدف تحت الرأس عن طريق رسم تتبع قوة إشارة مستقل على الشاشة لكل ملف بحث. هذا مفيد لتحديد ما إذا كان لديك هدفين قريبين من بعضهما تحت رأس الكاشف والقوة النسبية.

الاستخدامات العملية

يمكّنك هذا الأسلوب من استخدام العرض الأول لتحديد الهدف والطريقة الثانية لتوجيهه بدقة إلى بضعة ملليمترات كما هو موضح في مقطع الفيديو.

الخطوة 2: اجمع المواد

فاتورة المواد

1. Arduino Mega 2560 (يمكن شراء العناصر 1 و 2 و 3 كطلب مجمع واحد)
2. شاشة TFT LCD تعمل باللمس مقاس 3.2 بوصة (قمت بتضمين رمز لـ 3 أشكال مدعومة)
3. TFT 3.2 بوصة ميجا شيلد
4. الترانزستور BC548 × 8
5. 0.047 فائق التوهج غرينكاب مكثف x 4 (50 فولت)
6. 0.1 فائق التوهج Greencap مكثف × 1 (50 فولت)
7. 1 كيلو المقاوم × 4
8. 47 المقاوم × 4
9. 10 كيلو المقاوم × 4
10. 1 متر المقاوم × 4
11. 2.2 كيلو المقاوم × 4
12. SPST Mini Rocker Switch
13. جهاز المقارنة التفاضلي الرباعي للدائرة المتكاملة LM339
14. ثنائيات الإشارة IN4148 x 4
15. سلك نحاسي ، قطر 0.3 مم × 2
16. اثنان من الكابلات الأساسية المفحوصة - قطر 4.0 مم - طول 5 متر
17. باور بانك USB قابل للشحن 4400 مللي أمبير / ساعة
18. بيزو الجرس
19. لوحة فيرو 80x100 مللي متر
20. علبة من البلاستيك لا يقل ارتفاعها عن 100 مم ، عمق 55 مم ، عرض 160 مم
21. شريط رباط الاسلاك
22. خشب MDF سمك 6-8 مم - قطع مربعة 23 سم × 23 سم × 2
23. كابل تمديد Micro USB 10 سم
24. كابل توصيل USB-A مناسب للقطع بطول 10 سم
25. نقطة مقبس صوت سماعة الرأس - ستيريو
26. رأس كاشف للفواصل الخشبية والبلاستيكية المختلفة
27. مقبض مكنسة ممسحة السرعة بمفصل قابل للتعديل (حركة محور واحد فقط - انظر الصور)
28. قطعة واحدة من ورق مقاس A3
29. غراء قوي
30. منشار تهزهز كهربائي
31. ورق A4 بسماكة 3 مم لإنشاء ملف سابق لملفات TX و Rx
32. شريط لاصق
33. مسدس الغراء الساخن
34. غراء كهربائي
35. 10 دبابيس رأس اردوينو إضافية
36. دبابيس طرفية PCB × 20
37. غراء إيبوكسي ثنائي الأجزاء - مدة تجفيف 5 دقائق
38. سكين كرافت
39. أنبوب بلاستيكي 5 مم بطول 30 مم × 4 (استخدمت أنابيب نظام سقي الحديقة من متجر لاجهزة الكمبيوتر)
40. مانع تسرب MDF مقاوم للماء (تأكد من عدم احتوائه على معدن)
41. مجرى كهربائي مرن 60 سم - رمادي - قطر 25 مم

الخطوة 3: بناء رأس الكاشف

1. بناء الجمعية الرئيسية

ملاحظة: لقد اخترت بناء ترتيب تركيب معقد إلى حد ما لملفات الأسلاك النحاسية الثمانية المستخدمة في رأس الكاشف. تضمن ذلك قطع سلسلة من الثقوب من طبقتين من MDF كما يمكن رؤيته في الصور أعلاه. لقد أكملت الآن الوحدة ، أوصي باستخدام دائرة مقطوعة واحدة بقطر 23 سم وربط الملفات بهذه الطبقة المفردة من MDF بالغراء الساخن. هذا يقلل من وقت البناء ويعني أيضًا أن الرأس أخف وزنًا.

ابدأ بطباعة الاستنسل المتوفر على قطعة ورق مقاس A3 ثم قم بلصقه على لوحة MDF لتزويدك بدليل لوضع الملفات.

باستخدام المنشار الكهربائي ، اقطع دائرة قطرها 23 سم من MDF.

2. لف الملفات

استخدم الورق المقوى لإنشاء أسطوانتين بطول 10 سم مع شريط لاصق. يجب أن يكون قطر ملفات الإرسال 7 سم و ملفات الاستقبال 4 سم.

ضع مكوك الأسلاك النحاسية على مسمار بحيث يمكن أن تدور بحرية. قم بتوصيل بداية السلك النحاسي بأسطوانة الكرتون باستخدام شريط لاصق. تدور الرياح 40 بقوة على الأسطوانة ثم تستخدم الشريط اللاصق لربط النهاية.

استخدم الغراء الساخن لربط الملفات معًا عند 8 نقاط على الأقل حول محيط الملفات. عندما يبرد ، استخدم أصابعك لتخفيف الملف ثم اربطه بقالب رأس كاشف المعادن باستخدام الغراء الساخن. قم بحفر فتحتين من خلال MDF بجوار الملف ومرر طرفي الملف من خلال الجانب العلوي من رأس جهاز الكشف عن المعادن.

كرر هذا التمرين لبناء وتثبيت 4 × ملفات استقبال و 4 ملفات إرسال. عند الانتهاء يجب أن يكون هناك 8 أزواج من الأسلاك بارزة من خلال الجزء العلوي من رأس جهاز الكشف عن المعادن.

3. قم بتوصيل الكابلات المحمية

قم بقص طول الكابل المزدوج المحمي بطول 5 أمتار إلى 8 أطوال. قم بفصل ولحام النواة المزدوجة لكل ملف إرسال واستقبال تاركًا الدرع مفصولًا عند طرف رأس الكاشف من الكبل.

اختبر الملفات وتوصيلات الكابلات في الطرف الآخر من كل كابل باستخدام مقياس أوم. سيسجل كل ملف عددًا قليلاً من الأوم ويجب أن يكون متسقًا مع جميع ملفات الاستلام والإرسال على التوالي.

بمجرد الاختبار ، استخدم مسدس الغراء الساخن لربط الكابلات الثمانية في وسط رأس الكاشف جاهزة لربط المقبض وإنهاء الرأس.

نصيحتي هي تجريد كل من نوى الكابلات المحمية وقصديرها في الطرف الآخر استعدادًا للاختبار المستقبلي. قم بتوصيل سلك أرضي بكل درع كابل حيث سيتم توصيله بالأرض في الوحدة الرئيسية. هذا يوقف التداخل بين كل كابل.

استخدم مقياسًا متعددًا لتحديد أي ملف هو الملف وإرفاق الملصقات اللاصقة حتى يمكن التعرف عليها بسهولة للتجميع في المستقبل.

الخطوة 4: تجميع الدائرة للاختبار

1. الجمعية اللوح

توصيتي باستخدام لوح التجارب لإعداد الدائرة واختبارها أولاً قبل الالتزام بلوحة Vero وعلبة. يمنحك هذا الفرصة لتكييف قيم المكونات أو تعديل الكود إذا لزم الأمر للحساسية والاستقرار. يجب توصيل ملفات الإرسال والاستقبال بحيث يتم لفها في نفس الاتجاه ومن السهل اختبارها على اللوح قبل وضع العلامات على الأسلاك للاتصال المستقبلي بلوحة Vero.

قم بتجميع المكونات وفقًا لمخطط الدائرة وإرفاق ملفات رأس الكاشف باستخدام سلك التوصيل.

من الأفضل إجراء التوصيلات بـ Arduino باستخدام سلك ربط لوح الخبز ملحوم بدرع TFT. بالنسبة لاتصالات الدبوس الرقمية والتناظرية ، أضفت Header Pin مما مكنني من تجنب اللحام مباشرة بلوحة Arduino. (انظر الصورة)

2. مكتبات IDE

يجب تنزيلها وإضافتها إلى IDE (بيئة التطوير المتكاملة) التي تعمل على جهاز الكمبيوتر الخاص بك ، وتستخدم لكتابة وتحميل رمز الكمبيوتر على اللوحة المادية. UTFT.h و URtouch.h الموجودان في ملف مضغوط أدناه

رصيد UTFT.h و URtouch.h يذهب إلى Rinky-Dink Electronics لقد قمت بتضمين هذه الملفات المضغوطة كما يبدو أن موقع الويب المصدر معطل.

3. الاختبار

لقد قمت بتضمين برنامج اختبار للتعامل مع الإعداد الأولي حتى تتمكن من التعامل مع مشكلات توجيه الملف. قم بتحميل كود الاختبار في Arduino IDE وقم بتحميله إلى Mega. إذا كان كل شيء يعمل ، يجب أن ترى شاشة الاختبار على النحو الوارد أعلاه. يجب أن ينتج كل ملف قيمة حالة ثابتة تقارب 4600uS في كل ربع. إذا لم يكن الأمر كذلك ، فقم بعكس قطبية الملفات الموجودة على ملف TX أو RX واختبرها مرة أخرى. إذا لم ينجح ذلك ، أقترح عليك التحقق من كل ملف على حدة والعمل مرة أخرى من خلال الدائرة لاستكشاف الأخطاء وإصلاحها. إذا كان لديك بالفعل 2 أو 3 عمل ، فقارنهم بالملفات / الدوائر التي لا تعمل.

ملاحظة: أظهر المزيد من الاختبارات أن المكثفات 0.047 فائق التوهج الموجودة على دائرة RX تؤثر على جميع أنواع الحساسية. نصيحتي هي أنه بمجرد تشغيل الدائرة على لوح التجارب ، حاول زيادة هذه القيمة واختبارها بعملة معدنية حيث وجدت أن هذا يمكن أن يحسن الحساسية.

ليس إلزاميًا ، ولكن إذا كان لديك مرسمة الذبذبات ، يمكنك أيضًا مراقبة TX Pulse و RX Pulse لضمان توصيل الملفات بشكل صحيح. انظر التعليقات في الصور لتأكيد ذلك.

ملاحظة: لقد قمت بتضمين مستند PDF في هذا القسم مع تتبعات راسم الذبذبات لكل مرحلة من مراحل الدائرة للمساعدة في استكشاف أي مشكلات وإصلاحها

الخطوة الخامسة: بناء الدائرة والمرفق

بمجرد أن يتم اختبار الوحدة بما يرضيك ، يمكنك اتخاذ الخطوة التالية وبناء لوحة الدوائر والمرفق.

1. تحضير الضميمة

قم بتخطيط المكونات الرئيسية ووضعها في حالتك لتحديد كيف سيكون كل شيء مناسبًا. قم بقص لوحة Vero لاستيعاب المكونات ، ومع ذلك ، تأكد من أنه يمكنك وضعها في الجزء السفلي من العلبة. كن حذرًا مع حزمة الطاقة القابلة لإعادة الشحن حيث يمكن أن تكون ضخمة جدًا.

حفر ثقوب لاستيعاب المدخل الخلفي لكابلات الرأس ومفتاح الطاقة ومنفذ USB خارجي ومنفذ برمجة Arduino ومقبس صوت سماعة رأس استريو.

بالإضافة إلى هذا المثقاب 4 ثقوب متصاعدة في وسط الجانب الأمامي من العلبة حيث سيكون المقبض ، يجب أن تكون هذه الثقوب قادرة على تمرير رابط الكابل من خلالها في الخطوات المستقبلية.

2. تجميع لوحة فيرو

اتبع مخطط الدائرة والصورة أعلاه لوضع المكونات على لوحة Vero.

لقد استخدمت دبابيس PCB الطرفية لتمكين التوصيل السهل لكابلات ملف الرأس بـ PCB. قم بتركيب Piezo Buzzer على PCB جنبًا إلى جنب مع IC والترانزستورات. حاولت الحفاظ على محاذاة مكونات TX و RX من اليسار إلى اليمين وتأكدت من أن جميع الاتصالات بالملفات الخارجية كانت في أحد طرفي Vero Boar. (انظر التخطيط في الصور)

3. قم بتوصيل كابلات الملف

قم ببناء حامل كبل للكابلات المحمية الواردة من MDF كما هو موضح في الصور. يتكون هذا من 8 ثقوب محفورة في MDF لتمكين الكابلات من الجلوس بمحاذاة دبابيس PCB الطرفية. عند إرفاق كل ملف ، فإنه يدفع لاختبار الدائرة بشكل تدريجي لضمان الاتجاه الصحيح للملف.

4. اختبر الوحدة

قم بتوصيل حزمة طاقة USB ، ومفتاح الطاقة ، ومقبس الهاتف الصوتي ، ثم ضع جميع الأسلاك والكابلات لضمان ملائمتها في العلبة. استخدم الغراء الساخن لتثبيت العناصر في مكانها للتأكد من عدم وجود أي شيء يمكن أن يزعجك. وفقًا للخطوة السابقة ، قم بتحميل رمز الاختبار وتأكد من أن جميع الملفات تعمل كما هو متوقع.

اختبر أن حزمة طاقة USB يتم شحنها بشكل صحيح عند توصيلها خارجيًا. تأكد من وجود خلوص كافٍ لتوصيل كابل Arduino IDE.

5. قطع مظهر الشاشة

ضع شاشة في وسط الصندوق وقم بتمييز حواف شاشة LCD على اللوحة الأمامية جاهزة لقطع فتحة. باستخدام سكين حرفي ومسطرة معدنية ، قم بقطع غطاء العلبة بعناية وقطع الفتحة.

بمجرد صقلها ووضعها في مكانها لتشكيل الغطاء بعناية مع ضمان تثبيت جميع المكونات واللوحات والأسلاك والشاشة في مكانها باستخدام الفواصل والغراء الساخن.

7. بناء حاجب من الشمس

لقد وجدت حاوية سوداء قديمة تمكنت من تقطيعها واستخدامها كحاجب للشمس كما هو موضح في الصور أعلاه. الصق هذا على اللوحة الأمامية باستخدام إيبوكسي مكون من جزأين 5 دقائق.

الخطوة 6: إرفاق المقبض والحالة برأس الكاشف

الآن بعد أن تم بناء Detector Electronics and Head ، كل ما تبقى هو إكمال تركيب الوحدة بشكل آمن.

1. اربط الرأس بالمقبض

قم بتعديل مفصل المقبض لتمكينك من إرفاقه بالرأس باستخدام مسمارين. من الناحية المثالية ، تريد تقليل كمية المعدن بالقرب من الملفات ، لذا استخدم مسامير خشبية صغيرة والكثير من غراء الإيبوكسي المكون من 5 دقائق من جزأين للربط بالرأس. انظر الصور أعلاه.

2. ربط الحذاء حتى رئيس الأسلاك

باستخدام روابط الكابلات اربط الأسلاك بعناية عن طريق إضافة ربطة كبل كل 10 سم على طول الأسلاك المحمية. احرص على التأكد من تحديد أفضل وضع للحالة حتى يسهل رؤية الشاشة والوصول إلى عناصر التحكم وإرفاق سماعات الرأس / المقابس.

3. قم بتوصيل الإلكترونيات بالمقبض

قم ببناء كتلة تركيب بزاوية 45 درجة من MDF لتمكينك من إرفاق العلبة بزاوية مما يعني أنه عندما تمسح الكاشف عبر الأرض ، يمكنك رؤية شاشة TFT بسهولة. انظر إلى الصورة أعلاه.

قم بتوصيل علبة الإلكترونيات بالمقبض باستخدام روابط الكابلات التي تمر عبر كتلة التركيب وفي العلبة من خلال فتحات التثبيت المحفورة مسبقًا.

4. قم بإنهاء رأس الكاشف

يجب إصلاح ملفات رأس الكاشف بدون حركة في الأسلاك ، لذا فهذا هو الوقت المناسب لاستخدام Hot Glue لربط جميع الملفات في مكانها تمامًا.

يجب أيضًا أن يكون رأس الكاشف مقاومًا للماء ، لذا من المهم رش MDF باستخدام مادة مانعة للتسرب شفافة (تأكد من عدم احتواء مانع التسرب على معدن لأسباب واضحة).

قم بحفر ثقوب 5 مم في وسط كل ملف وقم بتمرير أنابيب بلاستيكية 5 مم × 30 مم من خلالها لتمكينك من دفع أسياخ خشبية في التربة أدناه بمجرد أن يكون لديك دبوس يشير إلى هدف. استخدم مسدس الغراء الساخن لتثبيته في موضعه.

ثم غطيت الجزء العلوي من الرأس بلوحة بلاستيكية والجزء السفلي بغطاء كتاب بلاستيكي سميك أثناء الانتهاء من الحافة بقطع أنبوب مرن للقناة الكهربائية ولصقها بالغراء الساخن في مكانها.

الخطوة 7: التجميع النهائي والاختبار

1. الشحن

ضع شاحن الهاتف الخلوي القياسي في منفذ Micro USB وتأكد من أن الوحدة مشحونة بشكل كافٍ.

2. تحميل كود

استخدم Arduino IDE لتحميل الكود المرفق.

3. زر كتم الصوت

الوحدة الافتراضية يتم كتم الصوت عند تشغيلها. يُشار إلى ذلك بواسطة زر كتم الصوت الأحمر في أسفل LHS من الشاشة. لتمكين الصوت ، اضغط على هذا الزر ويجب أن يتحول الزر إلى اللون الأخضر للإشارة إلى تمكين الصوت.

عند إلغاء كتم الصوت ، سينتج صوت الجرس الداخلي ومقبس الهاتف الصوتي الخارجي صوتًا.

4. المعايرة

تُعيد المعايرة التتبع إلى أسفل الشاشة أسفل خطوط الحد. عند تشغيل الوحدة لأول مرة ، ستقوم بالمعايرة تلقائيًا. الوحدة مستقرة بشكل ملحوظ ولكن إذا كانت هناك حاجة لإعادة المعايرة ، فيمكن القيام بذلك عن طريق لمس زر المعايرة على الشاشة والذي سيعيد المعايرة في أقل من ثانية.

5- العتبات

إذا تجاوزت الإشارة الموجودة على أي أثر خط العتبة (الخط المنقط على الشاشة) وكان زر كتم الصوت مغلقًا ، فسيتم إصدار إشارة صوتية.

يمكن ضبط هذه الحدود لأعلى ولأسفل عن طريق لمس الشاشة أعلى أو أسفل كل خط تتبع.

6. تعديل PW و DLY

يمكن تعديل مدة النبض إلى الملف والتأخير بين النبضات من خلال شاشة اللمس ، وهي موجودة بالفعل للتجربة مع البيئات المختلفة والكنوز التي يمكن اختبارها للحصول على أفضل النتائج.

7. أنواع العرض

هناك 4 أنواع مختلفة للعرض

عرض الخيار 1: موضع الهدف تحت رأس الكاشف كنت أرغب في استخدام الملفات الأربعة لتثليث موضع الهدف تحت رأس الكاشف. جعلت الطبيعة غير الخطية لملفات البحث هذا التحدي ، لكن صورة-g.webp

خيار العرض 2: إظهار تتبع الإشارة لكل ملف بحث يمكّنك هذا من تتبع مكان وجود الكائن الهدف تحت الرأس عن طريق رسم تتبع قوة إشارة مستقل على الشاشة لكل ملف بحث. هذا مفيد لتحديد ما إذا كان لديك هدفين قريبين من بعضهما تحت رأس الكاشف والقوة النسبية.

خيار العرض 3: كما هو الحال مع الخيار 2 ، مع وجود خط أكثر سمكًا ، يسهل رؤيته.

عرض الخيار 4: مثل الخيار 2 ، ومع ذلك ، يتم رسم أكثر من 5 شاشات قبل حذف التتبع. جيد لالتقاط الإشارات الضعيفة.

أقوم باختبار ميداني خلال الأسابيع القليلة المقبلة ، لذا سأقوم بنشر أي اكتشافات للكنوز.

الآن اذهب واحصل على بعض المرح واعثر على بعض الكنز !!

الخطوة 8: الخاتمة: اختلافات الملف

كان هناك الكثير من الأسئلة والاقتراحات الجيدة والمثيرة للاهتمام حول تكوينات الملف. في تطوير هذا التدريب ، كانت هناك العديد من التجارب مع تكوينات الملف المختلفة التي تستحق الذكر.

تُظهر الصور أعلاه بعض الملفات التي جربتها قبل الاستقرار على التصميم الحالي. إذا كان لديك المزيد من الأسئلة ، راسلني.

حان وقت التجربة أكثر!

الجائزة الأولى في تحدي الاختراع 2017

الجائزة الأولى في مسابقة استكشاف العلوم 2017