Pocket Metal Locator - Arduino : 8 étapes (avec photos)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:09

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À propos: Fou de technologie et des possibilités qu'elle peut apporter. J'aime le défi de construire des choses uniques. Mon objectif est de rendre la technologie amusante, pertinente pour la vie de tous les jours et d'aider les gens à réussir à créer des… Plus d'informations sur TechKiwiGadgets »

Ce petit localisateur de métal de poche cool est suffisamment sensible pour identifier les petits clous et les punaises dans le bois et suffisamment compact pour s'insérer dans des espaces difficiles, ce qui le rend pratique à transporter et à utiliser pour la localisation du métal.

L'unité dispose de quatre bobines de recherche indépendantes et d'indicateurs LED de couleur, ce qui permet de couvrir rapidement une zone de recherche plus large tout en étant capable d'identifier avec précision la cible.

Ce petit appareil soigné s'auto-calibrant avec un seul bouton, rechargeable via un port USB et utilise des LED de couleur, des sons et des vibrations pour indiquer la force de la cible.

L'instructable comprend toutes les conceptions, les tests, le code et les fichiers 3D nécessaires pour construire vous-même. J'espère que vous prendrez autant de plaisir à construire et à utiliser cela que moi !!

Étape 1: Liste des matériaux et comment cela fonctionne

1. Comment ça marche

Le Pocket Metal Locator utilise quatre bobines de recherche à induction d'impulsion indépendantes alimentées par un Arduino Pro Mini. Chaque bobine de recherche est composée d'une bobine TX et RX séparée où une impulsion est induite dans la bobine TX qui crée un champ électromagnétique autour de la bobine RX. Le champ changeant induit une tension dans la bobine RX qui est détectée et amplifiée avant que la largeur d'impulsion du signal ne soit lue par l'Arduino.

Un algorithme de lissage dans le code Arduino est utilisé pour supprimer le bruit des impulsions valides, ce qui le rend très stable.

Un algorithme d'étalonnage dans le code prend une moyenne des lectures sur une courte période de démarrage et définit une série de seuils pour comparer le signal.

Lorsqu'un objet métallique se trouve à portée du champ électromagnétique, le champ est perturbé et une partie de l'énergie est détournée de la bobine RX vers des « courants de Foucault » qui se forment dans l'objet cible. Cet effet parasite de l'objet cible entraîne une réduction de la largeur d'impulsion détectée dans la bobine RX. Essentiellement, nous mesurons la perte de puissance dans l'objet cible.

Lorsque la largeur d'impulsion détectée dans la bobine RX tombe en dessous du seuil, les LED s'allument, le buzzer retentit et le moteur de retour haptique est déclenché - en fonction d'une taille prédéterminée du signal cible.

Le circuit pour cela a évolué au cours de l'année dernière en un détecteur très stable et fiable. La configuration et l'orientation de la bobine ont été délibérément conçues pour maximiser la stabilité et la détection de profondeur.

2. Liste des matériaux

1. Taille de la batterie LiPo 3.7v 350mAh: 38 mm x 20 mm x 7,5 mm
2. TP4056 Chargeur de batterie USB LiPoFiche technique
3. Résistance de 4,7K pour limiter le courant de charge de la batterie LiPo à moins de 300mA
4. Arduino Pro Mini
5. Module FTDI USB vers série pour programmer le Mini Pro
6. Circuit intégré de comparateur différentiel quad LM339
7. Vero Board - 2 pièces découpées à 20x9 trous et 34x9 (voir photo pour une orientation correcte)
8. Transistor BC548 NPN x 4
9. Commutateur MOSFET 2N7000 x 5
10. Avertisseur piézo
11. Moteur de vibration de pièce pour la rétroaction haptique
12. Module LED RVB WS2812 x 4
13. Résistance 1k x 4
14. Résistance 10k x 4
15. 47 Ohm Résistance x 4
16. Résistance 2.2K x 4
17. Condensateur céramique 150pf x 8
18. Condensateur en polyester 0,18 uF x 4
19. Rouleau de fil de cuivre émaillé de 0,3 mm (normalement en rouleaux d'environ 25 g de poids)
20. Interrupteur à bouton-poussoir monté sur PCB
21. Pistolet à colle chaude
22. Foret de 10 mm
23. Perceuse à main
24. Pistolet à étiquettes ou ruban adhésif adapté pour étiqueter 16 fils séparés
25. Accès à une imprimante 3D

3. Fonctionnement du comparateur

J'ai eu un certain nombre de questions sur le fonctionnement du LM339 alors j'ai pensé donner une explication plus claire.

Le LM339 fonctionne uniquement comme un comparateur de tension, comparant la tension différentielle entre les broches positives et négatives et produisant une impédance logique basse ou haute (logique haute avec pullup) en fonction de la polarité différentielle d'entrée.

Dans ce circuit, l'entrée positive du comparateur est connectée à la ligne Vcc et une résistance de rappel à Vcc est appliquée à la sortie du comparateur. Dans cette configuration, en pratique, la tension de sortie du comparateur reste élevée, jusqu'à ce que la tension d'entrée sur l'entrée négative dépasse 3,5v

Le fonctionnement peut être expliqué à partir de la fiche technique LM339 qui décrit la "plage de tension d'entrée" comprise entre 0 V et Vsup-1,5 V

Lorsque IN– et IN+ sont tous deux dans la plage de mode commun, si IN– est inférieur à IN+ et à la tension de décalage, la sortie est à haute impédance et le transistor de sortie n'est pas conducteur

Lorsque IN– est supérieur au mode commun et IN+ est en mode commun, la sortie est faible et le transistor de sortie absorbe le courant. Lien vers la fiche technique et explication ci-dessous

Étape 2: imprimer le boîtier

Le boîtier imprimé en 3D a été réalisé à l'aide de 5 impressions distinctes. Les dimensions et les fichiers 3D peuvent être trouvés ici sur Thingiverse. La conception visait à rendre l'appareil facile à tenir tout en garantissant que les bobines de recherche étaient aussi proches de la zone recherchée.

Imprimez soigneusement le boîtier et retirez l'excès de plastique. Il est important de faire cette étape maintenant afin que les composants électroniques puissent être alignés dans le boîtier avant le raccordement final et les tests.

J'ai inclus une photo de plusieurs conceptions de boîtiers différentes que j'ai testées avant de choisir la conception finale qui était plus compacte et ergonomique à tenir.

Étape 3: Construire et monter les bobines de recherche

Prenez les formeuses de bobines imprimées et enroulez 25 tours de fil de cuivre sur chacune d'elles. Assurez-vous de laisser 20 cm de fil de cuivre supplémentaire pour le raccordement à l'unité principale.

Utilisez les trous imprimés dans les gabarits pour permettre un enroulement et une orientation cohérents des bobines pour chaque gabarit. Pendant que vous faites cela, retournez le premier et collez-le progressivement dans l'unité de base.

Suivez l'assemblage photo comme fourni, le résultat étant 8 bobines montées dans l'assemblage de bobines avec tous les fils orientés de manière cohérente et suffisamment longs pour se connecter à l'unité de carte principale dans le boîtier supérieur.

Utilisez les deux blocs de guidage de fil qui ont des trous pour chaque bobine la base imprimée pour garder une trace de chaque bobine spécifique.

J'ai placé les fils des bobines intérieures le long du haut et les bobines extérieures le long du bas du bloc de fils afin que je puisse garder une trace de chaque bobine spécifique, ce qui facilite la connexion à la carte principale.

Étape 4: Construisez le circuit

L'unité dispose de quatre circuits clés à construire indépendamment: carte de commande, carte principale, ensemble LED et alimentation rechargeable. Dans cette étape, nous allons construire la carte pilote et la carte principale.

1. Carte de pilote

Utilisez un cutter pour couper un morceau de Vero Board le long des trous 22x11, le résultat étant un morceau de Vero Board avec 20x9 trous orientés selon l'image incluse. Il est préférable de marquer plusieurs fois les trous des deux côtés de la planche, puis de casser doucement l'excès de planche. Vérifiez que la carte se trouve dans la base du boîtier avec suffisamment d'espace libre de chaque côté.

À l'aide des photos et d'un foret de 10 mm à la main, cassez soigneusement les punaises indiquées au bas de la planche Vero. Suivez le schéma de circuit et la disposition photo des composants pour assembler la carte de circuit imprimé en veillant à ce qu'il n'y ait pas de courts-circuits.

Mettez cette carte de côté pour des tests ultérieurs.

2. Carte principale

Utilisez un cutter pour couper un morceau de Vero Board le long des trous 36x11, le résultat étant un morceau de Vero Board avec 34x9 trous orientés selon l'image incluse. Il est préférable de marquer plusieurs fois les trous des deux côtés de la planche, puis de casser doucement l'excès de planche. Vérifiez que la carte repose dans la base du boîtier avec suffisamment d'espace libre de chaque côté.

À l'aide des photos et d'un foret de 10 mm à la main, cassez soigneusement les punaises indiquées au bas de la carte Vero.

Suivez le schéma du circuit et la disposition des photos des circuits intégrés Arduino et LM339 et des autres composants pour assembler la carte de circuit imprimé en veillant à ce qu'il n'y ait pas de courts-circuits.

Mettez cette carte de côté pour des tests ultérieurs.

Étape 5: Ajouter des indicateurs LED

J'ai utilisé des LED WS2182 qui ont un circuit intégré qui leur permet d'être adressés par l'Arduino à l'aide de trois fils séparés. Cependant, une large gamme de couleurs et de luminosités peut être créée en envoyant une commande à la LED. Cela se fait via une bibliothèque spéciale chargée dans l'IDE Arduino couvert dans la section de test.

1. Montage des LED dans le couvercle du boîtier de bobine

Positionnez soigneusement les quatre LED de manière à ce qu'elles soient correctement orientées afin que les connexions VCC et GND soient alignées et qu'elles se trouvent au centre des trous.

Utilisez de la colle chaude pour fixer les LED en position.

2. Câblage des LED

Dénudez et positionnez soigneusement trois longueurs de 25 cm de fil de raccordement monoconducteur sur les contacts des LED.

Soudez-les en place et assurez-vous que le fil de données central est connecté aux contacts IN et OUT selon la photo.

3. Vérification de l'alignement du boîtier

Vérifiez que le couvercle du boîtier affleure le boîtier de la bobine, puis utilisez de la colle chaude pour maintenir les fils en place à l'extrémité inférieure du couvercle.

Mettez-le de côté pour un test ultérieur.

Étape 6: Assemblage et test de l'unité

1. Préparation de l'assemblage

Avant l'assemblage, nous testerons chaque carte progressivement pour faciliter la résolution des problèmes.

L'Arduino Pro Mini nécessite une carte série USB pour être programmé par votre PC. Cela permet à la carte d'être plus petite car elle n'a pas d'interface série. Pour programmer ces cartes, vous devrez investir pour en obtenir une, comme indiqué dans la liste des pièces.

Avant de charger le code Arduino, vous devrez ajouter la bibliothèque "FastLED.h" en tant que bibliothèque pour piloter les LED WS2182. Une série de traces d'oscilloscope a été fournie pour le dépannage en cas de problème.

Il existe également une capture d'écran de la sortie de données série IDE à l'aide de la fonction Graph Plot qui affiche la sortie de largeur d'impulsion de chacun des canaux ainsi que la valeur de seuil. Ceci est utile pendant les tests car vous pouvez voir si chaque canal fonctionne à des niveaux de sensibilité similaires.

J'ai inclus deux copies du code. L'un a un test de diffusion de données en série à des fins de dépannage.

REMARQUE: Ne connectez pas l'unité de batterie LiPo avant la toute dernière étape, car un court-circuit accidentel lors de l'assemblage peut entraîner une surchauffe de l'unité ou même un incendie.

2. Testez la carte principale

Avant de connecter la carte principale à quoi que ce soit, il est conseillé de connecter le câble série Arduino et de vérifier que le code se charge.

Cela testera simplement que l'Arduino est physiquement câblé correctement et que l'IDE et les bibliothèques sont chargés. Chargez le code via l'IDE qui devrait se charger sans erreur et aucune fumée ne devrait sortir des composants !!

3. Connectez la carte pilote

Suivez le schéma de circuit pour connecter la carte de commande à la carte principale et positionnez physiquement l'unité dans le boîtier pour vous assurer que les éléments rentrent dans le boîtier. Il s'agit d'un cas d'essais et d'erreurs et nécessite de la persévérance.

Chargez le code via l'IDE qui devrait se charger sans erreur et aucune fumée ne devrait sortir des composants !!

4. Connectez les bobines Suivez le schéma de circuit pour connecter les bobines à la carte principale et positionnez physiquement l'unité dans le boîtier pour vous assurer que les éléments s'adaptent correctement. Assurez-vous soigneusement que les bobines sont alignées avec les entrées de la carte de commande et de la carte principale conformément au schéma de circuit.

Avec le code de test chargé, le port série affichera la largeur d'impulsion sur la bobine de réception quelque part entre 5000 - 7000uS. Cela peut également être visualisé à l'aide du traceur de graphes IDE.

Cela vous permettra de dépanner chacun des canaux et également de voir l'effet du déplacement d'une pièce près de la bobine de recherche, ce qui devrait réduire la largeur d'impulsion à mesure que la cible se rapproche de la bobine de recherche.

Si vous avez un oscilloscope, vous pouvez également vérifier les formes d'onde à différentes étapes du circuit pour diagnostiquer les problèmes.

Une fois que tous les canaux fonctionnent comme prévu, positionnez les fils de sorte que le boîtier du boîtier s'assemble et se ferme correctement.

5. Connectez les LED

Prenez avec précaution les trois fils des LED du boîtier de la bobine et connectez-les à la carte principale. Chargez le code et vérifiez que les LED fonctionnent correctement. Utilisez de la colle pour fixer le couvercle du boîtier de la bobine en place.

Étape 7: connexion de la batterie rechargeable

REMARQUE:

1. Ne connectez pas l'unité de batterie LiPo avant la toute dernière étape, car un court-circuit accidentel lors de l'assemblage peut entraîner une surchauffe de l'unité ou même un incendie.

2. Lorsque vous manipulez la batterie et le chargeur, veillez à ne pas court-circuiter les connexions de la batterie.

3. Les batteries LiPo sont différentes des autres batteries rechargeables et la charge en surintensité peut être dangereuse, alors assurez-vous de configurer correctement le circuit de charge.

4. Ne connectez pas le câble série Arduino à l'unité lorsque le bouton d'alimentation est enfoncé, sinon la batterie pourrait être endommagée.

1. Modifier la limite de courant du chargeur

Le Pocket Metal Locator utilise une batterie LiPo qui peut être chargée à l'aide d'un chargeur de téléphone Micro USB. La carte chargeur USB LiPo TP4056 est d'abord modifiée avec une résistance de 4,7 K pour limiter le courant de charge à moins de 300 mA. Des instructions sur la façon dont cela peut être fait peuvent être trouvées ici.

Cela vous oblige à retirer la résistance montée en surface existante et à la remplacer par une résistance comme indiqué sur la photo. Une fois en place, protégez tout mouvement imprévu de la résistance avec un pistolet à colle chaude.

Avant de vous connecter à la carte principale, vérifiez que le chargeur fonctionne correctement en connectant un chargeur de téléphone portable avec un port Micro USB. Le voyant de charge rouge doit s'allumer lorsqu'il fonctionne correctement.

2. Installez l'interrupteur d'alimentation à bouton-poussoir

Assurez-vous que le bouton-poussoir est monté dans la bonne position afin qu'il dépasse du centre du couvercle du boîtier, puis soudez le bouton-poussoir en place. Installez les fils entre l'interrupteur à bouton-poussoir et la sortie du chargeur et la ligne VCC sur l'Arduino conformément au schéma de circuit.

Lorsqu'il est installé correctement, appuyez sur l'interrupteur pour activer l'unité.

Fixez la batterie en place à l'aide de colle chaude et assurez-vous que la prise Micro USB est alignée sur le trou du couvercle du boîtier afin qu'elle puisse être chargée.

Étape 8: Tests finaux et fonctionnement

1. Assemblage physique

La dernière étape consiste à réarranger soigneusement les fils afin que le boîtier se ferme correctement. Utilisez de la colle chaude pour fixer la carte mère dans le couvercle, puis fermez le couvercle en position.

2. Utilisation de l'unité

L'unité fonctionne en calibrant après avoir appuyé sur le bouton d'alimentation et le maintenir enfoncé. Toutes les LED clignotent lorsque l'appareil est prêt à être utilisé. Maintenez le bouton poussoir enfoncé pendant la recherche. Les LED changent de bleu-vert, rouge, violet en fonction de la force de l'objet cible. Le retour haptique se produit lorsque les LED deviennent violettes.

Vous n'êtes pas prêt à utiliser pour des applications pratiques !!