Détecteur de métaux écologique - Arduino : 8 étapes (avec photos)

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

La détection de métaux est très amusante. L'un des défis est de pouvoir réduire l'endroit exact à creuser pour minimiser la taille du trou laissé.

Ce détecteur de métaux unique possède quatre bobines de recherche, un écran tactile couleur pour identifier et localiser l'emplacement de votre trouvaille.

Incorporant l'étalonnage automatique, un bloc d'alimentation rechargeable par USB, avec quatre modes d'écran différents, un réglage de la fréquence et de la largeur d'impulsion qui vous permet de personnaliser votre recherche.

Une fois que vous avez localisé le trésor, un seul trou centré au-dessus de chaque bobine vous permet d'utiliser une brochette en bois pour enfoncer dans la terre afin que vous puissiez commencer à creuser un petit bouchon dans le sol pour réduire les dommages à l'environnement.

Chaque bobine peut détecter avec précision les pièces de monnaie et les bagues à une profondeur de 7 à 10 cm. Elle est donc idéale pour rechercher des pièces de monnaie et des bagues perdues autour des parcs et des plages.

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Merci beaucoup, TechKiwi

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Étape 1: La science derrière la détection des métaux

Conception de détection de métaux

Il existe plusieurs variantes de conceptions de détecteurs de métaux. Ce type particulier de détecteur de métaux est un détecteur à induction d'impulsions qui utilise des bobines d'émission et de réception séparées.

L'Arduino produit une impulsion qui est appliquée à la bobine de transmission pendant une très courte période (4uS) via un transistor. Ce courant de l'impulsion provoque la formation d'un champ magnétique soudain autour de la bobine, le champ en expansion et en effondrement induit une tension dans la bobine de réception. Ce signal reçu est amplifié par le transistor de réception, puis transformé en une impulsion numérique propre par un comparateur de tension et à son tour échantillonné par une broche d'entrée numérique sur l'Arduino. L'Arduino est programmé pour mesurer la largeur d'impulsion de l'impulsion reçue.

Dans cette conception, la largeur d'impulsion reçue est déterminée par l'inductance de la bobine de réception et un condensateur. En l'absence d'objets à portée, la largeur d'impulsion de base mesure environ 5 000 uS. Lorsque des objets métalliques étrangers se trouvent à portée du champ magnétique en expansion et en effondrement, une partie de l'énergie est induite dans l'objet sous la forme de courants de Foucault. (Induction électromagnétique)

Le résultat net est que la largeur d'impulsion reçue est réduite, cette différence de largeur d'impulsion est mesurée par l'Arduino et affichée sur un écran TFT dans différents formats.

Option d'affichage 1: Position de la cible sous la tête du détecteur

Mon intention était d'utiliser les 4 bobines pour trianguler la position de la cible sous la tête du détecteur. La nature non linéaire des bobines de recherche a rendu cela difficile, mais le-g.webp

Option d'affichage 2: Afficher la trace du signal pour chaque bobine de recherche

Cela vous permet de suivre où se trouve l'objet cible sous la tête en dessinant une trace de force de signal indépendante sur l'écran pour chaque bobine de recherche. Ceci est utile pour déterminer si vous avez deux cibles rapprochées sous la tête du détecteur et la force relative.

Utilisations pratiques

Cette approche vous permet d'utiliser la première vue pour identifier une cible et la seconde vue pour la pointer à quelques millimètres comme le montre le clip vidéo.

Étape 2: Rassemblez les matériaux

Nomenclature

1. Arduino Mega 2560 (les articles 1, 2 et 3 peuvent être achetés en une seule commande groupée)
2. Écran tactile LCD TFT 3,2 "(Ive a inclus le code pour 3 variantes prises en charge)
3. TFT 3,2 pouces méga bouclier
4. Transistor BC548 x 8
5. Condensateur Greencap 0.047uf x 4 (50v)
6. Condensateur Greencap 0.1uf x 1 (50v)
7. Résistance 1k x 4
8. 47 Résistance x 4
9. Résistance 10k x 4
10. Résistance 1M x 4
11. Résistance 2.2k x 4
12. Mini interrupteur à bascule SPST
13. Comparateur différentiel quadruple à circuit intégré LM339
14. Diodes de signalisation IN4148 x 4
15. Bobine de fil de cuivre 0,3 mm de diamètre x 2
16. Câble blindé à deux conducteurs - Diamètre 4,0 mm - Longueur 5 M
17. Batterie externe rechargeable par USB 4400mHa
18. Avertisseur piézo
19. Planche Vero 80x100mm
20. Boîtier en plastique d'au moins 100 mm de hauteur, 55 mm de profondeur, 160 mm de largeur
21. Attaches de câble
22. Bois MDF Épaisseur 6-8mm - Pièces carrées 23cm x 23cm x 2
23. Rallonge micro USB 10cm
24. Câble de prise USB-A pouvant être coupé à une longueur de 10 cm
25. Point de prise audio pour casque - Stéréo
26. Tête de détecteur d'entretoises diverses en bois et en plastique
27. Manche balai Speed Mop avec articulation réglable (mouvement sur un seul axe - voir photos)
28. Un morceau de papier A3
29. Bâton de colle
30. Scie sauteuse électrique
31. Feuille A4 Carton de 3 mm d'épaisseur pour créer une bobineuse pour bobines TX et Rx
32. Ruban adhésif
33. Pistolet à colle chaude
34. Colle électrique
35. 10 broches d'en-tête Arduino supplémentaires
36. Broches de borne PCB x 20
37. Colle Epoxy TwoPart - 5 min de temps de séchage
38. Couteau artisanal
39. Tube en plastique de 5 mm de longueur 30 mm x 4 (j'ai utilisé des tuyaux de système d'arrosage de jardin de quincaillerie)
40. Scellant imperméable MDF (assurez-vous qu'il ne contient pas de métal)
41. Conduit Électrique Flexible 60cm - Gris - Diamètre 25mm

Étape 3: Construire la tête du détecteur

1. Construire l'assemblage de la tête

Remarque: j'ai choisi de construire un montage de montage assez complexe pour les 8 bobines de fil de cuivre utilisées dans la tête du détecteur. Cela impliquait de découper une série de trous dans deux couches de MDF, comme on peut le voir sur les photographies ci-dessus. Maintenant que j'ai terminé l'unité, je recommande d'utiliser un seul cercle découpé de 23 cm de diamètre et de fixer les bobines à cette seule couche de MDF avec de la colle chaude. Cela réduit le temps de construction et signifie également que la tête est plus légère.

Commencez par imprimer le pochoir fourni sur une feuille de papier A3 puis collez-le sur le panneau MDF pour vous fournir un guide pour le positionnement des bobines.

À l'aide d'une scie sauteuse électrique, découpez soigneusement un cercle de 23 cm de diamètre dans le MDF.

2. Enrouler les bobines

Utilisez le carton pour créer deux cylindres de 10 cm de longueur maintenus ensemble avec du ruban adhésif. Le diamètre des bobines de transmission doit être de 7 cm et celui des bobines de réception de 4 cm.

Placez la bobine de fil de cuivre sur une pointe afin qu'elle puisse tourner librement. Fixez le début du fil de cuivre sur le cylindre en carton à l'aide de ruban adhésif. Wind 40 tourne fermement sur le cylindre, puis utilisez du ruban adhésif pour attacher l'extrémité.

Utilisez de la colle chaude pour fixer les bobines ensemble sur au moins 8 points autour de la circonférence des bobines. Une fois refroidi, utilisez vos doigts pour retirer la bobine, puis fixez-la au gabarit de la tête du détecteur de métaux à l'aide de colle chaude. Percez deux trous dans le MDF à côté de la bobine et passez les extrémités de la bobine jusqu'au dessus de la tête du détecteur de métaux.

Répétez cet exercice pour construire et monter 4 bobines de réception et 4 bobines de transmission. Une fois terminé, il devrait y avoir 8 paires de fils dépassant du haut de la tête du détecteur de métaux.

3. Fixez les câbles blindés

Coupez la longueur de 5M de câble blindé à deux conducteurs en 8 longueurs. Dénudez et soudez le noyau double à chaque bobine de transmission et de réception en laissant le blindage déconnecté à l'extrémité de la tête de détection du câble.

Testez les bobines et les connexions des câbles à l'autre extrémité de chaque câble à l'aide d'un ohmmètre. Chaque bobine enregistrera quelques Ohms et devrait être cohérente pour toutes les bobines de réception et de transmission respectivement.

Une fois testé, utilisez le pistolet à colle chaude pour fixer les 8 câbles au centre de la tête de détection, prêts à fixer la poignée et à finir la tête.

Mon conseil est de dénuder et d'étamer chacun des noyaux de câble blindés à l'autre extrémité en vue des futurs tests. Attachez un fil de terre à chaque blindage de câble car celui-ci sera connecté à la terre dans l'unité principale. Cela arrête les interférences entre chaque câble.

Utilisez un multimètre pour identifier quelle bobine est quelle bobine et attachez des étiquettes autocollantes afin qu'elles puissent être identifiées facilement pour un assemblage futur.

Étape 4: Assembler le circuit pour le test

1. Assemblage de la planche à pain

Ma recommandation est d'utiliser une maquette pour d'abord configurer et tester le circuit avant de s'engager sur Vero Board et un boîtier. Cela vous donne la possibilité d'adapter les valeurs des composants ou de modifier le code si nécessaire pour la sensibilité et la stabilité. Les bobines d'émission et de réception doivent être connectées de manière à ce qu'elles soient enroulées dans le même sens, ce qui est plus facile à tester sur une maquette avant d'étiqueter les fils pour une connexion future à la carte Vero.

Assemblez les composants selon le schéma de circuit et fixez les bobines de la tête du détecteur à l'aide du fil de raccordement.

Les connexions à l'Arduino sont mieux réalisées à l'aide d'un fil de connexion à la planche à pain soudé au blindage TFT. Pour les connexions à broches numériques et analogiques, j'ai ajouté une broche d'en-tête qui m'a permis d'éviter de souder directement sur la carte Arduino. (Voir l'image)

2. Bibliothèques IDE

Ceux-ci doivent être téléchargés et ajoutés à l'IDE (environnement de développement intégré) qui s'exécute sur votre ordinateur, utilisé pour écrire et télécharger le code informatique sur la carte physique. UTFT.h et URtouch.h situés dans le fichier zip ci-dessous

Le crédit pour UTFT.h et URtouch.h revient à Rinky-Dink Electronics. J'ai inclus ces fichiers zip car il semble que le site Web source soit en panne.

3. Tester

J'ai inclus un programme de test pour gérer la configuration initiale afin que vous puissiez traiter les problèmes d'orientation de la bobine. Chargez le code de test dans l'IDE Arduino et téléchargez-le sur le Mega. Si tout fonctionne, vous devriez voir l'écran de test comme ci-dessus. Chaque bobine doit produire une valeur en régime permanent d'environ 4600uS dans chaque quadrant. Si ce n'est pas le cas, inversez la polarité des enroulements sur la bobine TX ou RX et testez à nouveau. Si cela ne fonctionne pas, je vous suggère de vérifier chaque bobine individuellement et de remonter le circuit pour résoudre les problèmes. Si vous en avez déjà 2 ou 3 qui fonctionnent, comparez-les aux bobines/circuits qui ne fonctionnent pas.

Remarque: des tests supplémentaires ont révélé que les condensateurs de 0,047 uf du circuit RX influencent toute la sensibilité. Mon conseil est qu'une fois que le circuit fonctionne sur une maquette, essayez d'augmenter cette valeur et de tester avec une pièce de monnaie car j'ai découvert que cela peut améliorer la sensibilité.

Ce n'est pas obligatoire, mais si vous avez un oscilloscope, vous pouvez également observer l'impulsion TX et l'impulsion RX pour vous assurer que les bobines sont correctement connectées. Voir les commentaires dans les images pour le confirmer.

REMARQUE: j'ai inclus un document PDF dans cette section avec des traces d'oscilloscope pour chaque étape du circuit pour aider à résoudre les problèmes

Étape 5: Construire le circuit et l'enceinte

Une fois que l'unité a été testée à votre satisfaction, vous pouvez passer à l'étape suivante et construire le circuit imprimé et le boîtier.

1. Préparez le boîtier

Disposez les principaux composants et positionnez-les dans votre boîtier pour déterminer comment tout s'adaptera. Coupez la carte Vero pour accueillir les composants, cependant, assurez-vous que vous pouvez l'insérer dans le bas du boîtier. Soyez prudent avec le bloc d'alimentation rechargeable car ils peuvent être assez volumineux.

Percez des trous pour accueillir l'entrée arrière des câbles de tête, l'interrupteur d'alimentation, le port USB externe, le port de programmation Arduino et la prise audio pour casque stéréo.

En plus de cela, percez 4 trous de montage au centre de la face avant du boîtier où se trouvera la poignée. Ces trous doivent pouvoir passer un serre-câble à travers eux dans les étapes futures.

2. Assembler la carte Vero

Suivez le schéma de circuit et l'image ci-dessus pour positionner les composants sur la carte Vero.

J'ai utilisé des broches de borne PCB pour permettre une connexion facile des câbles de bobine de tête au PCB. Montez le Piezo Buzzer sur le PCB avec le CI et les transistors. J'ai essayé de garder les composants TX, RX alignés de gauche à droite et de m'assurer que toutes les connexions aux bobines externes étaient à une extrémité du Vero Boar. (voir la mise en page en photos)

3. Fixez les câbles de la bobine

Construisez un support de câble pour les câbles blindés entrants en MDF comme indiqué sur les images. Il s'agit de 8 trous percés dans le MDF pour permettre aux câbles de s'aligner sur les broches des bornes PCB. Au fur et à mesure que vous attachez chaque bobine, il est utile de tester le circuit progressivement pour assurer une orientation correcte de la bobine.

4. Testez l'unité

Connectez le bloc d'alimentation USB, l'interrupteur d'alimentation, la prise téléphonique audio et positionnez tout le câblage et les câbles pour assurer un ajustement parfait dans le boîtier. Utilisez de la colle chaude pour maintenir les objets en place afin de vous assurer qu'il n'y a rien qui puisse secouer. Comme à l'étape précédente, chargez le code de test et assurez-vous que toutes les bobines fonctionnent comme prévu.

Vérifiez que le bloc d'alimentation USB se charge correctement lorsqu'il est connecté en externe. Assurez-vous qu'il y a suffisamment d'espace pour attacher le câble Arduino IDE.

5. Découpez l'écran

Positionnez l'écran au centre de la boîte et marquez les bords de l'écran LCD sur le panneau avant prêts à découper une ouverture. À l'aide d'un cutter et d'une règle en métal, marquez soigneusement le couvercle du boîtier et découpez l'ouverture.

Une fois poncé et limé pour façonner soigneusement le couvercle tout en veillant à ce que tous les composants, les cartes, le câblage et l'écran soient maintenus en place avec des entretoises et de la colle chaude.

7. Construire un pare-soleil

J'ai trouvé une vieille enceinte noire que j'ai pu découper en forme et utiliser comme pare-soleil comme le montrent les photos ci-dessus. Collez-le sur le panneau avant en utilisant de l'époxy en deux parties pendant 5 minutes.

Étape 6: Fixez la poignée et le boîtier à la tête du détecteur

Maintenant que l'électronique et la tête du détecteur sont construites, il ne reste plus qu'à terminer le montage de l'unité en toute sécurité.

1. Attachez la tête à la poignée

Modifiez l'articulation de la poignée pour vous permettre de l'attacher à la tête à l'aide de deux vis. Idéalement, vous voulez minimiser la quantité de métal près des bobines, utilisez donc de petites vis à bois et beaucoup de colle époxy en 2 parties de 5 minutes pour fixer à la tête. Voir photos ci-dessus.

2. Câblage de la tête à lacets

À l'aide d'attaches de câble, attachez soigneusement le câblage en ajoutant une attache de câble tous les 10 cm le long du câblage blindé. Assurez-vous de trouver la meilleure position pour le boîtier afin qu'il soit facile de voir l'écran, d'atteindre les commandes et de brancher des écouteurs/prises.

3. Fixez l'électronique à la poignée

Construisez un bloc de montage à 45 degrés en MDF pour vous permettre de fixer le boîtier à un angle qui signifie que lorsque vous balayez le détecteur sur le sol, vous pouvez facilement voir l'écran TFT. Voir l'image ci-dessus.

Fixez le boîtier électronique à la poignée avec des attaches de câble passant à travers le bloc de montage et dans le boîtier à travers les trous de montage précédemment percés.

4. Terminez la tête du détecteur

Les bobines de la tête de détection doivent être fixées sans mouvement dans le câblage, c'est donc le bon moment pour utiliser de la colle chaude pour bien fixer toutes les bobines en place.

La tête du détecteur doit également être étanche, il est donc important de vaporiser le MDF avec un scellant transparent (assurez-vous que le scellant ne contient pas de métal pour des raisons évidentes).

Percez des trous de 5 mm au centre de chaque bobine et passez un tube en plastique de 5 mm x 30 mm pour vous permettre d'enfoncer des brochettes en bois dans le sol en dessous une fois que vous avez pointé une cible. Utilisez un pistolet à colle chaude pour verrouiller en position.

J'ai ensuite recouvert le haut de la tête avec une plaque en plastique et le bas avec une couverture de livre en plastique épais tout en finissant le bord avec un tube de conduit électrique flexible coupé et collé à chaud en place.

Étape 7: Assemblage final et test

1. Charge

Placez un chargeur de téléphone portable standard dans le port Micro USB et assurez-vous que l'appareil est correctement chargé.

2. Télécharger le code

Utilisez l'IDE Arduino pour télécharger le code joint.

3. Bouton Muet

L'unité est mise en sourdine par défaut à la mise sous tension. Ceci est indiqué par un bouton Muet rouge en bas à gauche de l'écran. Pour activer le son, appuyez sur ce bouton et le bouton doit devenir vert pour indiquer que le son est activé.

Lorsqu'ils sont désactivés, le buzzer interne et la prise téléphonique audio externe produisent un son.

4. Étalonnage

L'étalonnage renvoie la trace au bas de l'écran sous les lignes de seuil. Lors de la première mise sous tension, l'appareil s'étalonne automatiquement. L'unité est remarquablement stable, mais s'il est nécessaire de recalibrer, cela peut être fait en appuyant sur le bouton de calibrage sur l'écran qui se recalibrera en moins d'une seconde.

5. Seuils

Si le signal sur n'importe quelle trace dépasse la ligne de seuil (la ligne pointillée sur l'écran) et que le bouton Mute est désactivé, un signal audio sera produit.

Ces seuils peuvent être ajustés vers le haut et vers le bas en touchant l'écran au-dessus ou au-dessous de chaque ligne de trace.

6. Ajustement de PW et DLY

La durée de l'impulsion à la bobine et le délai entre les impulsions peuvent être ajustés via l'écran tactile. Ceci est vraiment en place pour expérimenter afin que divers environnements et trésors puissent être testés pour de meilleurs résultats.

7. Types d'affichage

Il existe 4 types d'affichage différents

Option d'affichage 1: Position de la cible sous la tête du détecteur Mon intention était d'utiliser les 4 bobines pour trianguler la position de la cible sous la tête du détecteur. La nature non linéaire des bobines de recherche a rendu cela difficile, mais le-g.webp

Option d'affichage 2: Afficher la trace du signal pour chaque bobine de recherche Cela vous permet de suivre où se trouve l'objet cible sous la tête en traçant une trace de force de signal indépendante sur l'écran pour chaque bobine de recherche. Ceci est utile pour déterminer si vous avez deux cibles rapprochées sous la tête du détecteur et la force relative.

Option d'affichage 3: Identique à l'option 2, cependant, avec une ligne plus épaisse le rend plus facile à voir.

Affichage Option 4: Identique à l'option 2, cependant, dessine plus de 5 écrans avant de supprimer la trace. Bon pour capturer les signaux faibles.

Je teste sur le terrain au cours des prochaines semaines et je publierai donc toutes les découvertes de trésors.

Maintenant, amusez-vous et trouvez un trésor !!

Étape 8: Épilogue: Variations de bobines

Il y a eu beaucoup de bonnes questions et suggestions intéressantes sur les configurations de bobines. Dans le développement de cette instructable, il y a eu de nombreuses expériences avec diverses configurations de bobines qui méritent d'être mentionnées.

Les images ci-dessus montrent certaines des bobines que j'ai essayées avant de choisir la conception actuelle. Si vous avez d'autres questions, envoyez-moi un message.

A vous d'expérimenter davantage !

Premier Prix du Défi de l'Invention 2017

Premier prix du concours Explore Science 2017