Detector de metales Arduino simple: 8 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:40

*** Se ha publicado una nueva versión aún más sencilla: https://www.instructables.com/Minimal-Arduino-Metal-Detector/ ***

La detección de metales es un gran pasatiempo que lo lleva al aire libre, descubre nuevos lugares y tal vez encuentre algo interesante. Consulte las normativas locales sobre cómo actuar en caso de un eventual hallazgo, en particular en el caso de objetos peligrosos, reliquias arqueológicas u objetos de valor económico o emocional significativo.

Las instrucciones para los detectores de metales de bricolaje son muchas, pero esta receta es particular en el sentido de que requiere muy pocos componentes además de un microcontrolador Arduino: un condensador, una resistencia y un diodo comunes forman el núcleo, junto con una bobina de búsqueda que consta de alrededor de 20 bobinados de cable eléctricamente conductor. Luego, se agregan LED, un altavoz y / o auriculares para señalar la presencia de metal cerca de la bobina de búsqueda. Una ventaja adicional es que todo se puede alimentar con una sola alimentación de 5 V, para lo cual una alimentación USB común de 2000 mAh es suficiente y durará muchas horas.

Para interpretar las señales y comprender a qué materiales y formas es sensible el detector, realmente ayuda comprender la física. Como regla general, el detector es sensible a objetos a una distancia o profundidad hasta el radio de la bobina. Es más sensible a los objetos en los que puede fluir una corriente en el plano de la bobina, y la respuesta corresponderá al área del bucle de corriente en ese objeto. Por lo tanto, un disco de metal en el plano de la bobina dará una respuesta mucho más fuerte que el mismo disco de metal perpendicular a la bobina. El peso del objeto no importa mucho. Un trozo delgado de papel de aluminio orientado en el plano de una bobina dará una respuesta mucho más fuerte que un perno de metal pesado.

Paso 1: Principio de funcionamiento

Cuando la electricidad comienza a fluir a través de una bobina, se forma un campo magnético. Según la ley de inducción de Faraday, un campo magnético cambiante dará como resultado un campo eléctrico que se opone al cambio en el campo magnético. Por lo tanto, se desarrollará un voltaje a través de la bobina que se opone al aumento de corriente. Este efecto se llama autoinducción, y la unidad de inductancia es Henry, donde una bobina de 1 Henry desarrolla una diferencia de potencial de 1 V cuando la corriente cambia en 1 amperio por segundo. La inductancia de una bobina con N devanados y un radio R es aproximadamente 5µH x N ^ 2 x R, con R en metros.

La presencia de un objeto metálico cerca de una bobina cambiará su inductancia. Dependiendo del tipo de metal, la inductancia puede aumentar o disminuir. Los metales no magnéticos como el cobre y el aluminio cerca de una bobina reducen la inductancia, porque un campo magnético cambiante inducirá corrientes parásitas en el objeto que reducen la intensidad del campo magnético local. Los materiales ferromagnéticos, como el hierro, cerca de una bobina aumentan su inductancia porque los campos magnéticos inducidos se alinean con el campo magnético externo.

La medición de la inductancia de una bobina puede revelar la presencia de metales cercanos. Con un Arduino, un condensador, un diodo y una resistencia es posible medir la inductancia de una bobina: haciendo que la bobina forme parte de un filtro LR de paso alto y alimentándolo con una onda de bloque, se crearán picos cortos en cada transición. La longitud del pulso de estos picos es proporcional a la inductancia de la bobina. De hecho, el tiempo característico de un filtro LR es tau = L / R. Para una bobina de 20 devanados y un diámetro de 10 cm, L ~ 5µH x 20 ^ 2 x 0.05 = 100µH. Para proteger el Arduino de sobrecorriente, la resistencia mínima es de 200 ohmios. Por tanto, esperamos pulsos con una longitud de aproximadamente 0,5 microsegundos. Estos son difíciles de medir directamente con alta precisión, dado que la frecuencia de reloj del Arduino es de 16MHz.

En su lugar, el pulso ascendente se puede utilizar para cargar un condensador, que luego se puede leer con el convertidor de analógico a digital de Arduino (ADC). La carga esperada de un pulso de 0,5 microsegundos de 25 mA es 12,5 nC, lo que dará 1,25 V en un condensador de 10 nF. La caída de voltaje sobre el diodo reducirá esto. Si el pulso se repite varias veces, la carga del condensador aumenta a ~ 2V. Esto se puede leer con Arduino ADC usando analogRead (). El capacitor se puede descargar rápidamente cambiando el pin de lectura a salida y configurándolo en 0V durante unos microsegundos. La medición completa toma alrededor de 200 microsegundos, 100 para la carga y reinicio del capacitor y 100 para la conversión ADC. La precisión se puede mejorar en gran medida repitiendo la medición y promediando el resultado: tomar el promedio de 256 mediciones toma 50 ms y mejora la precisión en un factor 16. El ADC de 10 bits logra la precisión de un ADC de 14 bits de esta manera.

Esta medida obtenida es muy no lineal con la inductancia de la bobina y, por tanto, no es adecuada para medir el valor absoluto de la inductancia. Sin embargo, para la detección de metales solo nos interesan los pequeños cambios relativos de la inductancia de la bobina debido a la presencia de metales cercanos, por lo que este método es perfectamente adecuado.

La calibración de la medición se puede realizar automáticamente en el software. Si se puede suponer que la mayor parte del tiempo no hay metal cerca de la bobina, una desviación del promedio es una señal de que el metal se ha acercado a la bobina. El uso de diferentes colores o diferentes tonos permite discriminar entre un aumento repentino o una disminución repentina de la inductancia.

Paso 2: componentes necesarios

Núcleo electrónico:

Arduino UNO R3 + prototipo de escudo O Arduino Nano con placa prototipo de 5x7cm

Condensador 10nF

Diodo de señal pequeña, p. Ej. 1N4148

Resistencia de 220 ohmios

Por poder:

Banco de energía USB con cable

Para salida visual:

2 LED de diferente color, p. Ej. azul y verde

2 resistencias de 220Ohm para limitar las corrientes

Para salida de sonido:

Zumbador pasivo

Microinterruptor para deshabilitar el sonido

Para salida de auriculares:

Conector de auriculares

Resistencia de 1kOhmio

Auriculares

Para conectar / desconectar fácilmente la bobina de búsqueda:

Terminal de tornillo de 2 pines

Para la bobina de búsqueda:

~ 5 metros de cable eléctrico delgado

Estructura para sujetar la bobina. Debe ser rígido pero no necesita ser circular.

Para la estructura:

Palo de 1 metro, por ejemplo, palo de madera, plástico o selfie.

Paso 3: la bobina de búsqueda

Para la bobina de búsqueda, enrolle ~ 4 m de cable trenzado alrededor de un cilindro de cartón con 9 cm de diámetro, lo que resultó en alrededor de 18 vueltas. El tipo de cable es irrelevante, siempre que la resistencia óhmica sea al menos diez veces menor que el valor de R en el filtro RL, así que asegúrese de mantenerse por debajo de 20 ohmios. Medí 1 ohmio, así que es seguro. ¡Simplemente tomar un rollo de cable de conexión de 10 m a medio terminar también funciona!

Paso 4: una versión de prototipo

Dada la pequeña cantidad de componentes externos, es perfectamente posible colocar los circuitos en la pequeña placa de un prototipo de escudo. Sin embargo, el resultado final es bastante voluminoso y poco robusto. Es mejor usar un Arduino nano y soldarlo con los componentes adicionales en una placa prototipo de 5x7 cm (ver el siguiente paso)

Solo se utilizan 2 pines Arduino para la detección de metales real, uno para proporcionar los pulsos al filtro LR y otro para leer el voltaje en el condensador. La pulsación se puede realizar desde cualquier pin de salida, pero la lectura debe realizarse con uno de los pines analógicos A0-A5. Se utilizan 3 pines más para 2 LED y para la salida de sonido.

Aquí está la receta:

1. En la placa de prueba, conecte la resistencia de 220 ohmios, el diodo y el condensador de 10 nF en serie, con el terminal negativo del diodo (la línea negra) hacia el condensador.
2. Conecte A0 a la resistencia (el extremo no está conectado al diodo)
3. Conecte A1 donde el punto de cruce del diodo y el condensador
4. Conecte el terminal no conectado del condensador a tierra
5. Conecte un extremo de la bobina al punto de cruce del diodo resistor
6. Conecte el otro extremo de la bobina a tierra
7. Conecte un LED con su terminal positivo al pin D12 y su terminal negativo a través de una resistencia de 220 ohmios a tierra
8. Conecte el otro LED con su terminal positivo al pin D11 y su terminal negativo a través de una resistencia de 220Ohm a tierra
9. Opcionalmente, conecte un auricular o un altavoz con zumbador pasivo entre el pin 10 y tierra. Se puede agregar un condensador o una resistencia en serie para reducir el volumen

¡Eso es todo!

Paso 5: una versión soldada

Para sacar el detector de metales al exterior, será necesario soldarlo. Una placa prototipo común de 7x5 cm se adapta cómodamente a un Arduino nano y todos los componentes necesarios. Utilice los mismos esquemas que en el paso anterior. Encontré útil agregar un interruptor en serie con el timbre para apagar el sonido cuando no sea necesario. Un terminal de tornillo permite probar diferentes bobinas sin tener que soldar. Todo se alimenta a través de los 5V suministrados al puerto (mini o micro-USB) del Arduino Nano.

Paso 6: el software

El boceto de Arduino utilizado se adjunta aquí. Sube y ejecútalo. Usé Arduino 1.6.12 IDE. Se recomienda ejecutarlo con debug = true al principio, para ajustar el número de pulsos por medición. Lo mejor es tener una lectura de ADC entre 200 y 300. Aumente o disminuya el número de pulsos en caso de que su bobina dé lecturas drásticamente diferentes.

El boceto realiza una especie de autocalibración. Es suficiente dejar la bobina en silencio lejos de los metales para que se quede en silencio. Se seguirán desviaciones lentas en la inductancia, pero los grandes cambios repentinos no afectarán el promedio a largo plazo.

Paso 7: montarlo en un palo

Como no querrá hacer sus búsquedas del tesoro arrastrándose por el piso, la tabla, la bobina y la batería deben montarse en el extremo de un palo. Un selfie-stick es ideal para esto, ya que es liviano, plegable y ajustable. Mi banco de energía de 5000 mAh encajaba en el palo para selfies. Luego, la placa se puede unir con bridas o elásticos y la bobina puede ser similar a la batería o al palo.

Paso 8: Cómo usarlo

Para establecer la referencia, es suficiente dejar la bobina a ~ 5 segundos de distancia de los metales. Luego, cuando la bobina se acerca a un metal, el LED verde o azul comenzará a parpadear y se producirán pitidos en el zumbador y / o auriculares. Los destellos azules y los pitidos de tono bajo indican la presencia de metales no ferromagnéticos. Los destellos verdes y los pitidos agudos indican la presencia de metales ferromagnéticos. Tenga en cuenta que cuando la bobina se mantiene durante más de 5 segundos cerca del metal, tomará esa lectura como referencia y comenzará a emitir un pitido cuando se retire el detector del metal. Después de unos segundos de pitidos en el aire, se volverá a silenciar. La frecuencia de los destellos y los pitidos indican la fuerza de la señal. ¡Feliz cacería!