Detector de metales ecológico - Arduino: 8 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:44

La detección de metales es muy divertida. Uno de los desafíos es poder reducir el lugar exacto para excavar para minimizar el tamaño del agujero que queda.

Este detector de metales único tiene cuatro bobinas de búsqueda, una pantalla táctil a color para identificar y señalar la ubicación de su hallazgo.

Incorpora calibración automática, un paquete de energía recargable USB, con cuatro modos de pantalla diferentes, ajuste de frecuencia y ancho de pulso que le permite personalizar la forma de búsqueda.

Una vez que haya identificado el tesoro, un solo agujero centrado sobre cada bobina le permite usar un pincho de madera para empujar en la tierra y comenzar a cavar un pequeño tapón del suelo para reducir el daño al medio ambiente.

Cada bobina puede detectar monedas y anillos a una profundidad de 7 a 10 cm, por lo que es ideal para buscar monedas y anillos perdidos en parques y playas.

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Un gran agradecimiento: ¡si presionó el botón de voto en la esquina superior derecha para los concursos "Desafío de invención" y "Explore la ciencia"!

muchas gracias, TechKiwi

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Paso 1: La ciencia detrás de la detección de metales

Diseño de detección de metales

Existen múltiples variaciones de diseños de detectores de metales. Este tipo particular de detector de metales es un detector de inducción de pulso que utiliza bobinas de transmisión y recepción separadas.

El Arduino produce un pulso que se aplica a la bobina de transmisión durante un período de tiempo muy corto (4uS) a través de un transistor. Esta corriente del pulso hace que se forme un campo magnético repentino alrededor de la bobina, el campo que se expande y colapsa induce un voltaje en la bobina receptora. Esta señal recibida es amplificada por el transistor receptor y luego convertida en un pulso digital limpio por un Comparador de Voltaje y, a su vez, muestreada por un pin de Entrada Digital en el Arduino. El Arduino está programado para medir el ancho de pulso del pulso recibido.

En este diseño, el ancho de pulso recibido está determinado por la inductancia de la bobina de recepción y un condensador. Sin objetos en el rango, el ancho de pulso de línea de base mide aproximadamente 5000 uS. Cuando los objetos metálicos extraños entran en el rango del campo magnético en expansión y colapso, esto hace que parte de la energía sea inducida en el objeto en forma de corrientes parásitas. (Inducción electromagnética)

El resultado neto es que el ancho de pulso recibido se reduce, esta diferencia en el ancho de pulso es medida por el Arduino y mostrada en una pantalla TFT en varios formatos.

Opción de visualización 1: Posición del objetivo debajo del cabezal del detector

Mi intención era usar las 4 bobinas para triangular la posición del objetivo debajo del cabezal del detector. La naturaleza no lineal de las bobinas de búsqueda hizo que esto fuera un desafío, sin embargo, el-g.webp

Opción de visualización 2: Mostrar seguimiento de señal para cada bobina de búsqueda

Esto le permite rastrear dónde está el objeto de destino debajo de la cabeza dibujando un rastro de intensidad de señal independiente en la pantalla para cada bobina de búsqueda. Esto es útil para determinar si tiene dos objetivos juntos debajo del cabezal del detector y la fuerza relativa.

Usos practicos

Este enfoque le permite usar la primera vista para identificar un objetivo y la segunda vista para apuntarlo a unos pocos milímetros como se muestra en el videoclip.

Paso 2: Reúna los materiales

Lista de materiales

1. Arduino Mega 2560 (los artículos 1, 2 y 3 se pueden comprar como un solo pedido)
2. Pantalla táctil LCD TFT de 3,2 "(he incluido código para 3 variaciones compatibles)
3. TFT Mega Shield de 3,2 pulgadas
4. Transistor BC548 x 8
5. Condensador Greencap de 0.047 uf x 4 (50v)
6. Condensador Greencap de 0.1uf x 1 (50v)
7. Resistencia de 1k x 4
8. 47 resistencias x 4
9. Resistencia de 10k x 4
10. Resistencia de 1 M x 4
11. Resistencia de 2,2 k x 4
12. Mini interruptor basculante SPST
13. Comparador diferencial cuádruple de circuito integrado LM339
14. Diodos de señal IN4148 x 4
15. Carrete de alambre de cobre de 0,3 mm de diámetro x 2
16. Cable blindado de dos núcleos - 4.0 mm de diámetro - 5 m de longitud
17. Powerbank recargable USB 4400mHa
18. Zumbador piezoeléctrico
19. Tablero Vero 80x100mm
20. Caja de plástico mínimo 100 mm de altura, 55 mm de profundidad, 160 mm de ancho
21. Sujetacables
22. Madera MDF de 6-8 mm de espesor - piezas cuadradas de 23 cm x 23 cm x 2
23. Cable de extensión micro USB 10cm
24. Cable de enchufe USB-A adecuado para cortar hasta 10 cm de longitud
25. Punto de entrada de audio para auriculares: estéreo
26. Varios cabezales detectores de espaciadores de madera y plástico
27. Mango de escoba Speed Mop con articulación ajustable (solo movimiento de un eje - ver fotos)
28. Una hoja de papel A3
29. Barra de pegamento
30. Cortador de sierra caladora eléctrica
31. Cartón de hoja A4 de 3 mm de grosor para crear un formador de bobinas para bobinas TX y Rx
32. Cinta adhesiva
33. Pistola de silicona
34. Pegamento eléctrico
35. 10 pines de encabezado Arduino adicionales
36. Pines de terminal de PCB x 20
37. Pegamento epoxi de dos partes: tiempo de secado de 5 minutos
38. Cutter
39. Longitud del tubo de plástico de 5 mm 30 mm x 4 (utilicé tubos del sistema de riego del jardín de la ferretería)
40. Sellador impermeable de MDF (asegúrese de que no contenga metal)
41. Conducto eléctrico flexible de 60 cm - gris - 25 mm de diámetro

Paso 3: construya el cabezal detector

1. Construcción del conjunto del cabezal

Nota: Elegí construir una disposición de montaje bastante compleja para las 8 bobinas de alambre de cobre que se utilizan en el cabezal del detector. Esto implicó cortar una serie de agujeros en dos capas de MDF como se puede ver en las fotografías de arriba. Ahora que he completado la unidad, recomiendo usar un solo círculo recortado de 23 cm de diámetro y unir las bobinas a esta única capa de MDF con pegamento caliente. Esto reduce el tiempo de construcción y también significa que la cabeza es más ligera.

Comience imprimiendo la plantilla proporcionada en una hoja de papel A3 y luego péguela en el tablero de MDF para proporcionarle una guía para colocar las bobinas.

Con una sierra de calar eléctrica, corte con cuidado un círculo de 23 cm de diámetro del MDF.

2. Bobinado de las bobinas

Utilice el cartón para crear dos cilindros de 10 cm de longitud unidos con cinta adhesiva. El diámetro de las bobinas de transmisión debe ser de 7 cm y las bobinas de recepción de 4 cm.

Coloque la bobina de alambre de cobre en una punta para que pueda girar libremente. Fije el comienzo del alambre de cobre en el cilindro de cartón con cinta adhesiva. Enrolle 40 vueltas firmemente en el cilindro y luego use cinta adhesiva para atar el extremo.

Use Hot Glue para sujetar las bobinas juntas en al menos 8 puntos alrededor de la circunferencia de las bobinas. Cuando se enfríe, use los dedos para quitar la bobina y luego fíjela a la plantilla del cabezal del detector de metales con pegamento caliente. Taladre dos orificios a través del MDF junto a la bobina y pase los extremos de la bobina a través del lado superior del cabezal detector de metales.

Repita este ejercicio para construir y montar 4 bobinas de recepción y 4 bobinas de transmisión. Cuando termine, debe haber 8 pares de cables que sobresalgan de la parte superior del cabezal del detector de metales.

3. Conecte los cables blindados

Corte la longitud de 5 m de cable de núcleo doble blindado en 8 longitudes. Pele y suelde el núcleo gemelo a cada bobina de transmisión y recepción dejando el blindaje desconectado en el extremo del cable del cabezal del detector.

Pruebe las bobinas y las conexiones de los cables en el otro extremo de cada cable con un ohmímetro. Cada bobina registrará unos pocos ohmios y debe ser consistente para todas las bobinas de recepción y transmisión, respectivamente.

Una vez probado, use la pistola de pegamento caliente para sujetar los 8 cables en el centro del cabezal detector listo para sujetar el mango y terminar el cabezal.

Mi consejo es pelar y estañar cada uno de los núcleos del cable blindado en el otro extremo como preparación para las pruebas futuras. Conecte un cable de tierra a cada blindaje de cable, ya que se conectará a tierra en la unidad principal. Esto detiene la interferencia entre cada cable.

Use un multímetro para identificar qué bobina es cuál y coloque etiquetas adhesivas para que puedan identificarse fácilmente para un ensamblaje futuro.

Paso 4: Ensamble el circuito para probar

1. Ensamblaje de la placa de pruebas

Mi recomendación es usar una placa de pruebas para configurar y probar el circuito antes de comprometerse con la placa Vero y un gabinete. Esto le da la oportunidad de adaptar los valores de los componentes o modificar el código si es necesario por motivos de sensibilidad y estabilidad. Las bobinas de transmisión y recepción deben estar conectadas para que se enrollen en la misma dirección y esto es más fácil de probar en una placa de pruebas antes de etiquetar los cables para una conexión futura a la placa Vero.

Ensamble los componentes según el diagrama del circuito y conecte las bobinas del cabezal del detector con un cable de conexión.

Las conexiones al Arduino se realizan mejor utilizando un cable de conexión de placa de pan soldado al protector TFT. Para las conexiones de pines digitales y analógicos, agregué un pin de encabezado que me permitió evitar soldar directamente a la placa Arduino. (Ver foto)

2. Bibliotecas IDE

Estos deben descargarse y agregarse al IDE (entorno de desarrollo integrado) que se ejecuta en su computadora, que se utiliza para escribir y cargar el código de la computadora en la placa física. UTFT.hy URtouch.h ubicados en el archivo zip a continuación

El crédito para UTFT.hy URtouch.h es para Rinky-Dink Electronics. He incluido estos archivos zip ya que parece que el sitio web de origen no funciona.

3. Prueba

He incluido un programa de prueba para manejar la configuración inicial para que pueda lidiar con los problemas de orientación de la bobina. Cargue el código de prueba en el IDE de Arduino y cárguelo en Mega. Si todo está funcionando, debería ver la pantalla de prueba como se muestra arriba. Cada bobina debe producir un valor de estado estable de aproximadamente 4600uS en cada cuadrante. Si este no es el caso, invierta la polaridad de los devanados en la bobina TX o RX y pruebe nuevamente. Si esto no funciona, le sugiero que revise cada bobina individualmente y vuelva a trabajar en el circuito para solucionar el problema. Si ya tiene 2 o 3 funcionando, compárelos con las bobinas / circuitos que no funcionan.

Nota: Más pruebas han revelado que los condensadores de 0.047 uf en el circuito RX influyen sobre toda la sensibilidad. Mi consejo es que una vez que tenga el circuito funcionando en una placa de prueba, intente aumentar este valor y probar con una moneda, ya que descubrí que esto puede mejorar la sensibilidad.

No es obligatorio, sin embargo, si tiene un osciloscopio, también puede observar el pulso TX y el pulso RX para asegurarse de que las bobinas estén conectadas correctamente. Vea los comentarios en las imágenes para confirmarlo.

NOTA: He incluido un documento PDF en esta sección con trazos de osciloscopio para cada etapa del circuito para ayudar a solucionar cualquier problema

Paso 5: Construya el circuito y el gabinete

Una vez que la unidad haya sido probada satisfactoriamente, puede dar el siguiente paso y construir la placa de circuito y la carcasa.

1. Prepare el recinto

Diseñe los componentes principales y colóquelos en su caso para determinar cómo encajará todo. Corte la placa Vero para acomodar los componentes, sin embargo, asegúrese de que pueda encajar en la parte inferior del gabinete. Tenga cuidado con el paquete de energía recargable, ya que pueden ser bastante voluminosos.

Taladre orificios para acomodar la entrada posterior de los cables de la cabeza, el interruptor de encendido, el puerto USB externo, el puerto de programación Arduino y el conector de audio para auriculares estéreo.

Además de este taladro 4 orificios de montaje en el centro de la parte frontal de la caja donde estará el mango, estos orificios deben poder pasar una brida a través de ellos en pasos futuros.

2. Ensamble el tablero Vero

Siga el diagrama del circuito y la imagen de arriba para colocar los componentes en la placa Vero.

Usé pines de terminales de PCB para permitir una fácil conexión de los cables de la bobina del cabezal a la PCB. Monte el zumbador piezoeléctrico en la PCB junto con el circuito integrado y los transistores. Traté de mantener los componentes TX, RX alineados de izquierda a derecha y me aseguré de que todas las conexiones a las bobinas externas estuvieran en un extremo del Vero Boar. (ver el diseño en las fotos)

3. Conecte los cables en espiral

Construya un soporte de cable para los cables blindados entrantes de MDF como se muestra en las imágenes. Este consta de 8 orificios perforados en MDF para permitir que los cables queden alineados con los pines terminales de la PCB. A medida que conecta cada bobina, vale la pena probar el circuito progresivamente para garantizar la orientación correcta de la bobina.

4. Pruebe la unidad

Conecte el paquete de alimentación USB, el interruptor de encendido, el conector de audio para teléfono y coloque todo el cableado y los cables para asegurar un ajuste perfecto en la carcasa. Use pegamento caliente para mantener los artículos en su lugar y asegurarse de que no haya nada que pueda traquetear. Según el paso anterior, cargue el código de prueba y asegúrese de que todas las bobinas estén funcionando como se esperaba.

Pruebe que el USB Power Pack se esté cargando correctamente cuando se conecta externamente. Asegúrese de que haya suficiente espacio para conectar el cable Arduino IDE.

5. Recorta el apetito de la pantalla

Coloque la pantalla en el centro de la caja y marque los bordes de la pantalla LCD en el panel frontal listos para cortar una abertura. Con un cuchillo para manualidades y una regla de metal, marque con cuidado la tapa de la caja y corte la abertura.

Una vez lijada y limada para dar forma, coloque la tapa con cuidado mientras se asegura de que todos los componentes, tableros, cableado y pantalla se mantengan en su lugar con espaciadores y pegamento caliente.

7. Construye una visera solar

Encontré un viejo recinto negro que pude cortar para darle forma y usarlo como visera solar como se muestra en las fotos de arriba. Pegue esto en el panel frontal usando epoxi de dos partes durante 5 minutos.

Paso 6: coloque la manija y la carcasa en el cabezal del detector

Ahora que los componentes electrónicos y el cabezal del detector están construidos, todo lo que queda es completar el montaje de la unidad de forma segura.

1. Coloque la cabeza en el mango

Modifique la junta del mango para que pueda fijarla a la cabeza con dos tornillos. Idealmente, desea minimizar la cantidad de metal cerca de las bobinas, así que use tornillos pequeños para madera y mucho pegamento epoxi de 2 partes de 5 minutos para sujetarlo a la cabeza. Vea las fotos de arriba.

2. Cableado de cabeza con cordones

Utilice bridas para atar con cuidado el cableado agregando una brida cada 10 cm a lo largo del cableado blindado. Asegúrese de encontrar la mejor posición para el estuche para que sea fácil ver la pantalla, alcanzar los controles y conectar los auriculares / enchufes.

3. Conecte los componentes electrónicos al mango

Construya un bloque de montaje de 45 grados de MDF para que pueda colocar la carcasa en un ángulo que signifique que cuando esté barriendo el detector por el suelo pueda ver la pantalla TFT fácilmente. Vea la imagen de arriba.

Fije la caja de la electrónica al asa con las bridas para cables que atraviesan el bloque de montaje y se introduzcan en la caja a través de los orificios de montaje previamente perforados.

4. Termine la cabeza del detector

Las bobinas del cabezal del detector deben fijarse sin movimiento en el cableado, por lo que este es un buen momento para usar pegamento caliente para sujetar todas las bobinas en su lugar completamente.

El cabezal detector también debe ser resistente al agua, por lo que es importante rociar el MDF con un sellador transparente (asegúrese de que el sellador no contenga metal por razones obvias).

Taladre agujeros de 5 mm en el centro de cada bobina y pase un tubo de plástico de 5 mm x 30 mm a través para que pueda empujar los pinchos de madera en el suelo debajo una vez que haya apuntado un objetivo. Use una pistola de pegamento caliente para bloquear en su posición.

Luego cubrí la parte superior de la cabeza con una placa de plástico y la parte inferior con una cubierta de plástico gruesa para libros mientras terminaba el borde con un tubo de conducto eléctrico flexible cortado y pegado en caliente en su lugar.

Paso 7: Ensamblaje final y prueba

1. Carga

Coloque un cargador de teléfono celular estándar en el puerto Micro USB y asegúrese de que la unidad esté cargada adecuadamente.

2. Cargar código

Utilice el IDE de Arduino para cargar el código adjunto.

3. Botón de silencio

La unidad se silencia de forma predeterminada al encenderse. Esto se indica con un botón de silencio rojo en la parte inferior izquierda de la pantalla. Para habilitar el sonido, presione este botón y el botón debería ponerse verde, lo que indica que el sonido está habilitado.

Cuando no está silenciado, el zumbador interno y el conector telefónico de audio externo producirán sonido.

4. Calibración

La calibración devuelve la traza a la parte inferior de la pantalla debajo de las líneas de umbral. Cuando se enciende por primera vez, la unidad se calibrará automáticamente. La unidad es notablemente estable, sin embargo, si es necesario volver a calibrarlo, puede hacerlo tocando el botón de calibración en la pantalla, que se recalibrará en menos de un segundo.

5 umbrales

Si la señal en cualquier traza excede la línea de umbral (la línea de puntos en la pantalla) y el botón de silencio está apagado, se producirá una señal de audio.

Estos umbrales se pueden ajustar hacia arriba y hacia abajo tocando la pantalla por encima o por debajo de cada línea de trazo.

6. Ajuste de PW y DLY

La duración del pulso a la bobina y el retardo entre pulsos se puede ajustar a través de la pantalla táctil. Esto realmente está en el lugar para experimentar, de modo que se puedan probar varios entornos y tesoros para obtener los mejores resultados.

7. Tipos de visualización

Hay 4 tipos de pantallas diferentes

Opción de visualización 1: Posición del objetivo debajo del cabezal del detector Mi intención era utilizar las 4 bobinas para triangular la posición del objetivo debajo del cabezal del detector. La naturaleza no lineal de las bobinas de búsqueda hizo que esto fuera un desafío, sin embargo, el-g.webp

Opción de visualización 2: Mostrar seguimiento de señal para cada bobina de búsqueda Esto le permite rastrear dónde está el objeto de destino debajo de la cabeza dibujando un seguimiento de intensidad de señal independiente en la pantalla para cada bobina de búsqueda. Esto es útil para determinar si tiene dos objetivos juntos debajo del cabezal del detector y la fuerza relativa.

Opción de pantalla 3: Igual que la opción 2, sin embargo, con una línea más gruesa hace que sea más fácil de ver.

Opción de visualización 4: Igual que la opción 2, sin embargo, dibuja más de 5 pantallas antes de eliminar el rastro. Bueno para capturar señales débiles.

Estoy realizando pruebas de campo durante las próximas semanas, por lo que publicaré los hallazgos del tesoro.

¡Ahora diviértete y encuentra un tesoro!

Paso 8: Epílogo: Variaciones de la bobina

Ha habido muchas preguntas y sugerencias buenas e interesantes sobre las configuraciones de las bobinas. En el desarrollo de este instructable, hubo numerosos experimentos con varias configuraciones de bobinas que vale la pena mencionar.

Las imágenes de arriba muestran algunas de las bobinas que probé antes de decidirme por el diseño actual. Si tiene más preguntas, envíeme un mensaje.

¡Depende de usted experimentar más!

Primer premio en el Invention Challenge 2017

Primer premio en el concurso Explore Science 2017