Металлоискатели, или металлодетекторы, применяют для бесконтактного поиска металлов и сделанных из них предметов. Такие устройства используют военные, сотрудники различных служб безопасности, археологи для нахождения металлических артефактов, востребованы они и среди любителей искать предметы старины. Обычно металлодетекторы довольно дороги, но современные технологии и доступные микроконтроллеры позволяют самостоятельно сделать не уступающий фабричным образцам аналог. Далее мы рассмотрим примеры сборки металлоискателя на одноплатном контроллере Ардуино.
Как устроен металлодетектор
Металлоискатель использует в своей работе метод индуктивного зондирования. Основная рабочая часть прибора – катушка индуктивности. Наличие металла под зондом детектора меняет индуктивность, которая замеряется логикой контроллера и передается пользователю через интерфейсное устройство в виде сигналов (принцип работы будет подробнее рассмотрен ниже). Таким устройством обычно служит динамик или наушники, но могут применяться и другие способы оповещения:
- светодиоды;
- сообщения на смартфон;
- вывод визуальных кодов на встроенный экран, и так далее.
Любой металлоискатель состоит из трех основных блоков:
- катушка (или несколько). Они играют роль обнаруживающих металл передающих или принимающих антенн;
- блок управления;
- устройство вывода сигнала.
Отметим, что речь идет о простом импульсном или индукционном детекторе. Дорогие промышленные и специализированные образцы могут содержать иную аппаратную «начинку».
В блоке управления расположен генератор сигнала и центральная схема — контроллер. Существует множество схем металлоискателей под разные виды плат. Распространена схема устройства «Пират» на базе двух чипов:
- операционного двухканального усилителя TL072 и его аналога К157УД2 (приемный модуль);
- чипа NE555 (передающий узел системы).
Но в последнее время становятся популярны варианты на Arduino. Причина этого — простота, дешевизна, хорошая изученность семейства Ардуино и мощные программные возможности платформы.
Принцип работы
Проходя через катушку индуктивности, электрический ток генерирует вокруг нее магнитное поле. А колебания значений поля создают уже поле электрическое. По закону Фарадея изменения электрического поля создают разность потенциалов.
Последняя благодаря свойству индуктивности катушки активно препятствует изменениям магнитного поля: свойство не дает нарастать току. Для измерения индуктивности служит системная единица Генри, вычисляемая по формуле:
Где:
- L — значение индуктивности в Генри;
- μο — магнитная проницаемость;
- N — количество витков катушки;
- A — площадь сечения провода;
- L — длина намотанного на катушку провода в метрах.
При наличии металла рядом с катушкой индуктивность меняется:
- немагнитные металлы ее снижают;
- магнитные, наподобие железа — увеличивают.
На этом свойстве основаны селективные металлоискатели, способные по изменению индуктивности определять тип попавшего в поле действие металла. Реализация такой дискриминации требует высокочувствительной катушки с большим числом витков, соответствующего контроллера и прошивки. Поэтому недорогие модели (в том числе DIY) свойство селективности обычно не поддерживают, но встречаются и варианты с ней. У образцов на Ардуино дискриминация встречается редко, хотя существуют схемы так называемых пинпойнтеров — способных различать металлы на небольших расстояниях детекторов.
Уровень индуктивности зависит от сердечника. Бессердечниковые катушки с небольшим количеством витков имеют сравнительно невысокую итоговую чувствительность.
Для получения высоких значений нужны варианты на ферритовом сердечнике и с несколькими десятками (а лучше — сотнями) витков.
Но при создании простого бытового детектора достаточно и катушки первого типа. Ее можно сделать, намотав 30–40 витков на подходящий предмет — например, пустую пластиковую «шайбу» от изоленты.
Простой металлоискатель на базе Arduino
Для постройки понадобятся:
- одноплатный компьютер Arduino Nano;
- зуммер (небольшой динамик-«пищалка»);
- катушка индуктивности — покупная или намотанная самостоятельно;
- конденсатор на 10 нФ;
- резистор на 330 Ом;
- резистор на 1 кОм;
- диод типа 1N4148;
- светодиод;
- макетная плата;
- источник питания на 9 В;
- провода для соединения.
Схема устройства
Готовый металлоискатель на Arduino схематически выглядит так:
Всеми процессами управляет микрокомпьютер Arduino. О нахождении в поле «зрения» металла сигнализирует дополненный светодиодом зуммер, а катушка с конденсатором служат непосредственно для обнаружения. Импульсный диод в схеме нужен для понижения напряжения, а резистор ограничивает ток на контактах Ардуино.
Все элементы монтируются на макетной плате. Вид в сборе:
Схема действует следующим образом:
- на выходе Ардуино мы создаем импульсы прямоугольной формы;
- они поступают на LR фильтр верхних частот;
- с каждым переходом уровня на катушке возникнет быстрый остроконечный импульс. Долгота его пропорциональна значению индуктивности нашей катушки.
Измеряя ширину импульса, можно замерить и саму индуктивность. Но важно учесть, что длина импульсов всего около 0.5 микросекунды, и «поймать» их по отдельности с помощью Arduino затруднительно. Поэтому в систему внедрен конденсатор: он заряжается импульсами до уровня считывания напряжения контроллером через аналоговый контакт A5. На аналогово-цифровом преобразователе из него будет получено цифровое значение. Когда напряжение считано, конденсатор разряжается подачей низкого напряжения на А5 — так называемый «логический нуль» (перед этим программа переводит контакт из режима «ввода» на «вывод».
Цикл занимает примерно 200 мс. Для большей точности его можно повторить его несколько раз и получить среднее значение, с каковым и работать. Зная приближенное значение индуктивности, плата анализирует его и выдает заданные сигналы на диод и динамик.
Прошивка
Поскольку мы делаем импульсный металлоискатель на Ардуино, мало его собрать — нужно еще залить управляющее ПО. В терминологии Arduino оно называется «скетч» и прошивается в плату при помощи входящей в комплект среды разработки.
Пример простого скетча для описанной выше схемы:
https://cloud.mail.ru/public/nq3p/HSXDjD6mS
Здесь:
- инициализируются два контакта контроллера. Первый генерирует идущие на катушку импульсы, второй — читает напряжение с конденсатора;
- также включаются два контакта — они управляют диодом и звуковым зуммером.
При попадании в область детекции катушки зуммер издает звук, а диод часто мигает.
Прибор может быть собран в любом удобном корпусе, покупном или самодельном. В самом простом случае его можно смонтировать даже на селфи-палке.
Более сложная схема с шестью катушками
Для лучших результатов можно использовать несколько катушек и плату Arduino Nano.
Понадобятся:
- контроллер Ардуино;
- 9-вольтовый источник питания;
- счетверенный компаратор LM339 — 2 шт.;
- макетная плата Veroboard 50 на 80 мм;
- резисторы на 1 кОм — 5 шт.;
- резисторы на 100 Ом — 5 шт.;
- диод сигнальный IN4148 — 5 шт.;
- конденсатор на 0.1 мкФ — 5 шт.;
- конденсатор керамический на 330 пФ — 5 шт.;
- резистор на 10К — 1 шт.;
- светодиодная лента с резистором на 150 Ом, под напряжение 3 В — для визуальной индикации.
Проводником здесь служит медный провод сечением 0.26 мм и 25 метров в длину. Также нужны 3 мяча для пинг-понга, лист пластика, 6-мм МДФ 22 на 23 см для основы катушек (два листа), двухкомпонентный эпоксидный клей и экранированный кабель сечением 2–3 мм и длиной 30 см. Под рукоять можно взять пластиковую ручку швабры с гибким шарниром или другую похожую конструкцию.
Подготовка
Сперва создадим на картоне шаблон, нарисовав на нем круг радиусом 40 мм и разделив его на 8 одинаковых сегментов. Должна получиться шестиугольная форма. С ее помощью рисуется контур на листе бумаги. Всего должно получиться пять форм, которые следует скопировать на доску МДФ, как показано на картинке. Получившееся следует вырезать в двух экземплярах.
Далее в центре каждого шестиугольника одной из форм фрезой сверлятся отверстия под будущие катушки:
И листы скрепляются эпоксидным клеем, в результате чего появляется основа детектора.
Затем на 40-мм цилиндр наматывается 40 витков проволоки. Должно получиться пять таких катушек. Обмотки можно склеить горячим клеем, оставляя в начале и конце по 20 см для соединения с платой.
После этого в каждом узле катушки высверливается 3-мм отверстие для подвода проводов, и намотанные блоки приклеиваются на место.
Важно делать их «заподлицо» с плитой МДФ, чтобы катушки не портились при работе с прибором.
Монтаж
Схема будущего металлоискателя:
Монтажная плата размечается по созданному ранее макету.
Сперва ставится контроллер Arduino и чип LM339. Затем добавляются конденсаторы и резисторы, с ними же ставится экранированный кабель.
Конденсаторы на 0.1 мкФ можно разместить прямо на МДФ для экономии места и провода, там же ставятся диоды.
Готовый вид смонтированной системы:
Когда система собрана, ее остается разместить в корпус. Для верхней и нижней части по шаблону вырезаются пластиковые листы, из пластика же делаются боковины. В крышке сверлятся отверстия для диодов — здесь пригодятся пластиковые шарики, которые разрезаются на половинки и ставятся под отверстиями для рассеивания света. Допустимо обойтись без них — рассеивание нужно лишь для красоты.
Источник питания в данном случае заключен в контейнер на крышке.
Готовый вид конструкции:
Программная часть
Полный текст скетча для Ардуино можно найти по ссылке ниже.
https://cloud.mail.ru/public/vqv5/sWF94wcuh
Заключение
Доступность технологий сегодня позволяет собрать металлодетектор своими руками и без существенных затрат. А применение контроллера Ардуино делает процесс еще проще — плата берет на себя все управление логикой, достаточно лишь создать подходящий скетч или воспользоваться одним из уже готовых примеров.
При этом на Arduino возможно сделать как простой детектор для бытовых нужд, так и мощный прибор с несколькими катушками и дополнительными функциями.
Загрузка...
