Detektor Logam Arduino Sederhana: 8 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:53

*** Versi baru telah diposting yang bahkan lebih sederhana: https://www.instructables.com/Minimal-Arduino-Metal-Detector/ ***

Deteksi logam adalah masa lalu yang luar biasa yang membuat Anda keluar, menemukan tempat baru, dan mungkin menemukan sesuatu yang menarik. Periksa peraturan setempat Anda tentang cara bertindak jika akhirnya ditemukan, khususnya dalam kasus benda berbahaya, peninggalan arkeologi, atau benda yang memiliki nilai ekonomi atau emosional yang signifikan.

Petunjuk untuk detektor logam DIY cukup banyak, tetapi resep ini khusus karena hanya memerlukan sedikit komponen selain mikrokontroler Arduino: kapasitor, resistor, dan dioda umum membentuk inti, bersama dengan koil pencarian yang terdiri dari sekitar 20 gulungan kabel penghantar listrik. LED, speaker, dan/atau headphone kemudian ditambahkan untuk menandakan keberadaan logam di dekat koil pencarian. Keuntungan tambahan adalah bahwa semua dapat diaktifkan dari daya 5V tunggal, yang daya USB 2000mAh umum sudah cukup dan akan bertahan berjam-jam.

Untuk menafsirkan sinyal dan untuk memahami bahan dan bentuk apa yang peka terhadap detektor, sangat membantu untuk memahami fisika. Sebagai aturan praktis, detektor sensitif terhadap objek pada jarak atau kedalaman hingga radius kumparan. Ini paling sensitif terhadap objek di mana arus dapat mengalir di bidang koil, dan responsnya akan sesuai dengan area loop arus di objek itu. Dengan demikian piringan logam pada bidang kumparan akan memberikan respon yang jauh lebih kuat daripada piringan logam yang sama tegak lurus terhadap kumparan. Berat benda tidak terlalu penting. Sepotong tipis aluminium foil yang berorientasi pada bidang kumparan akan memberikan respons yang jauh lebih kuat daripada baut logam berat.

Langkah 1: Prinsip Kerja

Ketika listrik mulai mengalir melalui sebuah kumparan, ia membangun medan magnet. Menurut hukum induksi Faraday, perubahan medan magnet akan menghasilkan medan listrik yang melawan perubahan medan magnet. Dengan demikian, tegangan akan berkembang melintasi koil yang menentang kenaikan arus. Efek ini disebut induktansi diri, dan satuan induktansi adalah Henry, di mana kumparan 1 Henry mengembangkan beda potensial 1V ketika arus berubah sebesar 1 Ampere per detik. Induktansi kumparan dengan N belitan dan jari-jari R kira-kira 5µH x N^2 x R, dengan R dalam meter.

Kehadiran benda logam di dekat kumparan akan mengubah induktansinya. Tergantung pada jenis logam, induktansi dapat meningkat atau menurun. Logam non-magnetik seperti tembaga dan aluminium di dekat kumparan mengurangi induktansi, karena medan magnet yang berubah akan menginduksi arus eddy pada objek yang mengurangi intensitas medan magnet lokal. Bahan feromagnetik, seperti besi, di dekat kumparan meningkatkan induktansinya karena medan magnet induksi sejajar dengan medan magnet luar.

Pengukuran induktansi kumparan dengan demikian dapat mengungkapkan keberadaan logam di dekatnya. Dengan Arduino, kapasitor, dioda dan resistor dimungkinkan untuk mengukur induktansi kumparan: membuat kumparan bagian dari filter LR high-pass dan memberi makan ini dengan gelombang blok, paku pendek akan dibuat di setiap transisi. Panjang pulsa paku ini sebanding dengan induktansi koil. Faktanya, waktu karakteristik filter LR adalah tau=L/R. Untuk kumparan 20 lilitan dan diameter 10 cm, L ~ 5µH x 20^2 x 0,05 = 100µH. Untuk melindungi Arduino dari arus lebih, resistansi minimum adalah 200Ohm. Dengan demikian kami mengharapkan pulsa dengan panjang sekitar 0,5 mikrodetik. Ini sulit diukur secara langsung dengan presisi tinggi, mengingat frekuensi clock Arduino adalah 16MHz.

Sebagai gantinya, pulsa yang naik dapat digunakan untuk mengisi kapasitor, yang kemudian dapat dibaca dengan Arduino analog to digital convert (ADC). Muatan yang diharapkan dari pulsa 0,5 mikrodetik 25mA adalah 12,5nC, yang akan memberikan 1,25V pada kapasitor 10nF. Penurunan tegangan dioda akan mengurangi ini. Jika pulsa diulang beberapa kali, muatan pada kapasitor naik menjadi ~2V. Ini dapat dibaca dengan Arduino ADC menggunakan analogRead(). Kapasitor kemudian dapat dengan cepat dikosongkan dengan mengubah pin pembacaan ke output dan menyetelnya ke 0V selama beberapa mikrodetik. Seluruh pengukuran membutuhkan waktu sekitar 200 mikrodetik, 100 untuk pengisian dan penyetelan ulang kapasitor dan 100 untuk konversi ADC. Presisi dapat sangat ditingkatkan dengan mengulangi pengukuran dan merata-ratakan hasilnya: mengambil rata-rata 256 pengukuran membutuhkan waktu 50 ms dan meningkatkan presisi dengan faktor 16. ADC 10-bit mencapai presisi ADC 14-bit dengan cara ini.

Pengukuran yang diperoleh ini sangat nonlinier dengan induktansi kumparan dan oleh karena itu tidak cocok untuk mengukur nilai absolut dari induktansi. Namun, untuk pendeteksian logam, kami hanya tertarik pada perubahan relatif kecil dari induktansi kumparan karena adanya logam di dekatnya, dan untuk itu metode ini sangat cocok.

Kalibrasi pengukuran dapat dilakukan secara otomatis dalam perangkat lunak. Jika seseorang dapat berasumsi bahwa sebagian besar waktu tidak ada logam di dekat kumparan, penyimpangan dari rata-rata adalah sinyal bahwa logam telah mendekati kumparan. Menggunakan warna yang berbeda atau nada yang berbeda memungkinkan untuk membedakan antara peningkatan mendadak atau penurunan mendadak pada induktansi.

Langkah 2: Komponen yang Diperlukan

inti elektronik:

Arduino UNO R3 + pelindung prototipe ATAU Arduino Nano dengan papan prototipe 5x7cm

kapasitor 10nF

Dioda sinyal kecil, mis. 1N4148

resistor 220 ohm

Untuk daya:

Bank daya USB dengan kabel

Untuk keluaran visual:

2 LED dengan warna berbeda mis. biru dan hijau

2 resistor 220Ohm untuk membatasi arus

Untuk keluaran suara:

Buzzer pasif

Microswitch untuk menonaktifkan suara

Untuk keluaran earphone:

Konektor earphone

resistor 1kOhm

Earphone

Untuk menghubungkan/memutuskan koil pencarian dengan mudah:

Terminal sekrup 2-pin

Untuk koil pencarian:

~5 meter kabel listrik tipis

Struktur untuk menahan koil. Harus kaku tapi tidak perlu melingkar.

Untuk struktur:

Tongkat 1 meter, misalnya kayu, plastik atau tongkat selfie.

Langkah 3: Kumparan Pencarian

Untuk kumparan pencarian, saya melilitkan ~4m kawat terdampar di sekitar silinder karton dengan diameter 9 cm, menghasilkan sekitar 18 gulungan. Jenis kabel tidak relevan, selama resistansi ohmik setidaknya sepuluh kali lebih kecil dari nilai R di filter RL, jadi pastikan untuk tetap di bawah 20 Ohm. Saya mengukur 1 Ohm, jadi aman. Hanya mengambil gulungan kawat hookup 10m setengah jadi juga berfungsi!

Langkah 4: Versi Prototipe

Mengingat sejumlah kecil komponen eksternal, sangat mungkin untuk memasang sirkuit pada papan tempat memotong roti kecil dari pelindung prototipe. Namun, hasil akhirnya agak besar dan tidak terlalu kuat. Lebih baik menggunakan nano Arduino dan menyoldernya dengan komponen tambahan pada papan prototipe 5x7cm, (lihat langkah berikutnya)

Hanya 2 pin Arduino yang digunakan untuk pendeteksian logam yang sebenarnya, satu untuk menyediakan pulsa ke filter LR dan satu untuk membaca tegangan pada kapasitor. Pulsing dapat dilakukan dari pin output apa pun tetapi pembacaan harus dilakukan dengan salah satu pin analog A0-A5. 3 pin lagi digunakan untuk 2 LED dan untuk output suara.

Berikut resepnya:

1. Pada papan tempat memotong roti, sambungkan resistor 220Ohm, dioda dan kapasitor 10nF secara seri, dengan terminal negatif dioda (garis hitam) menuju kapasitor.
2. Hubungkan A0 ke resistor (ujung tidak terhubung ke dioda)
3. Hubungkan A1 ke tempat titik silang dioda dan kapasitor
4. Hubungkan terminal kapasitor yang tidak terhubung ke ground
5. Hubungkan salah satu ujung koil ke titik silang resistor-dioda
6. Hubungkan ujung koil yang lain ke ground
7. Hubungkan satu LED dengan terminal positifnya ke pin D12 dan terminal negatifnya melalui resistor 220Ohm ke ground
8. Hubungkan LED lainnya dengan terminal positifnya ke pin D11 dan terminal negatifnya melalui resistor 220Ohm ke ground
9. Secara opsional, sambungkan headphone atau speaker buzzer pasif antara pin 10 dan ground. Sebuah kapasitor atau resistor dapat ditambahkan secara seri untuk mengurangi volume

Itu saja!

Langkah 5: Versi Solder

Untuk membawa detektor logam ke luar, Anda perlu menyoldernya. Papan prototipe umum berukuran 7x5 cm yang nyaman cocok dengan Arduino nano dan semua komponen yang diperlukan. Gunakan skema yang sama seperti pada langkah sebelumnya. Saya merasa berguna untuk menambahkan sakelar secara seri dengan bel untuk mematikan suara saat tidak diperlukan. Terminal sekrup memungkinkan untuk mencoba kumparan yang berbeda tanpa harus menyolder. Semuanya ditenagai melalui 5V yang dipasok ke port (mini atau micro-USB) Arduino Nano.

Langkah 6: Perangkat Lunak

Sketsa Arduino yang digunakan terlampir di sini. Unggah dan jalankan. Saya menggunakan Arduino 1.6.12 IDE. Disarankan untuk menjalankannya dengan debug=true di awal, untuk menyetel jumlah pulsa per pengukuran. Yang terbaik adalah memiliki pembacaan ADC antara 200 dan 300. Tambah atau kurangi jumlah pulsa jika koil Anda memberikan pembacaan yang sangat berbeda.

Sketsa melakukan semacam kalibrasi diri. Cukup dengan membiarkan koil menjauh dari logam untuk membuatnya tenang. Penyimpangan lambat dalam induktansi akan diikuti, tetapi perubahan besar yang tiba-tiba tidak akan mempengaruhi rata-rata jangka panjang.

Langkah 7: Memasangnya di Tongkat

Karena Anda tidak ingin melakukan perburuan harta karun yang merangkak di atas lantai, tiga papan, koil, dan baterai harus dipasang di ujung tongkat. Tongkat selfie sangat ideal untuk ini, karena ringan, dapat dilipat, dan dapat disesuaikan. Powerbank 5000mAh saya kebetulan muat di tongkat selfie. Papan kemudian dapat dilampirkan dengan pengikat kabel atau elastik dan koilnya juga dapat dipasang ke baterai atau stik.

Langkah 8: Cara Menggunakannya

Untuk menetapkan referensi, cukup dengan meninggalkan koil ~5 detik dari logam. Kemudian, ketika kumparan mendekati logam, LED hijau atau biru akan mulai berkedip dan bunyi bip akan dihasilkan di bel dan/atau headphone. Kilatan biru dan bunyi bip nada rendah menunjukkan adanya logam non-ferromagnetik. Kilatan hijau dan bunyi bip nada tinggi menunjukkan adanya logam feromagnetik. Hati-hati bahwa ketika koil disimpan selama lebih dari 5 detik di dekat logam, itu akan mengambil bacaan itu sebagai referensi, dan mulai berbunyi bip ketika detektor diambil dari logam. Setelah beberapa detik bunyi bip di udara, itu akan menjadi sunyi lagi. Frekuensi kedipan dan bunyi bip menunjukkan kekuatan sinyal. Selamat berburu!