Металлоискатель на Ардуино

В этой статье разберём схему одного из простейших металлоискателей, собранную с  Ардуино. Конечно, по своим характеристикам такой металлоискатель очень далёк от профессиональных моделей, но, как экспериментальная схема для изучения основ Ардуино вполне сгодится.

В основе схемы лежит LC-генератор, собранный на логической микросхеме. Катушка этого генератора является чувствительным элементом: когда вблизи появляется металлический предмет, индуктивность немного меняется, что вызывает изменение частоты генерации. Это изменение и анализируется с помощью «мозгового центра» схемы, собранного на Ардуино.

Некоторые типы металлодетекторов

Есть разные способы детектирования металлов. Например, металлодетектор на принципе срыва генерации разобран здесь. Ну а герой данной статьи родился из другого класса металлодетекторов: на биениях частоты. Принцип их работы основан на том, что сравниваются частоты двух генераторов: опорного и измерительного.

Перед началом работы схема настраивается таким образом, чтобы частоты генераторов совпадали. Когда в поле зрения катушки измерительного генератора появляется металл, его частота «уходит». Из-за этого на нелинейном элементе, на который поступают сигналы обоих генераторов, возникают разностные частоты (биения), которые и сигнализируют о присутствии металла.

По моему опыту, такие металлоискатели довольно капризны. Частоты генераторов могут плавать сами по себе, из-за случайных факторов, что приводит к ложным срабатываниями и необходимости постоянно подстраивать металлоискатель.

Применение Ардуино позволяет запрограммировать более умную и сложную реакцию на изменение частоты.

• Во-первых, становится не нужен опорный генератор.
• Во-вторых, алгоритм обучен не реагировать на плавный уход частоты и самоподстраивается под небольшие изменения.
• В-третьих, можно дифференцировать несколько уровней сигнала.

Таким образом, металлоискатель на принципе биений превратился в металлоискатель на принципе измерения частоты.

Cхема

Измерительный генератор собран на двух элементах 2И-НЕ. Можно использовать микросхему К561ЛА7 или зарубежный аналог CD4011.

Простейший LC-генератор выглядел бы так:

Но в нашей модели использована чуть более сложная схема, ёмкостная трёхточка. По отзывам, она даёт более стабильную частоту генерации. В итоге наш генератор вырабатывает импульсы с частотой примерно 70-100 кГц, которые поступают на цифровой вход 5 Ардуинки.

К аналоговому входу А0 подцеплен делитель напряжения R2-R3, он будет задавать чувствительность. Для индикации сигнала используются выводы 9 и 10, которые через токоограничивающие резисторы R4 и R5 подключены к светодиодам. Питание для генератора берётся с платы Ардуино.

Пара слов про измерительную катушку. Удобно её сделать из провода витой пары, которая повсеместно используется для подключения интернет. Диаметр катушки около 18 см, в ней 6 витков витой пары, это значит 48 витков провода. Главное, аккуратно соединить концы проводочков, чтобы получились последовательные витки и не было короткозамкнутых или оборванных витков.

Для более стабильной работы катушку рекомендуется экранировать, а экран подключить к общему проводу.

Скетч

Теперь обратимся к программе, или, как говорят ардуинщики, к скетчу. Я постарался добавить максимально подробные комментарии, но если останутся вопросы, пожалуйста, задавайте их в комментариях.

// подключаем библиотеку для измерения частоты #include <FreqCount.h> // опорное значение частоты, с которым будем сравнивать текущую частоту unsigned long grnd = 0; // **** задействованные номера входов-выходов // FreqCount.h по умолчанию измеряет частоту на выходе #5, его задавать не нужно // потенциометр установки чувствительности int sensPin = 0; // светодиоды уровень 1,2 int sigLed1 = 9; int sigLed2 = 10; void setup() { // устанавливаем светодиодные пины в режим выходов pinMode(sigLed1, OUTPUT); pinMode(sigLed2, OUTPUT); // запускаем измерение частоты: в течение 100мс считаем импульсы // затем вычисляем частоту FreqCount.begin(100); } void loop() { // замеряем текущее значение частоты // FreqCount.available вернёт истину, если прошло 100 мс и значение готово // иначе просто уходим на следующий цикл, таким образом ждём результата измерения if (FreqCount.available()) { // считываем частоту, тем самым освобождаем буфер // и сразу инициируем следующий 100мс цикл измерения unsigned long count = FreqCount.read(); // если калибровка отсутствует (только что включили прибор) // запоминаем опорное значение частоты и уходим на следующее измерение if(!grnd){ grnd = count; } else { //работаем в штатном режиме // насколько ушла частота от опорной? int delta = count - grnd; // автоподстройка калибровки // добавляем четверть от дельты // делать это нужно до применения abs() grnd += delta / 4; // частота может отклоняться и в плюс, и в минус, // поэтому берём по модулю delta = abs(delta); // какая чувствительность установлена? // пересчитываем в более удобную шкалу // на входе sensPin у нас от половины до полного напряжения питания (см. схему) // значит, в соответствии с нижеследующей формулой // переменная sens примет значения примерно от 22 до 43 int sens = analogRead(sensPin)/25+2; // в зависимости от соотношения sens и delta зажигаем или гасим // наши индикаторные светодиоды // превысили порог, частота ушла на более чем sens Гц if(delta > sens){ digitalWrite(sigLed1, HIGH); } else { digitalWrite(sigLed1, LOW); } // превысили порог в два раза if(delta > sens*2){ digitalWrite(sigLed2, HIGH); } else { digitalWrite(sigLed2, LOW); } } } }

Видео работы металлоискателя

В заключение, видео работающей схемы. Лучше всего металлоискатель реагирует на металлические предметы большой площади, поэтому для демонстрации я взял кусочек фольгированного текстолита. Хотя это и не совсем честно. На видео хорошо заметно, что схема реагирует именно на резкое изменение частоты генератора, что равно происходит и при приближении металла, и при удалении его из поля действия катушки.