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.