Zakmetaaldetector – Arduino Pro Mini Aangedreven Metaaldetector

Onderdelen en benodigdheden

Benodigde tools en machines

• 3D-printer (standaard)

Over dit project

Intro: Zakmetaaldetector - Arduino

Deze coole kleine zakmetaaldetector is gevoelig genoeg om kleine nagels en thumbtacks in hout te detecteren en compact genoeg om in ongemakkelijke ruimtes te passen, wat het handig maakt om mee te dragen en te gebruiken voor metaaldetectie.

Het apparaat heeft vier onafhankelijke zoekspoelen en kleur-LED-indicatoren, waardoor je snel een groter zoekgebied kunt afdekken en de doelwit nauwkeurig kunt identificeren.

Dit nette apparaat is zelfkalibrerend met één-knop-bediening, oplaadbaar via een USB-poort en gebruikt kleur-LEDs, geluid en trilling om de sterkte van het doelwit aan te geven.

In de tutorial zitten alle ontwerpen, tests, code en 3D-bestanden die je nodig hebt om het zelf te bouwen. Ik hoop dat je net zoveel plezier ervaart aan het bouwen en gebruiken als ik!

Stap 1: Materialenlijst en werking

1. Hoe het werkt

De Zakmetaaldetector gebruikt vier onafhankelijke pulsinductie-zoekspoelen aangedreven door een Arduino Pro Mini. Elke zoekspoel bestaat uit een aparte TX- en RX-spoel waar een puls in de TX-spoel geïnduceerd wordt, wat een elektromagnetisch veld creëert rond de RX-spoel. Het veranderende veld induceert een spanning in de RX-spoel die gedetecteerd en versterkt wordt voordat de pulsbreedte van het signaal door de Arduino wordt gelezen.

Een smoothing-algoritme in de Arduino-code verwijdert ruis van geldige pulsen, wat het heel stabiel maakt. Een kalibratie-algoritme neemt een gemiddelde van metingen over een korte opstartperiode en stelt een reeks drempels in om het signaal mee te vergelijken.

Wanneer een metaalobject binnen bereik komt van het elektromagnetische veld, wordt het veld verstoord en wordt een deel van de energie afgeleid van de RX-spoel naar "Eddie-stromen" die in het doelwitobject vormen. Dit parasitair effect van het doelwit resulteert in een vermindering van de pulsbreedte gedetecteerd in de RX-spoel. Eigenlijk meten we het energieverlies in het doelwitobject.

Wanneer de gedetecteerde pulsbreedte in de RX-spoel onder de drempel daalt, gaan de LEDs branden, de buzzer klinken en de haptic feedback-motor actief – afhankelijk van een vooraf bepaalde grootte van het doelsignaal.

De schakeling is de afgelopen jaar geëvolueerd naar een heel stabiel en betrouwbaar presterende detector. De spulenconfiguratie en -oriëntatie zijn bewust ontworpen om stabiliteit en dieptedetectie te maximaliseren.

2. Materialenlijst

• 3.7V 350mAh LiPo-batterij (38mm x 20mm x 7.5mm)
• TP4056 USB LiPo-batterijlader (Datasheet)
• 4.7K weerstand om Laadstroom te beperken tot <300mA
• Arduino Pro Mini
• FTDI USB-naar-Serieel module voor programmeren
• LM339 Quad Differentieel Comparator IC
• Vero-bord – 2 stukken 20x9 gaten en 34x9 (zie foto voor oriëntatie)
• BC548 NPN Transistor x 4
• 2N7000 MOSFET Schakelaar x 5
• Piezo Buzzer
• Munttrillingsmotor voor haptic feedback
• WS2812 RGB LED Module x 4
• 1k Weerstand x 4
• 10k Weerstand x 4
• 47 Ohm Weerstand x 4
• 2.2K Weerstand x 4
• 150pF Keramische Condensator x 8
• 0.18uF Polyester condensator x 4
• 0.3mm Emaille-koperdraad (normaal ~25g rollen)
• PCB-montage drukknop
• Lijmgun
• 10mm boorbout
• Handboormachine
• Labelprinter of plakband om 16 draden te labelen
• Hula-draad
• Toegang tot een 3D-printer

3. Comparator-werking

Ik kreeg vragen over de LM339-werking, dus hier een duidelijke uitleg. De LM339 fungeert puur als spanningcomparator, het vergelijkt de differentiële spanning tussen de positieve en negatieve pinnen en geeft een logische laag of hoge impedantie (logische hoog met pull-up) gebaseerd op de invoer-polariteit.

In deze schakeling is de positieve ingang van de comparator verbonden met de Vcc-lijn en een pull-up-weerstand naar Vcc op de comparator-uitgang. In deze configuratie blijft de uitgangsspanning hoog, totdat de invoerspanning op de negatieve ingang 3.5V overschrijdt.

De werking wordt uitgelegd in de LM339-datasheet die de "input voltage range" definieert als 0V tot Vsup-1.5V. Zie datasheet: lm2901.pdf

Stap 2: De behuizing printen

De 3D-geprinte behuizing bestaat uit 5 afzonderlijke prints. Afmetingen en 3D-bestanden vind je op Thingiverse. Het ontwerp is gericht op makkelijk vasthouden terwijl de zoekspoelen zo dicht mogelijk bij het te doorzoeken gebied komen.

Print de behuizing zorgvuldig en verwijder overtollig plastic. Doen dit nu, zodat de elektronische componenten in de behuizing kunnen worden uitgelijnd voor de definitieve aansluiting en test.

Stap 3: Zoekspoelen bouwen en monteren

Neem de geprinte spulvormers en wind 25 windingen koperdraad om elk van hen. Zorg dat je ~20cm extra draad overlaat voor aansluiting op de hoofdeenheid. Gebruik de gaten in de vormers voor consistente winding en oriëntatie. Keer de vormer om en lijm hem progressief in de basiseenheid.

Volg de foto-montage: het resultaat is 8 spulen gemonteerd in de spulmontage met alle draden consistent georiënteerd en lang genoeg om te verbinden met het hoofdbord in de bovenste behuizing. Gebruik de twee draadgeleiderblokken met gaten voor elke spul in de geprinte basis om elke specifieke spul bij te houden.

Stap 4: De schakeling bouwen

Het apparaat heeft vier sleutelschakelingen om onafhankelijk te bouwen: Driverbord, Hoofdbord, LED-montage en Opplaadbare Voeding. In deze stap bouwen we het Driverbord en Hoofdbord.

1. Driverbord

Knip met een snijmes een stuk Vero-bord langs de gaten 22x11 (resulteert in 20x9 gaten, georiënteerd zoals op de foto). Score aan beide kanten meerdere keren over de gaten en knip het overtollige af. Controleer of het bord in de basis van de behuizing past met voldoende ruimte. Breek met een 10mm boorbout de spoorverbindingen aan de onderkant zoals getoond. Volg het schakelingsschema en de fotolayout om de componenten te monteren, let op geen kortsluitende sporen. Zet dit bord apart voor later testen.

2. Hoofdbord

Knip een stuk Vero-bord 36x11 gaten (resulteert in 34x9 gaten, georiënteerd zoals op de foto). Score en knip zoals bovenstaand. Controleer of het past. Breek de spoorverbindingen aan de onderkant. Volg het schakelingsschema en de fotolayout van de Arduino, LM339 IC en andere componenten. Let op geen kortsluitende sporen. Zet apart voor testen.

Stap 5: LED-indicatoren toevoegen

Ik gebruikte WS2812 LEDs met ingebouwde IC, adressering via drie draden vanuit de Arduino. Kleur en helderheid worden gecreëerd door commando's te sturen via de FastLED-bibliotheek (zie testsectie).

1. LEDs monteren in de spoelbehuizing deksel

Positioneer de vier LEDs correct (VCC en GND uitgelijnd, gecentreerd in de gaten). Vastzetten met hete lijm.

2. LEDs bedraden

Strip drie 25cm enkeldraad-hookup draden en positioneer over de LED-contacten. Soldeer vast, zorg dat de centrale datadraad verbonden is met IN en OUT contacten zoals op de foto.

3. Behuizing-uitlijning controleren

Controleer of het deksel vlak aanligt op de spoelbehuizing. Zet hete lijm op de draden aan de basis van het deksel. Zet apart voor testen.

Stap 6: Montage en testen van de unit

1. Voorbereiding montage

Voordat we monteren, testen we elk bord progressief voor makkelijkere foutopsporing. De Arduino Pro Mini vereist een USB-serieel bord om te programmeren. Voordat je de Arduino-code laadt, voeg de bibliotheek "FastLED.h" toe in de Arduino IDE. Er zijn oscilloscoop-traces en een screenshot van de IDE-seriële data-output met de Graph Plot-functie bijgeleverd voor troubleshooting.

Er zijn twee codeversies bijgeleverd: een met test-seriële datastroom voor troubleshooting.

LET OP: Sluit de LiPo-batterij PAS op de allerlaatste stap aan. Per ongeluk kortsluiten tijdens montage kan oververhitting of brand veroorzaken.

2. Test het Hoofdbord

Sluit de Arduino-seriële kabel aan en controleer of de code laadt zonder fouten en zonder rook.

3. Driverbord aansluiten

Volg het schakelingsschema om het Driverbord aan het Hoofdbord te koppelen. Positioneer fysiek in de behuizing om te checken of alles past. Laad de code – geen fouten, geen rook.

4. Spulen aansluiten

Volg het schema om de spulen aan het Hoofdbord te koppelen. Zorg dat de spulen uitgelijnd zijn met de Driverbord- en Hoofdbord-ingangen. Met de testcode geladen toont de seriële poort de pulsbreedte op de ontvangspoel ergens tussen 5000-7000µs (ook zichtbaar in IDE Graph Plotter). Beweeg een munt naar de zoekspul – de pulsbreedte moet dalen naarmate het doelwit dichterbij komt. Met een oscilloscoop kun je golfformen op verschillende fasen checken. Zodra alle kanalen verwacht presteren, leg de draden zo dat de behuizing correct sluit.

5. LEDs aansluiten

Neem de drie draden van de spoelbehuizing-LEDs en verbind met het hoofdbord. Laad de code en controleer of de LEDs correct werken. Lijm het deksel van de spoelbehuizing vast.

Stap 7: Opplaadbare batterij aansluiten

LET OP:

1. Sluit de LiPo-batterij PAS op de allerlaatste stap aan – kortsluiten kan oververhitting/brand veroorzaken.
2. Wees voorzichtig met batterij- en ladercontacten – niet kortsluiten.
3. LiPo-batterijen verschillen van andere oplaadbare batterijen; overstroom laden is gevaarlijk – configureer de laadschakeling correct.
4. Sluit de Arduino-seriële kabel NIET aan wanneer de aan/uit-knop ingedrukt is, anders kan de batterij beschadigd raken.

1. Laadstroom limiteren

De Zakmetaaldetector gebruikt een LiPo-batterij oplaadbaar via micro-USB telefoonlader. De TP4056 USB LiPo-lader wordt gemodificeerd met een 4.7K-weerstand om de laadstroom te beperken tot <300mA. Instructies: TP4056.pdf. Verwijder de bestaande SMD-weerstand en vervang door de 4.7K-weerstand zoals op de foto. Beveilig met hete lijm. Test de lader met een telefoonlader – het rode laadlichtje moet branden.

2. Drukknop aan/uit-schakelaar monteren

Zorg dat de drukknop correct gemonteerd is zodat hij door het midden van het behuizingsdeksel steekt. Soldeer de drukknop vast. Installeer draden tussen de drukknop, laderuitgang en de VCC-lijn op de Arduino volgens het schema. Bij correcte montage activeert indrukken de unit. Vastzetten batterij met hete lijm en uitlijnen micro-USB-socket met het gat in het deksel voor opladen.

Stap 8: Eindtest en bediening

1. Fysieke montage

Rangschik de draden zorgvuldig zodat de behuizing correct sluit. Gebruik hete lijm om het hoofdbord in het deksel te fixeren en sluit het deksel.

2. Bediening

De unit kalibreert na het indrukken en vasthouden van de aan/uit-knop. Alle LEDs knipperen wanneer de unit klaar is. Houd de knop ingedrukt tijdens zoeken. De LEDs veranderen van Blauw-Groen, Rood, Paars op basis van doelwitsterkte. Haptic feedback treedt op wanneer de LEDs paars worden. Klaar voor praktisch gebruik!