Карманный металлодетектор на Arduino Pro Mini

Компоненты и материалы

SparkFun Arduino Pro Mini 328 — 5V/16MHz

1

Необходимые инструменты и станки

• 3D-принтер (универсальный)

О проекте

Введение: Карманный металлодетектор — Arduino

Этот компактный металлодетектор достаточно чувствителен, чтобы находить маленькие гвоздики и кнопки в дереве, и достаточно мал, чтобы залезать в неудобные места. У него 4 независимые поисковые катушки и цветные LED-индикаторы — можно быстро охватывать большую площадь и точно локализовать цель.

Устройство само калибруется по одной кнопке, заряжается через USB, сигнализирует цветом, звуком и вибрацией о силе сигнала.

В инструкции: все чертежи, тесты, код и 3D-модели для самостоятельной сборки. Надеюсь, вам понравится процесс и результат!

Шаг 1: Список материалов и принцип работы

1. Принцип работы

Используется импульсный индукционный метод. Каждая из 4 катушек состоит из отдельных катушек-передатчика (TX) и приёмника (RX). Импульс в TX создаёт эл.маг. поле вокруг RX. Изменяющееся поле индуцирует напряжение в RX, которое усиливается и измеряется Arduino по длине импульса.

Алгоритм сглаживания убирает шум, алгоритм калибровки на старте устанавливает пороги.

Когда металл попадает в поле, возникают вихревые токи (Eddy currents), отнимающие энергию — длина импульса в RX падает. Мы измеряем эту потерю мощности.

Если длина импульса ниже порога — зажигаются LED, пищит пиезо-зуммер, вибрирует вибромотор (в зависимости от амплитуды падения).

Схема эволюционировала год, став очень стабильной. Геометрия катушек оптимизирована под стабильность и глубину.

2. Список материалов

• LiPo 3.7V 350mAh (38×20×7.5 мм)
• Зарядка TP4056 для LiPo + даташит
• Резистор 4.7 кОм (ограничение тока заряда <300 мА)
• Arduino Pro Mini
• FTDI USB-UART для прошивки
• LM339 — 4-х канальный компаратор
• Две платы веро-борд: 20×9 и 34×9 отверстий (см. фото ориентации)
• 4 транзистора BC548 (NPN)
• 5 MOSFET 2N7000
• Пьезо-зуммер
• Монетный вибромотор
• 4 модуля WS2812 (RGB LED)
• Резисторы: 1к (×4), 10к (×4), 47 Ом (×4), 2.2к (×4)
• Керамические конденсаторы 150 пФ (×8)
• Полиэстеровые конденсаторы 0.18 мкФ (×4)
• Эмалированная медная проволока 0.3 мм (рулон ~25 г)
• PCB-кнопка
• Клеевой пистолет
• Сверло 10 мм
• Ручная дрель
• Маркировка для 16 проводов (лейблер или скотч)
• Монтажные провода
• Доступ к 3D-принтеру

3. Работа компаратора LM339

Многие спрашивали про LM339. Он работает как компаратор напряжения: сравнивает разность на входах + и –, выдаёт низкий уровень или высокоомное состояние (логическая 1 с pull-up).

В нашей схеме +вход на Vcc, pull-up на выходе. На практике выход высокий, пока на –входе напряжение < 3.5 В (Vcc − 1.5 В по даташиту).

Когда –вход выше common-mode, а +вход в диапазоне — выход низкий (ток в ногу).

Ссылка на даташит: lm2901.pdf

Шаг 2: Печать корпуса

Корпус печатается 5 деталями. Файлы и размеры на Thingiverse. Конструкция оптимизирована под удобный захват и максимальное приближение катушек к исследуемой поверхности.

Аккуратно удалите лишний пластик. Сделайте это сейчас, чтобы потом выровнять электронику в корпусе перед финальной сборкой.

Шаг 3: Намотка и монтаж поисковых катушек

На каждую формовку намотайте 25 витков медной проволоки, оставив ~20 см для подключения. Используйте отверстия в формовках для равномерной намотки и ориентации. По мере намотки приклеивайте формовку к основанию (вверх ногами).

Итог: 8 катушек (4 пары TX/RX) смонтированы в базе, провода ориентированы одинаково и достаточно длинны для подключения к основной плате в верхнем отсеке.

Два проводных блока-направляющих с отверстиями в базе помогают не перепутать катушки.

Провода внутренних катушек — сверху, внешних — снизу блока, чтобы легче было подключать к основной плате.

Шаг 4: Сборка схемы

Четыре независимых узла: драйвер катушек, основная плата, LED-модуль, заряжаемое питание. Здесь собираем драйвер и основную плату.

1. Плата драйвера (Driver Board)

Веро-борд режем по отверстиям до 22×11 (рабочая область 20×9). Лучше ножовкой по отверстиям с обеих сторон, затем аккуратно сломайте лишнее. Проверьте, что плата входит в основание корпуса с зазорами.

По фото и схеме 10-мм сверлом вручную перебивайте дорожки на нижней стороне. Собирайте компоненты, избегая коротких замыканий. Отложите для тестов.

2. Основная плата (Main Board)

Веро-борд режем до 36×11 (рабочая 34×9). Тоже аккуратно перебивайте дорожки 10-мм сверлом.

Собирайте по схеме и фото: Arduino Pro Mini, LM339, остальные компоненты. Проверяйте на короткие замыкания. Отложите.

Шаг 5: Установка LED-индикаторов

Используются WS2812 (встроенный драйвер, управление по одному проводу). Библиотека FastLED подключается в Arduino IDE (см. раздел тестирования).

1. Монтаж LED в крышке катушек

Установите 4 LED в отверстия крышки так, чтобы VCC и GND совпадали, и они по центру. Закрепите горячим клеем.

2. Проводка LED

Три одножильных провода ~25 см паяйте к контактам LED. Центральный провод данных — по схеме IN/OUT.

3. Проверка соответствия корпуса

Убедитесь, что крышка садится ровно, зафиксируйте провода горячим клеем у основания крышки. Отложите.

Шаг 6: Сборка и тестирование блока

1. Подготовка к сборке

Тестируем платы по очереди. Arduino Pro Mini требует FTDI-адаптер для прошивки. Перед загрузкой кода добавьте библиотеку FastLED.h в Arduino IDE.

Приложены осциллограммы для отладки и скриншот Serial Plotter с пульсами и порогами — полезно для проверки чувствительности каналов.

Две версии кода: одна с тестовым сериальным выводом.

ВНИМАНИЕ: Не подключайте LiPo до последнего шага — случайное замыкание при сборке может привести к перегреву или возгоранию.

2. Тест основной платы

Подключите FTDI, загрузите код — должен загрузиться без ошибок и дыма.

3. Подключение драйверной платы

Соедините по схеме, разместите в корпусе (подборка под размеры). Загрузите код — без ошибок и дыма.

4. Подключение катушек

Соедините катушки с основной платой по схеме, разместите в корпусе. Следите за соответствием входов драйвера и основной платы.

С тестовым кодом в Serial Monitor / Plotter на приёмных катушках должны быть импульсы 5000–7000 мкс. При поднесении монеты импульс сокращается.

При наличии осциллографа проверяйте формы сигналов на этапах схемы.

Когда все каналы работают похоже — уложите провода так, чтобы корпус закрывался.

5. Подключение LED

Три провода от LED-крышки к основной плате. Загрузите код, проверьте работу LED. Закрепите крышку горячим клеем.

Файлы кода: Pocket_Metal_Locator_V11__TEST_CODE.zip, Pocket_Metal_Locator_V11.zip

Шаг 7: Подключение перезаряжаемого аккумулятора

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ:

1. LiPo подключайте только в самом конце — замыкание при сборке опасно.
2. Берегите контакты батареи и зарядки от замыканий.
3. LiPo требуют строгого ограничения тока заряда — настройте зарядку правильно.
4. Не подключайте FTDI-кабель, когда устройство включено (кнопка нажата) — может повредить батарею.

1. Ограничение тока зарядки TP4056

TP4056 модифицируется резистором 4.7 кОм вместо штатного SMD, чтобы ток заряда <300 мА. Инструкция: TP4056.pdf. Старый резистор снимите, новый припаяйте, зафиксируйте клеем.

Проверьте зарядку от телефона — красный индикатор должен загореться.

2. Установка кнопки питания

Кнопку смонтируйте так, чтобы она выходила в центр крышки. Припаяйте по схеме: кнопка — выход зарядки — VCC Arduino. При нажатии включается схема.

Закрепите батарею клеем, выровняйте micro-USB гнездо с отверстием в крышке для зарядки.

Шаг 8: Финальное тестирование и эксплуатация

1. Физическая сборка

Аккуратно уложите провода, чтобы корпус закрывался. Закрепите основную плату в крышке клеем, закройте корпус.

2. Работа устройства

Калибровка: нажмите и держите кнопку питания. Все LED мигнут — устройство готово. Держите кнопку нажатой во время поиска. LED меняют цвет: Голубой → Зелёный → Красный → Фиолетовый (по росту сигнала). Виброотклик срабатывает на фиолетовом.

Готово к практическому использованию!

Код

Pocket_Metal_Locator_V11.ino (C/C++)

/* Pocket Metal Locator - Arduino Pro Mini April 2018 TechKiwiGradgets Version 11 */
#include "FastLED.h"
#define NUM_LEDS 4
#define DATA_PIN 11
CRGB leds[NUM_LEDS];

const float alpha = 0.85;
float smoothedvalue1 = 1000, smoothedvalue2 = 1000, smoothedvalue3 = 1000, smoothedvalue4 = 1000;
int sthreshold = 100;
float ledthreshold1 = 0.93, ledthreshold2 = 0.96, ledthreshold3 = 0.99, ledthreshold4 = 0.998;

boolean sample = false;
int calcounter = 0, scount = 200, numsamples = 20, t1 = 100;
long calav1 = 0, calav2 = 0, calav3 = 0, calav4 = 0;
int div1 = 0, div2 = 0, div3 = 0, div4 = 0;

int divA = 0; long tempA = 0; long pcounterA = 0;
int divB = 0; long tempB = 0; long pcounterB = 0;
int divC = 0; long tempC = 0; long pcounterC = 0;
int divD = 0; long tempD = 0; long pcounterD = 0;

int pwindow = 7500;
int dly1 = 4, dly2 = 1, dly3 = 500;
int threshdiff = 15;
long pulseav = 0;

boolean haptic = false;
int vduration = 1, vcounter = vduration;

void setup() {
  pinMode(12, OUTPUT); digitalWrite(12, LOW);
  Serial.begin(115200);
  LEDS.addLeds(leds, NUM_LEDS);
  LEDS.setBrightness(5);
  FastLED.setMaxPowerInVoltsAndMilliamps(5, 100);
  FastLED.setDither(0);

  pinMode(10, OUTPUT); // Buzzer
  pinMode(2, OUTPUT); pinMode(4, OUTPUT); pinMode(6, OUTPUT); pinMode(8, OUTPUT); // TX
  pinMode(3, INPUT); pinMode(5, INPUT); pinMode(7, INPUT); pinMode(9, INPUT); // RX
}

void loop() {
  // Опрос 4 каналов с измерением pulseIn и LPF
  // ... (полный код в прикреплённых файлах)
  // Калибровка при старте (scount циклов)
  // Обновление LED и вибромотора в updateLEDs()
}

void updateLEDs() {
  // Логика порогов: Purple (сильный) → Red → Green → Blue (слабый)
  // Пиезо и вибро на фиолетовом/красном/зелёном
  FastLED.show();
}

3D-модели (Custom parts)

Файлы на Thingiverse: CAD файл — корпус, формовки катушек, крышки.

Схемы

Полная принципиальная схема устройства: