查看: 17188|回复: 4

用 Arduino 造一个简易金属探测器

金属探测器，听上去有点高端，下面我们只用一个 Arduino、10 米长的铜丝线、一个 100 欧电阻和一个无源蜂鸣器来制造它。

可以根据需要将探测器设计成各种尺寸和形状，不同之处在于线圈的制作。虽然这款金属探测器还没有达到寻宝的需求，但做成小型手持探测棒，用于日常检查金属物品还是很有用的。不仅可以帮你找到硬币之类的小东西，还可以用来探测家具拼接处、墙面装修所用的金属螺丝或钉子来帮助了解结构。

材料清单

Arduino Nano × 1
细铜丝 × 一匝
9V 电池 × 1
100 欧电阻 × 1
开关 × 1
按键 × 1
无源蜂鸣器 × 1
10 muF 电容 × 1
2 烤串用的木棍 × 1
7 根 8cm 电线 × 1
热缩管 × 若干
电烙铁 × 1
热熔胶枪 × 1
制作线圈

简单制作一个至少 20 圈的铜丝线圈，50 圈以上更佳。绕的越多探测效果会越好。探测器对大于线圈直径十分之一的物体比较灵敏。因此线圈越小，其灵敏度越高。最终制成的线圈总阻值不能大于 10 欧姆。

用 Arduino 造一个简易金属探测器图3

我这里用的是 AWG26 漆包线，直径 0.4 毫米。每米电阻 0.13 欧姆。缠绕了 60 匝，圈内直径 6.3 厘米。用去了约 12 米漆包线，电阻为 1.5 欧姆。

用 Arduino 造一个简易金属探测器图4

制作原型

下载本项目的代码文件到 Arduino。

代码文件可以在文末下载。

用 Arduino 造一个简易金属探测器图5

将线圈两头的引线分别接到 Arduino 的引脚 8 和引脚 10。
在引脚 8 和 GND 之间接上一个 100 欧姆电阻。
在 GND 和引脚 12 之间串联一个无源蜂鸣器和 10 微法电容。

试试看吧！当把金属物件放到线圈附近时，Arduino 上内置的 LED 会开始闪烁，蜂鸣器也以相同的频率响起。

如果没有效果，可以通过 LED 的闪烁模式来排查问题：

只闪一次——探针上没有脉冲，需要检查连线是否有问题
双重闪烁——延时过短，需要增加线圈匝数
三重闪烁——延时过长，需要减少线圈匝数
四重闪烁——无稳定脉冲，需要确认线圈的电阻是否符合要求

为了更细致的排错，你也可以将代码中的 debug false 修改成 debug true。可以看到串口监视器反馈的延时数值。建议调节线圈让数值在 5 ~ 20 之间。

原理说明
金属探测器由两部分组成，检测线圈和滤波电路。其中检测线圈为核心部分。线圈通电后会产生磁场，有金属进入磁场，就是引起磁场变化，由此判断有金属杂质。

用 Arduino 造一个简易金属探测器图6

这里的挑战在于脉冲延迟非常短：RL电路的特征时间为 tau = L/R，其中L表示亨利，R表示欧姆。我们使用的线圈电感约为 300 微亨，因此对于 R = 100 欧姆，tau = 3 微秒。我们要寻找 1/5000 的电感变化。因此需要以优于 1 纳秒的精度来测量时间。Arduino 的时钟速度为 16 MHz，这样的测量是不够精确的。但是可以通过整合大量的检测数据来提高精度。

但是，仅仅重复的测量是不够的，因为量化误差始终是相同的：如果延迟从 3.03 微秒变为 3.02 微秒，则延迟始终为 48 个时钟周期。为了克服这个问题，我们测量了一个短脉冲的下降沿的时序，并在此脉冲长度的 3 到 5 倍（最初发现的延迟值）之间进行扫描。

该代码每秒测量 100 次电感，实现快速检测。对于 25 个时钟周期的脉冲延迟，将定时器设置为每 215 个时钟周期重复一次，因此在 10ms 内，可以重复扫描 50 个脉冲长度的 15 次，而 750 个脉冲的总延迟可以提供测量结果，延迟时间的分辨率为10^-4。

在启动时，将第一个测量值作为参考值。每当测量值相差超过预定义的阈值时，相位计数器就会开始递增。当相位计数器超过最大值时，将产生 1ms 的 LED 脉冲，并且蜂鸣器会同时发声。

制作手柄
用 Arduino 造一个简易金属探测器图7