Détecteur de Métaux de Poche – Arduino Pro Mini, 4 Bobines, Auto-calibration

Composants et Fournitures

Composant	Quantité
SparkFun Arduino Pro Mini 328 - 5V/16MHz	1
Batterie LiPo 3.7V 350mAh (38x20x7.5mm)	1
Chargeur USB LiPo TP4056	1
Résistance 4.7K pour limiter le courant de charge <300mA	1
Module FTDI USB-Série pour programmer le Pro Mini	1
LM339 Comparateur Quad Différentiel	1
Plaque Vero Board - 2 pièces (20x9 et 34x9 trous)	1
Transistor NPN BC548	4
MOSFET 2N7000	5
Buzzer Piézo	1
Moteur de Vibration Pièce pour Retour Haptique	1
Module LED RGB WS2812	4
Résistances 1k, 10k, 47Ω, 2.2K (x4 chacune)	4
Condensateur Céramique 150pf	8
Condensateur Polyester 0.18uF	4
Fil Cuivre Émaillé 0.3mm (rouleau ~25g)	1
Interrupteur Poussoir PCB	1
Foret 10mm, Perceuse, Pistolet à Colle, Ruban Étiquetage, Fil de Connexion	1
Accès à une Imprimante 3D	1

Outils et Machines Nécessaires

• Imprimante 3D (générique)

À Propos du Projet

Introduction : Détecteur de Métaux de Poche - Arduino

Ce petit détecteur de métaux de poche est assez sensible pour identifier de petits clous et pointes dans le bois, et assez compact pour s'insérer dans des espaces restreints, le rendant pratique à transporter et utiliser pour la détection de métaux.

L'appareil possède quatre bobines de recherche à induction de pulsation indépendantes et des indicateurs LED couleur, permettant de couvrir rapidement une plus grande zone de recherche tout en identifiant précisément la cible.

Ce petit dispositif astucieux s'auto-calibre avec un seul bouton, se recharge via USB et utilise LEDs couleur, son et vibration pour indiquer la force de la cible.

Le tutoriel inclut tous les designs, tests, code et fichiers 3D nécessaires pour le construire vous-même. J'espère que vous apprécierez autant que moi la construction et l'utilisation !

Étape 1 : Liste des Matériaux et Fonctionnement

1. Fonctionnement

Le Détecteur de Métaux de Poche utilise quatre bobines de recherche à induction de pulsation indépendantes alimentées par un Arduino Pro Mini. Chaque bobine est composée d'une bobine TX et RX séparées où une impulsion est induite dans la bobine TX créant un champ électromagnétique autour de la bobine RX. Le champ variable induit une tension dans la bobine RX qui est détectée et amplifiée avant que la largeur d'impulsion du signal ne soit lue par l'Arduino.

Un algorithme de lissage dans le code Arduino élimine le bruit des impulsions valides, le rendant très stable.

Un algorithme de calibration prend une moyenne de lectures sur une courte période au démarrage et définit une série de seuils pour comparer le signal.

Lorsqu'un objet métallique entre dans le champ électromagnétique, le champ est perturbé et une partie de l'énergie est détournée de la bobine RX vers des « courants d'Eddie » (courants de Foucault) qui se forment dans l'objet cible. Cet effet parasitaire de l'objet cible entraîne une réduction de la largeur d'impulsion détectée dans la bobine RX. Essentiellement, nous mesurons la perte de puissance dans l'objet cible.

Quand la largeur d'impulsion détectée dans la bobine RX descend sous le seuil, les LEDs s'allument, le buzzer sonne et le moteur haptique se déclenche - selon une taille de signal cible prédéterminée.

Le circuit a évolué sur un an pour devenir un détecteur très stable et fiable. La configuration et l'orientation des bobines ont été délibérément conçues pour maximiser la stabilité et la profondeur de détection.

2. Liste des Matériaux

Voir le tableau ci-dessus.

3. Fonctionnement du Comparateur

J'ai eu plusieurs questions sur le fonctionnement du LM339, voici une explication plus claire.

Le LM339 opère uniquement comme comparateur de tension, comparant la tension différentielle entre les broches positive et negative et sortant un niveau logique bas ou haute impédance (logique haut avec pull-up) basé sur la polarité différentielle d'entrée.

Dans ce circuit, l'entrée positive du comparateur est connectée à la ligne Vcc et une résistance de pull-up vers Vcc est appliquée à la sortie du comparateur. Dans cette configuration, en pratique, la tension de sortie du comparateur reste haute jusqu'à ce que la tension d'entrée sur l'entrée négative dépasse 3.5V.

Le fonctionnement peut être expliqué depuis la fiche technique LM339 qui décrit la « plage de tension d'entrée » entre 0V et Vsup-1.5V.

Étape 2 : Imprimer le Boîtier

Le boîtier imprimé en 3D a été réalisé en 5 impressions séparées. Les dimensions et fichiers 3D sont sur Thingiverse. Le design était centré sur la prise en main facile tout en assurant que les bobines de recherche soient aussi proches que possible de la zone recherchée.

Imprimez soigneusement le boîtier et retirez l'excès de plastique. Il est important de faire cette étape maintenant pour que les composants électroniques puissent être alignés dans le boîtier avant le câblage final et les tests.

Étape 3 : Construire et Monter les Bobines de Recherche

Prenez les formateurs de bobines imprimés et enroulez 25 tours de fil de cuivre sur chacun. Laissez environ 20cm de fil supplémentaire pour le raccordement à l'unité principale.

Utilisez les trous imprimés dans les formateurs pour assurer un enroulement et une orientation cohérents pour chaque formateur. En procédant, retournez le formateur et collez-le progressivement dans l'unité de base.

Suivez l'assemblage photo fourni, le résultat étant 8 bobines montées dans l'assemblage de bobines avec tous les fils orientés de manière cohérente et assez longs pour se connecter à la carte principale dans l'enceinte supérieure.

Utilisez les deux blocs guides de fils qui ont des trous pour chaque bobine dans la base imprimée pour suivre chaque bobine spécifique.

J'ai placé les fils des bobines internes en haut et les bobines externes en bas du bloc guide pour garder trace de chaque bobine spécifique, facilitant le raccordement à la carte principale.

Étape 4 : Construire le Circuit

L'unité a quatre circuits clés à construire indépendamment : Carte Driver, Carte Principale, Assemblage LED et Alimentation Rechargeable. Dans cette étape, nous construirons la Carte Driver et la Carte Principale.

1. Carte Driver

Utilisez un cutter pour découper une pièce de Vero Board le long des trous 22x11, résultant en une pièce de 20x9 trous orientée comme sur la photo. Marquez les deux côtés plusieurs fois puis cassez délicatement l'excédent. Vérifiez que la carte tient dans la base de l'enceinte avec assez de jeu de chaque côté.

Avec un foret 10mm à la main, cassez soigneusement les pistes indiquées sur le dessous de la Vero Board. Suivez le schéma de circuit et la disposition photo des composants pour assembler la carte en veillant à ne pas créer de courts-circuits.

Mettez cette carte de côté pour les tests ultérieurs.

2. Carte Principale

Découpez une pièce de Vero Board le long des trous 36x11 pour obtenir 34x9 trous orientés comme sur la photo. Même méthode de découpe. Vérifiez l'ajustement dans l'enceinte.

Cassez les pistes indiquées sur le dessous avec un foret 10mm.

Suivez le schéma et la disposition photo de l'Arduino, du LM339 et autres composants pour assembler la carte en évitant les courts-circuits.

Mettez cette carte de côté pour les tests ultérieurs.

Étape 5 : Ajouter les Indicateurs LED

J'ai utilisé des LEDs WS2812 qui ont un CI intégré permettant de les adresser par l'Arduino avec trois fils, créant une large gamme de couleurs et luminosités. Cela se fait via une bibliothèque spéciale chargée dans l'IDE Arduino (couverte dans la section test).

1. Montage des LEDs dans le Couvercle de l'Enceinte de Bobines

Positionnez soigneusement les quatre LEDs orientées correctement pour que les connexions VCC et GND soient alignées et qu'elles soient centrées dans les trous. Fixez-les avec de la colle chaude.

2. Câblage des LEDs

Dénudez et positionnez soigneusement trois fils de 25cm à brin unique sur les contacts des LEDs. Soudez-les en place en assurant que le fil de données central soit connecté aux contacts IN et OUT comme sur la photo.

3. Vérification d'Alignement du Boîtier

Vérifiez que le couvercle s'assoit bien à plat sur l'enceinte de bobines, puis utilisez de la colle chaude pour maintenir les fils en place à la base du couvercle. Mettez de côté pour les tests.

Étape 6 : Assemblage et Test de l'Unité

Avant l'assemblage, nous testerons chaque carte progressivement pour faciliter le dépannage.

L'Arduino Pro Mini nécessite une carte série USB pour être programmée par votre PC. Cela permet à la carte d'être plus petite car elle n'a pas d'interface série intégrée. Vous aurez besoin d'en acquérir une comme indiqué dans la liste des pièces.

Avant de charger le code Arduino, vous devrez ajouter la bibliothèque « FastLED.h » pour piloter les LEDs WS2812. Des traces d'oscilloscope sont fournies pour le dépannage.

Une capture d'écran de la sortie de données série de l'IDE avec la fonction Graph Plot montre la largeur d'impulsion de chaque canal ainsi que la valeur de seuil. Utile pendant les tests pour voir si chaque canal performe à des niveaux de sensibilité similaires.

J'ai inclus deux copies du code. L'un a des données série de test en streaming pour le dépannage.

NOTE IMPORTANTE : Ne connectez pas l'unité de batterie LiPo avant la toute dernière étape car un court-circuit accidentel pendant l'assemblage peut causer surchauffe ou incendie.

2. Test de la Carte Principale

Avant de connecter la carte principale à quoi que ce soit, branchez le câble série Arduino et vérifiez que le code se charge. Cela teste simplement que l'Arduino est physiquement câblé correctement et que l'IDE et les bibliothèques sont chargées. Chargez le code via l'IDE qui devrait se charger sans erreur et sans fumée !

3. Connecter la Carte Driver

Suivez le schéma pour connecter la Carte Driver à la Carte Principale et positionnez physiquement l'unité dans le boîtier pour vérifier que tout rentre. C'est du試行 et erreur qui demande de la persévérance. Chargez le code - pas d'erreurs, pas de fumée !

4. Connecter les Bobines

Suivez le schéma pour connecter les Bobines à la Carte Principale et positionnez physiquement l'unité dans le boîtier. Assurez-vous soigneusement que les bobines sont alignées avec les entrées de la Carte Driver et Carte Principale selon le schéma.

Avec le code de test chargé, le port série affichera la largeur d'impulsion sur la bobine de réception quelque part entre 5000-7000µS. Cela peut aussi être vu avec le Traceur Graphique de l'IDE.

Cela permet de dépanner chaque canal et de voir l'effet d'approcher une pièce près de la bobine de recherche qui devrait réduire la largeur d'impulsion à mesure que la cible se rapproche.

Si vous avez un oscilloscope, vous pouvez aussi vérifier les formes d'onde à divers stades du circuit pour diagnostiquer les problèmes.

Une fois tous les canaux performants comme prévu, positionnez les fils pour que l'enceinte s'assemble et se ferme correctement.

5. Connecter les LEDs

Prenez soigneusement les trois fils des LEDs de l'enceinte de bobines et connectez-les à la carte principale. Chargez le code et vérifiez que les LEDs fonctionnent correctement. Utilisez de la colle pour fixer le couvercle de l'enceinte de bobines en place.

Étape 7 : Connecter la Batterie Rechargeable

NOTE :

• Ne connectez pas l'unité de batterie LiPo avant la toute dernière étape car un court-circuit accidentel pendant l'assemblage peut causer surchauffe ou incendie.
• En manipulant la batterie et le chargeur, veillez à ne pas court-circuiter les connexions de la batterie.
• Les batteries LiPo sont différentes des autres rechargeables et une surcharge peut être dangereuse, assurez-vous de configurer correctement le circuit de charge.
• Ne connectez pas le câble série Arduino à l'unité quand le bouton d'alimentation est enfoncé sinon la batterie pourrait être endommagée.

1. Modifier la Limite de Courant du Chargeur

Le Détecteur de Métaux de Poche utilise une batterie LiPo rechargeable via un chargeur téléphone Micro USB. La carte chargeur TP4056 est d'abord modifiée avec une résistance 4.7K pour limiter le courant de charge sous 300mA. Les instructions sont ici.

Cela nécessite de retirer la résistance CMS existante et la remplacer par une résistance comme sur la photo. Protégez tout mouvement non prévu de la résistance avec de la colle chaude.

Avant de connecter à la carte principale, testez que le chargeur fonctionne correctement en branchant un chargeur téléphone avec port Micro USB. Le voyant rouge de charge doit s'allumer.

2. Installer l'Interrupteur Poussoir d'Alimentation

Assurez-vous que le poussoir est monté à la bonne position pour dépasser par le centre du couvercle de l'enceinte, puis soudez-le en place. Installez les fils entre le poussoir, la sortie du chargeur et la ligne VCC sur l'Arduino selon le schéma.

Quand correctement installé, appuyer sur l'interrupteur activera l'unité.

Fixez la batterie avec de la colle chaude et assurez-vous que la prise Micro USB est alignée au trou du couvercle pour la recharge.

Étape 8 : Test Final et Fonctionnement

1. Assemblage Physique

L'étape finale est de réorganiser soigneusement les fils pour que le boîtier se ferme correctement. Utilisez de la colle chaude pour fixer la carte principale dans le couvercle et fermez le couvercle en place.

2. Fonctionnement de l'Unité

L'unité fonctionne en se calibrant après avoir appuyé et maintenu le bouton d'alimentation. Toutes les LEDs clignotent quand l'unité est prête. Maintenez le bouton enfoncé pendant la recherche. Les LEDs changent du Bleu-Vert, Rouge, Violet selon la force de l'objet cible. Le retour haptique se produit quand les LEDs deviennent violettes.

Vous êtes prêt à l'utiliser pour des applications pratiques !

Code

Pocket_Metal_Locator_V11.ino (C/C++)

Code complet disponible dans la section code. Inclut : bibliothèque FastLED, filtrage passe-bas, auto-calibration au démarrage, seuils multi-niveaux (Violet/Rouge/Vert/Bleu), buzzer piézo, retour haptique, gestion sommeil/réveil.

Pièces Personnalisées et Boîtiers

Fichiers CAO sur Thingiverse

Schémas

Schéma de câblage du détecteur à 4 bobines avec LM339, Arduino Pro Mini, LEDs WS2812, buzzer, moteur haptique et chargeur TP4056.