原標題：基于 Arduino Nano R3 的脈沖感應金屬探測器（示意圖+代碼）

一、項目概述

基于Arduino Nano R3的脈沖感應金屬探測器是一種通過電磁感應原理來探測金屬物體的設備。它利用線圈發(fā)送強大的短脈沖電流，當金屬物體進入磁場范圍時，會改變磁場并產生感應電流，這個感應電流被探測器捕獲并轉化為電信號，從而指示金屬的存在。

二、主控芯片型號及作用

1. 主控芯片型號

Arduino Nano R3的核心主控芯片是ATmega328P。這款芯片是Arduino Uno R3的核心芯片之一，也廣泛用于各種Arduino兼容板。ATmega328P是一款基于AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器，具有高性能、低功耗的特點。

2. 作用

• 程序存儲與運行：ATmega328P具有32KB的閃存（其中0.5KB用于引導程序），用于存儲用戶編寫的程序。程序通過Arduino IDE編寫并上傳到ATmega328P中。

• 輸入輸出控制：ATmega328P提供了23個可編程的I/O引腳，這些引腳可以配置為輸入、輸出或特殊功能（如PWM、定時器/計數(shù)器等）。在金屬探測器中，這些引腳用于控制線圈的脈沖發(fā)射、讀取電容電壓以及驅動LED和蜂鳴器等指示器。

• 定時器/計數(shù)器：ATmega328P具有多個定時器/計數(shù)器，可用于產生精確的時間延遲和脈沖信號。在金屬探測器中，定時器用于產生發(fā)送給線圈的脈沖信號。

• ADC（模數(shù)轉換器）：ATmega328P內置了10位ADC，用于將模擬信號轉換為數(shù)字信號。在金屬探測器中，ADC用于讀取電容器上的電壓，從而判斷金屬物體的存在。

三、硬件設計

1. 主要組件

• Arduino Nano R3：作為控制核心。

• 功率MOSFET晶體管：用于驅動線圈產生脈沖電流。

• 運算放大器：用于放大接收到的信號。

• 電阻器和電容器：用于電路的穩(wěn)定和濾波。

• 搜索線圈：作為發(fā)射器和接收器，產生和檢測磁場。

• LED和蜂鳴器：用于指示金屬的存在。

• 鋰離子電池：為設備供電。

2. 電路描述

（以下以文字描述代替具體圖示）

• 線圈：搜索線圈是金屬探測器的核心部件，它通常由絕緣銅線纏繞而成。在本項目中，線圈的直徑為20厘米，包含25匝銅線。線圈的一端連接到功率MOSFET晶體管的輸出端，另一端連接到運算放大器的輸入端。

• 脈沖發(fā)射：Arduino Nano R3通過功率MOSFET晶體管向線圈發(fā)送強大的短脈沖電流。這些脈沖電流會產生短暫的磁場，當脈沖結束時，磁場會反轉極性并突然崩潰，從而產生尖銳的電尖峰。這個尖峰會被運算放大器放大并發(fā)送到Arduino的ADC引腳進行讀取。

• 信號檢測：當金屬物體進入磁場范圍時，會改變磁場的強度和方向，從而產生感應電流。這個感應電流會被線圈捕獲并轉化為電信號。運算放大器將這個信號放大后發(fā)送到Arduino的ADC引腳進行讀取。

• 指示器：Arduino根據(jù)讀取到的信號判斷金屬物體的存在，并通過LED和蜂鳴器進行指示。當檢測到金屬時，LED會亮起，蜂鳴器會發(fā)出聲音。

四、軟件設計

1. 程序流程

1. 初始化：設置Arduino的引腳模式、串口通信等。

2. 發(fā)送脈沖：通過Arduino的PWM引腳產生脈沖信號，控制功率MOSFET晶體管向線圈發(fā)送脈沖電流。

3. 讀取信號：使用Arduino的ADC引腳讀取運算放大器放大后的信號。

4. 判斷金屬：根據(jù)讀取到的信號判斷金屬物體的存在。

5. 指示金屬：如果檢測到金屬物體，則點亮LED并發(fā)出蜂鳴聲。

2. 代碼示例

以下是一個簡化的代碼示例，用于說明如何基于Arduino Nano R3實現(xiàn)脈沖感應金屬探測器的基本功能。請注意，這只是一個簡單的示例，實際項目中可能需要更復雜的邏輯和參數(shù)調整。

#define capPin A5  // 電容器連接的引腳  

#define buz 9      // 蜂鳴器連接的引腳  

#define pulsePin A4 // 脈沖發(fā)射引腳  

#define led 10     // LED連接的引腳  



long sumExpect = 0; // 運行的64個和的總和  

long ignor = 0;    // 被忽略的和的數(shù)量  

long diff = 0;     // 和與平均和之間的差值  

long pTime = 0;

long buzPeriod = 0;



void setup() {

Serial.begin(9600);

pinMode(pulsePin, OUTPUT);

digitalWrite(pulsePin, LOW);

pinMode(capPin, INPUT);

pinMode(buz, OUTPUT);

digitalWrite(buz, LOW);

pinMode(led, OUTPUT);

}



void loop() {

int minval = 1023;

int maxval = 0;

long unsigned int sum = 0;



for (int i = 0; i < 256; i++) {

// 重置電容器  

pinMode(capPin, OUTPUT);

digitalWrite(capPin, LOW);

delayMicroseconds(20);

pinMode(capPin, INPUT);



applyPulses(); // 發(fā)送脈沖并讀取電容器上的電荷  

int val = analogRead(capPin); // 讀取電容器上的電壓  



minval = min(val, minval);

maxval = max(val, maxval);

sum += val;



long unsigned int cTime = millis();

char buzState = 0;



if (cTime > 10) {

sumExpect = sumExpect + sum - avgsum; // 更新期望和（注意：avgsum需要在某處定義和計算）  

ignor = 0;

} else {

ignor++;

}



if (ignor > 64) {

sumExpect = sum << 6; // 左移6位相當于乘以64  

ignor = 0;

}



// 根據(jù)差值計算蜂鳴器周期（這里省略了具體的計算邏輯）  

// ...  



// 如果檢測到金屬，則點亮LED并發(fā)出蜂鳴聲  

// ...  

}

}



void applyPulses() {

for (int i = 0; i < 3; i++) {

digitalWrite(pulsePin, HIGH); // 發(fā)送脈沖  

delayMicroseconds(3.5);       // 脈沖持續(xù)時間  

digitalWrite(pulsePin, LOW);

}

}

注意：

• 上面的代碼示例中省略了一些細節(jié)和計算邏輯，如avgsum的定義和計算、蜂鳴器周期的計算等。在實際項目中，這些邏輯需要根據(jù)具體的硬件和參數(shù)進行調整。

• applyPulses()函數(shù)用于發(fā)送脈沖信號到線圈。在實際項目中，可能需要調整脈沖的寬度、頻率和數(shù)量以獲得最佳的探測效果。

• analogRead(capPin)用于讀取電容器上的電壓，這個電壓值會隨著金屬物體的接近而發(fā)生變化。在實際項目中，需要根據(jù)讀取到的電壓值來判斷金屬物體的存在。

五、調試與優(yōu)化

1. 校準：在首次使用或更改硬件組件后，需要對金屬探測器進行校準。校準過程包括調整脈沖寬度、頻率和數(shù)量等參數(shù)，以獲得最佳的探測效果。

2. 靈敏度調整：通過調整程序中的參數(shù)（如電容器的大小、電阻器的值等），可以改變金屬探測器的靈敏度。靈敏度越高，探測器對金屬物體的反應越敏感，但也可能導致誤報。

3. 濾波與降噪：金屬探測器在工作時可能會受到外部干擾（如電磁波、電磁脈沖等）的影響。為了提高探測器的穩(wěn)定性和準確性，可以在電路中添加濾波器來降低噪聲。

六、總結

基于Arduino Nano R3的脈沖感應金屬探測器是一個有趣且實用的項目，它結合了電子學、編程和物理學的知識。通過本項目，可以深入了解電磁感應原理、Arduino編程以及硬件電路設計等方面的知識。同時，本項目還可以作為安全設備、考古探測、礦產資源勘探等領域的一種應用示例。