原标题：基于 Arduino Nano R3 的脉冲感应金属探测器（示意图+代码）

一、项目概述

基于Arduino Nano R3的脉冲感应金属探测器是一种通过电磁感应原理来探测金属物体的设备。它利用线圈发送强大的短脉冲电流，当金属物体进入磁场范围时，会改变磁场并产生感应电流，这个感应电流被探测器捕获并转化为电信号，从而指示金属的存在。

二、主控芯片型号及作用

1. 主控芯片型号

Arduino Nano R3的核心主控芯片是ATmega328P。这款芯片是Arduino Uno R3的核心芯片之一，也广泛用于各种Arduino兼容板。ATmega328P是一款基于AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器，具有高性能、低功耗的特点。

2. 作用

• 程序存储与运行：ATmega328P具有32KB的闪存（其中0.5KB用于引导程序），用于存储用户编写的程序。程序通过Arduino IDE编写并上传到ATmega328P中。

• 输入输出控制：ATmega328P提供了23个可编程的I/O引脚，这些引脚可以配置为输入、输出或特殊功能（如PWM、定时器/计数器等）。在金属探测器中，这些引脚用于控制线圈的脉冲发射、读取电容电压以及驱动LED和蜂鸣器等指示器。

• 定时器/计数器：ATmega328P具有多个定时器/计数器，可用于产生精确的时间延迟和脉冲信号。在金属探测器中，定时器用于产生发送给线圈的脉冲信号。

• ADC（模数转换器）：ATmega328P内置了10位ADC，用于将模拟信号转换为数字信号。在金属探测器中，ADC用于读取电容器上的电压，从而判断金属物体的存在。

三、硬件设计

1. 主要组件

• Arduino Nano R3：作为控制核心。

• 功率MOSFET晶体管：用于驱动线圈产生脉冲电流。

• 运算放大器：用于放大接收到的信号。

• 电阻器和电容器：用于电路的稳定和滤波。

• 搜索线圈：作为发射器和接收器，产生和检测磁场。

• LED和蜂鸣器：用于指示金属的存在。

• 锂离子电池：为设备供电。

2. 电路描述

（以下以文字描述代替具体图示）

• 线圈：搜索线圈是金属探测器的核心部件，它通常由绝缘铜线缠绕而成。在本项目中，线圈的直径为20厘米，包含25匝铜线。线圈的一端连接到功率MOSFET晶体管的输出端，另一端连接到运算放大器的输入端。

• 脉冲发射：Arduino Nano R3通过功率MOSFET晶体管向线圈发送强大的短脉冲电流。这些脉冲电流会产生短暂的磁场，当脉冲结束时，磁场会反转极性并突然崩溃，从而产生尖锐的电尖峰。这个尖峰会被运算放大器放大并发送到Arduino的ADC引脚进行读取。

• 信号检测：当金属物体进入磁场范围时，会改变磁场的强度和方向，从而产生感应电流。这个感应电流会被线圈捕获并转化为电信号。运算放大器将这个信号放大后发送到Arduino的ADC引脚进行读取。

• 指示器：Arduino根据读取到的信号判断金属物体的存在，并通过LED和蜂鸣器进行指示。当检测到金属时，LED会亮起，蜂鸣器会发出声音。

四、软件设计

1. 程序流程

1. 初始化：设置Arduino的引脚模式、串口通信等。

2. 发送脉冲：通过Arduino的PWM引脚产生脉冲信号，控制功率MOSFET晶体管向线圈发送脉冲电流。

3. 读取信号：使用Arduino的ADC引脚读取运算放大器放大后的信号。

4. 判断金属：根据读取到的信号判断金属物体的存在。

5. 指示金属：如果检测到金属物体，则点亮LED并发出蜂鸣声。

2. 代码示例

以下是一个简化的代码示例，用于说明如何基于Arduino Nano R3实现脉冲感应金属探测器的基本功能。请注意，这只是一个简单的示例，实际项目中可能需要更复杂的逻辑和参数调整。

#define capPin A5  // 电容器连接的引脚  

#define buz 9      // 蜂鸣器连接的引脚  

#define pulsePin A4 // 脉冲发射引脚  

#define led 10     // LED连接的引脚  



long sumExpect = 0; // 运行的64个和的总和  

long ignor = 0;    // 被忽略的和的数量  

long diff = 0;     // 和与平均和之间的差值  

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++) {

// 重置电容器  

pinMode(capPin, OUTPUT);

digitalWrite(capPin, LOW);

delayMicroseconds(20);

pinMode(capPin, INPUT);



applyPulses(); // 发送脉冲并读取电容器上的电荷  

int val = analogRead(capPin); // 读取电容器上的电压  



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需要在某处定义和计算）  

ignor = 0;

} else {

ignor++;

}



if (ignor > 64) {

sumExpect = sum << 6; // 左移6位相当于乘以64  

ignor = 0;

}



// 根据差值计算蜂鸣器周期（这里省略了具体的计算逻辑）  

// ...  



// 如果检测到金属，则点亮LED并发出蜂鸣声  

// ...  

}

}



void applyPulses() {

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

digitalWrite(pulsePin, HIGH); // 发送脉冲  

delayMicroseconds(3.5);       // 脉冲持续时间  

digitalWrite(pulsePin, LOW);

}

}

注意：

• 上面的代码示例中省略了一些细节和计算逻辑，如avgsum的定义和计算、蜂鸣器周期的计算等。在实际项目中，这些逻辑需要根据具体的硬件和参数进行调整。

• applyPulses()函数用于发送脉冲信号到线圈。在实际项目中，可能需要调整脉冲的宽度、频率和数量以获得最佳的探测效果。

• analogRead(capPin)用于读取电容器上的电压，这个电压值会随着金属物体的接近而发生变化。在实际项目中，需要根据读取到的电压值来判断金属物体的存在。

五、调试与优化

1. 校准：在首次使用或更改硬件组件后，需要对金属探测器进行校准。校准过程包括调整脉冲宽度、频率和数量等参数，以获得最佳的探测效果。

2. 灵敏度调整：通过调整程序中的参数（如电容器的大小、电阻器的值等），可以改变金属探测器的灵敏度。灵敏度越高，探测器对金属物体的反应越敏感，但也可能导致误报。

3. 滤波与降噪：金属探测器在工作时可能会受到外部干扰（如电磁波、电磁脉冲等）的影响。为了提高探测器的稳定性和准确性，可以在电路中添加滤波器来降低噪声。

六、总结

基于Arduino Nano R3的脉冲感应金属探测器是一个有趣且实用的项目，它结合了电子学、编程和物理学的知识。通过本项目，可以深入了解电磁感应原理、Arduino编程以及硬件电路设计等方面的知识。同时，本项目还可以作为安全设备、考古探测、矿产资源勘探等领域的一种应用示例。